摘 要: 通過(guò)對(duì)芯片倒裝" title="倒裝">倒裝" title="熱超聲倒裝" title="熱超聲倒裝">熱超聲倒裝">熱超聲倒裝鍵合工藝過(guò)程的研究,結(jié)合國(guó)內(nèi)外熱超聲倒裝鍵合設(shè)備發(fā)展的現(xiàn)狀,研制了一臺(tái)用于芯片的熱超聲倒裝鍵合機(jī)。
關(guān)鍵詞: 熱超聲倒裝 機(jī)械視覺(jué)? 運(yùn)動(dòng)控制? HexSight
20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著應(yīng)用領(lǐng)域的大力驅(qū)動(dòng),微電子封裝技術(shù)獲得了日新月異的發(fā)展,目前主要的一級(jí)封裝技術(shù)有引線鍵合和倒裝鍵合兩種。引線鍵合技術(shù)是用金屬絲將集成電路芯片上的電極引線與集成電路底座外引線連接在一起,通過(guò)減小引線直徑和引線間距獲得封裝密度的提高,但小直徑引線的強(qiáng)度和剛性更差,這將給引線彎曲的操作帶來(lái)難度,降低引線鍵合的可靠性。在芯片封裝I/O數(shù)目不斷增加,內(nèi)部連接可靠性要求越來(lái)越高的形式下,芯片鍵合工藝表現(xiàn)出由引線鍵合向倒裝鍵合發(fā)展的趨勢(shì)。倒裝鍵合方式是一種基于面陣焊球鍵合的封裝工藝,目前倒裝鍵合工藝主要有熱超聲鍵合、再回流焊、熱壓鍵合、環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)電膠鍵合等。再回流焊可靠性比較高,而且凸點(diǎn)數(shù)量多,但采用Sn/Pb焊料,對(duì)環(huán)境和人體的保護(hù)極為不利。環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)電膠工藝簡(jiǎn)單,且在低溫下鍵合,但存在可靠性不高、寄生電阻太大等不足。熱壓連接工藝沒(méi)有污染,效率高,但存在可靠性不高、鍵合條件要求苛刻等缺點(diǎn)。
熱超聲倒裝鍵合是在超聲能量、壓力及熱的共同作用下,實(shí)現(xiàn)芯片I/O端口與基板" title="基板">基板之間的直接互連。熱超聲倒裝鍵合具有封裝可靠性高、連接效率高、工藝簡(jiǎn)單、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),較低的鍵合溫度降低了在凸點(diǎn)與焊盤(pán)間形成Au-Al金屬間化合物的可能性,同時(shí)又是一種無(wú)鉛的綠色焊接,被認(rèn)為是滿足下一代芯片封裝要求的具有發(fā)展?jié)摿Φ男鹿に嚭托录夹g(shù)。美國(guó)Colorado大學(xué)的S Y Kang等人已經(jīng)成功地將帶有64個(gè)金凸點(diǎn)的GaAs芯片利用熱超聲倒裝連接到硅基板上,而且結(jié)合強(qiáng)度達(dá)0.23 N/bump。此芯片已經(jīng)應(yīng)用于多道存儲(chǔ)系統(tǒng)和光電組件中。日本Toshiba公司、新加坡ASM公司也在研究和采用熱超聲倒裝連接工藝。國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究還處于起步階段,除中南大學(xué)外僅有少數(shù)研究所及合資公司在進(jìn)行此類研究。
在熱超聲倒裝芯片封裝鍵合過(guò)程中,芯片凸點(diǎn)和基板焊盤(pán)位置對(duì)準(zhǔn)精度要求非常嚴(yán)格,誤差要求小于5μm。通過(guò)對(duì)全自動(dòng)引線鍵合機(jī)圖像視覺(jué)定位系統(tǒng)" title="定位系統(tǒng)">定位系統(tǒng)的研究,結(jié)合熱超聲倒裝鍵合工藝的特點(diǎn)和要求,在HexSight視覺(jué)軟件的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了適用于熱超聲倒裝鍵合機(jī)的圖像識(shí)別定位系統(tǒng)。本文介紹此視覺(jué)定位系統(tǒng)的組成和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
1 熱超聲倒裝鍵合原理
1.1 芯片熱超聲倒裝鍵合工藝流程
熱超聲倒裝鍵合工藝過(guò)程中使用的芯片與基板如圖1所示。
此鍵合工藝流程可以分為以下4個(gè)步驟:
(1)芯片的拾取。開(kāi)始鍵合工作前,芯片與基板放置在指定工作臺(tái),如果芯片與基板不在視覺(jué)系統(tǒng)" title="視覺(jué)系統(tǒng)">視覺(jué)系統(tǒng)的視覺(jué)范圍內(nèi),驅(qū)動(dòng)平動(dòng)臺(tái),按指定算法搜索芯片與基板;待獲取芯片位置后,根據(jù)基板擺放位置,假設(shè)芯片被基板吸取后不發(fā)生偏轉(zhuǎn),對(duì)芯片位置進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)(通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn),在物理上仍相差一固定位差并由程序記錄),驅(qū)動(dòng)真空吸附系統(tǒng),吸嘴位置下降,利用真空吸力將芯片吸附,完成芯片拾取。同時(shí)啟動(dòng)基板加熱系統(tǒng),將基板加熱到150℃左右。
(2)芯片與基板的對(duì)準(zhǔn)。完成芯片吸附后,驅(qū)動(dòng)平動(dòng)臺(tái)移動(dòng)一固定位差,完成芯片與基板的物理對(duì)準(zhǔn)。但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在芯片被拾取的過(guò)程中會(huì)發(fā)生偏移,所以必須在芯片運(yùn)動(dòng)到基板正上方對(duì)準(zhǔn)之前再次啟動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)從芯片下方仰視被吸附后的芯片,獲取芯片被吸附后實(shí)際位置,根據(jù)吸嘴吸附芯片的實(shí)際偏移和轉(zhuǎn)角,再次調(diào)整極板位置,實(shí)現(xiàn)芯片凸點(diǎn)與基板焊盤(pán)的對(duì)準(zhǔn)(通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn),在物理上仍相差一固定位差,程序記錄后由機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物理對(duì)準(zhǔn))。
(3)施加鍵合力。芯片與基板對(duì)準(zhǔn)后,芯片運(yùn)動(dòng)至基板正上方(物理上對(duì)準(zhǔn)),保持真空吸力,吸嘴緩慢下降,直至芯片凸點(diǎn)和基板焊盤(pán)為一微小距離時(shí),驅(qū)動(dòng)鍵合壓力控制系統(tǒng),對(duì)芯片緩慢施加鍵合壓力。理想情況下,芯片表面與基板平行,鍵合力與基板方向垂直。
(4)施加超聲波。在鍵合力達(dá)到預(yù)定壓力時(shí),凸點(diǎn)與基板接觸并在一定程度上被壓扁和變形;這時(shí)啟動(dòng)超聲波發(fā)生器,換能器通過(guò)吸嘴在與基板的平行方向上對(duì)芯片施加超聲波能量,使凸點(diǎn)與基板結(jié)合界面發(fā)生摩擦,除去凸點(diǎn)表面的氧化物和污染層,溫度劇烈上升,凸點(diǎn)發(fā)生變形,凸點(diǎn)與基板焊盤(pán)的原子相互滲透達(dá)到相互連接的效果。
(5)鍵合頭復(fù)位。鍵合工作完成之后釋放吸嘴真空吸力,芯片與吸嘴分離,提升吸嘴,完成一個(gè)鍵合周期。熱超聲倒裝芯片與基板連接步驟如圖2所示。
1.2 鍵合機(jī)的構(gòu)成
根據(jù)以上工藝流程,本文研究設(shè)計(jì)的倒裝鍵合機(jī)由以下部分組成:
(1)芯片吸附臺(tái)。以真空吸附的方式將芯片固定在平臺(tái)上,同時(shí)平臺(tái)在視覺(jué)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下調(diào)整芯片X、Y平面位置及W軸轉(zhuǎn)角。
(2)鍵合工作臺(tái)(即基板吸附臺(tái))。除具有芯片吸附臺(tái)的功能外,還能對(duì)基板加熱,裝有溫度傳感器,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍵合過(guò)程中的溫度。
(3)鍵合頭。具有真空吸附功能,后端與超聲換能器鍵合壓力控制器相連,在芯片吸附臺(tái)拾取芯片,當(dāng)芯片與基板對(duì)準(zhǔn)后,施加鍵合壓力和超聲波能量。
(4)機(jī)械視覺(jué)系統(tǒng)。采集芯片、基板位置圖像,為整機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)提供位置參數(shù),指導(dǎo)機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。各個(gè)部分相互關(guān)系如圖3所示。
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2 熱超聲倒裝鍵合機(jī)視覺(jué)定位系統(tǒng)硬件組成
2.1 機(jī)械視覺(jué)單元設(shè)計(jì)
視覺(jué)系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊,它與計(jì)算機(jī)通過(guò)PCI局部總線相連,圖像數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以控制鍵合機(jī)的X、Y平動(dòng)臺(tái)和W、R旋轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)。視覺(jué)系統(tǒng)由以下部分組成:
(1)光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)主要是一個(gè)定焦距物鏡,它把來(lái)自觀察目標(biāo)的光線聚焦到CCD傳感器光敏器件上。由于CCD傳感器對(duì)物距非常敏感,在CCD攝像頭后安裝調(diào)整螺釘,通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺釘使成像達(dá)到最佳效果。在鍵合機(jī)工作過(guò)程中不能對(duì)焦距進(jìn)行調(diào)整,調(diào)焦是針對(duì)芯片的表面進(jìn)行。而對(duì)于基板對(duì)準(zhǔn)來(lái)說(shuō),即使圖像離焦也不能改變焦距,但是基板和芯片厚度相當(dāng),這種圖像離焦對(duì)圖像影響并不是很?chē)?yán)重,而且此系統(tǒng)對(duì)圖像離焦有一定的允差。
(2)CCD攝像機(jī)。CCD攝像機(jī)是圖像采集的前驅(qū)部件,由光敏二極管線性陣列或矩形陣列構(gòu)成。它按一定順序輸出每個(gè)二極管的電壓脈沖,將圖像光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。輸出的電壓脈沖序列可以直接以RS-170制式輸入標(biāo)準(zhǔn)顯示器,或者輸入計(jì)算機(jī)的內(nèi)存進(jìn)行數(shù)值化處理。
(3)圖像數(shù)據(jù)采集卡。采用加拿大Matrox公司研制生產(chǎn)的黑白圖像采集卡Matrox Meteor-Ⅱ/Standard。該卡實(shí)用性強(qiáng),價(jià)格低廉。可將采集到的圖像實(shí)時(shí)傳遞到計(jì)算機(jī)內(nèi)存或在計(jì)算機(jī)顯示器顯示,但不支持外部觸發(fā),所以采用軟件觸發(fā)的工作方式控制圖像數(shù)據(jù)傳輸。
(4)照明系統(tǒng)。照明是影響機(jī)械視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別精度的重要因素,它直接影響輸入圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。為達(dá)到最佳效果,必須選擇合適的照明裝置和安裝位置。照明裝置按發(fā)光類型可以分為可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光。不可見(jiàn)光主要是指X射線、超聲波等,主要應(yīng)用于某些要求高的檢測(cè)任務(wù),但操作性差,價(jià)格較高,所以目前在實(shí)際應(yīng)用中,仍多選用可見(jiàn)光作為光源。本系統(tǒng)采用LED光源,此光源與普通可見(jiàn)光源相比具有穩(wěn)定性高、使用壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。安裝時(shí)采用前置照明方式,圖像無(wú)陰影且亮度一致。
(5)圖像系統(tǒng)的安裝。整個(gè)鍵合臺(tái)采用兩個(gè)攝像頭分別在不同工步對(duì)芯片和基板進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集。攝像頭1安裝在Z向固定支架上,在整個(gè)鍵合過(guò)程中不作任何運(yùn)動(dòng),在芯片吸取、芯片與基板對(duì)中過(guò)程中提供參考,在吸取和鍵合前,將芯片XY位置、WR軸旋轉(zhuǎn)角度與攝像頭靶心對(duì)準(zhǔn)。攝像頭2與芯片吸附臺(tái)和鍵合工作臺(tái)固定,共同進(jìn)行XY平面運(yùn)動(dòng),在芯片吸取后獲取芯片偏移情況,對(duì)基板進(jìn)行微小調(diào)整。
(6)圖像處理軟件。以美國(guó)Adept公司開(kāi)發(fā)的高性能機(jī)器視覺(jué)軟件HexSight為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。此軟件采用幾何輪廓定位原理,可以在極短(10ms)時(shí)間內(nèi)在0~360°范圍內(nèi)尋找對(duì)象,能快速精確地識(shí)別出多個(gè)對(duì)象及模式。在外部光源亮度發(fā)生均勻性變化、芯片表面局部出現(xiàn)打光現(xiàn)象時(shí)仍可以精確定位。
2.2 運(yùn)動(dòng)單元設(shè)計(jì)
鍵合機(jī)運(yùn)動(dòng)部分主要是接收視覺(jué)系統(tǒng)輸出,完成芯片和基片的定位和對(duì)中。系統(tǒng)共有5個(gè)自由度:Z方向的平動(dòng)實(shí)現(xiàn)鍵合進(jìn)給動(dòng)作;X方向的平動(dòng)、Y方向的平動(dòng)共同完成芯片、基板在XY平面上的位置調(diào)整;W軸方向、R軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)固定在XY平動(dòng)機(jī)構(gòu)上,分別完成芯片、基板的角度調(diào)整。
電子產(chǎn)品需求量的增加,要求提高芯片封裝作業(yè)的效率;而芯片封裝工藝過(guò)程的特點(diǎn),要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位精確。綜合以上兩方面因素,鍵合機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用宏動(dòng)系統(tǒng)和微動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合的方式。X、Y、Z定位工作采用伺服控制的宏動(dòng)系統(tǒng)完成,在滿足鍵合過(guò)程中定位精度的同時(shí)兼顧系統(tǒng)效率的提高。由于芯片強(qiáng)度低,在受到過(guò)大壓力時(shí)容易破壞,為獲得較好的鍵合強(qiáng)度和保護(hù)芯片必須嚴(yán)格控制Z軸方向的鍵合力,在此將微驅(qū)動(dòng)技術(shù)引入到鍵合力的控制應(yīng)用中。如圖4所示。
鍵合機(jī)微動(dòng)系統(tǒng)采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)精密定位工作臺(tái)。此系統(tǒng)附著在Z軸上,與Z軸平動(dòng)臺(tái)組成一個(gè)位置—力控制裝置,在宏動(dòng)部分完成快速精確定位后,利用微控制臺(tái)低慣量、高精度的特性,對(duì)芯片緩慢施加鍵合壓力。這樣可以精確控制倒裝鍵合壓力,獲得良好的結(jié)合強(qiáng)度,保護(hù)芯片不被破壞,便于對(duì)倒裝鍵合工藝的分析。
3 熱超聲倒裝鍵合機(jī)視覺(jué)定位軟件的開(kāi)發(fā)
3.1 圖像處理軟件
圖像數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)后,必須經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理,提取圖像信息完成定位工作。HexSight提供了豐富的處理過(guò)程。本軟件的開(kāi)發(fā)正是在HexSight提供的ActiveX組件的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,添加方法與其他標(biāo)準(zhǔn)組件相同。修改組件屬性,添加應(yīng)用程序處理過(guò)程,在此僅使用了圖像獲取(HSAcquisitionDevice)、定位(HSLocator)這兩個(gè)處理過(guò)程。圖像獲取處理過(guò)程將圖像采集到公共數(shù)據(jù)庫(kù),同時(shí)完成對(duì)像素畸變、鏡頭畸變和投影畸變的補(bǔ)償。定位處理過(guò)程完成對(duì)象輪廓幾何特征的提取和搜索,采用最先進(jìn)的輪廓檢測(cè)技術(shù)識(shí)別對(duì)象和模式。這一技術(shù)在圖像零亂、光源亮度波動(dòng)、對(duì)象重疊時(shí)仍可以獲得較好效果。
3.1.1 建立搜索模型
模型的效果直接影響到系統(tǒng)的定位精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性,一個(gè)好的模型可提供精確有效的對(duì)象輪廓特征。為提高系統(tǒng)的魯棒性,模型應(yīng)滿足下列特性:
(1)模型圖像應(yīng)在照明系統(tǒng)及光學(xué)系統(tǒng)最理想的情況下獲取。
(2)模型圖像背景應(yīng)具有單一性。
(3)圖像應(yīng)盡量體現(xiàn)待識(shí)別對(duì)象共同的幾何輪廓特征。
(4)模型中使用的圖形特征(尺寸、形狀)必須是后繼圖像中穩(wěn)定的元素。
本應(yīng)用中模型建立的結(jié)果如圖5所示。
3.1.2 視覺(jué)定位主程序
本應(yīng)用使用兩個(gè)攝像頭分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)處理系統(tǒng)在不同的時(shí)刻工作。程序通過(guò)接收運(yùn)動(dòng)單元的事件驅(qū)動(dòng)不同的相機(jī)進(jìn)行圖像采集,加載相應(yīng)模型庫(kù),對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別定位,給出芯片與基準(zhǔn)位置之間X、 Y坐標(biāo)差及W、R軸的旋轉(zhuǎn)角度,指導(dǎo)鍵合頭拾取芯片,獲取基板的位置進(jìn)行坐標(biāo)變換完成芯片與基板的對(duì)準(zhǔn)。
倒裝鍵合機(jī)運(yùn)動(dòng)控制軟件是圍繞視覺(jué)軟件開(kāi)發(fā)的。視覺(jué)系統(tǒng)采集的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后,輸出芯片和基板的具體位置,然后將此數(shù)據(jù)傳給運(yùn)動(dòng)部分,驅(qū)動(dòng)外部伺服控制卡。
3.2 運(yùn)動(dòng)控制軟件
本系統(tǒng)中,基本的運(yùn)動(dòng)控制主要有二方面:
(1)位置運(yùn)動(dòng)控制。主要包括XY平面的位置運(yùn)動(dòng)控制,Z軸豎直方向的位置運(yùn)動(dòng)控制以及R軸、W軸的旋轉(zhuǎn)角度控制。本系統(tǒng)中,位置反饋信號(hào)由光柵尺提供,屬于閉環(huán)控制。上位機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃,將運(yùn)動(dòng)指令和位置數(shù)據(jù)傳給伺服控制器,伺服控制器進(jìn)行插補(bǔ)、加減速控制,生成路徑。位置控制原理如圖6所示。
(2)微動(dòng)控制。在宏動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)到指定位置后,啟動(dòng)微動(dòng)控制給芯片施加鍵合力。預(yù)定鍵合壓力由用戶在上位機(jī)設(shè)定,上位機(jī)將數(shù)據(jù)傳遞到下位機(jī),同時(shí)控制權(quán)也交給下位機(jī),下位機(jī)控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源,控制微控臺(tái)給出微小位移,達(dá)到預(yù)設(shè)鍵合壓力。如果在微控臺(tái)達(dá)到最大行程后仍不能達(dá)到預(yù)定壓力,下位機(jī)反饋信號(hào)到主控機(jī),再次驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)臺(tái)給出適量位移。微動(dòng)控制原理如圖7所示。
本文介紹了熱超聲倒裝鍵合機(jī)的倒裝鍵合工藝流程、視覺(jué)定位的系統(tǒng)構(gòu)成及視覺(jué)定位軟件的實(shí)現(xiàn)?;贖exSight視覺(jué)軟件開(kāi)發(fā)了機(jī)械視覺(jué)定位系統(tǒng)。實(shí)際運(yùn)行表明,以芯片輪廓、凸點(diǎn)等主要輪廓曲線作為特征屬性時(shí),對(duì)任意角度的芯片定位時(shí)間僅20ms左右。此視覺(jué)軟件與閉環(huán)伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合,已成功完成對(duì)8個(gè)凸點(diǎn)芯片從拾取到芯片與基板的對(duì)準(zhǔn)工作,但是在系統(tǒng)整體效率和精度上與國(guó)外芯片封裝設(shè)備存在一定差距,特提出以下改進(jìn)方案:
(1)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)優(yōu)化機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案和控制算法來(lái)進(jìn)一步提高其性能。
(2)對(duì)于視覺(jué)系統(tǒng),由于采用了兩個(gè)攝像機(jī),芯片與基板的對(duì)準(zhǔn)在程序上是通過(guò)坐標(biāo)變換來(lái)實(shí)現(xiàn),物理上并不對(duì)準(zhǔn),在實(shí)際應(yīng)用中,視覺(jué)系統(tǒng)的定位很大程度上取決于坐標(biāo)變換的精度,所以提高視覺(jué)系統(tǒng)的定位精度必須對(duì)兩個(gè)攝像頭進(jìn)行高精度的參數(shù)標(biāo)定。
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