鍵合機(jī)芯片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)仿真

郭 聳，朱歡歡，陳飛彪

(上海微電子裝備有限公司，上海 201203)

引線鍵合技術(shù)作為一種成熟的芯片連接技術(shù)目前在封裝制程中得到廣泛應(yīng)用；但是隨著IC芯片特征尺寸的減小和集成規(guī)模的擴(kuò)大，的間距不斷縮小、數(shù)量不斷增多。當(dāng) 間距縮小到70 μm以下時(shí)，引線鍵合技術(shù)就不再適用，必須尋求新的技術(shù)途徑。圓片級(jí)封裝（Wafer-Level Packaging，WLP）技術(shù)利用薄膜再分布工藝，使 可以分布在IC芯片的整個(gè)表面上而不再僅僅局限于IC芯片的周邊區(qū)域，從而解決了高密度、細(xì)間距IC芯片的電氣連接問(wèn)題。WLP技術(shù)以圓片為加工對(duì)象，在圓片上同時(shí)對(duì)眾多芯片進(jìn)行封裝、老化、測(cè)試，最后切割成單個(gè)器件。它使封裝尺寸減小至IC芯片的尺寸，生產(chǎn)成本大幅度下降，WLP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使其一出現(xiàn)就受到極大的關(guān)注并迅速獲得巨大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

WLP具有封裝尺寸較小、電性能較好的優(yōu)勢(shì)，但目前較為成熟的WLP技術(shù)，在單顆芯片上的植球數(shù)有一定限制；多用于低腳數(shù)消費(fèi)性IC的封裝應(yīng)用，在高腳數(shù)的芯片如通訊芯片等上應(yīng)用一直受限。為了解決WLP植球數(shù)不足的問(wèn)題，扇出晶圓級(jí)封裝（Fine out WLP）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如圖1所示。Fine out WLP將芯片嵌入環(huán)氧樹(shù)脂等材料中，形成重組圓片，然后利用前道隔離和平坦化工藝將互連扇出到芯片周圍區(qū)域、加入焊球，有效增大了芯片可焊球面積。已發(fā)展多年的扇出封裝技術(shù)未來(lái)將被更多芯片業(yè)者采納。

圖 1 Fine in和Fine out封裝

在Fine-Out（扇出）芯片鍵合制程中需要對(duì)芯片進(jìn)行重新布局，由于制造工藝的不同，芯片標(biāo)記面可能存在向上或向下工況。切割后的芯片（Die）進(jìn)入后道封裝制程時(shí)，一般為芯片標(biāo)記面向上狀態(tài)。當(dāng)需求芯片標(biāo)記面向下時(shí)，傳統(tǒng)方式需要以翻轉(zhuǎn)手將芯片翻轉(zhuǎn)180°，如圖2所示。然后拾取鍵合手與翻轉(zhuǎn)手交接芯片；這種工序?yàn)轫樞蚍绞剑瑢?dǎo)致設(shè)備產(chǎn)率不高。

圖2 芯片傳統(tǒng)分離方式原理圖

本設(shè)計(jì)通過(guò)兩個(gè)取放手旋轉(zhuǎn)交接實(shí)現(xiàn)芯片翻轉(zhuǎn)，然后取放手2將芯片放置到暫存器交接位。暫存器上分布4個(gè)以上工位，可以保證取放手2與鍵合手同時(shí)取放芯片，如圖3所示。這種并行工作方式可以大大提高設(shè)備產(chǎn)率。

圖3 芯片創(chuàng)新分離方式原理圖

1 芯片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作流程

貌本文所述，設(shè)計(jì)了一種新型芯片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。通過(guò)兩個(gè)取放手的交接實(shí)現(xiàn)芯片的180°翻轉(zhuǎn)。其中，取放手1用于從Wafer上拾取芯片（Die）并通過(guò)與取放手2的交接實(shí)現(xiàn)芯片（Die）的180°翻轉(zhuǎn)并放置到暫存器上的交接工位，暫存器旋轉(zhuǎn)位用于實(shí)現(xiàn)鍵合手拾取、鏡頭測(cè)量和取放手2放置芯片（Die）的同步工作，從而實(shí)現(xiàn)了工作效率的提高。其流程見(jiàn)表1。

表1 工作流程圖

2 芯片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

根據(jù)方案原理，取放手1為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶直線運(yùn)動(dòng)，即，直線運(yùn)動(dòng)裝置安裝在轉(zhuǎn)臂上；取放手2為直線運(yùn)動(dòng)帶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置安裝在直線運(yùn)動(dòng)副上。兩個(gè)取放手均選用不同直線伺服電機(jī)和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，以絕對(duì)光柵尺作為位置誤差測(cè)量元件，以光電傳感器作為電氣限位，以精密止動(dòng)螺釘作為機(jī)械限位；通過(guò)主副導(dǎo)軌配置結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)芯片柔性保護(hù)，如圖3和圖4所示。

圖4 模型結(jié)構(gòu)圖

2.2 結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)與參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）取放手1為旋轉(zhuǎn)帶直線運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)臂負(fù)載大導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大；取放手2為直線帶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)臂負(fù)載小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小；根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式：

本設(shè)計(jì)中，取放手1旋轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)載130 g，取放手2旋轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)載40 g，負(fù)載質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑約35 mm。由公式（1）得到需求的旋轉(zhuǎn)電機(jī)扭矩，并確定直線電機(jī)持續(xù)驅(qū)動(dòng)力。

（2）由于電機(jī)的發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致環(huán)境和結(jié)構(gòu)件升溫，而影響交接位置精度。所選用某型號(hào)電機(jī)發(fā)熱仿真如圖5所示，結(jié)果顯示電機(jī)線圈溫度穩(wěn)定在46.17℃。另配局部環(huán)境氣浴和熱抽排，可以保證裝置工作環(huán)境溫度。

圖5 電機(jī)發(fā)熱仿真

3 芯片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的模態(tài)與頻響分析

針對(duì)精密運(yùn)動(dòng)裝置需要研究其結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和頻率響應(yīng)。因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析。

3.1 模態(tài)分析

對(duì)結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，得出每階振型對(duì)應(yīng)模態(tài)；并相應(yīng)做結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

芯片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的有限元模型和模態(tài)仿真模型如圖6所示。

3.2 頻響分析

頻響分析主要用于計(jì)算結(jié)構(gòu)在周期振蕩載荷作用下對(duì)所計(jì)算頻率的動(dòng)響應(yīng)。根據(jù)計(jì)算，取放手2與暫存器的位置響應(yīng)滿足指標(biāo)需求，如圖7所示。

圖6 有限元及模態(tài)仿真模型

圖7 取放手2與暫存器相對(duì)位移

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的芯片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為一個(gè)獨(dú)立的芯片翻轉(zhuǎn)功能模塊，可以配套應(yīng)用于不同的芯片鍵合設(shè)備。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小、配置方式靈活。

本文所設(shè)計(jì)的芯片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)物樣機(jī)經(jīng)過(guò)測(cè)試、驗(yàn)證滿足設(shè)計(jì)要求，如圖8所示。并已在Fine-Out（扇出）芯片鍵合機(jī)上應(yīng)用。

圖8 芯片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)物樣機(jī)