鍵合機芯片翻轉機構及其動力學仿真

郭 聳，朱歡歡，陳飛彪

(上海微電子裝備有限公司，上海 201203)

引線鍵合技術作為一種成熟的芯片連接技術目前在封裝制程中得到廣泛應用；但是隨著IC芯片特征尺寸的減小和集成規模的擴大，的間距不斷縮小、數量不斷增多。當 間距縮小到70 μm以下時，引線鍵合技術就不再適用，必須尋求新的技術途徑。圓片級封裝（Wafer-Level Packaging，WLP）技術利用薄膜再分布工藝，使 可以分布在IC芯片的整個表面上而不再僅僅局限于IC芯片的周邊區域，從而解決了高密度、細間距IC芯片的電氣連接問題。WLP技術以圓片為加工對象，在圓片上同時對眾多芯片進行封裝、老化、測試，最后切割成單個器件。它使封裝尺寸減小至IC芯片的尺寸，生產成本大幅度下降，WLP技術的優勢使其一出現就受到極大的關注并迅速獲得巨大的發展和廣泛的應用。

WLP具有封裝尺寸較小、電性能較好的優勢，但目前較為成熟的WLP技術，在單顆芯片上的植球數有一定限制；多用于低腳數消費性IC的封裝應用，在高腳數的芯片如通訊芯片等上應用一直受限。為了解決WLP植球數不足的問題，扇出晶圓級封裝（Fine out WLP）技術應運而生，如圖1所示。Fine out WLP將芯片嵌入環氧樹脂等材料中，形成重組圓片，然后利用前道隔離和平坦化工藝將互連扇出到芯片周圍區域、加入焊球，有效增大了芯片可焊球面積。已發展多年的扇出封裝技術未來將被更多芯片業者采納。

圖 1 Fine in和Fine out封裝

在Fine-Out（扇出）芯片鍵合制程中需要對芯片進行重新布局，由于制造工藝的不同，芯片標記面可能存在向上或向下工況。切割后的芯片（Die）進入后道封裝制程時，一般為芯片標記面向上狀態。當需求芯片標記面向下時，傳統方式需要以翻轉手將芯片翻轉180°，如圖2所示。然后拾取鍵合手與翻轉手交接芯片；這種工序為順序方式，導致設備產率不高。

圖2 芯片傳統分離方式原理圖

本設計通過兩個取放手旋轉交接實現芯片翻轉，然后取放手2將芯片放置到暫存器交接位。暫存器上分布4個以上工位，可以保證取放手2與鍵合手同時取放芯片，如圖3所示。這種并行工作方式可以大大提高設備產率。

圖3 芯片創新分離方式原理圖

1 芯片翻轉機構工作流程

貌本文所述，設計了一種新型芯片翻轉機構，如圖3所示。通過兩個取放手的交接實現芯片的180°翻轉。其中，取放手1用于從Wafer上拾取芯片（Die）并通過與取放手2的交接實現芯片（Die）的180°翻轉并放置到暫存器上的交接工位，暫存器旋轉位用于實現鍵合手拾取、鏡頭測量和取放手2放置芯片（Die）的同步工作，從而實現了工作效率的提高。其流程見表1。

表1 工作流程圖

2 芯片翻轉機構設計與開發

2.1 結構設計與開發

根據方案原理，取放手1為旋轉運動帶直線運動，即，直線運動裝置安裝在轉臂上；取放手2為直線運動帶旋轉運動，即，旋轉運動裝置安裝在直線運動副上。兩個取放手均選用不同直線伺服電機和旋轉伺服電機作為動力源，以絕對光柵尺作為位置誤差測量元件，以光電傳感器作為電氣限位，以精密止動螺釘作為機械限位；通過主副導軌配置結構實現芯片柔性保護，如圖3和圖4所示。

圖4 模型結構圖

2.2 結構開發與參數設計

（1）取放手1為旋轉帶直線運動，其轉臂負載大導致轉動慣量大；取放手2為直線帶旋轉運動，其轉臂負載小轉動慣量小；根據轉動慣量公式：

本設計中，取放手1旋轉電機負載130 g，取放手2旋轉電機負載40 g，負載質心旋轉半徑約35 mm。由公式（1）得到需求的旋轉電機扭矩，并確定直線電機持續驅動力。

（2）由于電機的發熱會導致環境和結構件升溫，而影響交接位置精度。所選用某型號電機發熱仿真如圖5所示，結果顯示電機線圈溫度穩定在46.17℃。另配局部環境氣浴和熱抽排，可以保證裝置工作環境溫度。

圖5 電機發熱仿真

3 芯片翻轉機構的模態與頻響分析

針對精密運動裝置需要研究其結構的動力特性和頻率響應。因此需要對結構整體進行模態分析和隨機振動分析。

3.1 模態分析

對結構的固有振動特性進行仿真分析，得出每階振型對應模態；并相應做結構優化設計。

芯片翻轉機構的有限元模型和模態仿真模型如圖6所示。

3.2 頻響分析

頻響分析主要用于計算結構在周期振蕩載荷作用下對所計算頻率的動響應。根據計算，取放手2與暫存器的位置響應滿足指標需求，如圖7所示。

圖6 有限元及模態仿真模型

圖7 取放手2與暫存器相對位移

4 結束語

本文提出的芯片翻轉機構作為一個獨立的芯片翻轉功能模塊，可以配套應用于不同的芯片鍵合設備。本設計結構簡單，占用空間小、配置方式靈活。

本文所設計的芯片翻轉機構實物樣機經過測試、驗證滿足設計要求，如圖8所示。并已在Fine-Out（扇出）芯片鍵合機上應用。

圖8 芯片翻轉機構實物樣機