基于倒裝鍵合設備的準直調(diào)平系統(tǒng)研究

閆 瑛，郝耀武，王增琴

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

隨著半導體制造工藝的進步和市場對微小芯片需求的急速增長，芯片I/O密度越來越高，芯片尺寸、芯片引線鍵合和焊盤直徑持續(xù)減小，因而對封裝設備的鍵合精度提出了極高的要求[1]，鍵合前相對平行度的好壞直接決定了鍵合精度的穩(wěn)定性，鍵合過程如圖1所示。目前主要依靠機械裝調(diào)或自適應的方式來保證鍵合前的平行度，但對于凸點倒裝，機械裝調(diào)的效果和自適應無法滿足高精度鍵合的需求。因此，準直調(diào)平系統(tǒng)的研制對于高精度倒裝芯片的互連有重大意義。

圖1 倒裝鍵合過程示意圖

1 自準直原理

數(shù)字光電自準直儀原理如圖2所示，光線通過位于物鏡焦平面的分劃板后，經(jīng)物鏡形成平行光。平行光被垂直于光軸的反射鏡反射回來，再次通過準直鏡頭后由分光棱鏡轉(zhuǎn)折匯聚在位于共軛焦平面的CCD表面，形成分劃板像。當反射鏡傾斜一個微小角度時，反射回來的光束就產(chǎn)生一個傾角，位于CCD探測表面的分劃板像就產(chǎn)生一個位移。通過CCD對分劃板像位移的判讀即可得知反射鏡的角位移。這就是光學自準直的基本原理。設分劃板到物鏡的距離為f，反射鏡偏轉(zhuǎn)角度為α，十字分劃板在CCD上所成像的位置變化為γ，則α=γ/2f。

圖2 數(shù)字光電自準直儀原理圖

2 準直光路設計

根據(jù)光學自準直原理及倒裝工藝需求設計準直系統(tǒng)，設計平面圖[2]如圖3所示。

圖3 準直光路設計平面圖

3 準直系統(tǒng)光學設計及像質(zhì)評價

準直系統(tǒng)的設計，主要考慮矯正球差、彗差、畸變等，設計結(jié)果如圖4所示。

圖4 準直系統(tǒng)光學設計圖

對準直系統(tǒng)的光學設計結(jié)果進行綜合模擬及仿真分析與計算。光學系統(tǒng)MTF如圖5所示，能量集中度曲線如圖6所示，畸變曲線如圖7所示。

圖5 準直系統(tǒng)MTF曲線

圖6 準直系統(tǒng)能量集中度曲線

圖7 準直系統(tǒng)畸變曲線對比

根據(jù)以上仿真與分析可知，系統(tǒng)在可見光波段全視場MTF已設計為衍射極限系統(tǒng)，系統(tǒng)的彌散圓半徑都在1μm以內(nèi)，系統(tǒng)成像質(zhì)量很好，能夠滿足對十字分劃板成清晰的圖像。

另外，透過系統(tǒng)畸變曲線可知，本系統(tǒng)畸變的最終設計值為0.000 32%，可以保證十字分劃像不變形。

4 準直調(diào)平過程設計

準直系統(tǒng)的工作原理如圖8所示，分別將十字靶標圖形如圖9所示投射在芯片和基板的反射面上，圖形反射通過準直光路投射到CCD上。根據(jù)光學準直原理，假如CCD上顯示兩個不重合的十字靶標，則認為芯片和基板兩平面不平行，通過驅(qū)動平行度調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)節(jié)兩個十字靶標到完全重合，則完成芯片和基板的平行度調(diào)節(jié)。

圖8 準直系統(tǒng)工作原理圖

圖9 十字靶標

調(diào)節(jié)過程中通過視覺拍攝上下兩個十字靶標圖形在視場坐標系內(nèi)的位置坐標，以基板靶標為基準，可以計算出兩靶標之間的XY方向像素坐標的偏差值（rx，ry），依據(jù)激光干涉儀已經(jīng)標定的位移與脈沖對應關(guān)系（在整個行程中分別記錄多組XY方向脈沖與對應像素坐標的值，采用Matlab中最小二乘法進行擬合，計算出兩組像素和脈沖的對應關(guān)系），分別計算像素偏差對應的脈沖量，調(diào)節(jié)對應的步進電機，實現(xiàn)調(diào)平功能。

高精度機構(gòu)采用半球氣浮結(jié)構(gòu)，分別通過驅(qū)動俯仰和偏擺電機推動精密螺旋推桿，使球凸產(chǎn)生兩個方向的運動，設計原理為：已知步進電機推桿和球面連接桿交點到球面定點的距離為A，如圖10所示，球面半徑為R，轉(zhuǎn)角分辨率為B，轉(zhuǎn)角行程為C，步進電機導程為S，傳動裝置的綜合傳動效率為η，減速比為i，保持轉(zhuǎn)矩為HT，設：D為步進電機脈沖行程，θS為步進電機步距角，E為整個行程允許位移，F(xiàn)為推力[3]，計算過程如下：

圖10 半球氣浮結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)束語

本文從高精度倒裝鍵合工藝需求出發(fā)，提出了基于自準直原理的調(diào)平方案，給出了相應的光路設計以及仿真過程，配合視覺檢測以及高精度執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)準直調(diào)平的功能，目前準直調(diào)平功能以及在高精度倒裝設備上進行了驗證，功能和性能均能滿足設備使用要求。