一種用於多自由度倒裝鍵合過程的晶片控制方法
2023-06-01 08:55:31 1
一種用於多自由度倒裝鍵合過程的晶片控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於多自由度倒裝鍵合過程的晶片控制方法，其主要控制過程包括：獲取晶片的貼裝位置信息；鍵合頭拾取晶片，獲取晶片Z旋轉軸和X/Y直線軸的角度及位置粗調偏差值，然後在執行粗調的同時，實現X/Y直線軸的閉環跟隨控制；獲取晶片X/Y旋轉軸的當前實際角度值，並在逐次選擇X/Y旋轉軸執行角度閉環控制的同時，實現另外兩直線軸的位置閉環跟隨控制；獲取晶片Z旋轉軸和X/Y直線軸的角度及位置精調偏差值，然後在執行精調的同時，實現X/Y直線軸的閉環跟隨控制。通過本發明，可使得晶片在角度調整的同時實現位置跟隨控制，並能顯著提高倒裝鍵合過程的精度和效率，從而保證晶片最終的鍵合質量。
【專利說明】—種用於多自由度倒裝鍵合過程的晶片控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於半導體封裝【技術領域】，更具體地，涉及一種用於多自由度倒裝鍵合過程的晶片控制方法。
【背景技術】
[0002]所謂晶片倒裝(Flip Chip)技術，是將半導體晶片以凸點陣列結構與基板直接鍵合互連的一種封裝工藝方法，其通過將晶片電極面朝下經焊接或導電膠等工藝，從而將晶片凸點與封裝基板互連。與引線鍵合技術相比，倒裝鍵合方式具備精度高，I/o密度高，弓丨線寄生電阻小等優點，因而成為當今晶片封裝領域的主流技術之一。
[0003]現有技術中對多自由度倒裝鍵合過程的晶片控制方案，主要是以被動調節為主，如Karl Suss公司開發的FC250鍵合設備,通過機械元件如球面副等來被動保證晶片角度。然而，進一步的研究表明，上述現有方案仍然存在以下的缺陷或不足:首先，由於缺乏對晶片實際角度的實時反饋及主動控制，往往會造成位置調整(通常也稱之為對準操作)缺乏角度調整反饋值而無法精確補償，而且球面副在鍵合壓力作用下或外界幹擾下產生的轉動也可能導致鍵合失效；其次，由於鍵合過程I/O密度高，對於晶片Z旋轉軸角度及XY直線軸位置測量提出了微米甚至亞微米級的精度要求，儘管可以採用光柵尺與高像素相機配合的方式來執行測量，但高像素相機相應會帶來測量視野範圍減小的問題；此外，對於晶片控制過程中的XY旋轉軸角度的調整，目前的直接測量方式較為困難，並造成實際操作工作的不便。相應地，相關領域中亟需尋找一種更為完善的晶片控制方法，以便實現高精度、高效率和高魯棒性的多自由度倒裝鍵合過程。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種用於多自由度倒裝鍵合過程的晶片控制方法，其中通過對關鍵工藝的步驟及其操作方式進行優化設計和調整，相應可使得晶片在角度調整的同時實現位置跟隨控制，並能進一步提高倒裝鍵合過程的精度和效率，同時具備便於操控和高魯棒性等優點，因而尤其適用於多自由度倒裝鍵合過程的晶片控制用途。
[0005]為實現上述目的，按照本發明，提供了一種用於多自由度倒裝鍵合過程的晶片控制方法，其特徵在於，該方法包括下列步驟:
[0006](a)確定晶片貼裝位置的操作:
[0007]對擬貼裝晶片的基板測量獲取Z旋轉軸的角度粗調偏差值和X/Y兩直線軸的位置粗調偏差值；將所述基板X/Y兩直線軸的位置粗調偏差值作為位置閉環補償信號，驅動貼裝頭分別對其X/Y兩直線軸位置進行粗調；然後，進一步獲取基板Z旋轉軸的角度精調偏差值、X/Y兩直線軸的位置精調偏差值以及X/Y兩旋轉軸的當前實際角度值，並根據所述角度精調偏差值和位置精調偏差值來確定晶片在基板上的貼裝位置；
[0008](b)晶片Z旋轉軸和X/Y直線軸的粗調操作:[0009]多自由度倒裝鍵合頭拾取晶片，獲取晶片Z旋轉軸的角度粗調偏差值及其X/Y兩直線軸的位置粗調偏差值；將該晶片角度粗調偏差值作為閉環補償信號對晶片Z旋轉軸的角度進行粗調，與此同時，將所述晶片角度粗調偏差值轉換輸入至晶片X/Y直線軸位置閉環作為控制信號，由此實現X/Y直線軸對於Z旋轉軸的閉環跟隨控制；此外，將所述晶片X/Y兩直線軸的位置粗調偏差值作為位置閉環補償信號，分別對X/Y兩直線軸的位置進行粗調；
[0010](C)晶片X/Y旋轉軸的調整操作:
[0011]對晶片X/Y旋轉軸的當前實際角度值進行測量，然後逐次選擇所述X/Y旋轉軸，並將晶片X/Y旋轉軸和基板X/Y旋轉軸的當前實際角度值作為反饋信號、將期望角度值作為控制信號執行角度閉環控制；與此同時，將當前實際角度值與期望角度值之間的偏差值轉換輸入至X/Y/Z三直線軸中另外兩軸的位置閉環作為控制信號，由此實現另外兩直線軸的閉環跟隨控制；
[0012](d)晶片Z旋轉軸和X/Y直線軸的精調操作:
[0013]基於晶片的所述角度和位置粗調偏差值，進一步獲取晶片Z旋轉軸的角度精調偏差值及其X/Y兩直線軸的位置精調偏差值；將該晶片Z旋轉軸角度精調偏差值作為閉環補償信號對晶片Z旋轉軸的角度進行精調，與此同時，將所述晶片角度精調偏差值轉換輸入至晶片X/Y直線軸位置閉環作為控制信號，由此實現X/Y直線軸對於Z旋轉軸的閉環跟隨控制；此外，將所述晶片X/Y直線軸位置精調偏差值作為位置閉環補償信號，分別對X/Y兩直線軸的位置進行精調；
[0014](e)晶片的貼裝操作:
[0015]倒裝鍵合頭按照晶片調整後的最終位置及角度，攜帶晶片一同運動至基板上的所述貼裝位置，由此執行完成晶片的貼裝過程。
[0016]作為進一步優選地，對於上述有關基板、晶片的Z旋轉軸角度偏差值和X/Y直線軸位置偏差值的獲取過程，優選由多套相機來執行，所述多套相機包括鏡頭像素相對較低的第一 CXD相機、以及鏡頭像素相對較高的第二 CXD相機和第三CXD相機；其中，該第一 CXD相機配備在倒裝鍵合頭上並與安裝在機座上的平面鏡組件共同組成飛行視覺系統，用於分別獲取晶片和基板的所述Z旋轉軸角度粗調偏差信號和XY直線軸位置粗調偏差信號；該第二 CCD相機安裝於機座上，用於在第一 CCD相機的測量視野範圍內，進一步獲取晶片的所述Z旋轉軸角度精調偏差信號和X/Y直線軸位置精調偏差信號；該第三CCD相機配置於鍵合頭上，用於在第一 CCD相機的測量視野範圍內，進一步獲取基板的所述Z旋轉軸角度精調偏差信號和X/Y直線軸位置精調偏差信號。
[0017]作為進一步優選地，所述第一 CXD相機被設定為150萬?300萬的鏡頭像素值，所述第二 CXD相機和第三CXD相機分別被設定為500萬以上的鏡頭像素值。
[0018]作為進一步優選地，其特徵在於，對於上述位置閉環控制過程，優選採用分別固定設置在機座X軸方向、Y軸方向和Z軸方向的光柵尺來測量鍵合頭也即晶片的X/Y/Z直線軸實際坐標值，並將其作為反饋信號，由此與所述控制信號來共同構建位置閉環控制。
[0019]作為進一步優選地，所述獲取基板、晶片的X/Y旋轉軸的當前實際角度值的過程具體如下:
[0020](i)在基板或晶片對象上以三點連線構成直角三角形的方式，相應選取三個測量點A、B和C，並且其中的兩條直角邊AB和BC分別沿著X軸方向和Y軸方向；、
[0021 ] (ii)通過所述分別固定設置在機座X軸方向和Y軸方向的光柵尺，獲取上述三個測量點的X軸實際坐標值xA、xB和x。，以及Y軸實際坐標值yA、yB和Ic ;此外，通過分別設置在鍵合頭和機座上的Z直線軸雷射位移傳感器，分別獲取上述三個測量點的Z軸實際坐標
值 Za、Zb 和 Zc ;
[0022](iii)根據公式
【權利要求】
1.一種用於多自由度倒裝鍵合過程的晶片控制方法，其特徵在於，該方法包括下列步驟: (a)確定晶片貼裝位置的操作: 對擬貼裝晶片的基板測量獲取Z旋轉軸的角度粗調偏差值和X/Y兩直線軸的位置粗調偏差值；將所述基板X/Y兩直線軸的位置粗調偏差值作為位置閉環補償信號，驅動貼裝頭分別對其X/Y兩直線軸位置進行粗調；然後，進一步獲取基板Z旋轉軸的角度精調偏差值、X/Y兩直線軸的位置精調偏差值以及X/Y兩旋轉軸的當前實際角度值，並根據所述角度精調偏差值和位置精調偏差值來確定晶片在基板上的貼裝位置； (b)晶片Z旋轉軸和X/Y直線軸的粗調操作: 多自由度倒裝鍵合頭拾取晶片，獲取晶片Z旋轉軸的角度粗調偏差值及其X/Y兩直線軸的位置粗調偏差值；將該晶片角度粗調偏差值作為閉環補償信號對晶片Z旋轉軸的角度進行粗調，與此同時，將所述晶片角度粗調偏差值轉換輸入至晶片X/Y直線軸位置閉環作為控制信號，由此實現X/Y直線軸對於Z旋轉軸的閉環跟隨控制；此外，將所述晶片X/Y兩直線軸的位置粗調偏差值作為位置閉環補償信號，分別對X/Y兩直線軸的位置進行粗調； (c)晶片X/Y旋轉軸的調整操作: 對晶片X/Y旋轉軸的當前實際角度值進行測量，然後逐次選擇所述X/Y旋轉軸，並將晶片X/Y旋轉軸和基板X/Y旋轉軸的當前實際角度值作為反饋信號、將期望角度值作為控制信號執行角度閉環 控制；與此同時，將當前實際角度值與期望角度值之間的偏差值轉換輸入至X/Y/Z三直線軸中另外兩軸的位置閉環作為控制信號，由此實現另外兩直線軸的閉環跟隨控制； (d)晶片Z旋轉軸和X/Y直線軸的精調操作: 基於晶片的所述角度和位置粗調偏差值，進一步獲取晶片Z旋轉軸的角度精調偏差值及其X/Y兩直線軸的位置精調偏差值；將該晶片Z旋轉軸角度精調偏差值作為閉環補償信號對晶片Z旋轉軸的角度進行精調，與此同時，將所述晶片角度精調偏差值轉換輸入至晶片X/Y直線軸位置閉環作為控制信號，由此實現X/Y直線軸對於Z旋轉軸的閉環跟隨控制；此外，將所述晶片X/Y直線軸位置精調偏差值作為位置閉環補償信號，分別對X/Y兩直線軸的位置進行精調； (e)晶片的貼裝操作: 倒裝鍵合頭按照晶片調整後的最終位置及角度，攜帶晶片一同運動至基板上的所述貼裝位置，由此執行完成晶片的貼裝過程。
2.如權利要求1所述的晶片控制方法，其特徵在於，對於上述有關基板、晶片的Z旋轉軸角度偏差值和X/Y直線軸位置偏差值的獲取過程，優選由多套相機來執行，所述多套相機包括鏡頭像素相對較低的第一 CCD相機、以及鏡頭像素相對較高的第二 CCD相機和第三CCD相機；其中，該第一 CCD相機配備在倒裝鍵合頭上，並與安裝在機座上的平面鏡組件共同組成飛行視覺系統，用於分別獲取晶片和基板的所述Z旋轉軸角度粗調偏差信號和XY直線軸位置粗調偏差信號；該第二 CCD相機安裝於機座上，用於在第一 CCD相機的測量視野範圍內，進一步獲取晶片的所述Z旋轉軸角度精調偏差信號和X/Y直線軸位置精調偏差信號；該第三CCD相機配置於鍵合頭上，用於在第一 CCD相機的測量視野範圍內，進一步獲取基板的所述Z旋轉軸角度精調偏差信號和X/Y直線軸位置精調偏差信號。
3.如權利要求2所述的晶片控制方法，其特徵在於，所述第一CCD相機被設定為150萬~300萬的鏡頭像素值，所述第二 CXD相機和第三CXD相機分別被設定為500萬以上的鏡頭像素值。
4.如權利要求1-3任意一項所述的晶片控制方法，其特徵在於，對於上述位置閉環控制過程，優選採用分別固定設置在機座X軸方向、Y軸方向和Z軸方向的光柵尺來測量鍵合頭也即晶片的X/Y/Z直線軸實際坐標值，並將其作為反饋信號，由此與所述控制信號來共同構建位置閉環控制。
5.如權利要求4所述的晶片控制方法，其特徵在於，所述獲取基板、晶片的X/Y旋轉軸的當前實際角度值的過程具體如下: (i)在基板或晶片對象上以三點連線構成直角三角形的方式，相應選取三個測量點A、B和C，並且其中的兩條直角邊AB和BC分別沿著X軸方向和Y軸方向；、 (ii)通過所述分別固定設置在機座X軸方向和Y軸方向的光柵尺，獲取上述三個測量點的X軸實際坐標值χΑ>χΒ和xc，以及Y軸實際坐標值yA、yB和Ic;此外，通過分別設置在鍵合頭和機座上的Z直線軸雷射位移傳感器，分別獲取上述三個測量點的Z軸實際坐標值zA、Zb 和 Zc ; (iii )根據公式
6.如權利要求5所述的晶片控制方法，其特徵在於，所述分別固定設置在機座X軸方向、Y軸方向和Z軸方向的光柵尺的精度優選高於0.1 μ m ;兩套所述Z直線軸雷射位移傳感器的位置精度優選高於0.05 μ m,其動態響應頻率優選為IOkHz以上，並且高於所述X/Y/Z直線軸位置閉環的更新頻率。
7.如權利要求1-6任意一項所述的晶片控制方法，其特徵在於，所述位置閉環控制過程優選採用前饋模糊PID算法來實現，所述角度閉環控制過程優選採用比例積分算法來實現。
【文檔編號】H01L21/603GK103594398SQ201310565360
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月14日 優先權日:2013年11月14日
【發明者】陳建魁, 尹周平, 陳偉, 李宏舉, 孫湘成, 謝俊 申請人:華中科技大學