直線式共晶固晶機的設計與實現

鄭嘉瑞

( 深圳市聯得自動化裝備股份有限公司， 廣東 深圳 518109)

根據SEMI(國際半導體產業協會)數據，近3年來我國已經連續成為全球最大的半導體設備市場，隨著國內半導體晶圓廠擴大生產規模和國產替代加速，國內半導體設備廠商迎來了發展黃金期[1]。半導體集成電路制造設備通?？煞譃榍暗拦に囋O備（芯片制造）和后道工藝設備（芯片封裝測試）兩大類。其中，刻蝕/去膠設備、薄膜沉積設備、光刻設備為半導體制造的三大核心設備，而后道封裝測試工序及其相應設備包括減薄、劃片、固晶、焊線、塑封、測試、分選等設備。其中固晶設備（也稱固晶機）、裝片機、上芯機等是半導體封裝測試工藝中最為核心的設備[2]。根據不同細分行業應用領域有：IC 固晶機、LED 固晶機、分立器件固晶機等。本文所述的直線式共晶固晶機是一種應用于半導體分立器件的封裝測試工藝流程的固晶機。

1 共晶固晶機及其工藝

具體來說，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測試生產線上的固晶工藝段。這種設備是通過固晶焊頭模組將芯片從工作臺上的晶圓藍膜上，在機器視覺的引導下使用真空吸嘴精準拾取，并在視覺引導下精準放置芯片，使其粘貼在經過高溫軌道的引線框架上的固晶區的芯片鍵合設備。

這種固晶工藝設備是采用一種共晶鍵合工藝，針對這種工藝，國內部分半導體設備公司為了追求更低的制作成本，簡化結構，采用擺臂式焊頭機構來研發固晶機，這種擺臂式固晶機常見于LED 封裝領域，這類設備在設備精度上要求比較低，在LED 固晶機領域，被廣泛應用[3]。

焊頭模組是固晶機最核心的機構組成部分，它的性能將直接決定固晶的質量和效率。比較而言，直線式固晶機是在精度、穩定性上優勢明顯，通常IC 固晶機、高精度倒裝固晶機均是采用直線式焊頭機構的設計方式。這種固晶機在系統響應、穩定性、擴展性、重復定位精度等方面都具備優勢，本文論述的直線式共晶固晶機正是采用的這種設計方式。

根據不同的芯片封裝方式，有多種固晶工藝，比如共晶工藝、軟焊料工藝、銀漿工藝等。其中共晶工藝通常是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，加熱芯片或者引線框架到一定的溫度，在壓力作用下使得芯片和引線框架粘結在一起，并且形成共晶鍵合層。這種共晶鍵合層是由兩種金屬材料在一定溫度下混合形成，常見的有金- 錫、金- 銅、金- 硅共晶層等，不同金屬材料共晶鍵合的溫度不同，金- 錫共晶溫度較高，在400 ℃以上。芯片共晶鍵合的好壞會對芯片封裝后續的可靠性和使用壽命產生影響，相較而言，共晶工藝可以做小尺寸封裝，比如共晶設備可以焊接小至0.20 mm×0.20 mm 的芯片。同時，共晶工藝的封裝成本比銀漿工藝低，在導熱性、可靠性、導電性等方面，共晶工藝也有明顯優勢[4]。

2 共晶固晶機設計工藝流程及規格要求

共晶固晶機的主要工藝過程為：由卷料上料機構將引線框架傳送到軌道中，經過加熱區對引線框架進行加熱，同時，將晶圓放置在晶圓工作臺上，進行擴晶動作，在視覺引導下，焊頭機構執行拾取芯片動作，此時頂針機構向上運動頂起芯片，芯片從晶圓膜上脫離，被焊頭機構的吸嘴吸起，然后在視覺引導下，將芯片放置在引線框架的固晶區。芯片放置后，引線框架移動，焊頭機構在視覺引導下與頂針機構配合繼續拾取和放置芯片在引線框架上，重復以上動作，即為一個完整的共晶固晶機工藝過程。

共晶固晶機除了要求設備能實現工藝動作，要求運行穩定外，還要求保證高速度、高精度、高穩定性，以及實現主要的技術規格。 常見的共晶固晶設備主要核心技術指標為：（1）UPH（每小時生產的芯片數量）＞15 000；（2）精度為±35 μm；（3）芯片尺寸0.2 mm×0.2 mm～1 mm×1 mm；（4）固晶力30～150 g。其中芯片尺寸參數是關乎設備兼容性，UPH 是關乎設備生產效率，精度和固晶力是關乎設備性能。當前，半導體固晶機的綜合能力主要集中在UPH 和精度上，其中難點是在精度上，這個指標規格是區別高、中、低端固晶機的主要技術規格[5-7]。

3 共晶固晶機機構組成

共晶固晶機主要由上料機構、軌道傳輸機構、晶圓工作臺、頂針機構、焊頭機構、視覺機構、下料機構等機構組成，各機構功能表1 所示。這些機構組成了整機的機構硬件部分，結合整機的電氣、視覺和運動控制設計實現了共晶固晶機的功能。機構組成是根據需要生產的晶圓芯片、引線框架等生產物料參數，以及技術規格要求設計的，機構設計是固晶機設計的基本，運動控制設計是靈魂。固晶機機構最終的動作執行，由步進電機、伺服電機、直線電機、氣缸、傳感器等部件互相配合來實現。

表1 共晶固晶機的主要機構組成

4 主要機構分析

4.1 焊頭機構

圖1 所示是一種直線式焊頭機構，這是區分擺臂固晶機的核心機構，直線焊頭的動作軌跡在X 方向、Y 方向和Z 方向都是直線移動，高速往返于取晶和固晶位置之間，而擺臂固晶機的焊頭在XY 平面方向上是旋轉移動。直線焊頭機構由直線電機模組分別在X 方向、Y 方向、Z 方向和1 個旋轉方向上的電機組成，這是目前高速度、高精度固晶機主要采用的固晶機構。直線電機模組搭配高分辨率的光柵尺，使得速度和精度得以保證。當前全球領先的半導體中高端固晶設備公司ASM、BESI、Fasford 等均是采用直線式焊頭機構的方式。實際設備生產過程中，焊頭機構的運動是互相聯動的，這個機構是整個固晶機的核心機構，采用了定制的直線電機模組和與之搭配的高分辨率光柵尺，運行軌跡進行理論時序規劃和計劃，使得其運行高速、平滑順暢[8]。

圖1 焊頭機構

直線電機具有響應快、高速度、高精度、高速往復運動、運動軌跡復雜等特點，目前已經在高精密工作臺、半導體設備中廣泛應用[9]。本文采用的直線式焊頭機構即是采用了直線電機，該機構需要精確、快速、平穩地往返于取晶和固晶兩個位置，實現高速拾取、移動和高精放置芯片等動作。在取晶后傳送至固晶位置的過程中，還需檢測是否有漏晶現象，即未能成功吸取芯片。

4.2 晶圓工作臺

晶圓工作臺設計的英寸大小是根據不同的晶圓尺寸，當前傳統封裝主要是200 mm（8 英寸）晶圓，先進封裝主要是300 mm（12 英寸）晶圓。圖2是為了說明本文設計的整個晶圓工作臺機構，本文設計的是一個200 mm 晶圓工作臺，向下可以兼容到150 mm 晶圓，一般工作臺都是向下兼容，比如300 mm 晶圓工作臺，可以兼容200 mm 晶圓。

圖2 晶圓工作臺

整個晶圓工作臺可在XYZ 方向以及旋轉方向上進行運動，圖2 中分別由XY 方向上的直線電機和Z 方向以及旋轉方向上的伺服電機進行驅動。在設備運行過程中，工作臺需要與焊頭模組、頂針模組、視覺系統進行互相頻繁配合。

頂針機構，是用來將芯片從晶圓藍膜上頂起，使得芯片和藍膜脫離分開，方便焊頭機構上的吸嘴在晶圓上拾取芯片。在設備生產過程中，一般頂針機構都是位于工作臺正中心位置。在裝載或者卸載晶圓時，頂針機構會下降或者移動到避讓位置。

4.3 視覺機構

視覺機構也是直線式與擺臂式固晶機的區別機構。擺臂式固晶機的視覺機構基本都是固定的，分別取晶側和固晶側2 個位置。直線式固晶機的視覺機構如圖3 所示，其視覺機構分為拾晶側和固晶側。圖3 中整個視覺機構模組安裝在一個整體底板上，拾晶側的視覺系統是固定機構，不需要移動，是位于晶圓工作臺的頂針機構的正上方，該視覺系統、晶圓上的芯片、頂針機構的頂針尖在垂直方向組成“三點一線”，焊頭機構的吸嘴在拾晶側高速移動拾取芯片的位置，正是在“三點一線”上。由于引線框架通常是陣列多排，固晶側的視覺系統需要高速移動對每個固晶位進行引導定位，因此該側視覺機構由伺服電機驅動進行高速往返運動，這里采用了交叉輥子導軌與之配合，實現了高速度、高精度，確保視覺系統精度。

圖3 視覺機構

4.4 軌道傳輸機構

固晶機的引線框架軌道傳輸機構如圖4 所示。

圖4 軌道傳輸機構

該卷料傳輸進入到軌道后，就被壓平。軌道的寬度由卷料的寬度決定，軌道內部的底板是需要進行加熱，溫度加熱到400 ℃左右（加熱溫度由共晶鍵合的材料決定），為了將引線框架卷料的固晶面上粘接芯片的錫加熱到熔融狀態。圖4 中的卷料入口處是引線框架輸入到軌道的起始位置，軌道蓋板用來將軌道蓋住，起到保溫、保護框架的作用。卷料壓爪在固晶窗口將正在固晶的框架壓緊，保證固晶穩定。使得卷料向前傳輸的電機是依靠帶動皮帶，皮帶帶動壓輪，通過壓輪摩擦使得引線框架卷料前進，完成框架輸送的動作。

4.5 下料機構

由于這種半導體分立器件的引線框架的來料是以卷料的形式上料供給，除了以上的主要機構外，這種固晶機還要求要搭配下料機構，下料機構是具備將引線框架按照指定設置的長度切成片料的功能。一般會要求是將固晶完成后的引線框架沖切成長度為260 mm 的片料，然后推送進彈匣中存放。沖切引線框架不能切偏，不能翹曲以及料片行進過程中不能被擠壓褶皺等，否則會造成固晶后的料片成為殘次品，造成生產異常。

5 共晶固晶機控制時序分析

本固晶設備中的機構需要緊密協調配合，既要能保證高速度、高精度，又要不會撞機，才能使得固晶機達到理想的運行效果。其中主要是晶圓工作臺、頂針機構、直線焊頭機構和視覺機構的配合時序最為關鍵和復雜，控制時序的分析主要是結合實際運行軌跡對這些機構進行理論分析[10]。

圖5 所示中，T 是代表一個完整的取晶和固晶時序時間，也就是完成取晶和固晶1 顆芯片所需要的時間，這個時間決定了該固晶機的UPH，是固晶機的核心規格。圖5 中是將直線焊頭機構的4 個軸、視覺機構、晶圓工作臺、頂針機構等主要機構的軸時序進行了規劃設計。其中直線焊頭機構是由焊頭X 軸，焊頭Y 軸，焊頭Z 軸，焊頭旋轉軸，分別用來表示在焊頭機構在X 方向、Y方向、Z 方向和旋轉方向上的運動；視覺機構是由視覺Y 軸來表示，晶圓工作臺的運動相對比較獨立，沒有單獨對其每個運動軸進行說明；頂針機構的運動執行機構是頂針Z 軸。焊頭Z 軸和頂針Z軸的配合是焊頭取晶動作配合，是決定設備能否 高速、高精拾取芯片的關鍵動作。

圖5 共晶機的主要時序設計圖

6 運行結果和精度分析

根據工藝流程和技術規格需求，設計了固晶機構和工藝時序，共晶固晶機的各個機構按照時序進行位置、速度、加速度和時間規劃進行軟件設計和參數設置。使用200 mm 的晶圓，芯片尺寸為0.4 mm ×0.4 mm 進行設備性能測試，設備實際運行UPH 可以達到16 000，固晶精度在正負35 μm左右，如圖6 所示，顯示了固晶后測量的30 組精度偏差數據，圖6 中數據反饋了固晶精度均符合設計要求，而且設備運行穩定。

圖6 固晶后測量的30 組數據x-y 方向偏差

7 結束語

本文介紹了一種直線式共晶固晶機的設計與實現，重點分析設計了晶圓工作臺、頂針機構、直線焊頭等機構，并對其時序規劃進行了分析。根據實際的結果來看，直線式共晶機的設計達到了要求，給研制其他固晶機提供了一些參考作用，尤其是針對以直線式焊頭機構為核心的半導體固晶機。