半導(dǎo)體晶圓擴(kuò)晶裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

鄭嘉瑞，張 浩

( 深圳市聯(lián)得自動(dòng)化裝備股份有限公司， 廣東 深圳 518109)

傳統(tǒng)半導(dǎo)體封裝測試的生產(chǎn)工藝流程主要由減薄、劃片、固晶、焊線、塑封、切筋、測試、包裝出貨組成。在固晶工藝中，一種常見的晶圓芯片的承載方式是使用子母環(huán)，將承載有晶圓芯片的子母環(huán)安裝在晶圓工作臺(tái)上，使其供固晶機(jī)的頂針模組、晶圓工作臺(tái)、取晶模組完成芯片拾取的動(dòng)作[1]。

采用子母環(huán)的方式，固晶機(jī)的晶圓工作臺(tái)就不會(huì)有擴(kuò)晶功能，因而就需要事先將晶圓進(jìn)行擴(kuò)張，使得晶圓上的芯片與芯片之間的間距均勻拉開，這個(gè)工藝在半導(dǎo)體行業(yè)中稱之為擴(kuò)晶。這種工藝常見于LED、MiniLED 等芯片封裝行業(yè)，通常擴(kuò)晶膜是UV 膜或者藍(lán)膜，芯片是LED 或者M(jìn)iniLED 等顯示或者照明類的光電芯片，擴(kuò)晶工藝質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響后續(xù)固晶機(jī)的生產(chǎn)效率[2]。

本文介紹的裝置就是針對(duì)LED、MiniLED 芯片封裝應(yīng)用，按照其擴(kuò)晶工藝要求來研發(fā)設(shè)計(jì)的擴(kuò)晶裝置，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的擴(kuò)晶工藝。該裝置采用從上向下壓的方式，采用了伺服電機(jī)作為雙側(cè)驅(qū)動(dòng)力，并且采用視覺系統(tǒng)監(jiān)控?cái)U(kuò)晶后的芯片間距。這種設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)的半自動(dòng)擴(kuò)晶裝置采用的氣缸驅(qū)動(dòng)方式，從下向上頂圓臺(tái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)晶，精度更高，擴(kuò)晶系統(tǒng)更可控和穩(wěn)定[3，4]。

1 擴(kuò)晶裝置原理和要求

利用雙側(cè)的伺服電機(jī)從上往下壓晶圓芯片的鐵環(huán)，底部的工作圓臺(tái)加熱晶圓膜，有利于膜在XY 平面上均勻擴(kuò)張，同時(shí)采用視覺監(jiān)控?cái)U(kuò)晶后的芯片間距，保證生產(chǎn)穩(wěn)定可靠，研制的擴(kuò)晶裝置原理如圖1 所示。擴(kuò)晶動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)還需要子環(huán)、母環(huán)、鐵環(huán)以及晶圓芯片。常見的子母環(huán)、晶圓芯片扣合流程如圖2 所示。

圖1 擴(kuò)晶原理

圖2 子母環(huán)、晶圓芯片扣合流程

擴(kuò)晶作為固晶工藝前必要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其裝置是為了實(shí)現(xiàn)粘貼在晶圓膜上的芯片間距均勻擴(kuò)展的功能，需要保證生產(chǎn)穩(wěn)定，并且能全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)晶過程監(jiān)控、晶圓膜加熱、多余膜自動(dòng)切割等功能。該裝置的主要要求如表1 所示。

表1 半導(dǎo)體晶圓擴(kuò)晶設(shè)備主要參數(shù)

2 擴(kuò)晶裝置

半導(dǎo)體擴(kuò)晶裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。該裝置是立式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，使用工業(yè)電腦和運(yùn)動(dòng)控制卡組成運(yùn)控系統(tǒng)，核心的模組是擴(kuò)晶機(jī)構(gòu)模組，負(fù)責(zé)將已經(jīng)貼有晶圓芯片的鐵環(huán)在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行勻速下壓，此時(shí)居于中心的晶圓芯片被工作圓臺(tái)頂起。工作圓臺(tái)上還均勻分布有加熱棒，圓臺(tái)受熱后使得晶圓膜受熱，由于晶圓膜受熱后具有易擴(kuò)展的特性，擴(kuò)晶機(jī)構(gòu)下壓，工作圓臺(tái)相對(duì)頂起后，使得粘貼在晶圓膜上的芯片實(shí)現(xiàn)芯片在XY 平面上均勻擴(kuò)展，芯片間距相等[5]。

圖3 半導(dǎo)體擴(kuò)晶裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 擴(kuò)晶機(jī)構(gòu)

擴(kuò)晶機(jī)構(gòu)是半導(dǎo)體擴(kuò)晶裝置的核心模組。為了實(shí)現(xiàn)高精度的擴(kuò)晶，采用了雙驅(qū)結(jié)構(gòu)，左右鏡像分布兩個(gè)同樣的模組，分別由功率是500 W 的伺服電機(jī)在Z 方向上驅(qū)動(dòng)，保證在Z 軸方向上的高精度移動(dòng)，滿足雙驅(qū)結(jié)構(gòu)同步下壓移動(dòng)，避免采用單個(gè)氣缸作為下壓驅(qū)動(dòng)力而引起的壓力不均的短板，實(shí)現(xiàn)高精度的要求。擴(kuò)晶頂部下壓板、擴(kuò)晶下壓板以及擴(kuò)晶下壓氣缸安裝板這3 個(gè)部件是通過滑塊和高精度導(dǎo)軌連接安裝在雙驅(qū)結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)下壓同步。擴(kuò)晶下壓時(shí)首先接觸到已經(jīng)貼有晶圓芯片的鐵環(huán)是擴(kuò)晶下壓板，按照要求擴(kuò)展晶圓膜到指定的擴(kuò)晶深度后，切刀會(huì)自動(dòng)環(huán)切多余的晶圓膜，完成切割晶圓膜的動(dòng)作。擴(kuò)晶機(jī)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 擴(kuò)晶機(jī)構(gòu)

2.2 切刀機(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)擴(kuò)晶機(jī)后的自動(dòng)切割晶圓膜的功能需求，設(shè)計(jì)了全自動(dòng)切割模組。當(dāng)擴(kuò)晶動(dòng)作完成后，切刀會(huì)由薄型氣缸驅(qū)動(dòng)，先刺破晶圓膜，然后由電機(jī)帶動(dòng)環(huán)繞晶圓膜切割，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割的功能，自動(dòng)切除多余膜材。切刀機(jī)構(gòu)模組如圖5 所示。

圖5 切刀機(jī)構(gòu)

2.3 圓臺(tái)機(jī)構(gòu)

圓臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成圓形是考慮到晶圓膜受熱擴(kuò)展后，可以從中心原點(diǎn)向四周等間距的擴(kuò)展。圓臺(tái)上分布的4 個(gè)加熱棒以90°分布開，達(dá)到均勻給圓臺(tái)加熱的目的，使得圓臺(tái)表面溫度均衡。

擴(kuò)晶動(dòng)作開始后，擴(kuò)晶機(jī)構(gòu)模組下壓時(shí)，與圓臺(tái)機(jī)構(gòu)接觸時(shí)擴(kuò)晶機(jī)構(gòu)模組會(huì)壓縮，居于中心的晶圓膜會(huì)與中間的擴(kuò)晶臺(tái)接觸，晶圓膜受熱的同時(shí)實(shí)現(xiàn)晶圓膜擴(kuò)張，粘貼在晶圓膜上的芯片間距被均勻的擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)晶工藝[6，7]，如圖6 所示。

圖6 圓臺(tái)機(jī)構(gòu)

2.4 視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)用于監(jiān)控晶圓芯片擴(kuò)晶后的間距，該裝置的視覺系統(tǒng)居于擴(kuò)晶機(jī)構(gòu)的中心位置，固定于擴(kuò)晶機(jī)構(gòu)上。晶圓芯片大小0.25 mm×0.5 mm 、0.15 mm×0.5 mm，芯片間距0.5～0.7 mm，擴(kuò)晶精度±10 μm。

根據(jù)需求，選用500 百萬像素的面陣相機(jī)，相機(jī)分辨率2448×2048。傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭在成像時(shí)會(huì)由于視差而導(dǎo)致圖片出現(xiàn)近大遠(yuǎn)小的問題，而遠(yuǎn)心鏡頭能夠保證物體在一定物距范圍內(nèi)所成像不發(fā)生變化，即保證在這段距離內(nèi)圖像的放大倍率始終保持一致，因此該裝置的視覺系統(tǒng)選用的鏡頭是1 倍遠(yuǎn)心鏡頭。由于空間限制和需求，搭配低角度環(huán)形光，視覺系統(tǒng)的視野可達(dá)到8.8 mm×6.6 mm，像素精度達(dá)到3.45 μm/pixel。這套視覺系統(tǒng)可以滿足該裝置功能需求，能達(dá)到監(jiān)控芯片間距的設(shè)計(jì)目的。

3 測試結(jié)果

按照設(shè)計(jì)需求，該裝置從機(jī)構(gòu)、電氣和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)都滿足了擴(kuò)晶工藝要求，裝置采用了高精度的雙驅(qū)絲桿導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。擴(kuò)晶前在裝置軟件上設(shè)定目標(biāo)芯片間距，擴(kuò)晶過程中視覺系統(tǒng)進(jìn)行間距監(jiān)控，達(dá)到目標(biāo)值后，擴(kuò)晶自動(dòng)停止，進(jìn)行晶圓切割，完成擴(kuò)晶動(dòng)作。

經(jīng)過裝配和整機(jī)調(diào)試后，首先用無芯片的空白膜驗(yàn)證測試的穩(wěn)定性；然后，驗(yàn)證圓臺(tái)加熱后晶圓膜擴(kuò)張的一致性；驗(yàn)證自動(dòng)切刀切膜的可靠性；驗(yàn)證整機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置等。

在經(jīng)過初步驗(yàn)證確認(rèn)后，采用有芯片的晶圓進(jìn)行擴(kuò)晶測試，晶圓上的芯片在擴(kuò)晶之前經(jīng)過芯片分選機(jī)挑選，芯片分布通常呈正方形，芯片間距精度要求在±15 μm。

擴(kuò)晶后的芯片布局如圖7（a）所示，呈正方形分布，經(jīng)過擴(kuò)晶后，芯片間距擴(kuò)大，仍然呈正方形。擴(kuò)晶后的芯片經(jīng)過AOI 檢測設(shè)備驗(yàn)證，表明芯片擴(kuò)晶后位置均勻，間距穩(wěn)定擴(kuò)大，如圖7（b）所示。

圖7 芯片擴(kuò)晶的結(jié)果

4 結(jié)束語

對(duì)于半導(dǎo)體固晶機(jī)來說，晶圓擴(kuò)晶這個(gè)工藝只是晶圓工作臺(tái)模組上具備的一個(gè)功能。但是相對(duì)于LED，MiniLED 芯片封裝來說，晶圓擴(kuò)晶不止是一個(gè)功能，是一張晶圓芯片來料后，進(jìn)行固晶之前，必須要做的一個(gè)工藝流程。尤其是針對(duì)MiniLED 封裝工藝，由于其封裝工藝的高速度、高精度等特點(diǎn)，要求芯片擴(kuò)晶達(dá)到高精度和一致性，該擴(kuò)晶裝置已經(jīng)在國內(nèi)某MiniLED 芯片封裝測試公司驗(yàn)證通過，替代了海外進(jìn)口設(shè)備，進(jìn)行了批量應(yīng)用。

本半導(dǎo)體晶圓擴(kuò)晶裝置設(shè)計(jì)上不僅是實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)擴(kuò)晶功能需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)切膜的自動(dòng)化功能，并開創(chuàng)地使用了視覺系統(tǒng)對(duì)擴(kuò)晶過程的芯片間距進(jìn)行監(jiān)控。這些優(yōu)勢相比于人工手動(dòng)貼膜、以及傳統(tǒng)的氣缸驅(qū)動(dòng)的半自動(dòng)貼膜機(jī)，具有更高精度和更加智能化，提高了生產(chǎn)效率和擴(kuò)晶工藝穩(wěn)定性及可靠性，使得后續(xù)固晶工藝時(shí)設(shè)備占用視覺識(shí)別和定位時(shí)間大幅減少，達(dá)到更先進(jìn)封裝的工藝要求。