基于控制时序的共晶固晶机的设计.pdf

352023,61(11)总第7 11期机械制造研究发基于控制时序的共晶固晶机的设计郑嘉瑞彭锦青深圳市联得自动化装备股份有限公司广东深圳518109摘要：介绍了共晶固晶机的工艺，论述了共晶固晶机的功能要求，进而基于控制时序设计了共晶固晶机。给出了共晶固晶机的系统组成和工作原理，对其进行了控制时序分析，并进行了实际运行精度验证。关键词：控制时序固晶机设计中图分类号：TN304.05文献标志码：A文章编号：10 0 0-49 9 8(2 0 2 3)11-0 0 35-0 5Abstract:The process of eutectic solidification machine was introduced,the functional requirement ofeutectic solidification machine was discussed,and then the eutectic solidification machine was designed basedon timing control.The system composition and working principle of eutectic solidification machine were given,the timing control analysis was carried out,and the actual operation accuracy was verified.Keywords:Timing ControlSolidificationMachineDesign1设计背景近年来，我国已经成为全球最大的半导体设备需求市场。半导体设备根据晶圆制造和封装测试，分为前后两段设备。固晶机是半导体芯片封装测试及发光二极管芯片封装测试生产线上关键的核心设备之一，是一种高速度、高精度设备。半导体芯片封装测试常见的工艺流程包括减薄、划片、固晶、焊线、塑封、电镀、切筋、测试、编带等环节，发光二极管芯片封装测试常见的工艺流程包括固晶、焊线、点胶、分光、编带等环节2 。基于控制时序所设计的共晶固晶机是一种应用于半导体芯片封装测试工艺流程的固晶机，固晶工艺是一种共晶键合工艺2共晶固晶机工艺共晶固晶机广泛应用于半导体分立器件领域的三极管封装产线，通过固晶邦头模组将芯片从晶圆上精准拾取，并在视觉引导下精准放置在引线框架上，属于芯片键合设备。这一键合设备的固晶工艺也称为共晶键合技术工艺。采用固晶工艺，通常在芯片底部和引线框架表面上分别预先敷上共晶键合材料，在一定温度和固晶压力的共同作用下，会在芯片和引线框架之间形成共晶键合层。共晶键合层是由两种材料在一定温度下混合形成的，一般常见的有金锡共晶层、金硅共晶层等3*深圳市技术攻关重点项目（编号：JSGG2020071095007013）3共晶固晶机设计功能要求随着运动控制和机器视觉技术等自动化、智能化共性底层技术的不断发展进步，共晶固晶机的自动化和智能化程度有了大幅提升。除了要求共晶固晶机能按工艺要求稳定运行外，还要求保证高速度、高精度，因此共晶固晶机的运行时序时间都是以毫秒为单位进行规划设计。针对半导体三极管封装产线，共晶固晶机主要核心参数见表1。表1共晶固晶机主要核心参数项目内容引线框架宽度/mm57.8(8 列),2 8.0(6 列)引线框架厚度/mm0.10.125晶圆大小/mm200芯片尺寸/(mmmm)0.23 0.23 1.5 1.5芯片厚度/um80 10185 15轨道温度/100450固晶精度/um-3535固晶力/N0.31.5每小时生产芯片颗数16 000由表1可见，共晶固晶机需兼容晶圆芯片、引线框架尺寸、每小时生产芯片颗数等主要核心参数。其中，引线、晶圆、芯片尺寸关系到共晶固晶机的适用性和兼容性，每小时生产芯片颗数关系到共晶固晶机的生产效率，固晶精度和固晶力关系到共晶固晶机法的性能。共晶固晶机设计的难点和挑战在于生产效率和性能。362023,61(11)总第7 11期机械制造研究开发半导体三极管引线框架的来料以卷料形式供给，除了上述主要核心参数外，共晶固晶机还要求搭配一台引线框架冲切机。冲切机用于将固晶完成后的卷料冲切为规定长度，一般为2 6 0 mm，然后推送进弹厘中存放。冲切卷料要求精度为-0.1 0.1mm，不能切偏，不能翘曲，料片行进过程中不能被挤压，否则固晶后的料片会成为残次品，导致生产异常。在共晶固晶机设计时，不仅要从自动化角度分析设计各个功能机构，而且要从工艺角度分析设计整个机构的马达启停、延时及气动原件的开合、延时等参数，进而满足固晶功能。4共晶固晶机机构组成共晶固晶机的主要机构组成有上料机构、轨道传输机构、晶圆工作台、顶针机构、直线式邦头固晶机构、冲切机构、运行执行机构、视觉系统。上述机构根据需要生产的晶圆芯片、引线框架等参数设计，是设备设计的基础。运动执行机构由完成上述机构动作工艺要求所需的运动部件组成，如马达、直线电机、气缸等4共晶固晶机采用直线式邦头机构，固晶焊头在X、Y、Z 三个方向上均采用直线电机驱动，是目前高速度、高精度固晶机主要采用的固晶机构5-6 。不同于一般的发光二极管固晶机，共晶固晶机采用半导体共晶工艺，轨道传输机构除了对引线框架进行传输外，还需对引线框架进行加热，使固晶时芯片和引线框架固晶区域形成金属共晶层。同时，轨道传输机构还需设计氮气保护气路，用于避免引线框架受热后快速氧化。考虑到晶圆工作台XY平面上的运动和顶针机构Z方向上的顶针运动均为高速，且精度要求较高，采用直线电机驱动模组7 运动控制系统和视觉系统根据需实现的工艺性能要求进行设计，是整机运行的中枢。要求控制九个马达、七个直线电机、六个气缸的动作，来完成共晶固晶机的动作。视觉系统分别包含取晶侧和固晶侧系统，用于进行芯片拾取和固晶时的引导定位功能。由于引线框架为多排排列，视觉系统视野要求广，因此固晶侧的视觉系统需要在Y方向上高速移动定位，来满足定位引导的要求。在直线式邦头固晶机构中包含一个Z方向力控马达，用于进行焊头吸嘴的固晶力控制。共晶固晶机的主要机构功能及其运动执行机构见表2。5共晶固晶机工作原理共晶固晶机主要工作原理为：由上料机构将引线框架卷料供给放置于轨道传输机构中，轨道上分布有加温区，对框架进行加热；芯片由晶圆工作台进行供表2共晶固晶机主要机构功能及其运动执行机构机构功能运动执行机构上料以卷料形式进行料盘：一个马达机构引线框架的上料供给废卷料：一个扭力电机马达轨道引线框架在轨道X向框架进给：一个马达传输中的共供给和加热Z向压爪：一个马达机构X、Y 向：两个直线电机晶圆进行晶圆在XY平面Z向：一个马达工作台上的扩晶、移动Q向：一个马达将芯片从晶圆上顶起，顶针Z向：一个直线电机使芯片脱离蓝膜，机构Y向：一个气缸供焊头吸嘴拾取直线式邦头X、Y、Z 向：三个直线电机邦头将芯片从晶圆上拾取，Z向力控：一个直线电机固品贴装在引线框架上Q向：一个马达机构X向：一个气缸将完成固晶乙向：一个马达冲切的引线框架按照Z向：两个气缸模组一定长度切成条状，乙向切刀：一个气缸并放人弹厘中Y向推料盒：一个气缸料盒锁紧：一个气缸视觉对芯片进行拾取，Y向一个马达系统贴装时视觉引导定位给；在取晶侧视觉相机系统的引导下，从晶圆上拾取芯片；在固晶侧视觉相机系统的引导下，在一定的固晶力下，由焊头将芯片贴装于引线框架的固晶区；晶圆工作台根据视觉相机系统的引导，运动至下一个芯片的位置，等待直线固晶焊头到达拾取芯片。重复以上过程，直至晶圆上所有芯片拾取完成。6控制时序分析共晶固晶机执行机构中，九个马达、七个直线电机、六个气缸的动作工作时序需要紧密协调配合，既要保证高速度、高精度，又不能撞机，这样才能使共晶固晶机达到理想的运行效果。晶圆工作台、顶针机构、直线式邦头固晶机构的配合时序最为关键和复杂，主要结合实际运行轨迹对机构及其运行执行机构进行控制时序分析。共晶固晶机的主要时序设计如图1所示。对晶圆工作台、顶针机构、直线邦头固晶机构、视觉系统的主要运行执行机构时序进行了规划设计。晶圆工作台的运动相对比较独立，虽然其运动执行机构包含四个方向的运动轴，但是仍只用晶圆工作台代表时序设计，不单独对每个运动执行机构进行说明。顶针机构的运动执行机构为顶针Z轴。直线式邦头机构的Bax轴、By轴、BHz轴、BHr轴依次为在X方向、Y方向、Z方向、旋转方向的运动执行机构。相机Y轴为固晶侧视觉系统的运动执行机构。372023,61(11)总第7 11期机械制造发TBHz取晶BHz固晶待机位待机位BH真空BHz轴10开始尚步上升位延时BHZ固晶位10BHZ10BH15BHY,力控BHY取晶位取晶避让位BHY取晶位抬起位保避让位BHy轴BHyBHY固晶位固晶位BHXBHX待机位固位BHx轴BHX固晶位BHTBHT,固晶位待机位BH轴BHT.拍照位绑定位上拍照位下一取料位（加补偿）相机Y轴晶圆工作台上一取料位脱模位10预定位接触芯片位顶针乙轴图1共晶固晶机主要时序设计图1中，T为固晶焊头一个完整的取晶和固晶时序时间，也即完成取晶和固晶一颗芯片所需要的时间。这一时间决定了共晶固晶机的每小时生产芯片颗数。用于安装共晶固晶机的焊头吸嘴安装在一个小直线力控马达上，这一小直线力控马达和焊头吸嘴组成一个组件，安装在BHz轴上。顶针Z轴代表顶针机构在Z方向的运动，相机Y轴代表固晶侧视觉系统在Y方向的移动。直线式邦头机构的四个轴配合十分紧密,其中B轴和Br轴的动作时序基本类似。若不要求焊头旋转，BHr轴可以省略。Bhz轴负责取晶和固晶的焊头，动作时序最为关键和复杂。完成一次固晶后，焊头BHz轴上升至待机位，Bx轴和Bar轴同时移动并离开固晶位，直至By轴移动至取晶位，即晶圆上芯片等待被拾取的正上方位置。此时Bz轴马上下降至取晶位，焊头吸嘴开启真空，同时顶针乙轴开始顶起，刺破晶圆蓝膜，接触到芯片底部。焊头BHz轴也同步接触到芯片，真空吸住芯片，顶针Z轴和BHz轴同步上升。达到焊头真空延时时间之后，焊头吸嘴已牢牢吸住芯片，Bz轴开始上升，顶针Z轴下降，同时Bx轴和Bay轴开始移动至固晶位，即引线框架固晶区等待放置芯片的正上方位置。此时Buz轴下降至固晶位置，开启力控马达保压延时，完成芯片固晶动作9 在各运动执行机构中，芯片处于被高速拾取和放置的动作时序中，Bz轴和顶针乙轴的交互最频繁，每个动作执行时间也最短，往复进行高速运动10 。Bz轴至取晶位时，顶针Z轴启动5ms后至接触到芯片，此时焊头吸嘴真空已开启。延时10 ms后，顶针Z轴上升刺破蓝膜，且Bz轴同步上升10 ms。此时芯片底部与蓝膜不相连，焊头吸嘴真空继续延迟10 ms，焊头吸嘴成功吸住芯片，顶针Z轴下降，等待下一次焊头BHz轴至取晶位置时上升，同时晶圆工作台开始移动至下一个芯片位置。焊头Bz轴的另一个功能要求是需要力控，对芯片在固晶时施加一定的压力，共晶工艺一般要求为0.3 1.5N。力控延时时间可以根据需要进行调整，所设定的延时时间为10 ms，依靠Z方向的小直线马达实现力控。焊头B轴运动的位置由取晶位、避让位、固晶位，以及固晶位、避让位、取晶位来回往复高速运动。晶圆工作台与轨道传输机构之间不在一个平面，需设一个避让位，来避免高速运动的焊头撞到轨道传输机构。相机Y轴是固晶侧视觉系统的运动执行机构，视觉系统的移动运行、拍照及图像处理由直线式邦头固晶机构BHy轴移动在避让位与取晶位之间382023,61(11)总第7 11期机械制造下转第59 页）研究发时完成的。7精度分析根据时序分析和设计，共晶固晶机各机构的运动执行机构按照图1进行位置、速度、加速度、时间规划，并进行软件设计和参数设定。实际运行每小时生产芯片颗数可以达到16 0 0 0，精度为-35 35um，设备生产运行稳定，无作业异常，验证了时序设计的有效性和实用性。共晶固晶机界面如图2 所示，固晶后测量的36 组数据的X、Y 方向偏差如图3所示。由图3可见，固晶精度均符合设计要求。12.DieBonder.Verv23.03.15.08联得半导体88产品(SOT-23-8050B】LD Semiconductor动产品设置诊断校准系统川户0正常启动贴一停止回零店清除告警贴列源控星示品西时间2023/04/1912:38:23批次号整机每小时生产芯片颗数16090邦定每小时生产芯片颗数16030邦定循环时间-217.00当前晶圆芯片使用数量53458开邦头真空邦定生产数量10073129艺片回蒂监测艺片售先蓝洲安全门老新当前批次生产数量294153直空塑机真空格训开热吹预针使用次数9846292数机气压检测纯能蜂珍器吸嘴使用次数1443063邦头直空检测顶针真空柏测墨点拉用邦定品网台校正芯片校正角度邦定12382023/4/19八图2共晶固晶机界面40X方向+Y方向35302520151050-5-10-15-20-25-30-35-4012345 67 891012.1341651718192021222324252627282930313233343536数据组序A图3固晶后数据偏差8结束语笔者基于控制时序设计了共晶固晶机，介绍了基本机构组成、功能、运动执行机构，重点通过控制时序分析设计了各主要机构，对晶圆工作台、顶针机构、直线式邦头固晶机构进行了时序规划。根据实际运行结果，时序设计方法得到验证，整机运行结果和工艺都达到设计要求。基于控制时序的共晶固晶机的设计为其它半导体固晶机的设计、研发提供了参考。参考文献1朱在稳.浅谈半导体设备行业发展概况J.厦门科技，2021(6):10-14.592023,61(11)总第7 11期机械制造日月（编辑A上接第48 页）岚）（编辑上接第38 页）东）尔（编辑材料制造Engineering,2010,37(6):703-714.15NEMAT-NASSER S,ISAACS J B,LIU M Q.Microstructureof High-strain,High-strain-rate Deformed Tantalum J.Acta Materialia,1998,46(4):1307-1325.16PEREZ-PRADOM T,HINESJ A，V E C C H I OKS.Microstructural Evolution in Adiabatic Shear Bands in Ta andTa-W Alloys J.Acta Materialia,2001,49(15):2905-2917.17付应乾，董新龙，虎宏智.准静态和动态加载TA2工业纯钛受迫剪切破坏演化 J.中国有色金属学报，2 0 15,2 5（11)：3092-3099.18丁利，李怀学，王玉岱，等.热处理对激光选区熔化成形316不锈钢组织与拉伸性能的影响 J.中国激光，2 0 15，42(4):187-193.2丁小宏，杨春梅.半导体封装生产线工艺流程探讨 J.无线互联科技,2 0 2 0,17(19）：7 1-7 2.3郑嘉瑞，肖君军，胡金.半导体芯片键合装备综述J.机械制造,2 0 2 2,6 0(8):7-12.4集成电路用全自动装片机：GB/T412132021S.5郭强生.线性电机在高速粘片机芯片拾放机构中的应用J.电子工业专用设备，2 0 0 6,35（10）：44-48,7 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