【行业应用】激光位移传感器实现晶圆键合过程侦测

扇出型晶圆级封装(Fan-out Wafer Level Package,FOWLP)，以及倒装式芯片封装，由于其适应高引脚密度，高功能密度芯片的封装，能够提供更可靠的芯片连接方式，成为各大封装厂一个重要的发展方向。相应地，对键合精度，键合力的要求也进一步提升。从而对封装设备,尤其是键合头,提出了进一步的要求。在芯片键合的制程中，键合头拾取芯片，把芯片运输到键合位置，再把芯片以规定的键合力键合在基板上。因而，要实现高精度的键合制程，键合头需要具备高速，稳定，高精度，可提供大小不同键合力等的性能，一方面保证可稳定地出小力(低于50gf)，以适应薄型易碎芯片的键合要求，另一方面又可以实现高达10kgf键合力，以实现高度的设备兼容性，以适应产品和工艺的多样性。与此同时，键合头的外形尺寸需要紧凑和轻巧，以实现高速稳定的运动和缩小设备尺寸，从而在较小的单位面积获得高的产出。

高精度的键合头一般需要设计力轴(提供键合头的键合力、运动时预压)和旋转轴(提供芯片调整角度的驱动)，在很多现有设计中力轴与旋转轴为串联设计，旋转轴的驱动和导向皆为力轴负载，导致力轴负载过大，力控速度慢，无法实现稳定的小键合力控制，易导致芯片受伤。同时，普通马达驱动的力轴，无法在较小的体积和质量下高效地做到高达10kgf的键合力。

图1

图2

本发明提出的一种兼容大小键合力高速高精度紧凑型键合头，包括本体，所述本体包括：

气缸10，所述气缸10的内部形成一中空的第一腔体，所述气缸10上还开设有真空连接孔20；活塞20，所述活塞20设置于第一腔体内；力矩电机，所述力矩电机为中空力矩电机，所述力矩电机的动子30与气缸10的缸壁相连接；柔性铰链40，所述柔性铰链40的外周与所述气缸10的缸壁相连接，所述柔性铰链40的中心部位与活塞20相连；主轴50，所述主轴50为中空结构，所述主轴50与所述活塞20同轴连接；真空吸盘，与所述主轴50相连接；旋转时，力矩电机的动子30旋转通过柔性铰链40的外周传至中心，气缸10的缸壁与活塞20同时旋转，带动主轴30一起旋转，并通过旋转编码器60给出反馈。

所述主轴50的外壁联接有接触传感器，所述接触传感器位于第二腔室内。

当键合头高速运动时,气压将活塞20固定于气缸止动块130上表面上，通过调节气压值，可以调节活塞20在气缸止动块130上的预压值。同时，力矩电机可以带动主轴50旋转，通过旋转编码器60反馈，实现芯片角度的闭环调整。旋转时，力矩电机动子30和气缸10一起旋转，活塞20和气缸止动块130相对静止，巧妙地避免了活塞20与气缸止动块130之间的相对摩擦。键合头在寻找接触点时,气缸气压降低，减少键合头对芯片的冲击。并通过接触传感器侦测芯片与基板的接触。接触后,气缸切换至键合气压,由于柔性铰链40在Z向刚度很低，当芯片和基板的接触力键合力微大于活塞的压力加上主轴和活塞的质量时，活塞发生Z向运动趋势，通过接触传感器侦测，完成键合过程。

以上侦测过程可以通过接近式传感器，光电传感器，位移传感器或者通过流量检测实现。柔性铰链40亦可通过其他高旋转刚度，低轴向刚度的结构替代。可以使用压力测量的方法,也可以通过外加的力传感器,实现键合力的实时检测。

原文说明：本文内容节选自网络公开专利（CN111128774A）。