基于控制時序的共晶固晶機的設計*

□ 鄭嘉瑞 □ 彭錦青

深圳市聯得自動化裝備股份有限公司 廣東深圳 518109

1 設計背景

近年來,我國已經成為全球最大的半導體設備需求市場。半導體設備根據晶圓制造和封裝測試,分為前后兩段設備[1]。固晶機是半導體芯片封裝測試及發光二極管芯片封裝測試生產線上關鍵的核心設備之一,是一種高速度、高精度設備。半導體芯片封裝測試常見的工藝流程包括減薄、劃片、固晶、焊線、塑封、電鍍、切筋、測試、編帶等環節,發光二極管芯片封裝測試常見的工藝流程包括固晶、焊線、點膠、分光、編帶等環節[2]。基于控制時序所設計的共晶固晶機是一種應用于半導體芯片封裝測試工藝流程的固晶機,固晶工藝是一種共晶鍵合工藝。

2 共晶固晶機工藝

共晶固晶機廣泛應用于半導體分立器件領域的三極管封裝產線,通過固晶邦頭模組將芯片從晶圓上精準拾取,并在視覺引導下精準放置在引線框架上,屬于芯片鍵合設備。這一鍵合設備的固晶工藝也稱為共晶鍵合技術工藝。采用固晶工藝,通常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,在一定溫度和固晶壓力的共同作用下,會在芯片和引線框架之間形成共晶鍵合層。共晶鍵合層是由兩種材料在一定溫度下混合形成的,一般常見的有金錫共晶層、金硅共晶層等[3]。

3 共晶固晶機設計功能要求

隨著運動控制和機器視覺技術等自動化、智能化共性底層技術的不斷發展進步,共晶固晶機的自動化和智能化程度有了大幅提升。除了要求共晶固晶機能按工藝要求穩定運行外,還要求保證高速度、高精度,因此共晶固晶機的運行時序時間都是以毫秒為單位進行規劃設計。針對半導體三極管封裝產線,共晶固晶機主要核心參數見表1。

表1 共晶固晶機主要核心參數

由表1可見,共晶固晶機需兼容晶圓芯片、引線框架尺寸、每小時生產芯片顆數等主要核心參數。其中,引線、晶圓、芯片尺寸關系到共晶固晶機的適用性和兼容性,每小時生產芯片顆數關系到共晶固晶機的生產效率,固晶精度和固晶力關系到共晶固晶機法的性能。共晶固晶機設計的難點和挑戰在于生產效率和性能。

半導體三極管引線框架的來料以卷料形式供給,除了上述主要核心參數外,共晶固晶機還要求搭配一臺引線框架沖切機。沖切機用于將固晶完成后的卷料沖切為規定長度,一般為260 mm,然后推送進彈匣中存放。沖切卷料要求精度為-0.1～0.1 mm,不能切偏,不能翹曲,料片行進過程中不能被擠壓,否則固晶后的料片會成為殘次品,導致生產異常。

在共晶固晶機設計時,不僅要從自動化角度分析設計各個功能機構,而且要從工藝角度分析設計整個機構的馬達啟停、延時及氣動原件的開合、延時等參數,進而滿足固晶功能。

4 共晶固晶機機構組成

共晶固晶機的主要機構組成有上料機構、軌道傳輸機構、晶圓工作臺、頂針機構、直線式邦頭固晶機構、沖切機構、運行執行機構、視覺系統。上述機構根據需要生產的晶圓芯片、引線框架等參數設計,是設備設計的基礎。運動執行機構由完成上述機構動作工藝要求所需的運動部件組成,如馬達、直線電機、氣缸等[4]。

共晶固晶機采用直線式邦頭機構,固晶焊頭在X、Y、Z三個方向上均采用直線電機驅動,是目前高速度、高精度固晶機主要采用的固晶機構[5-6]。不同于一般的發光二極管固晶機,共晶固晶機采用半導體共晶工藝,軌道傳輸機構除了對引線框架進行傳輸外,還需對引線框架進行加熱,使固晶時芯片和引線框架固晶區域形成金屬共晶層。同時,軌道傳輸機構還需設計氮氣保護氣路,用于避免引線框架受熱后快速氧化。

考慮到晶圓工作臺XY平面上的運動和頂針機構Z方向上的頂針運動均為高速,且精度要求較高,采用直線電機驅動模組[7]。

運動控制系統和視覺系統根據需實現的工藝性能要求進行設計,是整機運行的中樞。要求控制九個馬達、七個直線電機、六個氣缸的動作,來完成共晶固晶機的動作。視覺系統分別包含取晶側和固晶側系統,用于進行芯片拾取和固晶時的引導定位功能。由于引線框架為多排排列,視覺系統視野要求廣,因此固晶側的視覺系統需要在Y方向上高速移動定位,來滿足定位引導的要求。在直線式邦頭固晶機構中包含一個Z方向力控馬達,用于進行焊頭吸嘴的固晶力控制。

共晶固晶機的主要機構功能及其運動執行機構見表2。

表2 共晶固晶機主要機構功能及其運動執行機構

5 共晶固晶機工作原理

共晶固晶機主要工作原理為:由上料機構將引線框架卷料供給放置于軌道傳輸機構中,軌道上分布有加溫區,對框架進行加熱;芯片由晶圓工作臺進行供給;在取晶側視覺相機系統的引導下,從晶圓上拾取芯片;在固晶側視覺相機系統的引導下,在一定的固晶力下,由焊頭將芯片貼裝于引線框架的固晶區;晶圓工作臺根據視覺相機系統的引導,運動至下一個芯片的位置,等待直線固晶焊頭到達拾取芯片。重復以上過程,直至晶圓上所有芯片拾取完成。

6 控制時序分析

共晶固晶機執行機構中,九個馬達、七個直線電機、六個氣缸的動作工作時序需要緊密協調配合,既要保證高速度、高精度,又不能撞機,這樣才能使共晶固晶機達到理想的運行效果。晶圓工作臺、頂針機構、直線式邦頭固晶機構的配合時序最為關鍵和復雜,主要結合實際運行軌跡對機構及其運行執行機構進行控制時序分析。

共晶固晶機的主要時序設計如圖1所示。對晶圓工作臺、頂針機構、直線邦頭固晶機構、視覺系統的主要運行執行機構時序進行了規劃設計。晶圓工作臺的運動相對比較獨立,雖然其運動執行機構包含四個方向的運動軸,但是仍只用晶圓工作臺代表時序設計,不單獨對每個運動執行機構進行說明。頂針機構的運動執行機構為頂針Z軸。直線式邦頭機構的BHX軸、BHY軸、BHZ軸、BHT軸依次為在X方向、Y方向、Z方向、旋轉方向的運動執行機構。相機Y軸為固晶側視覺系統的運動執行機構。

圖1中,T為固晶焊頭一個完整的取晶和固晶時序時間,也即完成取晶和固晶一顆芯片所需要的時間。這一時間決定了共晶固晶機的每小時生產芯片顆數。

用于安裝共晶固晶機的焊頭吸嘴安裝在一個小直線力控馬達上,這一小直線力控馬達和焊頭吸嘴組成一個組件,安裝在BHZ軸上。頂針Z軸代表頂針機構在Z方向的運動,相機Y軸代表固晶側視覺系統在Y方向的移動。直線式邦頭機構的四個軸配合十分緊密,其中BHX軸和BHT軸的動作時序基本類似。若不要求焊頭旋轉,BHT軸可以省略。BHZ軸負責取晶和固晶的焊頭,動作時序最為關鍵和復雜。完成一次固晶后,焊頭BHZ軸上升至待機位,BHX軸和BHY軸同時移動并離開固晶位,直至BHY軸移動至取晶位,即晶圓上芯片等待被拾取的正上方位置。此時BHZ軸馬上下降至取晶位,焊頭吸嘴開啟真空,同時頂針Z軸開始頂起,刺破晶圓藍膜,接觸到芯片底部。焊頭BHZ軸也同步接觸到芯片,真空吸住芯片,頂針Z軸和BHZ軸同步上升。達到焊頭真空延時時間之后,焊頭吸嘴已牢牢吸住芯片,BHZ軸開始上升,頂針Z軸下降,同時BHX軸和BHY軸開始移動至固晶位,即引線框架固晶區等待放置芯片的正上方位置。此時BHZ軸下降至固晶位置,開啟力控馬達保壓延時,完成芯片固晶動作[9]。

在各運動執行機構中,芯片處于被高速拾取和放置的動作時序中,BHZ軸和頂針Z軸的交互最頻繁,每個動作執行時間也最短,往復進行高速運動[10]。BHZ軸至取晶位時,頂針Z軸啟動5 ms后至接觸到芯片,此時焊頭吸嘴真空已開啟。延時10 ms后,頂針Z軸上升刺破藍膜,且BHZ軸同步上升10 ms。此時芯片底部與藍膜不相連,焊頭吸嘴真空繼續延遲10 ms,焊頭吸嘴成功吸住芯片,頂針Z軸下降,等待下一次焊頭BHZ軸至取晶位置時上升,同時晶圓工作臺開始移動至下一個芯片位置。焊頭BHZ軸的另一個功能要求是需要力控,對芯片在固晶時施加一定的壓力,共晶工藝一般要求為0.3～1.5 N。力控延時時間可以根據需要進行調整,所設定的延時時間為10 ms,依靠Z方向的小直線馬達實現力控[11]。焊頭BHY軸運動的位置由取晶位、避讓位、固晶位,以及固晶位、避讓位、取晶位來回往復高速運動。晶圓工作臺與軌道傳輸機構之間不在一個平面,需設一個避讓位,來避免高速運動的焊頭撞到軌道傳輸機構。相機Y軸是固晶側視覺系統的運動執行機構,視覺系統的移動運行、拍照及圖像處理由直線式邦頭固晶機構BHY軸移動在避讓位與取晶位之間時完成的。

7 精度分析

根據時序分析和設計,共晶固晶機各機構的運動執行機構按照圖1進行位置、速度、加速度、時間規劃,并進行軟件設計和參數設定。實際運行每小時生產芯片顆數可以達到16 000,精度為-35～35 μm,設備生產運行穩定,無作業異常,驗證了時序設計的有效性和實用性。

共晶固晶機界面如圖2所示,固晶后測量的36組數據的X、Y方向偏差如圖3所示。由圖3可見,固晶精度均符合設計要求。

8 結束語

筆者基于控制時序設計了共晶固晶機,介紹了基本機構組成、功能、運動執行機構,重點通過控制時序分析設計了各主要機構,對晶圓工作臺、頂針機構、直線式邦頭固晶機構進行了時序規劃。

根據實際運行結果,時序設計方法得到驗證,整機運行結果和工藝都達到設計要求。基于控制時序的共晶固晶機的設計為其它半導體固晶機的設計、研發提供了參考。