[实用新型]一种高精度共晶键合设备

说明书

本实用新型涉及光通讯领域基板上芯片共晶键合技术领域，一种高精度共晶键合设备，包括设备基座，所述设备基座上端设有物料区和键合区；所述物料区包括一可在XYZ轴方向进行移动的拾取头单元，所述键合区包括共用导轨、光栅尺且相互独立控制的前芯片键合臂和后芯片键合臂，所述键合区还包括设置于所述上料台右侧且可在X轴方向移动的前共晶加热台和后共晶加热台，所述前共晶加热台和后共晶加热台之间设有可在X轴方向移动的芯片中继台，所述芯片中继台的前侧还设有芯片倒装翻面头。本实用新型采用双键合头的新型高精度光通讯共晶键合机的布局方案，以满足正装及倒装共晶键合的高精度要求，并通过并行双头方案实现设备产率的极大提高。

技术领域

本实用新型涉及光通讯领域基板上芯片共晶键合技术领域，尤其涉及到一种高精度共晶键合设备。

背景技术

诸如云计算、网络和基于手机的应用程序，以及超大规模数据中心(如 FACEBOOK、Google、Microsoft及Amazon)的存储等需求催生了远程传输网络、都市通信系统和数据中心的升级需求，这些都加速推动了未来光通讯领域的迅猛发展。对数据和带宽的需求持续扩张，导致大批量生产(HVM) 光器件的需求达到前所未有的水平。就性能、可靠性和需求量而言，COS 器件在光电子器件的关键模块中处于核心地位。在光纤传输领域，激光二极管(LD)COS，是发光和传输的起点，而光电探测器(PD)COS是光传输的终点，在此处光信号被转译成电信号。

当今市场上的贴片机种类繁多，诸如ASM、BESI和KNS等主流供应商均推出各种类型键合机以满足通用半导体器件封装应用需求。然而，这类通用型半导体封装键合机很难满足COS大批量生产应具有的特殊需求。

因发热，元器件尺寸较小以及逸出气体等方面的约束要求，光通信领域的键合一般采用共晶焊工艺。所谓共晶焊，是指采用一种适当配比的焊料合金(通常为金锡合金)作为辅助材料形成两个元件之间连续粘结的工艺。进行共晶焊时，组件温度会被迅速加热至焊料的熔点以上，然后受压保温键合，最后零件被快速冷却至回流温度，共晶焊完成。为了防止焊接面氧化，共晶焊接通常在惰性气体环境中完成。

COS元件，如激光二极管(LD)、光电探测器(PD)、电容器或者热敏电阻等，通常小至200平方微米以内，且由易碎的III-V族化合物半导体材料制成，如GaAs和InP等材料。这类小、薄且易碎芯片一般采用GEL-PAK 或者UV膜上料。在芯片拾取过程中，必须要有精密的微力控制，拾取头与顶针之间要同步，且吸嘴需要避开LD芯片发光区，既要避免芯片损伤又要能够实现芯片的有效拾取。

基于光耦合效率及产量的考量，共晶键合后的工艺精度一般要求在 5μm(±3σ)以内，并朝着3μm(3σ)或更高精度迈进，这对共晶键合设备提出了很高的技术要求。

为了实现高精度贴合，德国Finetech公司Fineplacer系列共晶键合机采用如图4所示的光镜对位原理，即分光镜、芯片、基板和焊臂旋转轴分别处于一个正方形的4个顶点。由于是采用同一个固定焦距的摄像头同时观察芯片和基板的图像，故可以基于高精度的机器视觉反馈，精密调整芯片与基板的相对偏差，从而可以实现最高0.5μm(3σ)的高精度键合。不过，这种旋转式双面对准方案仅适用于倒装芯片的高精度键合，对于正装则会导致其键合精度降低，且这种双面对准方案因产率太低而很难用于量产。

法国SET公司在其键合机(FC150)采用如图5所示的双面对准相机方案。在键合前，将具备X/Y调整自由度的双面对准相机深入键合头和基板台之间，确保键合头芯片与基板台基板同时处在上下视相机的焦面，调整对应芯片和基板的相对水平向(X/Y/Rz)位置偏差，锁定水平向自由度后，移出双面对准相机后，Z向键合，保证了共晶键合的对准精度，其共晶键合精度可以达到0.51μm(3σ)。SET的FC150与Finetech公司Fineplacer 系列共晶键合机存在类似的产率偏低的致命缺陷，无法满足客户的量产需求。