热超声倒装键合机视觉系统的设计与实现

针对热超声倒装键合过程中对准工作的特点,确定合理的视觉自动对准方案,在对多种颜色和形状的LED光源进行实验对比的基础上,设计环形LED光源与单个LED发光二极管组合的照明方式,使芯片、基板表面亮度一致且表面几何特征清晰。视觉软件以HexSight为核心,利用创建参考点实现不同目标的识别,并对2个CCD摄像机的控制方案进行优化。通过分析多次识别结果对单项误差进行评估,并以实验用1 mm×1 mm的表面有8个凸点的芯片为例计算视觉识别系统的综合误差,结果表明此视觉识别系统满足芯片键合时对定位精度的要求。

压力约束模式下热超声倒装键合的试验

在采用压力约束模式夹持倒装芯片的条件下,实现了热超声倒装键合。通过观测键合过程中的输入超声功率、工具末端和芯片的振幅变化情况,研究了压力约束模式下不同键合参数对键合过程和键合强度的影响规律。试验结果表明:在这种约束模式下,键合力和功率对键合强度具有重要的影响;键合力对金凸点的变形是决定性的;键合强度与输入的超声能量总量有关,过小和过大的超声能量都不能形成好的键合强度,高强度的键合并不需要大的超声功率输入,键合过程中能量主要耗散于工具/芯片间相对运动导致的摩擦做功,并造成了芯片和工具的磨损。

热超声倒装键合中基于视觉的芯片高精度定位控制

针对自行研制的热超声倒装芯片键合机,建立了基于视觉的芯片定位控制系统,运用图像识别及处理算法对芯片的位置进行实时检测,并结合PID控制方法实现了平台的精确位置控制。实验结果表明,基于视觉的芯片定位控制系统能很好地完成芯片与基板的高精度键合定位。

热超声倒装键合换能系统多模态振动与有限元分析

研究了热超声倒装键合设备的核心执行机构——换能系统的动力学特性.利用激光多谱勒测振仪测试系统末端各方向的振动速度,发现系统以轴向振动为主,但受到其他非轴向振动的干扰.非轴向振动对芯片造成芯片倾斜、键合强度降低等负面影响.采用有限元方法对换能系统建模,仿真计算发现换能系统振动是各方向振动的耦合结果,且工作模态附近存在多种干扰模态.最后分析了系统多模态产生的根源并提出抑制方法.

热超声倒装键合界面的运动传递过程

采用改进的激光多普勒振动测量系统,获得小直径激光斑,解决了大量数据采集和分析、同步触发等技术问题,实时精密测量热超声倒装键合过程中工具和芯片的运动。通过分析运动曲线,发现"速度分离"是表征键合过程状态改变的重要临界现象;发现在"速度分离"前工具/芯片粘着在一起运动,之后它们间是"粘滑"交替的过程;在"速度分离"后的运动过程中,工具能量一部分通过芯片传递到键合界面,形成键合强度;另一部分消耗在芯片/工具间的摩擦上,磨损芯片和工具,损害键合界面结构和强度。根据研究结果提出了新的超声加载过程思路,以期减小磨损,提高键合强度。

热超声倒装键合环状界面的形成

采用压力约束模式夹持倒装芯片,实现了热超声倒装键合,观察到环状的键合界面微观形貌,脊状撕裂棱以及表皮层碎片。采用有限元方法计算了键合界面应力、应力场的大小和分布在热超声倒装键合过程中的变化,从应力的角度揭示了环状界面的形成机理。研究结果表明,应力分布显示接触面边沿较其它位置更有利于去除表皮层、更有利于原子扩散形成键合强度,是形成环状界面的重要原因;振动的加载过程改变了应力和应力场的分布,使得应力分布进一步集中在振动位移决定的键合界面边沿位置,促进了环状界面的形成。

热超声倒装键合工具和芯片振动的频率特征

采用激光多普勒振动测量系统,监测了热超声倒装键合过程工具末端和芯片的振动速度。由工具和芯片的振动速度有效值曲线,发现了"速度分离"现象,即键合启动数毫秒后,芯片的振动速度突然下降而工具的振动速度继续增大;"速度分离"表明金凸点/焊盘界面已初步形成键合强度。研究了工具和芯片振动速度信号的频率特征,发现芯片振动信号的3倍频成分的产生时刻就是"速度分离"发生的时刻,小键合力有利于"速度分离"发生,也就是有利于初始键合强度的形成,提出了以3倍频产生时刻为临界点的变键合力加载思路。

热超声倒装键合中温度对对准精度的影响

针对热超声倒装键合过程中芯片与基板的对准精度受温度影响,采用了6参数仿射模型分层搜索算法分别研究了温度影响下序列图像间平移、伸缩、旋转参数的分布规律;分析结果显示,随着温度的升高,湍流强度增强,图像间平移、伸缩、旋转运动越剧烈,对应参数的离散程度也越高;在键合温度下,伸缩与旋转对对准精度影响不大,可以忽略;平移最大可达6个像素,必须将平移量控制在亚像素级范围内才能满足芯片与基板的对准精度要求。

热超声键合换能系统振动多模态分析

研究了换能系统的振动多模态性及其对键合质量的影响。利用激光多谱勒测振仪提取变幅杆和工具末端各特征点的速度信号,发现换能系统的运动为多种模态耦合的结果,并得到各非主模态与主模态的速度比值,其中非主模态以垂直弯曲振动为主。这种垂直弯曲振动对芯片造成“拍击”的负面效应,从而影响多凸点与基板的键合面积、键合强度以及芯片与基板的平行度。利用FEM方法分析系统多模态产生的原因,并提出抑制方法。

消除温度对倒装键合对准精度影响的方法

为消除温度在热超声倒装键合过程中芯片与基板对准精度的影响,必须将因键合加热而引起的图像抖动量控制在亚像素范围内。设计了一套实验方案,通过实验对比,发现在未启用吹气装置时图像间的抖动剧烈,明显受温度影响,不能满足对准精度要求。采用二元二次曲面拟合亚像素法计算了启用吹气装置后图像间的平移,发现图像间整像素级的抖动明显消除,亚像素级的抖动受温度影响小,在键合温度下最大抖动量不超过0.3像素,能满足对准精度要求。该方法为热超声倒装工艺提出了有价值的参考。

一种提高芯片与基板对准精度的方法

设计一套吹气装置,并分别采用相位相关法和二元二次曲面拟合亚像素法计算未启用吹气装置和启用吹气装置后图像间的平移,采用梯度函数对图像清晰度进行评价。研究结果表明:未启用吹气装置时,图像抖动与模糊现象严重;随着温度升高,图像间的平移与平移标准差增大,在键合温度为160℃左右时,最大抖动可达7～8个像素,达不到对准精度的要求;启用吹气装置后,图像间整像素级的抖动明显消除,在键合温度下最大抖动量不超过0.3个像素,能满足对准精度要求;启用吹气装置后,图像梯度明显增大,消除了图像模糊现象。