基于控制時(shí)序的共晶固晶機(jī)的設(shè)計(jì)*

□ 鄭嘉瑞 □ 彭錦青

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

1 設(shè)計(jì)背景

近年來,我國已經(jīng)成為全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備需求市場(chǎng)。半導(dǎo)體設(shè)備根據(jù)晶圓制造和封裝測(cè)試,分為前后兩段設(shè)備[1]。固晶機(jī)是半導(dǎo)體芯片封裝測(cè)試及發(fā)光二極管芯片封裝測(cè)試生產(chǎn)線上關(guān)鍵的核心設(shè)備之一,是一種高速度、高精度設(shè)備。半導(dǎo)體芯片封裝測(cè)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(cè)試、編帶等環(huán)節(jié),發(fā)光二極管芯片封裝測(cè)試常見的工藝流程包括固晶、焊線、點(diǎn)膠、分光、編帶等環(huán)節(jié)[2]。基于控制時(shí)序所設(shè)計(jì)的共晶固晶機(jī)是一種應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片封裝測(cè)試工藝流程的固晶機(jī),固晶工藝是一種共晶鍵合工藝。

2 共晶固晶機(jī)工藝

共晶固晶機(jī)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體分立器件領(lǐng)域的三極管封裝產(chǎn)線,通過固晶邦頭模組將芯片從晶圓上精準(zhǔn)拾取,并在視覺引導(dǎo)下精準(zhǔn)放置在引線框架上,屬于芯片鍵合設(shè)備。這一鍵合設(shè)備的固晶工藝也稱為共晶鍵合技術(shù)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(yù)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(huì)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(jī)設(shè)計(jì)功能要求

隨著運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器視覺技術(shù)等自動(dòng)化、智能化共性底層技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步,共晶固晶機(jī)的自動(dòng)化和智能化程度有了大幅提升。除了要求共晶固晶機(jī)能按工藝要求穩(wěn)定運(yùn)行外,還要求保證高速度、高精度,因此共晶固晶機(jī)的運(yùn)行時(shí)序時(shí)間都是以毫秒為單位進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。針對(duì)半導(dǎo)體三極管封裝產(chǎn)線,共晶固晶機(jī)主要核心參數(shù)見表1。

表1 共晶固晶機(jī)主要核心參數(shù)

由表1可見,共晶固晶機(jī)需兼容晶圓芯片、引線框架尺寸、每小時(shí)生產(chǎn)芯片顆數(shù)等主要核心參數(shù)。其中,引線、晶圓、芯片尺寸關(guān)系到共晶固晶機(jī)的適用性和兼容性,每小時(shí)生產(chǎn)芯片顆數(shù)關(guān)系到共晶固晶機(jī)的生產(chǎn)效率,固晶精度和固晶力關(guān)系到共晶固晶機(jī)法的性能。共晶固晶機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)在于生產(chǎn)效率和性能。

半導(dǎo)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(shù)外,共晶固晶機(jī)還要求搭配一臺(tái)引線框架沖切機(jī)。沖切機(jī)用于將固晶完成后的卷料沖切為規(guī)定長(zhǎng)度,一般為260 mm,然后推送進(jìn)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(jìn)過程中不能被擠壓,否則固晶后的料片會(huì)成為殘次品,導(dǎo)致生產(chǎn)異常。

在共晶固晶機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),不僅要從自動(dòng)化角度分析設(shè)計(jì)各個(gè)功能機(jī)構(gòu),而且要從工藝角度分析設(shè)計(jì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的馬達(dá)啟停、延時(shí)及氣動(dòng)原件的開合、延時(shí)等參數(shù),進(jìn)而滿足固晶功能。

4 共晶固晶機(jī)機(jī)構(gòu)組成

共晶固晶機(jī)的主要機(jī)構(gòu)組成有上料機(jī)構(gòu)、軌道傳輸機(jī)構(gòu)、晶圓工作臺(tái)、頂針機(jī)構(gòu)、直線式邦頭固晶機(jī)構(gòu)、沖切機(jī)構(gòu)、運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)、視覺系統(tǒng)。上述機(jī)構(gòu)根據(jù)需要生產(chǎn)的晶圓芯片、引線框架等參數(shù)設(shè)計(jì),是設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由完成上述機(jī)構(gòu)動(dòng)作工藝要求所需的運(yùn)動(dòng)部件組成,如馬達(dá)、直線電機(jī)、氣缸等[4]。

共晶固晶機(jī)采用直線式邦頭機(jī)構(gòu),固晶焊頭在X、Y、Z三個(gè)方向上均采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng),是目前高速度、高精度固晶機(jī)主要采用的固晶機(jī)構(gòu)[5-6]。不同于一般的發(fā)光二極管固晶機(jī),共晶固晶機(jī)采用半導(dǎo)體共晶工藝,軌道傳輸機(jī)構(gòu)除了對(duì)引線框架進(jìn)行傳輸外,還需對(duì)引線框架進(jìn)行加熱,使固晶時(shí)芯片和引線框架固晶區(qū)域形成金屬共晶層。同時(shí),軌道傳輸機(jī)構(gòu)還需設(shè)計(jì)氮?dú)獗Ｗo(hù)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(tái)XY平面上的運(yùn)動(dòng)和頂針機(jī)構(gòu)Z方向上的頂針運(yùn)動(dòng)均為高速,且精度要求較高,采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)模組[7]。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)根據(jù)需實(shí)現(xiàn)的工藝性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì),是整機(jī)運(yùn)行的中樞。要求控制九個(gè)馬達(dá)、七個(gè)直線電機(jī)、六個(gè)氣缸的動(dòng)作,來完成共晶固晶機(jī)的動(dòng)作。視覺系統(tǒng)分別包含取晶側(cè)和固晶側(cè)系統(tǒng),用于進(jìn)行芯片拾取和固晶時(shí)的引導(dǎo)定位功能。由于引線框架為多排排列,視覺系統(tǒng)視野要求廣,因此固晶側(cè)的視覺系統(tǒng)需要在Y方向上高速移動(dòng)定位,來滿足定位引導(dǎo)的要求。在直線式邦頭固晶機(jī)構(gòu)中包含一個(gè)Z方向力控馬達(dá),用于進(jìn)行焊頭吸嘴的固晶力控制。

共晶固晶機(jī)的主要機(jī)構(gòu)功能及其運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)見表2。

表2 共晶固晶機(jī)主要機(jī)構(gòu)功能及其運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

5 共晶固晶機(jī)工作原理

共晶固晶機(jī)主要工作原理為:由上料機(jī)構(gòu)將引線框架卷料供給放置于軌道傳輸機(jī)構(gòu)中,軌道上分布有加溫區(qū),對(duì)框架進(jìn)行加熱;芯片由晶圓工作臺(tái)進(jìn)行供給;在取晶側(cè)視覺相機(jī)系統(tǒng)的引導(dǎo)下,從晶圓上拾取芯片;在固晶側(cè)視覺相機(jī)系統(tǒng)的引導(dǎo)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(qū);晶圓工作臺(tái)根據(jù)視覺相機(jī)系統(tǒng)的引導(dǎo),運(yùn)動(dòng)至下一個(gè)芯片的位置,等待直線固晶焊頭到達(dá)拾取芯片。重復(fù)以上過程,直至晶圓上所有芯片拾取完成。

6 控制時(shí)序分析

共晶固晶機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中,九個(gè)馬達(dá)、七個(gè)直線電機(jī)、六個(gè)氣缸的動(dòng)作工作時(shí)序需要緊密協(xié)調(diào)配合,既要保證高速度、高精度,又不能撞機(jī),這樣才能使共晶固晶機(jī)達(dá)到理想的運(yùn)行效果。晶圓工作臺(tái)、頂針機(jī)構(gòu)、直線式邦頭固晶機(jī)構(gòu)的配合時(shí)序最為關(guān)鍵和復(fù)雜,主要結(jié)合實(shí)際運(yùn)行軌跡對(duì)機(jī)構(gòu)及其運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制時(shí)序分析。

共晶固晶機(jī)的主要時(shí)序設(shè)計(jì)如圖1所示。對(duì)晶圓工作臺(tái)、頂針機(jī)構(gòu)、直線邦頭固晶機(jī)構(gòu)、視覺系統(tǒng)的主要運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)序進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)。晶圓工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)相對(duì)比較獨(dú)立,雖然其運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)軸,但是仍只用晶圓工作臺(tái)代表時(shí)序設(shè)計(jì),不單獨(dú)對(duì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行說明。頂針機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為頂針Z軸。直線式邦頭機(jī)構(gòu)的BHX軸、BHY軸、BHZ軸、BHT軸依次為在X方向、Y方向、Z方向、旋轉(zhuǎn)方向的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。相機(jī)Y軸為固晶側(cè)視覺系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖1中,T為固晶焊頭一個(gè)完整的取晶和固晶時(shí)序時(shí)間,也即完成取晶和固晶一顆芯片所需要的時(shí)間。這一時(shí)間決定了共晶固晶機(jī)的每小時(shí)生產(chǎn)芯片顆數(shù)。

用于安裝共晶固晶機(jī)的焊頭吸嘴安裝在一個(gè)小直線力控馬達(dá)上,這一小直線力控馬達(dá)和焊頭吸嘴組成一個(gè)組件,安裝在BHZ軸上。頂針Z軸代表頂針機(jī)構(gòu)在Z方向的運(yùn)動(dòng),相機(jī)Y軸代表固晶側(cè)視覺系統(tǒng)在Y方向的移動(dòng)。直線式邦頭機(jī)構(gòu)的四個(gè)軸配合十分緊密,其中BHX軸和BHT軸的動(dòng)作時(shí)序基本類似。若不要求焊頭旋轉(zhuǎn),BHT軸可以省略。BHZ軸負(fù)責(zé)取晶和固晶的焊頭,動(dòng)作時(shí)序最為關(guān)鍵和復(fù)雜。完成一次固晶后,焊頭BHZ軸上升至待機(jī)位,BHX軸和BHY軸同時(shí)移動(dòng)并離開固晶位,直至BHY軸移動(dòng)至取晶位,即晶圓上芯片等待被拾取的正上方位置。此時(shí)BHZ軸馬上下降至取晶位,焊頭吸嘴開啟真空,同時(shí)頂針Z軸開始頂起,刺破晶圓藍(lán)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(dá)到焊頭真空延時(shí)時(shí)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(shí)BHX軸和BHY軸開始移動(dòng)至固晶位,即引線框架固晶區(qū)等待放置芯片的正上方位置。此時(shí)BHZ軸下降至固晶位置,開啟力控馬達(dá)保壓延時(shí),完成芯片固晶動(dòng)作[9]。

在各運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中,芯片處于被高速拾取和放置的動(dòng)作時(shí)序中,BHZ軸和頂針Z軸的交互最頻繁,每個(gè)動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間也最短,往復(fù)進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)[10]。BHZ軸至取晶位時(shí),頂針Z軸啟動(dòng)5 ms后至接觸到芯片,此時(shí)焊頭吸嘴真空已開啟。延時(shí)10 ms后,頂針Z軸上升刺破藍(lán)膜,且BHZ軸同步上升10 ms。此時(shí)芯片底部與藍(lán)膜不相連,焊頭吸嘴真空繼續(xù)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(shí)上升,同時(shí)晶圓工作臺(tái)開始移動(dòng)至下一個(gè)芯片位置。焊頭BHZ軸的另一個(gè)功能要求是需要力控,對(duì)芯片在固晶時(shí)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(shí)時(shí)間可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,所設(shè)定的延時(shí)時(shí)間為10 ms,依靠Z方向的小直線馬達(dá)實(shí)現(xiàn)力控[11]。焊頭BHY軸運(yùn)動(dòng)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(fù)高速運(yùn)動(dòng)。晶圓工作臺(tái)與軌道傳輸機(jī)構(gòu)之間不在一個(gè)平面,需設(shè)一個(gè)避讓位,來避免高速運(yùn)動(dòng)的焊頭撞到軌道傳輸機(jī)構(gòu)。相機(jī)Y軸是固晶側(cè)視覺系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),視覺系統(tǒng)的移動(dòng)運(yùn)行、拍照及圖像處理由直線式邦頭固晶機(jī)構(gòu)BHY軸移動(dòng)在避讓位與取晶位之間時(shí)完成的。

7 精度分析

根據(jù)時(shí)序分析和設(shè)計(jì),共晶固晶機(jī)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照?qǐng)D1進(jìn)行位置、速度、加速度、時(shí)間規(guī)劃,并進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)定。實(shí)際運(yùn)行每小時(shí)生產(chǎn)芯片顆數(shù)可以達(dá)到16 000,精度為-35～35 μm,設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定,無作業(yè)異常,驗(yàn)證了時(shí)序設(shè)計(jì)的有效性和實(shí)用性。

共晶固晶機(jī)界面如圖2所示,固晶后測(cè)量的36組數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)要求。

8 結(jié)束語

筆者基于控制時(shí)序設(shè)計(jì)了共晶固晶機(jī),介紹了基本機(jī)構(gòu)組成、功能、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),重點(diǎn)通過控制時(shí)序分析設(shè)計(jì)了各主要機(jī)構(gòu),對(duì)晶圓工作臺(tái)、頂針機(jī)構(gòu)、直線式邦頭固晶機(jī)構(gòu)進(jìn)行了時(shí)序規(guī)劃。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果,時(shí)序設(shè)計(jì)方法得到驗(yàn)證,整機(jī)運(yùn)行結(jié)果和工藝都達(dá)到設(shè)計(jì)要求?；诳刂茣r(shí)序的共晶固晶機(jī)的設(shè)計(jì)為其它半導(dǎo)體固晶機(jī)的設(shè)計(jì)、研發(fā)提供了參考。