基于倒裝鍵合設備的準直調平系統研究

閆 瑛，郝耀武，王增琴

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

隨著半導體制造工藝的進步和市場對微小芯片需求的急速增長，芯片I/O密度越來越高，芯片尺寸、芯片引線鍵合和焊盤直徑持續減小，因而對封裝設備的鍵合精度提出了極高的要求[1]，鍵合前相對平行度的好壞直接決定了鍵合精度的穩定性，鍵合過程如圖1所示。目前主要依靠機械裝調或自適應的方式來保證鍵合前的平行度，但對于凸點倒裝，機械裝調的效果和自適應無法滿足高精度鍵合的需求。因此，準直調平系統的研制對于高精度倒裝芯片的互連有重大意義。

圖1 倒裝鍵合過程示意圖

1 自準直原理

數字光電自準直儀原理如圖2所示，光線通過位于物鏡焦平面的分劃板后，經物鏡形成平行光。平行光被垂直于光軸的反射鏡反射回來，再次通過準直鏡頭后由分光棱鏡轉折匯聚在位于共軛焦平面的CCD表面，形成分劃板像。當反射鏡傾斜一個微小角度時，反射回來的光束就產生一個傾角，位于CCD探測表面的分劃板像就產生一個位移。通過CCD對分劃板像位移的判讀即可得知反射鏡的角位移。這就是光學自準直的基本原理。設分劃板到物鏡的距離為f，反射鏡偏轉角度為α，十字分劃板在CCD上所成像的位置變化為γ，則α=γ/2f。

圖2 數字光電自準直儀原理圖

2 準直光路設計

根據光學自準直原理及倒裝工藝需求設計準直系統，設計平面圖[2]如圖3所示。

圖3 準直光路設計平面圖

3 準直系統光學設計及像質評價

準直系統的設計，主要考慮矯正球差、彗差、畸變等，設計結果如圖4所示。

圖4 準直系統光學設計圖

對準直系統的光學設計結果進行綜合模擬及仿真分析與計算。光學系統MTF如圖5所示，能量集中度曲線如圖6所示，畸變曲線如圖7所示。

圖5 準直系統MTF曲線

圖6 準直系統能量集中度曲線

圖7 準直系統畸變曲線對比

根據以上仿真與分析可知，系統在可見光波段全視場MTF已設計為衍射極限系統，系統的彌散圓半徑都在1μm以內，系統成像質量很好，能夠滿足對十字分劃板成清晰的圖像。

另外，透過系統畸變曲線可知，本系統畸變的最終設計值為0.000 32%，可以保證十字分劃像不變形。

4 準直調平過程設計

準直系統的工作原理如圖8所示，分別將十字靶標圖形如圖9所示投射在芯片和基板的反射面上，圖形反射通過準直光路投射到CCD上。根據光學準直原理，假如CCD上顯示兩個不重合的十字靶標，則認為芯片和基板兩平面不平行，通過驅動平行度調節執行機構，調節兩個十字靶標到完全重合，則完成芯片和基板的平行度調節。

圖8 準直系統工作原理圖

圖9 十字靶標

調節過程中通過視覺拍攝上下兩個十字靶標圖形在視場坐標系內的位置坐標，以基板靶標為基準，可以計算出兩靶標之間的XY方向像素坐標的偏差值（rx，ry），依據激光干涉儀已經標定的位移與脈沖對應關系（在整個行程中分別記錄多組XY方向脈沖與對應像素坐標的值，采用Matlab中最小二乘法進行擬合，計算出兩組像素和脈沖的對應關系），分別計算像素偏差對應的脈沖量，調節對應的步進電機，實現調平功能。

高精度機構采用半球氣浮結構，分別通過驅動俯仰和偏擺電機推動精密螺旋推桿，使球凸產生兩個方向的運動，設計原理為：已知步進電機推桿和球面連接桿交點到球面定點的距離為A，如圖10所示，球面半徑為R，轉角分辨率為B，轉角行程為C，步進電機導程為S，傳動裝置的綜合傳動效率為η，減速比為i，保持轉矩為HT，設：D為步進電機脈沖行程，θS為步進電機步距角，E為整個行程允許位移，F為推力[3]，計算過程如下：

圖10 半球氣浮結構示意圖

5 結束語

本文從高精度倒裝鍵合工藝需求出發，提出了基于自準直原理的調平方案，給出了相應的光路設計以及仿真過程，配合視覺檢測以及高精度執行機構實現準直調平的功能，目前準直調平功能以及在高精度倒裝設備上進行了驗證，功能和性能均能滿足設備使用要求。