直線式共晶固晶機的設計與實現(xiàn)

鄭嘉瑞

( 深圳市聯(lián)得自動化裝備股份有限公司， 廣東 深圳 518109)

根據(jù)SEMI(國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會)數(shù)據(jù)，近3年來我國已經(jīng)連續(xù)成為全球最大的半導體設備市場，隨著國內(nèi)半導體晶圓廠擴大生產(chǎn)規(guī)模和國產(chǎn)替代加速，國內(nèi)半導體設備廠商迎來了發(fā)展黃金期[1]。半導體集成電路制造設備通常可分為前道工藝設備（芯片制造）和后道工藝設備（芯片封裝測試）兩大類。其中，刻蝕/去膠設備、薄膜沉積設備、光刻設備為半導體制造的三大核心設備，而后道封裝測試工序及其相應設備包括減薄、劃片、固晶、焊線、塑封、測試、分選等設備。其中固晶設備（也稱固晶機）、裝片機、上芯機等是半導體封裝測試工藝中最為核心的設備[2]。根據(jù)不同細分行業(yè)應用領(lǐng)域有：IC 固晶機、LED 固晶機、分立器件固晶機等。本文所述的直線式共晶固晶機是一種應用于半導體分立器件的封裝測試工藝流程的固晶機。

1 共晶固晶機及其工藝

具體來說，共晶固晶機廣泛應用于半導體分立器件領(lǐng)域的三極管封裝測試生產(chǎn)線上的固晶工藝段。這種設備是通過固晶焊頭模組將芯片從工作臺上的晶圓藍膜上，在機器視覺的引導下使用真空吸嘴精準拾取，并在視覺引導下精準放置芯片，使其粘貼在經(jīng)過高溫軌道的引線框架上的固晶區(qū)的芯片鍵合設備。

這種固晶工藝設備是采用一種共晶鍵合工藝，針對這種工藝，國內(nèi)部分半導體設備公司為了追求更低的制作成本，簡化結(jié)構(gòu)，采用擺臂式焊頭機構(gòu)來研發(fā)固晶機，這種擺臂式固晶機常見于LED 封裝領(lǐng)域，這類設備在設備精度上要求比較低，在LED 固晶機領(lǐng)域，被廣泛應用[3]。

焊頭模組是固晶機最核心的機構(gòu)組成部分，它的性能將直接決定固晶的質(zhì)量和效率。比較而言，直線式固晶機是在精度、穩(wěn)定性上優(yōu)勢明顯，通常IC 固晶機、高精度倒裝固晶機均是采用直線式焊頭機構(gòu)的設計方式。這種固晶機在系統(tǒng)響應、穩(wěn)定性、擴展性、重復定位精度等方面都具備優(yōu)勢，本文論述的直線式共晶固晶機正是采用的這種設計方式。

根據(jù)不同的芯片封裝方式，有多種固晶工藝，比如共晶工藝、軟焊料工藝、銀漿工藝等。其中共晶工藝通常是在芯片底部和引線框架表面上分別預先敷上共晶鍵合材料，加熱芯片或者引線框架到一定的溫度，在壓力作用下使得芯片和引線框架粘結(jié)在一起，并且形成共晶鍵合層。這種共晶鍵合層是由兩種金屬材料在一定溫度下混合形成，常見的有金- 錫、金- 銅、金- 硅共晶層等，不同金屬材料共晶鍵合的溫度不同，金- 錫共晶溫度較高，在400 ℃以上。芯片共晶鍵合的好壞會對芯片封裝后續(xù)的可靠性和使用壽命產(chǎn)生影響，相較而言，共晶工藝可以做小尺寸封裝，比如共晶設備可以焊接小至0.20 mm×0.20 mm 的芯片。同時，共晶工藝的封裝成本比銀漿工藝低，在導熱性、可靠性、導電性等方面，共晶工藝也有明顯優(yōu)勢[4]。

2 共晶固晶機設計工藝流程及規(guī)格要求

共晶固晶機的主要工藝過程為：由卷料上料機構(gòu)將引線框架傳送到軌道中，經(jīng)過加熱區(qū)對引線框架進行加熱，同時，將晶圓放置在晶圓工作臺上，進行擴晶動作，在視覺引導下，焊頭機構(gòu)執(zhí)行拾取芯片動作，此時頂針機構(gòu)向上運動頂起芯片，芯片從晶圓膜上脫離，被焊頭機構(gòu)的吸嘴吸起，然后在視覺引導下，將芯片放置在引線框架的固晶區(qū)。芯片放置后，引線框架移動，焊頭機構(gòu)在視覺引導下與頂針機構(gòu)配合繼續(xù)拾取和放置芯片在引線框架上，重復以上動作，即為一個完整的共晶固晶機工藝過程。

共晶固晶機除了要求設備能實現(xiàn)工藝動作，要求運行穩(wěn)定外，還要求保證高速度、高精度、高穩(wěn)定性，以及實現(xiàn)主要的技術(shù)規(guī)格。 常見的共晶固晶設備主要核心技術(shù)指標為：（1）UPH（每小時生產(chǎn)的芯片數(shù)量）＞15 000；（2）精度為±35 μm；（3）芯片尺寸0.2 mm×0.2 mm～1 mm×1 mm；（4）固晶力30～150 g。其中芯片尺寸參數(shù)是關(guān)乎設備兼容性，UPH 是關(guān)乎設備生產(chǎn)效率，精度和固晶力是關(guān)乎設備性能。當前，半導體固晶機的綜合能力主要集中在UPH 和精度上，其中難點是在精度上，這個指標規(guī)格是區(qū)別高、中、低端固晶機的主要技術(shù)規(guī)格[5-7]。

3 共晶固晶機機構(gòu)組成

共晶固晶機主要由上料機構(gòu)、軌道傳輸機構(gòu)、晶圓工作臺、頂針機構(gòu)、焊頭機構(gòu)、視覺機構(gòu)、下料機構(gòu)等機構(gòu)組成，各機構(gòu)功能表1 所示。這些機構(gòu)組成了整機的機構(gòu)硬件部分，結(jié)合整機的電氣、視覺和運動控制設計實現(xiàn)了共晶固晶機的功能。機構(gòu)組成是根據(jù)需要生產(chǎn)的晶圓芯片、引線框架等生產(chǎn)物料參數(shù)，以及技術(shù)規(guī)格要求設計的，機構(gòu)設計是固晶機設計的基本，運動控制設計是靈魂。固晶機機構(gòu)最終的動作執(zhí)行，由步進電機、伺服電機、直線電機、氣缸、傳感器等部件互相配合來實現(xiàn)。

表1 共晶固晶機的主要機構(gòu)組成

4 主要機構(gòu)分析

4.1 焊頭機構(gòu)

圖1 所示是一種直線式焊頭機構(gòu)，這是區(qū)分擺臂固晶機的核心機構(gòu)，直線焊頭的動作軌跡在X 方向、Y 方向和Z 方向都是直線移動，高速往返于取晶和固晶位置之間，而擺臂固晶機的焊頭在XY 平面方向上是旋轉(zhuǎn)移動。直線焊頭機構(gòu)由直線電機模組分別在X 方向、Y 方向、Z 方向和1 個旋轉(zhuǎn)方向上的電機組成，這是目前高速度、高精度固晶機主要采用的固晶機構(gòu)。直線電機模組搭配高分辨率的光柵尺，使得速度和精度得以保證。當前全球領(lǐng)先的半導體中高端固晶設備公司ASM、BESI、Fasford 等均是采用直線式焊頭機構(gòu)的方式。實際設備生產(chǎn)過程中，焊頭機構(gòu)的運動是互相聯(lián)動的，這個機構(gòu)是整個固晶機的核心機構(gòu)，采用了定制的直線電機模組和與之搭配的高分辨率光柵尺，運行軌跡進行理論時序規(guī)劃和計劃，使得其運行高速、平滑順暢[8]。

圖1 焊頭機構(gòu)

直線電機具有響應快、高速度、高精度、高速往復運動、運動軌跡復雜等特點，目前已經(jīng)在高精密工作臺、半導體設備中廣泛應用[9]。本文采用的直線式焊頭機構(gòu)即是采用了直線電機，該機構(gòu)需要精確、快速、平穩(wěn)地往返于取晶和固晶兩個位置，實現(xiàn)高速拾取、移動和高精放置芯片等動作。在取晶后傳送至固晶位置的過程中，還需檢測是否有漏晶現(xiàn)象，即未能成功吸取芯片。

4.2 晶圓工作臺

晶圓工作臺設計的英寸大小是根據(jù)不同的晶圓尺寸，當前傳統(tǒng)封裝主要是200 mm（8 英寸）晶圓，先進封裝主要是300 mm（12 英寸）晶圓。圖2是為了說明本文設計的整個晶圓工作臺機構(gòu)，本文設計的是一個200 mm 晶圓工作臺，向下可以兼容到150 mm 晶圓，一般工作臺都是向下兼容，比如300 mm 晶圓工作臺，可以兼容200 mm 晶圓。

圖2 晶圓工作臺

整個晶圓工作臺可在XYZ 方向以及旋轉(zhuǎn)方向上進行運動，圖2 中分別由XY 方向上的直線電機和Z 方向以及旋轉(zhuǎn)方向上的伺服電機進行驅(qū)動。在設備運行過程中，工作臺需要與焊頭模組、頂針模組、視覺系統(tǒng)進行互相頻繁配合。

頂針機構(gòu)，是用來將芯片從晶圓藍膜上頂起，使得芯片和藍膜脫離分開，方便焊頭機構(gòu)上的吸嘴在晶圓上拾取芯片。在設備生產(chǎn)過程中，一般頂針機構(gòu)都是位于工作臺正中心位置。在裝載或者卸載晶圓時，頂針機構(gòu)會下降或者移動到避讓位置。

4.3 視覺機構(gòu)

視覺機構(gòu)也是直線式與擺臂式固晶機的區(qū)別機構(gòu)。擺臂式固晶機的視覺機構(gòu)基本都是固定的，分別取晶側(cè)和固晶側(cè)2 個位置。直線式固晶機的視覺機構(gòu)如圖3 所示，其視覺機構(gòu)分為拾晶側(cè)和固晶側(cè)。圖3 中整個視覺機構(gòu)模組安裝在一個整體底板上，拾晶側(cè)的視覺系統(tǒng)是固定機構(gòu)，不需要移動，是位于晶圓工作臺的頂針機構(gòu)的正上方，該視覺系統(tǒng)、晶圓上的芯片、頂針機構(gòu)的頂針尖在垂直方向組成“三點一線”，焊頭機構(gòu)的吸嘴在拾晶側(cè)高速移動拾取芯片的位置，正是在“三點一線”上。由于引線框架通常是陣列多排，固晶側(cè)的視覺系統(tǒng)需要高速移動對每個固晶位進行引導定位，因此該側(cè)視覺機構(gòu)由伺服電機驅(qū)動進行高速往返運動，這里采用了交叉輥子導軌與之配合，實現(xiàn)了高速度、高精度，確保視覺系統(tǒng)精度。

圖3 視覺機構(gòu)

4.4 軌道傳輸機構(gòu)

固晶機的引線框架軌道傳輸機構(gòu)如圖4 所示。

圖4 軌道傳輸機構(gòu)

該卷料傳輸進入到軌道后，就被壓平。軌道的寬度由卷料的寬度決定，軌道內(nèi)部的底板是需要進行加熱，溫度加熱到400 ℃左右（加熱溫度由共晶鍵合的材料決定），為了將引線框架卷料的固晶面上粘接芯片的錫加熱到熔融狀態(tài)。圖4 中的卷料入口處是引線框架輸入到軌道的起始位置，軌道蓋板用來將軌道蓋住，起到保溫、保護框架的作用。卷料壓爪在固晶窗口將正在固晶的框架壓緊，保證固晶穩(wěn)定。使得卷料向前傳輸?shù)碾姍C是依靠帶動皮帶，皮帶帶動壓輪，通過壓輪摩擦使得引線框架卷料前進，完成框架輸送的動作。

4.5 下料機構(gòu)

由于這種半導體分立器件的引線框架的來料是以卷料的形式上料供給，除了以上的主要機構(gòu)外，這種固晶機還要求要搭配下料機構(gòu)，下料機構(gòu)是具備將引線框架按照指定設置的長度切成片料的功能。一般會要求是將固晶完成后的引線框架沖切成長度為260 mm 的片料，然后推送進彈匣中存放。沖切引線框架不能切偏，不能翹曲以及料片行進過程中不能被擠壓褶皺等，否則會造成固晶后的料片成為殘次品，造成生產(chǎn)異常。

5 共晶固晶機控制時序分析

本固晶設備中的機構(gòu)需要緊密協(xié)調(diào)配合，既要能保證高速度、高精度，又要不會撞機，才能使得固晶機達到理想的運行效果。其中主要是晶圓工作臺、頂針機構(gòu)、直線焊頭機構(gòu)和視覺機構(gòu)的配合時序最為關(guān)鍵和復雜，控制時序的分析主要是結(jié)合實際運行軌跡對這些機構(gòu)進行理論分析[10]。

圖5 所示中，T 是代表一個完整的取晶和固晶時序時間，也就是完成取晶和固晶1 顆芯片所需要的時間，這個時間決定了該固晶機的UPH，是固晶機的核心規(guī)格。圖5 中是將直線焊頭機構(gòu)的4 個軸、視覺機構(gòu)、晶圓工作臺、頂針機構(gòu)等主要機構(gòu)的軸時序進行了規(guī)劃設計。其中直線焊頭機構(gòu)是由焊頭X 軸，焊頭Y 軸，焊頭Z 軸，焊頭旋轉(zhuǎn)軸，分別用來表示在焊頭機構(gòu)在X 方向、Y方向、Z 方向和旋轉(zhuǎn)方向上的運動；視覺機構(gòu)是由視覺Y 軸來表示，晶圓工作臺的運動相對比較獨立，沒有單獨對其每個運動軸進行說明；頂針機構(gòu)的運動執(zhí)行機構(gòu)是頂針Z 軸。焊頭Z 軸和頂針Z軸的配合是焊頭取晶動作配合，是決定設備能否 高速、高精拾取芯片的關(guān)鍵動作。

圖5 共晶機的主要時序設計圖

6 運行結(jié)果和精度分析

根據(jù)工藝流程和技術(shù)規(guī)格需求，設計了固晶機構(gòu)和工藝時序，共晶固晶機的各個機構(gòu)按照時序進行位置、速度、加速度和時間規(guī)劃進行軟件設計和參數(shù)設置。使用200 mm 的晶圓，芯片尺寸為0.4 mm ×0.4 mm 進行設備性能測試，設備實際運行UPH 可以達到16 000，固晶精度在正負35 μm左右，如圖6 所示，顯示了固晶后測量的30 組精度偏差數(shù)據(jù)，圖6 中數(shù)據(jù)反饋了固晶精度均符合設計要求，而且設備運行穩(wěn)定。

圖6 固晶后測量的30 組數(shù)據(jù)x-y 方向偏差

7 結(jié)束語

本文介紹了一種直線式共晶固晶機的設計與實現(xiàn)，重點分析設計了晶圓工作臺、頂針機構(gòu)、直線焊頭等機構(gòu)，并對其時序規(guī)劃進行了分析。根據(jù)實際的結(jié)果來看，直線式共晶機的設計達到了要求，給研制其他固晶機提供了一些參考作用，尤其是針對以直線式焊頭機構(gòu)為核心的半導體固晶機。