TWI397970B - 提供大鍵合力的旋轉鍵合工具 - Google Patents

Description

提供大鍵合力的旋轉鍵合工具

本發明涉及用於電子器件的晶粒鍵合機(die bonder)，尤其涉及一種用於針對晶粒鍵合產生大鍵合力的旋轉鍵合工具。

在半導體晶粒或晶片的生產過程中，很多半導體晶粒被一起構造在單個的晶圓上。然後將該晶圓切割以分離成單獨的晶粒。其次，通過應用晶粒鍵合工序，這些半導體晶粒中的每個應該各自被裝配在襯底或其他載體的支撐表面上以進行進一步的處理。其後，在晶粒和週邊器件之間產生電氣連接，並且然後將該晶粒使用塑性混合料灌封以保護它們不受環境的干擾。

在所述的晶粒鍵合工序所應用的現有晶粒鍵合機中，每個單獨的晶粒通常使用鍵合臂從晶圓上被拾取，然後傳送到襯底以完成晶粒在襯底上的安裝。通常，晶粒鍵合機包含有晶粒鍵合頭，該晶粒鍵合頭具有空氣噴嘴以產生吸附力而從固定有晶粒的晶圓平臺處拾取半導體晶粒。其後，將晶粒傳送並鍵合在襯底上。

為了將晶粒正確且準確地放置在襯底上，使用視覺系統完成視覺定位以捕獲在晶圓平臺和襯底上晶粒的圖像。鍵合頭和空氣噴嘴的定位將會根據所捕獲的晶粒圖像進行，為此目的其參考晶粒上的定位圖案或者基準標記。較合適地，在拾取晶粒之後，該鍵合頭使用所捕獲的晶粒圖像沿著軸線來執行旋轉補償。在向下移動以完成鍵合以前，鍵合頭旋轉和將晶粒與襯底的方位對齊定位。在鍵合力驅動機構直接向晶粒施加壓縮力的同時，鍵合頭的向下移動通過z軸移動馬達得以實施。來自鍵合力驅動機構的該壓縮鍵合力必須足夠大以便於將晶粒壓至襯底。

圖1所示為包含有氣壓缸以提供鍵合力的傳統晶粒鍵合機100的側視示意圖。鍵合頭102裝配在以氣壓缸104形式存在的鍵合力馬達上，該氣壓缸安裝在支撐結構120上，其通過軸向耦合器108耦接至z軸移動平臺106。該軸向耦合器108主要包括設置在氣壓缸104和負荷軸112之間的鋼球110，負荷軸112連接至夾體114。該鋼球110被拉伸彈簧111預載入以在鋼球110和氣壓缸104之間形成球面接觸點。當在傾斜校準機構118的幫助下調整夾體114相對於鍵合平臺116的共面性時，軸向耦合器108提供了在XY方向上的某些自由度，以修正氣壓缸104和負荷軸112之間的任何錯位。

通過從氣壓缸104連同軸向耦合器108產生向上的力以抵消負荷軸112和夾體114的重量，而施加低的鍵合力。在氣壓缸104施加向下的力協助的情形下，而施加大的鍵合力。該大的鍵合力被支撐結構120直接承受，由於相鄰於負荷軸112設置的滑座123將氣壓缸104自鍵合頭支架122去耦接，所以力的主要路徑繞開了鍵合頭支架122和z軸移動平臺106。因此，鍵合頭支架122和z軸移動平臺106的形變得以避免。同樣由於鍵合頭支架122和z軸移動平臺106結構的形變所引起的晶粒傾斜也得以避免。由於z軸移動平臺106的搖擺、傾斜和偏移所引起的放置錯誤同樣也得以減少，因為不再存在通過z軸移動平臺106所導致的z軸內驅式(drive-in)移動。但是，在這種結構中，由於負載軸112是固定地耦接於氣壓缸104上，鍵合頭102不能夠產生移動，其僅僅是一個線性驅動器。軸向耦合器108在軸向上耦接到氣壓缸104，但是它不能斷開氣壓缸104相對於鍵合頭102之間的任何移動。因此，在被拾取的晶粒124被鍵合到襯底126以前，沒有進行旋轉或補償。

開發一種鍵合頭，其能夠在減少放置錯誤的情形下產生大的鍵合力，並提供旋轉或補償以修正晶粒的任何旋轉偏差，這是令人期望的。

因此，本發明的目的在於提供一種鍵合頭，其和前述的現有技術相比，通過晶粒旋轉偏差的修正，在實現更加精確的晶粒鍵合的同時產生了大的鍵合力。

於是，本發明提供一種晶粒鍵合機，其包含有：鍵合頭，其包含有負荷軸和夾體，該負荷軸穿過鍵合頭，該夾體設置在該負荷軸的一端以用於固定待鍵合的晶粒；鍵合力馬達，其用於沿著移動軸線在朝向和背離晶粒鍵合位置的方向上驅動負荷軸；旋轉馬達，其用於圍繞平行於移動軸線的旋轉軸線旋轉負荷軸；耦合器，其用於將負荷軸耦接到鍵合力馬達；其中，該耦合器還包含有軸承，該軸承被配置來使得負荷軸實現圍繞旋轉軸線相對於該鍵合力馬達旋轉。

參閱後附的描述本發明實施例的附圖，隨後來詳細描述本發明是很方便的。附圖和相關的描述不能理解成是對本發明的限制，本發明的特點限定在申請專利範圍中。

在此本發明較佳實施例將結合附圖進行描述。

圖2所示為根據本發明較佳實施例所述的包含有鍵合頭12的晶粒鍵合機10的側視示意圖，該鍵合頭產生大的鍵合力。鍵合頭12包含有：夾體14；第一馬達或鍵合力馬達16，其較佳地為線性馬達或氣壓缸。在圖2中描述了一種線性馬達，其通常包括鍵合力馬達轉子(forcer)18和鍵合力馬達定子20。鍵合力馬達16通過負荷軸(load shaft)22有效地連接到夾體14上，負荷軸22穿過鍵合頭12。夾體14設置在負荷軸遠離鍵合力馬達16的一端。鍵合力馬達16沿著移動軸線如z軸，並在朝向和背離襯底24上的晶粒鍵合位置的方向上驅動負荷軸22，該襯底24設置在鍵合平臺26上。夾體14使用真空吸附或使用夾子(gripper)拾取和固定晶粒28，並將晶粒28鍵合到襯底24上的晶粒鍵合位置。鍵合力馬達16連同鍵合頭12一起使得晶粒鍵合機10能夠產生大的鍵合力以將晶粒28鍵合到襯底24上。

負荷軸22通過耦合器，如磁耦合器30耦接到鍵合力馬達16上。雖然鍵合力馬達16和負荷軸22的z軸移動相耦接，但是磁耦合器30使得鍵合力馬達16能夠實現自負荷軸22的任何旋轉動作中斷開。所以，磁耦合器30使得將氣壓缸用作為鍵合力馬達16是可行的，因為當固定有晶粒28的夾體14旋轉時，氣壓缸將會自負荷軸22的旋轉動作中斷開。

磁耦合器30可以包括以球體32形式存在的軸承和耦合器磁體34。球體32可以是鋼製成，其嵌入在以耦合器球體固定器36形成存在的球體底座支架中，該耦合器球體固定器36由磁性材料製成，空間上和耦合器磁體34相隔開。耦合器球體固定器36可以固定在負荷軸22或者鍵合力馬達16二者之一上，耦合器磁體34可以固定在鍵合力馬達16或負荷軸22中的另一個上。耦合器磁體34可以有效地在耦合器球體固定器36上提供磁性牽引力，其吸引負荷軸22和鍵合力馬達16朝向彼此。

對於低鍵合力的應用而言，鍵合力馬達16連同磁性牽引力一起可以提供向上的力以抵消夾體14和負荷軸22的重量。設置在耦合器磁體34和耦合器球體固定器36之間的球體32能夠可旋轉地在球形接觸點處接觸耦合器磁體34。所以，負荷軸22可以圍繞旋轉軸相對於鍵合力馬達16旋轉，以便於鍵合力馬達16自負荷軸22的旋轉動作中斷開(去耦)。同時，當在傾斜校準機構38的幫助下調整夾體14相對於鍵合平臺26的共面性時，磁耦合器30提供了XY方向上的某些自由度。傾斜校準機構38耦接到鍵合頭12上以改變負荷軸22圍繞磁耦合器30相對於鍵合力馬達16的傾斜角度。

第二馬達或者通用馬達，如z馬達40，通過鍵合頭支架42被連接到鍵合頭12和鍵合力馬達16上，並驅動鍵合頭12和鍵合力馬達16沿著z軸移動通過較大的距離。當z馬達40驅動耦接到鍵合頭支架42上的z滑座44相對於z軸移動平臺46移動時，這種驅動動作得以提供。鍵合力馬達16和z馬達40二者也同樣被裝配在支撐結構52上。

旋轉馬達48可以安裝在鍵合頭12上，並有效地連接到負荷軸22上以通過旋轉馬達48的馬達動子54圍繞平行於z軸的旋轉軸線旋轉負荷軸22和夾體14。在晶粒28被鍵合到襯底24以前，這使得被拾取的晶粒28實現了相對於襯底24的角度方位的調整和補償。旋轉馬達48通過設置在鍵合力馬達16的力施加路徑(force application path)中的磁耦合器30從鍵合力馬達16斷開。旋轉馬達48同樣也從z馬達40斷開以便於旋轉馬達48可有效地將負荷軸22相對於z馬達40旋轉。

晶粒鍵合機10還包含有下檢查光學設備(圖中未示)和上檢查光學設備(圖中未示)，以用於將晶粒28和襯底24對齊定位的目的。在操作中，從下檢查光學設備中所拍攝的晶粒28的圖像被捕獲以便於得以確定晶粒28相對於襯底24的相對位置。晶粒28通過往復式輸送機(shuttle conveyor)(圖中未示)被傳送到和在鍵合頭12下方以進行晶粒28的拾取。在水平面上的X-Y補償通過被X-Y平臺驅動的另一個往復式輸送機(圖中未示)得以完成。

在下檢查光學設備的幫助下，在鍵合頭12拾取晶粒28和將夾體14對齊定位於晶粒28以前，□補償同樣也可以得以進行。通過設置在負荷軸22和鍵合頭12之間的、位於馬達動子54上的滑動軸承(slidable bearing)50，負荷軸22可相對於旋轉馬達48和鍵合頭12滑動。當負荷軸22被大的鍵合頭馬達16所驅動時，滑動軸承50使得負荷軸22能夠在z軸上相對於鍵合頭12重新定位自身。該X-Y和□補償確保晶粒28被夾體14拾取時，該晶粒28和夾體14準確地對齊定位。

往復式輸送機移動離開，然後晶粒28的圖像被上檢查光學設備所捕獲，以便於得以確定晶粒28相對於襯底24的位置。然後，在執行完成鍵合以前，使用觀察襯底24的視覺定位系統(圖中未示)根據襯底24的方位，將鍵合頭12旋轉並對齊定位晶粒28。

z馬達40通過z滑座44向下驅動鍵合頭12，並且一旦晶粒28接觸襯底24和接收到來自觸地感測器(touch-down sensor)的回饋信號，那麼z馬達40停止運轉。和鍵合頭12的旋轉中心共軸設置的鍵合力馬達16通過負荷軸22和夾體14直接施加大的壓縮力到晶粒28上。較合適地，僅僅只有鍵合力馬達16而非z馬達40在晶粒28上產生z軸內驅式(drive-in)移動，以施加向下的鍵合力而將晶粒28鍵合在襯底24的鍵合位置處。裝配在鍵合頭支架42上的鍵合頭12通過負荷軸22和這個z軸驅動移動斷開，該負荷軸22可相對於鍵合頭12滑動移動。以這種方式，在晶粒28接觸襯底24之後，晶粒28朝向襯底24的大的內驅式移動所導致的鍵合負載沒有被傳遞到鍵合頭支架42。因此，沒有負載直接從鍵合頭12通向鍵合頭支架42和z軸移動平臺46，它們從而從z軸驅動移動中斷開。這樣避免了鍵合頭支架42和z軸移動平臺46的形變，以致於基於結構形變所引起的放置錯誤得以避免。由於在晶粒28接觸襯底24之後不存在通過z馬達40的內驅式移動，所以基於z軸移動平臺46的搖擺、傾斜和偏移所引起的放置錯誤同樣也得以避免。

值得欣賞的是，根據本發明較佳實施例所述的晶粒鍵合機10在滿足晶粒28非傾側式和旋轉偏差補償的需要的同時，實現了具有精確度的大鍵合力的晶粒鍵合。磁耦合器30使得鍵合力馬達16在保持耦接到鍵合頭12的z軸移動的同時，從負荷軸22的旋轉動作中去耦斷開。由於磁耦合器30在鍵合頭12和鍵合力馬達16之間耦接軸向移動和去耦旋轉動作，所以對於旋轉的鍵合頭應用而言，諸如氣壓缸之類的非旋轉式鍵合力驅動機構能夠被用作為鍵合力馬達16。當使用傾斜校準機構38調整夾體14相對於鍵合平臺26的共面性時，磁耦合器30所提供的球面接觸點同樣也提供了XY方向上的自由度。

而且，使用來自鍵合力馬達16的力，通過負荷軸22和夾體14，壓縮負載直接作用在晶粒28上。同樣，磁性牽引力也被設計成足夠大以抵消夾體14和負荷軸22的重量，以便於通過來自鍵合力馬達16的向上的拉力，得以適用於低的鍵合力。

另外，由於使用負荷軸22而實現鍵合力馬達16和z馬達40、旋轉馬達48去耦分離，所以在晶粒鍵合期間使用大鍵合力時，基於鍵合頭支架42和z軸移動平臺46的結構形變而引起的鍵合頭12的放置錯誤得以減少。補償同樣也得以實現以修正任何的晶粒偏差。由於沒有負載(load)通過鍵合頭支架42和z軸移動平臺46，它們已經自鍵合力馬達16去耦分離，所以基於z軸內驅式移動和晶粒傾斜所引起的放置漂移同樣也得以避免。

此處描述的本發明在所具體描述的內容基礎上很容易產生變化、修正和/或補充，可以理解的是所有這些變化、修正和/或補充都包括在本發明的上述描述的精神和範圍內。

10．．．晶粒鍵合機

12．．．鍵合頭

14．．．夾體

16．．．第一馬達或鍵合力馬達

18．．．鍵合力馬達轉子(forcer)

20．．．鍵合力馬達定子

22．．．負荷軸(load shaft)

24．．．襯底

26．．．鍵合平臺

28．．．固定晶粒

30．．．磁耦合器

32．．．球體

34．．．耦合器磁體

36．．．耦合器球體固定器

38．．．傾斜校準機構

40．．．z馬達

42．．．鍵合頭支架

46．．．z軸移動平臺

48．．．旋轉馬達

50．．．滑動軸承(slidable bearing)

52．．．支撐結構

54．．．馬達動子

100．．．傳統晶粒鍵合機

102．．．鍵合頭

104．．．氣壓缸

108．．．軸向耦合器

106．．．z軸移動平臺

110．．．鋼球

111．．．拉伸彈簧

112．．．負荷軸

114．．．夾體

116．．．鍵合平臺

118．．．校準機構

120．．．支撐結構

122．．．鍵合頭支架

123．．．滑座

124．．．晶粒

126．．．襯底

根據本發明較佳實施例所述的具體實施方式，結合附圖很容易理解本發明，其中：

圖1所示為包含有氣壓缸以提供鍵合力的一種傳統晶粒鍵合機的側視示意圖。

圖2所示為根據本發明較佳實施例所述的包含有鍵合頭的晶粒鍵合機的側視示意圖，該鍵合頭產生大的鍵合力。

10．．．晶粒鍵合機

12．．．鍵合頭

14．．．夾體

16．．．第一馬達或鍵合力馬達

18．．．鍵合力馬達轉子(forcer)

20．．．鍵合力馬達定子

22．．．負荷軸(load shaft)

24．．．襯底

26．．．鍵合平臺

28．．．固定晶粒

30．．．磁耦合器

32．．．球體

34．．．耦合器磁體

36．．．耦合器球體固定器

38．．．傾斜校準機構

40．．．z馬達

42．．．鍵合頭支架

46．．．z軸移動平臺

48．．．旋轉馬達

50．．．滑動軸承

52．．．支撐結構

54．．．馬達動子

Claims (14)

1. 一種晶粒鍵合機，其包含有：鍵合頭，其包含有負荷軸和夾體，該負荷軸穿過鍵合頭，該夾體設置在該負荷軸的一端以用於固定待鍵合的晶粒；鍵合力馬達，其用於沿著移動軸線在朝向和背離晶粒鍵合位置的方向上驅動負荷軸；旋轉馬達，其用於圍繞平行於移動軸線的旋轉軸線旋轉負荷軸；耦合器，其用於將負荷軸耦接到鍵合力馬達；其中，該耦合器還包含有軸承，該軸承被配置來使得負荷軸實現圍繞旋轉軸線相對於該鍵合力馬達旋轉。
2. 如申請專利範圍第1項所述的晶粒鍵合機，其中，該鍵合力馬達是線性馬達，其包含有馬達轉子和馬達定子。
3. 如申請專利範圍第1項所述的晶粒鍵合機，其中，該旋轉馬達安裝在該鍵合頭上。
4. 如申請專利範圍第1項所述的晶粒鍵合機，該晶粒鍵合機還包含有：滑動軸承，其位於負荷軸和鍵合頭之間，並被配置來使得負荷軸實現沿著移動軸線相對於鍵合頭移動。
5. 如申請專利範圍第1項所述的晶粒鍵合機，其中，該軸承包含有球體，該球體嵌入在球體底座支架中。
6. 如申請專利範圍第5項所述的晶粒鍵合機，其中，該球體是鋼製成的。
7. 如申請專利範圍第5項所述的晶粒鍵合機，其中，該球體底座支架固定在負荷軸或者鍵合力馬達上。
8. 如申請專利範圍第7項所述的晶粒鍵合機，該晶粒鍵合機還包含有：耦合器磁體，其和球體底座支架空間上相分離，並固定在鍵合力馬達或者負荷軸中的另一個上，該耦合器磁體被用來提供用於負荷軸和鍵合力馬達相互彼此吸引的磁力。
9. 如申請專利範圍第8項所述的晶粒鍵合機，其中，該球體底座支架是用磁性材料製成，該耦合器磁體在該球體底座支架上產生磁性牽引力。
10. 如申請專利範圍第8項所述的晶粒鍵合機，其中，該球體設置在該耦合器磁體和該球體底座支架之間，並在球面接觸點處可旋轉地和該耦合器磁體接觸。
11. 如申請專利範圍第1項所述的晶粒鍵合機，該晶粒鍵合機還包含有：通用馬達，其有效地耦接到鍵合頭和鍵合力馬達上，以沿著移動軸線移動鍵合頭和鍵合力馬達。
12. 如申請專利範圍第11項所述的晶粒鍵合機，其中，該旋轉馬達用來相對於該通用馬達旋轉負荷軸。
13. 如申請專利範圍第11項所述的晶粒鍵合機，其中，在晶粒鍵合期間，僅僅只有鍵合力馬達而非通用馬達被用來施加晶粒鍵合力。
14. 如申請專利範圍第1項所述的晶粒鍵合機，該晶粒鍵合機還包含有：傾斜校準機構，其與鍵合頭相耦接以改變負荷軸圍繞軸承相對於鍵合力馬達的傾斜角度。