WLP微球植球機的重力植球法研究與應用

Research and application about gravity mounter method on wafer-Level package ball mounter

劉勁松1,2，萬鵬程1，時　威1

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海微松工業自動化有限公司，上海 201114）

LIU Jin-Song1,2,　WAN Peng-Cheng1,　SHI Wei1

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WLP微球植球機的重力植球法研究與應用

Research and application about gravity mounter method on wafer-Level package ball mounter

劉勁松1,2，萬鵬程1，時威1

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海微松工業自動化有限公司，上海 201114）

LIU Jin-Song1,2,WAN Peng-Cheng1,SHI Wei1

摘要：晶圓級封裝（WLP）是目前主流的高端半導體封裝技術之一，如何提高焊錫植球精度是當前的各大廠商關注的熱點問題。通過介紹焊錫植球的基本流程，引出并比較了兩種常見的焊錫球搭載方式。并對重力植球法的關鍵技術進行進一步闡述，包括焊錫球供球與回收裝置和機器視覺對準裝置。最后通過實驗對植球過程中可能產生的缺陷進行檢測和觀察，與半自動植球機比較，證明通過參數調整能滿足實際生產所需要的植球要求。

關鍵詞：晶圓級封裝；植球機；重力植球法

0　引言

晶圓級封裝（WLP，Wafer Level Package）是指直接在晶圓（Wafer）上進行封裝和測試，然后再將其切割分離（singulation）為單個IC顆粒的封裝技術。與傳統的先切割再封測的技術相比，WLP實現了制造技術與封裝技術的融合；取代了傳統的引線鍵合（Wire Bonding）技術，采用芯片凸塊技術（Bumping）；并實現了產品尺寸與IC裸晶原始大小幾乎相同的封裝體積，故其為芯片尺寸封裝（CSP，Chip Scale Package）的種[1]。該技術滿足了目前市場上對便攜性產品尺寸不斷減小的需求。

WLP封裝過程中最為關鍵的設備是微球植球機，其主要機構包括：印刷機構，植球機構，檢測機構以及上下料機構[2]。上料機構通過將晶圓預對準（Pre-Alignment）后放上晶圓搬運平臺，晶圓依次通過印刷機構涂敷助焊劑（Flux），植球機構手動或自動將焊錫球放置于晶圓上，最后將植球完成的晶圓放回晶圓盒（Cassette）[3]。WLP封裝的技術難點主要包括：凸點技術[4,5]，超精密絲網印刷[6]，微球搭載技術[7]。本文主要討論的通過對文獻[7]所討論的微球搭載技術進行拓展，分析了主流焊錫球搭載技術，對植球過程所需要的設備原理及結構進行研究。并通過實驗與自主研發的半自動晶圓植球機WMB-1100進行比較，證明通過該設計能達到實際生產所需要求。

1　植球流程分析

植球流程主要包括：焊錫球的供給，焊錫球的放置以及多余焊錫球的回倉[8]。晶圓在完成印刷過程后，通過晶圓搬運平臺移動到植球位置。此時通過焊錫球供給裝置提供焊錫球，然后通過定的方法將每個焊錫球放置在對應的位置上面，完成植球過程。焊錫球體積小（直徑大約在0.15mm～0.76mm），故焊錫球搭載技術的方法主要有以下兩種：真空吸引法和重力植球法。

真空吸引法植球的原理是通過真空吸頭拾取焊錫球，將其植到芯片或晶圓上。其優點在于設計簡單，成本低，廣泛用于另種植球工藝——基板（BGA）植球技術中[9]。但WLP與BGA相比，由于BGA植球對象是切割完成的芯片，可以放在固定的模版中；而WLP植球對象則是整片完整的晶圓，放置在晶圓搬運平臺上，定位誤差與精密定位模具有定差距。同時完整晶圓片相比較切割好的IC芯片需要植球的數量更多，例如現在主流的12inch晶圓上存在750～1500個芯片，遠高于傳統基板（BGA）植球技術通過真空吸引法加精密模具對40～50個芯片的加工。故WLP使用真空吸引法所需要設計的相應的模型過于復雜，且成本過高，不實際。

重力植球法是通過對準裝置，將晶圓與超精密絲網對齊，然后焊錫球通過重力方式穿過超精密絲網的網孔落到晶圓上的助焊劑上。其優點在于每次能同時植球的數量較多，但缺點是焊錫球容易出現堵塞和變型。由于當前主流12inch晶圓上需要植球的數量較大，故采用此方法。

重力植球法機構設計的關鍵在于：焊錫球供球和回收裝置的設計以及對準裝置的設計。

2　焊錫球供球和回收裝置

圖1　供球和回收裝置結構示意圖

如圖1所示，焊料池主要放置焊錫球，由于焊錫球體積較小，且表面光滑，在球與球之間會形成相互吸引的力，稱之為黏著力。隨著焊錫球的尺寸越小，表面現象占的比重越大，故每次將部分的焊錫球傳送到振動盤中，振動盤產生微小振動將相鄰的焊錫球分離開來。同時為了確保焊料池有足夠的焊錫球，通過傳感器監測，如果沒有達到設定的高度，則通過傳感器反饋信號，通過焊料池對振動盤填充焊料。通過多次實驗調整植球過程從焊料池傳送到振動盤的焊錫球數量，可以保證不會因為供球過多或者過少影響植球的成功率。

儲球容器通過Z軸方向的氣缸和電磁閥控制其的工作狀態，其在工作狀態下與超精密絲網接觸。這時候對于超精密絲網表面會存在如下幾個力的作用：儲球容器的壓力、超精密絲網與焊錫球之間的接觸力、焊錫球的壓力。這些都會導致超精密絲網發生彈性變形形成彈性變形力[11]。這里主要分析超精密絲網與焊錫球之間的接觸力。

假設最初超精密絲網為平整的表面，焊錫球的半徑為R的剛性球體，焊錫球與超精密絲網的接觸面為個半徑為a的圓形區域，r表示xy平面上產生的位移，p0表示法向方向的最大壓力。如圖2所示。

圖2　焊錫球作用下絲網的變形

其法向的壓力分布：

根據赫茲（Hertz）接觸理論，在應力作用下，垂直方向的位移應該滿足如下關系：

根據上式可以分別求出：

將上式帶入到總應力公式：

焊錫球通過振動盤傳入儲球容器中，儲球容器的底部為了防止對超精密絲網產生磨損故采用特定的掃球材料。通過x軸方向和y軸方向的兩個電機帶動裝球容器在超精密絲網上移動，其中的焊錫球由于重力的作用，從絲網的小孔中落到助焊劑上面，同時與容器運動方向相反側的掃球材料將多余的焊錫球帶走，保證在超精密絲網表面不存在多余的焊球，如圖3所示。

在完成工作表面的整個循環后，還可以通過視覺檢測裝置對植球表面進行檢測，對于缺失球的部位，將儲球容器移動至該位置，讓焊錫球再次覆蓋次表面，實現補球。若再次檢測仍出現無法植球的情況，則通過信號傳送至計算機界面，通過手工植球的方式進行補球。但這種方式只能對焊錫球缺失進行補償，而不能檢測到超精密絲網出現的多顆球粘黏（bridge）的現象，同時有些問題是經過回焊發生的缺陷，故常額外采用補球機的形式對晶圓表面的缺陷進行補球，而不在晶圓植球機上進行[9]。

最后，將容器移動超精密絲網邊緣以遠離植球工作區域。通過真空吸附，將多余的球吸走，吸入供球裝置，實現焊錫球的回收。

圖3　重力植球過程圖

3　圖像定位裝置

圖像定位裝置主要用于將超精密絲網孔與晶圓上涂敷助焊劑的位置對齊，保證焊錫球能夠準確的落入對應晶圓的膠點上。圖像定位裝置相關聯的硬件主要包括：CCD攝像頭，視覺控制器，PLC，伺服電機，伺服控制器，上位機構成，如圖4所示。

圖4　圖像定位裝置結構示意圖

要實現超精密絲網與晶圓之間的對齊，需要對攝像機進行標定。因為超精密絲網通過兩個氣缸固定在植球機植球平臺上，即可假設其相對靜止。通過攝像頭標定，使得晶圓在傳送過來后與超精密絲網對齊。這里采用針孔模型對攝像機進行描述。

設晶圓在世界坐標系下面的坐標為Xw=(xw,yw,zw)T，其在圖像坐標系下面的坐標為(u,v)T，兩者滿足以下關系[12]：

其中：M1稱為攝像機內參數矩陣；(u0,v0)為圖像主點，其中考慮到CCD攝像機鏡頭的徑向畸變和切向畸變。M2稱為物理變化矩陣，其中的R和T分別是旋轉和平移矩陣。

ax和ay可以表示為：

f為有效焦距，是圖像平面與光學中心的距離；sx為比例因子；k1和k2為前兩階徑向畸變系數，dx和dy分別為CCD攝像機在X和Y方向的像素大小；rd為畸變后圖像的像素半徑。

圖5　顯微放大模型

由于晶圓上的焊錫球較小，故需要通過顯微放大模型對其有效焦距進行標定，如圖5所示，其中AB表示物體的大小，A'B'表示放大后的成像。l為物距，l'為相距；透鏡的等效焦距為fe。由于所拍攝晶圓平面與攝像頭平面平行。故zc=l，f=l。根據高斯成像理論，可以得出：

圖6　晶圓定位標識

完成攝像頭的標定之后，我們需要通過學習獲得晶圓的正確位置，這里包括設定攝像機的標定參數并對植球平面與攝像頭、超精密絲網的平面進行誤差補償。通過不斷的實驗調整參數，獲得植球效果最佳的植球點，在此位置通過CCD攝像機對晶圓上的特征點進行識別，經過圖像采集卡采集信號，然后通過公式轉化為圖像信息存儲在上位機中。等實際生產過程中，將測量到的數據與預存在上位機中的超精密絲網與晶圓的準確定位的位置關系進行比較，比較后上位機通過對PLC發送命令，控制個方向的驅動器，間接控制電機對晶圓搬運平臺的坐標 XY及角度θ計算修正[2]。

4　實驗與分析

通過重力植球法植球過程中出現的缺陷可能有：錫球偏移、錫球缺失、錫球冗余和錫球變形[13]。通過調整攝像機參數和調整晶圓傳送平臺與超精密絲網的平行度可以提高植球的位置精度，以減少錫球偏移。通過變儲球容器的壓力、掃球材料以及移動路線可以提高錫球的植球質量，以減少錫球缺失、錫球冗余以及錫球變形等現象。

圖7　全自動重力植球效果圖

圖8　WMB-1100植球效果圖

根據重力植球法設計的全自動植球實驗結果如圖7所示，上海微松半自動晶圓植球機WMB-1100的植球效果如圖8所示，在次元影像測量儀上對其進行比較，發現無顯著差異，全自動植球的誤差能控制在合理范圍之內，故可以推廣到實際生產中。

5　結論

參考文獻：

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[13] 賈偉妙.基于機器視覺的芯片BGA封裝焊球缺陷檢測及MATLAB仿真[D].合肥工業大學,2009.

作者簡介：劉勁松（1968 -），男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，研究方向為高端半導體芯片制造裝備和工業機器人技術。

基金項目：上海市科學技術委員會項目（15DZ1101201）

收稿日期：2015-12-17

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)03-0102-04