一種用于多自由度倒裝鍵合過程的芯片控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于多自由度倒裝鍵合過程的芯片控制方法，其主要控制過程包括：獲取芯片的貼裝位置信息；鍵合頭拾取芯片，獲取芯片Z旋轉(zhuǎn)軸和X/Y直線軸的角度及位置粗調(diào)偏差值，然后在執(zhí)行粗調(diào)的同時，實現(xiàn)X/Y直線軸的閉環(huán)跟隨控制；獲取芯片X/Y旋轉(zhuǎn)軸的當(dāng)前實際角度值，并在逐次選擇X/Y旋轉(zhuǎn)軸執(zhí)行角度閉環(huán)控制的同時，實現(xiàn)另外兩直線軸的位置閉環(huán)跟隨控制；獲取芯片Z旋轉(zhuǎn)軸和X/Y直線軸的角度及位置精調(diào)偏差值，然后在執(zhí)行精調(diào)的同時，實現(xiàn)X/Y直線軸的閉環(huán)跟隨控制。通過本發(fā)明，可使得芯片在角度調(diào)整的同時實現(xiàn)位置跟隨控制，并能顯著提高倒裝鍵合過程的精度和效率，從而保證芯片最終的鍵合質(zhì)量。
【專利說明】—種用于多自由度倒裝鍵合過程的芯片控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體封裝【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種用于多自由度倒裝鍵合過程的芯片控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]所謂芯片倒裝(Flip Chip)技術(shù)，是將半導(dǎo)體芯片以凸點陣列結(jié)構(gòu)與基板直接鍵合互連的一種封裝工藝方法，其通過將芯片電極面朝下經(jīng)焊接或?qū)щ娔z等工藝，從而將芯片凸點與封裝基板互連。與引線鍵合技術(shù)相比，倒裝鍵合方式具備精度高，I/o密度高，弓丨線寄生電阻小等優(yōu)點，因而成為當(dāng)今芯片封裝領(lǐng)域的主流技術(shù)之一。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中對多自由度倒裝鍵合過程的芯片控制方案，主要是以被動調(diào)節(jié)為主，如Karl Suss公司開發(fā)的FC250鍵合設(shè)備,通過機械元件如球面副等來被動保證芯片角度。然而，進一步的研究表明，上述現(xiàn)有方案仍然存在以下的缺陷或不足:首先，由于缺乏對芯片實際角度的實時反饋及主動控制，往往會造成位置調(diào)整(通常也稱之為對準操作)缺乏角度調(diào)整反饋值而無法精確補償，而且球面副在鍵合壓力作用下或外界干擾下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動也可能導(dǎo)致鍵合失效；其次，由于鍵合過程I/O密度高，對于芯片Z旋轉(zhuǎn)軸角度及XY直線軸位置測量提出了微米甚至亞微米級的精度要求，盡管可以采用光柵尺與高像素相機配合的方式來執(zhí)行測量，但高像素相機相應(yīng)會帶來測量視野范圍減小的問題；此外，對于芯片控制過程中的XY旋轉(zhuǎn)軸角度的調(diào)整，目前的直接測量方式較為困難，并造成實際操作工作的不便。相應(yīng)地，相關(guān)領(lǐng)域中亟需尋找一種更為完善的芯片控制方法，以便實現(xiàn)高精度、高效率和高魯棒性的多自由度倒裝鍵合過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種用于多自由度倒裝鍵合過程的芯片控制方法，其中通過對關(guān)鍵工藝的步驟及其操作方式進行優(yōu)化設(shè)計和調(diào)整，相應(yīng)可使得芯片在角度調(diào)整的同時實現(xiàn)位置跟隨控制，并能進一步提高倒裝鍵合過程的精度和效率，同時具備便于操控和高魯棒性等優(yōu)點，因而尤其適用于多自由度倒裝鍵合過程的芯片控制用途。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種用于多自由度倒裝鍵合過程的芯片控制方法，其特征在于，該方法包括下列步驟:
[0006](a)確定芯片貼裝位置的操作:
[0007]對擬貼裝芯片的基板測量獲取Z旋轉(zhuǎn)軸的角度粗調(diào)偏差值和X/Y兩直線軸的位置粗調(diào)偏差值；將所述基板X/Y兩直線軸的位置粗調(diào)偏差值作為位置閉環(huán)補償信號，驅(qū)動貼裝頭分別對其X/Y兩直線軸位置進行粗調(diào)；然后，進一步獲取基板Z旋轉(zhuǎn)軸的角度精調(diào)偏差值、X/Y兩直線軸的位置精調(diào)偏差值以及X/Y兩旋轉(zhuǎn)軸的當(dāng)前實際角度值，并根據(jù)所述角度精調(diào)偏差值和位置精調(diào)偏差值來確定芯片在基板上的貼裝位置；
[0008](b)芯片Z旋轉(zhuǎn)軸和X/Y直線軸的粗調(diào)操作:[0009]多自由度倒裝鍵合頭拾取芯片，獲取芯片Z旋轉(zhuǎn)軸的角度粗調(diào)偏差值及其X/Y兩直線軸的位置粗調(diào)偏差值；將該芯片角度粗調(diào)偏差值作為閉環(huán)補償信號對芯片Z旋轉(zhuǎn)軸的角度進行粗調(diào)，與此同時，將所述芯片角度粗調(diào)偏差值轉(zhuǎn)換輸入至芯片X/Y直線軸位置閉環(huán)作為控制信號，由此實現(xiàn)X/Y直線軸對于Z旋轉(zhuǎn)軸的閉環(huán)跟隨控制；此外，將所述芯片X/Y兩直線軸的位置粗調(diào)偏差值作為位置閉環(huán)補償信號，分別對X/Y兩直線軸的位置進行粗調(diào)；
[0010](C)芯片X/Y旋轉(zhuǎn)軸的調(diào)整操作:
[0011]對芯片X/Y旋轉(zhuǎn)軸的當(dāng)前實際角度值進行測量，然后逐次選擇所述X/Y旋轉(zhuǎn)軸，并將芯片X/Y旋轉(zhuǎn)軸和基板X/Y旋轉(zhuǎn)軸的當(dāng)前實際角度值作為反饋信號、將期望角度值作為控制信號執(zhí)行角度閉環(huán)控制；與此同時，將當(dāng)前實際角度值與期望角度值之間的偏差值轉(zhuǎn)換輸入至X/Y/Z三直線軸中另外兩軸的位置閉環(huán)作為控制信號，由此實現(xiàn)另外兩直線軸的閉環(huán)跟隨控制；
[0012](d)芯片Z旋轉(zhuǎn)軸和X/Y直線軸的精調(diào)操作:
[0013]基于芯片的所述角度和位置粗調(diào)偏差值，進一步獲取芯片Z旋轉(zhuǎn)軸的角度精調(diào)偏差值及其X/Y兩直線軸的位置精調(diào)偏差值；將該芯片Z旋轉(zhuǎn)軸角度精調(diào)偏差值作為閉環(huán)補償信號對芯片Z旋轉(zhuǎn)軸的角度進行精調(diào)，與此同時，將所述芯片角度精調(diào)偏差值轉(zhuǎn)換輸入至芯片X/Y直線軸位置閉環(huán)作為控制信號，由此實現(xiàn)X/Y直線軸對于Z旋轉(zhuǎn)軸的閉環(huán)跟隨控制；此外，將所述芯片X/Y直線軸位置精調(diào)偏差值作為位置閉環(huán)補償信號，分別對X/Y兩直線軸的位置進行精調(diào)；
[0014](e)芯片的貼裝操作:
[0015]倒裝鍵合頭按照芯片調(diào)整后的最終位置及角度，攜帶芯片一同運動至基板上的所述貼裝位置，由此執(zhí)行完成芯片的貼裝過程。
[0016]作為進一步優(yōu)選地，對于上述有關(guān)基板、芯片的Z旋轉(zhuǎn)軸角度偏差值和X/Y直線軸位置偏差值的獲取過程，優(yōu)選由多套相機來執(zhí)行，所述多套相機包括鏡頭像素相對較低的第一 CXD相機、以及鏡頭像素相對較高的第二 CXD相機和第三CXD相機；其中，該第一 CXD相機配備在倒裝鍵合頭上并與安裝在機座上的平面鏡組件共同組成飛行視覺系統(tǒng)，用于分別獲取芯片和基板的所述Z旋轉(zhuǎn)軸角度粗調(diào)偏差信號和XY直線軸位置粗調(diào)偏差信號；該第二 CCD相機安裝于機座上，用于在第一 CCD相機的測量視野范圍內(nèi)，進一步獲取芯片的所述Z旋轉(zhuǎn)軸角度精調(diào)偏差信號和X/Y直線軸位置精調(diào)偏差信號；該第三CCD相機配置于鍵合頭上，用于在第一 CCD相機的測量視野范圍內(nèi)，進一步獲取基板的所述Z旋轉(zhuǎn)軸角度精調(diào)偏差信號和X/Y直線軸位置精調(diào)偏差信號。
[0017]作為進一步優(yōu)選地，所述第一 CXD相機被設(shè)定為150萬?300萬的鏡頭像素值，所述第二 CXD相機和第三CXD相機分別被設(shè)定為500萬以上的鏡頭像素值。
[0018]作為進一步優(yōu)選地，其特征在于，對于上述位置閉環(huán)控制過程，優(yōu)選采用分別固定設(shè)置在機座X軸方向、Y軸方向和Z軸方向的光柵尺來測量鍵合頭也即芯片的X/Y/Z直線軸實際坐標值，并將其作為反饋信號，由此與所述控制信號來共同構(gòu)建位置閉環(huán)控制。
[0019]作為進一步優(yōu)選地，所述獲取基板、芯片的X/Y旋轉(zhuǎn)軸的當(dāng)前實際角度值的過程具體如下:
[0020](i)在基板或芯片對象上以三點連線構(gòu)成直角三角形的方式，相應(yīng)選取三個測量點A、B和C，并且其中的兩條直角邊AB和BC分別沿著X軸方向和Y軸方向；、
[0021 ] (ii)通過所述分別固定設(shè)置在機座X軸方向和Y軸方向的光柵尺，獲取上述三個測量點的X軸實際坐標值xA、xB和x。，以及Y軸實際坐標值yA、yB和Ic ;此外，通過分別設(shè)置在鍵合頭和機座上的Z直線軸激光位移傳感器，分別獲取上述三個測量點的Z軸實際坐標
值 Za、Zb 和 Zc ;
[0022](iii)根據(jù)公式
【權(quán)利要求】
1.一種用于多自由度倒裝鍵合過程的芯片控制方法，其特征在于，該方法包括下列步驟: (a)確定芯片貼裝位置的操作: 對擬貼裝芯片的基板測量獲取Z旋轉(zhuǎn)軸的角度粗調(diào)偏差值和X/Y兩直線軸的位置粗調(diào)偏差值；將所述基板X/Y兩直線軸的位置粗調(diào)偏差值作為位置閉環(huán)補償信號，驅(qū)動貼裝頭分別對其X/Y兩直線軸位置進行粗調(diào)；然后，進一步獲取基板Z旋轉(zhuǎn)軸的角度精調(diào)偏差值、X/Y兩直線軸的位置精調(diào)偏差值以及X/Y兩旋轉(zhuǎn)軸的當(dāng)前實際角度值，并根據(jù)所述角度精調(diào)偏差值和位置精調(diào)偏差值來確定芯片在基板上的貼裝位置； (b)芯片Z旋轉(zhuǎn)軸和X/Y直線軸的粗調(diào)操作: 多自由度倒裝鍵合頭拾取芯片，獲取芯片Z旋轉(zhuǎn)軸的角度粗調(diào)偏差值及其X/Y兩直線軸的位置粗調(diào)偏差值；將該芯片角度粗調(diào)偏差值作為閉環(huán)補償信號對芯片Z旋轉(zhuǎn)軸的角度進行粗調(diào)，與此同時，將所述芯片角度粗調(diào)偏差值轉(zhuǎn)換輸入至芯片X/Y直線軸位置閉環(huán)作為控制信號，由此實現(xiàn)X/Y直線軸對于Z旋轉(zhuǎn)軸的閉環(huán)跟隨控制；此外，將所述芯片X/Y兩直線軸的位置粗調(diào)偏差值作為位置閉環(huán)補償信號，分別對X/Y兩直線軸的位置進行粗調(diào)； (c)芯片X/Y旋轉(zhuǎn)軸的調(diào)整操作: 對芯片X/Y旋轉(zhuǎn)軸的當(dāng)前實際角度值進行測量，然后逐次選擇所述X/Y旋轉(zhuǎn)軸，并將芯片X/Y旋轉(zhuǎn)軸和基板X/Y旋轉(zhuǎn)軸的當(dāng)前實際角度值作為反饋信號、將期望角度值作為控制信號執(zhí)行角度閉環(huán) 控制；與此同時，將當(dāng)前實際角度值與期望角度值之間的偏差值轉(zhuǎn)換輸入至X/Y/Z三直線軸中另外兩軸的位置閉環(huán)作為控制信號，由此實現(xiàn)另外兩直線軸的閉環(huán)跟隨控制； (d)芯片Z旋轉(zhuǎn)軸和X/Y直線軸的精調(diào)操作: 基于芯片的所述角度和位置粗調(diào)偏差值，進一步獲取芯片Z旋轉(zhuǎn)軸的角度精調(diào)偏差值及其X/Y兩直線軸的位置精調(diào)偏差值；將該芯片Z旋轉(zhuǎn)軸角度精調(diào)偏差值作為閉環(huán)補償信號對芯片Z旋轉(zhuǎn)軸的角度進行精調(diào)，與此同時，將所述芯片角度精調(diào)偏差值轉(zhuǎn)換輸入至芯片X/Y直線軸位置閉環(huán)作為控制信號，由此實現(xiàn)X/Y直線軸對于Z旋轉(zhuǎn)軸的閉環(huán)跟隨控制；此外，將所述芯片X/Y直線軸位置精調(diào)偏差值作為位置閉環(huán)補償信號，分別對X/Y兩直線軸的位置進行精調(diào)； (e)芯片的貼裝操作: 倒裝鍵合頭按照芯片調(diào)整后的最終位置及角度，攜帶芯片一同運動至基板上的所述貼裝位置，由此執(zhí)行完成芯片的貼裝過程。
2.如權(quán)利要求1所述的芯片控制方法，其特征在于，對于上述有關(guān)基板、芯片的Z旋轉(zhuǎn)軸角度偏差值和X/Y直線軸位置偏差值的獲取過程，優(yōu)選由多套相機來執(zhí)行，所述多套相機包括鏡頭像素相對較低的第一 CCD相機、以及鏡頭像素相對較高的第二 CCD相機和第三CCD相機；其中，該第一 CCD相機配備在倒裝鍵合頭上，并與安裝在機座上的平面鏡組件共同組成飛行視覺系統(tǒng)，用于分別獲取芯片和基板的所述Z旋轉(zhuǎn)軸角度粗調(diào)偏差信號和XY直線軸位置粗調(diào)偏差信號；該第二 CCD相機安裝于機座上，用于在第一 CCD相機的測量視野范圍內(nèi)，進一步獲取芯片的所述Z旋轉(zhuǎn)軸角度精調(diào)偏差信號和X/Y直線軸位置精調(diào)偏差信號；該第三CCD相機配置于鍵合頭上，用于在第一 CCD相機的測量視野范圍內(nèi)，進一步獲取基板的所述Z旋轉(zhuǎn)軸角度精調(diào)偏差信號和X/Y直線軸位置精調(diào)偏差信號。
3.如權(quán)利要求2所述的芯片控制方法，其特征在于，所述第一CCD相機被設(shè)定為150萬~300萬的鏡頭像素值，所述第二 CXD相機和第三CXD相機分別被設(shè)定為500萬以上的鏡頭像素值。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項所述的芯片控制方法，其特征在于，對于上述位置閉環(huán)控制過程，優(yōu)選采用分別固定設(shè)置在機座X軸方向、Y軸方向和Z軸方向的光柵尺來測量鍵合頭也即芯片的X/Y/Z直線軸實際坐標值，并將其作為反饋信號，由此與所述控制信號來共同構(gòu)建位置閉環(huán)控制。
5.如權(quán)利要求4所述的芯片控制方法，其特征在于，所述獲取基板、芯片的X/Y旋轉(zhuǎn)軸的當(dāng)前實際角度值的過程具體如下: (i)在基板或芯片對象上以三點連線構(gòu)成直角三角形的方式，相應(yīng)選取三個測量點A、B和C，并且其中的兩條直角邊AB和BC分別沿著X軸方向和Y軸方向；、 (ii)通過所述分別固定設(shè)置在機座X軸方向和Y軸方向的光柵尺，獲取上述三個測量點的X軸實際坐標值χΑ>χΒ和xc，以及Y軸實際坐標值yA、yB和Ic;此外，通過分別設(shè)置在鍵合頭和機座上的Z直線軸激光位移傳感器，分別獲取上述三個測量點的Z軸實際坐標值zA、Zb 和 Zc ; (iii )根據(jù)公式
6.如權(quán)利要求5所述的芯片控制方法，其特征在于，所述分別固定設(shè)置在機座X軸方向、Y軸方向和Z軸方向的光柵尺的精度優(yōu)選高于0.1 μ m ;兩套所述Z直線軸激光位移傳感器的位置精度優(yōu)選高于0.05 μ m,其動態(tài)響應(yīng)頻率優(yōu)選為IOkHz以上，并且高于所述X/Y/Z直線軸位置閉環(huán)的更新頻率。
7.如權(quán)利要求1-6任意一項所述的芯片控制方法，其特征在于，所述位置閉環(huán)控制過程優(yōu)選采用前饋模糊PID算法來實現(xiàn)，所述角度閉環(huán)控制過程優(yōu)選采用比例積分算法來實現(xiàn)。
【文檔編號】H01L21/603GK103594398SQ201310565360
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】陳建魁, 尹周平, 陳偉, 李宏舉, 孫湘成, 謝俊 申請人:華中科技大學(xué)