300mm全自動去膠清洗設(shè)備的研制

曹秀芳，曹穎杰，祝福生

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

倒裝芯片技術(shù)是近幾年先進微組裝技術(shù)——BGA封裝、CSP封裝、MCM微組裝的關(guān)鍵工藝技術(shù)，而芯片倒裝技術(shù)的關(guān)鍵是球形焊料凸點的制造工藝。由于在這一階段，晶圓工藝都已經(jīng)完成，產(chǎn)品成本完全投入，因此，凸點制造時成品率的降低會極大增加成本。為此，必須對凸點制造的工藝步驟進行嚴(yán)格控制。去膠工藝為電鍍凸點后光刻膠的去除工藝，該去膠工藝的均勻性及潔凈度直接影響后續(xù)金屬膜剝離工藝，進而影響整個晶圓凸點的形成。由于該工藝為厚膠的去除，針對300mm的晶圓，晶圓的傳輸及溶液的均勻性、溫度控制精度等都直接影響去除的效果。本設(shè)備采用機械手自動傳片、攪拌及溶液循環(huán)等方式保證去除的有效性。

1 設(shè)備主要構(gòu)成

如圖1所示，整機主要由機架、槽體、上下料裝置、機械手、水浴加熱系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、水路系統(tǒng)及氣路系統(tǒng)等組成。其中機架整體采用不銹鋼型材，面板及殼體采用不銹鋼板材。

圖1 整機結(jié)構(gòu)示意圖

本設(shè)備共6個工位，其中1個上料位，1個下料位，4個清洗工藝工作位（1～4槽），所有去膠槽工作在潔凈、全封閉的結(jié)構(gòu)中，前面蘭色透明防火觀察窗口。設(shè)備的廢氣排放單元安裝在設(shè)備的頂部及后部，通過φ200 mm接口與用戶生產(chǎn)線上的通風(fēng)系統(tǒng)相連接，以排出揮發(fā)的廢氣。排風(fēng)口處設(shè)有手動調(diào)節(jié)風(fēng)門，操作人員可根據(jù)情況及時調(diào)節(jié)排風(fēng)量，排風(fēng)管道安裝壓力傳感器，可輸出電信號至控制系統(tǒng)，以便隨時檢測排風(fēng)量并提供報警信息。

2 工作原理

將未清洗片盒手工置于上料位，系統(tǒng)通過光電開關(guān)檢測后，由機械手按照設(shè)定的工藝程序（任意清洗順序及清洗時間）自動完成片盒在各槽間的傳輸及清洗過程中的上下拋動，清洗完成后由機械手將片盒移到下料位，聲光提示已清洗完畢，待人工手動取出。該設(shè)備共包括2個去膠槽、1個QDR清洗槽及1個IPA干燥槽，其中去膠槽為工藝腐蝕槽，其槽體結(jié)構(gòu)、溫度控制精度、溶液循環(huán)攪拌等功能直接影響著去膠的效果及清洗的潔凈度。

3 清洗槽體結(jié)構(gòu)及功能

由于該設(shè)備腐蝕晶圓為300mm，直徑較大，槽體尺寸也較大，因此腐蝕槽內(nèi)溶液的均勻性直接影響到腐蝕的均勻性，為此本設(shè)備采用四周溢流槽體結(jié)構(gòu)，經(jīng)過外部高效多級離心循環(huán)泵、水浴加熱器及底部兩側(cè)平行管注入的方式，再結(jié)合機械手帶動片盒上下攪拌功能，從而有效實現(xiàn)溶液的均勻性。本結(jié)構(gòu)底部噴淋管平行注入，克服了以往底部柱狀注入造成溶液局部不均勻現(xiàn)象，是實現(xiàn)大直徑晶圓腐蝕清洗均勻性的關(guān)鍵技術(shù)之一，如圖2所示槽體結(jié)構(gòu)及工作原理。

圖2 去膠槽體結(jié)構(gòu)示意圖及工作原理圖

3．1 溶液溫度控制

由于去膠液為有機液體，易燃，不宜直接加熱。因此通常采用間接加熱方式比較安全，即加熱水槽DI水，通過熱交換傳遞的方式。該水浴加熱槽由不銹鋼316焊接而成，內(nèi)部盤有不銹鋼熱交換管及不銹鋼加熱管，化學(xué)液通過循環(huán)泵進入水浴加熱槽，在水浴加熱槽底部盤有冷卻水管，接入用戶廠務(wù)冷卻水；溫度控制系統(tǒng)通過檢測去膠工藝槽中化學(xué)液的溫度并實時控制加熱系統(tǒng)及水浴槽底部的冷盤管的開啟，從而有效控制去膠槽體化學(xué)液的溫度，本設(shè)備溫控范圍及精度為：20℃±1℃～80℃±1℃。圖3為溶液溫度加熱控制系統(tǒng)示意圖。

圖3 溶液溫度加熱控制系統(tǒng)示意圖

3．2 超聲功能

在上述清洗技術(shù)基礎(chǔ)上，通過增加機械力的作用把異物從工件上剝離，通過在槽體底部加入超聲振板。超聲波清洗技術(shù)是將高于20 kHz的高頻電信號，通過換能器將電能轉(zhuǎn)化為高頻的機械振動而傳入到清洗液中。通常低頻具有較強的清洗能力，清洗較大的顆粒。本設(shè)備選擇超聲頻率為40 kHz，功率為1000W連續(xù)可調(diào)。

4 機械傳動

結(jié)構(gòu)見圖4，傳動部分采用直線導(dǎo)軌和伺服電機、滾珠絲杠等系統(tǒng)組成，由水平移動及上下移動兩部分構(gòu)成，主要完成片盒在各槽體間移動及槽體中溶液的上下攪拌功能。安裝在設(shè)備后面相對清洗槽體完全獨立的空間，伸到去膠槽部分的機械手臂全部用不銹剛材料。攪動頻率：小于等于60次/m in(可選擇不攪動)攪動行程：10～30mm。

圖4 機械手結(jié)構(gòu)原理圖

5 自動滅火裝置（IPA槽、1#、2#有機溶液槽滅火）

由于去膠液為易燃有機液體，因此設(shè)備需配置獨立自動滅火裝置。由于該設(shè)備火災(zāi)發(fā)生主要在有機槽體，而且屬于火災(zāi)發(fā)生無法預(yù)計的封閉區(qū)域，因此本滅火系統(tǒng)應(yīng)采用全淹沒式滅火系統(tǒng)，即當(dāng)檢測到火災(zāi)發(fā)生時，在規(guī)定的時間內(nèi)向機架槽體部分噴射一定濃度的CO2滅火劑，并使其均勻地充滿整個設(shè)備槽體上部操作空間內(nèi)。該設(shè)備滅火系統(tǒng)主要由氣體滅火報警系統(tǒng)、火災(zāi)探測器（溫感探測器）、滅火劑貯存瓶、溶劑閥、選擇閥、氣路控制閥、壓力開關(guān)、噴嘴等部分組成。具有自動滅火、應(yīng)急手動滅火、現(xiàn)場機械施放滅火等三種滅火方式，當(dāng)自動滅火方式啟動時，系統(tǒng)關(guān)斷設(shè)備主電源及關(guān)閉排風(fēng)口并在規(guī)定時間內(nèi)啟動CO2瓶組。

6 結(jié)束語

本文以全自動去膠設(shè)備為研究對象，介紹了去膠清洗設(shè)備工作原理，從槽體結(jié)構(gòu)、溫度加熱控制系統(tǒng)及溶液均勻性實現(xiàn)等方面介紹了去膠槽體及管路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)技術(shù)。經(jīng)過用戶3年多的使用，實際證明：該設(shè)備運行穩(wěn)定、工藝適應(yīng)性強，性價比高，可用于大生產(chǎn)線的批量生產(chǎn)，可以取代同類的進口設(shè)備。