[發明專利]熱超聲倒裝芯片鍵合機

無效

• 申請號: 200610031493.0
• 申請日: 2006-04-12
• 公開（公告）號: CN101055846A
• 公開（公告）日: 2007-10-17
• 發明（設計）人: 易幼平;李軍輝;隆志力;王福亮;謝敬華;韓雷;鐘掘
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01L21/607
• 分類號: H01L21/607;H01L21/68;H01L21/00;B23K20/10;B23K37/04;B29C65/08
• 代理公司: 中南大學專利中心
• 代理人: 龔燦凡

技術領域

本發明涉及微電子、光電子制造領域，特別涉及微電子倒裝芯片、光電子LED晶片和基板的熱超聲倒裝鍵合裝備，是一種具有芯片自動拾取、芯片與基板自動對準功能的全自動倒裝芯片鍵合設備。

背景技術

倒裝芯片鍵合是一種通過在芯片和基板上制備焊盤、將芯片的有源區面對基板實現鍵合的芯片互連技術。與引線鍵合相比，倒裝芯片鍵合具有I/O數密度高、互連線電阻/電感小、信號間竄擾小、信號傳輸延時短、電性能好等優點，被電子封裝業認為是芯片封裝的最終技術。

當前的倒裝鍵合工藝包括熱超聲鍵合、再回流焊(C4)、熱壓鍵合、環氧樹脂導電膠鍵合等方式。再回流焊可靠性比較高，凸點數量多，但它采用的是Sn/Pb焊料，對環境及人體的保護極為不利。環氧樹脂導電膠連接工藝簡單，且在低溫下鍵合，但存在可靠性不好、寄生電阻太大等不足。熱壓連接工藝沒有污染問題，效率高，也存在可靠性不高、鍵合條件要求苛刻等缺點。熱超聲鍵合是當前倒裝芯片封裝領域中極其具有發展潛力的一種新型工藝，它利用超聲能量、壓力、以及熱量的相互作用，實現芯片I/O端口之間的直接互連。熱超聲連接工藝的主要特性是工藝簡單，連接效率高，可靠性好，并且是一種無鉛的綠色焊接。

目前，已有的倒裝芯片鍵合機雖然集成了再回流焊(C4)、熱壓鍵合、環氧樹脂導電膠鍵合、熱超聲鍵合等工藝，可實現芯片與基板的互連，但其鍵合過程需要人工干預，只適應于實驗室單件、小批量芯片封裝。

發明內容：

為了實現微電子集成芯片、光電子高功率LED晶片和基板之間的互連，發展高密度高性能互連技術，本發明采用熱超聲倒裝鍵合工藝，提供一種微電子封裝自動化生產用倒裝芯片鍵合機。

熱超聲倒裝芯片鍵合機，主要包括承載倒裝芯片的運動平臺、對倒裝芯片與基板實施精確定位的視覺系統、對倒裝芯片進行鍵合的超聲換能系統、在鍵合過程中完成芯片的自動拾取的真空吸附系統及加熱鍵合工作臺、使工作臺保持恒定的溫度的溫控系統，具體結構組成為：

1.運動平臺

運動平臺包括一個X方向電移臺、一個Y方向電移臺、一個Z方向電移臺、一個置于Z方向電移臺上的Z軸微動臺和二個置于Y方向電移臺上的、分別用于放置芯片和基板的Z軸旋轉臺。

2.視覺系統

視覺系統通過芯片和基板上的標識對芯片進行自動對準，主要包括固定在機架上、用于采集基板信息的上鏡頭、固定在Y方向電移臺上、用于采集倒裝芯片信息的下鏡頭、置于Y方向電移臺且與Y方向電移臺成45°角的平面鏡、采集信息處理模塊、照明系統。

3.超聲換能系統

超聲換能系統包括超聲發生器，將超聲能量轉換成超聲振動能的換能器，與換能器配套的帶真空吸嘴的鍵合頭。

所述超聲發生器為：通道數：2路超聲信號輸出，超聲功率：輸入功率：1～80W，頻率：62～65kHz標準操作頻率，具有頻率跟蹤功能，時間：5～100毫秒，0.1～1秒。換能器諧振頻率：64kHz，承受壓力：98N。

本發明與現有方法相比，具有以下特點：

1)超聲鍵合技術明顯降低鍵合溫度，鍵合溫度為150～200℃(熱壓、回流的溫度為300～400℃)；可減小鍵合過程溫度對芯片的影響，提高焊接可靠性。

2)超聲能使金屬軟化的效果是熱軟化的100倍，降低了焊接的功率，提高了焊接效率，節約了能源。

3)熱超聲倒裝鍵合無需添加助焊劑，無鉛焊接，綠色環保。

4)熱超聲倒裝鍵合效率高，鍵合時間少于300毫秒，適應于自動化生產。

熱超聲倒裝鍵合機具有自動吸附芯片、自動校準芯片、恒溫控制、自動芯片與基板鍵合等功能，適用于1×1～5×5mm微電子及LED芯片的倒裝鍵合，具體技術指標如下：芯片對準精度：±5μm，最大鍵合凸點數：40，鍵合壓力：0.049～19.6N，芯片尺寸：1×1mm～5×5mm，Z軸位移精度：5nm。

附圖說明：

圖1：熱超聲倒裝芯片鍵合機結構示意圖；

圖2：倒裝鍵合芯片及分離界面SEM圖。

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

具體實施方式

系統工作原理敘述如下：

1)將倒裝芯片、基板分別放置在Z軸旋轉臺4、8上；

2)控制系統按標定坐標值自動驅動X工作臺7、Y工作臺6，使吸附臺上的倒裝芯片處于上鏡頭1正下方，再自動驅動Z軸旋轉臺4，使倒裝芯片的偏轉角為零；控制系統發出控制指令自動驅動X、Y工作臺，使倒裝芯片的幾何中心與上鏡頭1中心坐標重合；