摘 要：通过对芯片热超声倒装键合工艺过程的研究，结合国内外热超声倒装键合设备发展的现状，研制了一台用于芯片的热超声倒装键合机。
关键词：热超声倒装机械视觉运动控制HexSight 20世纪90年代以来，随着应用领域的大力驱动，微电子封装技术获得了日新月异的发展，目前主要的一级封装技术有引线键合和倒装键合两种。引线键合技术是用金属丝将集成电路芯片上的电极引线与集成电路底座外引线连接在一起，通过减小引线直径和引线间距获得封装密度的提高，但小直径引线的强度和刚性更差，这将给引线弯曲的操作带来难度，降低引线键合的可靠性。在芯片封装I／0数目不断增加，内部连接可靠性要求越来越高的形式下，芯片键合工艺表现出由引线键合向倒装键合发展的趋势。倒装键合方式是一种基于面阵焊球键合的封装工艺，目前倒装键合工艺主要有热超声键合、再回流焊、热压键合、环氧树脂导电胶键合等。再回流焊可靠性比较高，而且凸点数量多，但采用Sn／Pb焊料，对环境和人体的保护极为不利。环氧树脂导电胶工艺简单，且在低温下键合，但存在可靠性不高、寄生电阻太大等不足。热压连接工艺没有污染，效率高，但存在可靠性不高、键合条件要求苛刻等缺点。
热超声倒装键合是在超声能量、压力及热的共同作用下，实现芯片I／O端口与基板之间的直接互连。热超声倒装键合具有封装可靠性高、连接效率高、工艺简单、成本低、适应性强等优点，较低的键合温度降低了在凸点与焊盘问形成Au-A1金属间化合物的可能性，同时又是一种无铅的绿色焊接，被认为是满足下一代芯片封装要求的具有发展潜力的新工艺和新技术。美国Colorado大学的SY Kang等人已经成功地将带有64个金凸点的GaAs芯片利用热超声倒装连接到硅基板上，而且结合强度达0．23 N／bump。此芯片已经应用于多道存储系统和光电组件中。日本Toshiba公司、新加坡ASM公司也在研究和采用热超声倒装连接工艺。国内相关的研究还处于起步阶段，除中南大学外仅有少数研究所及合资公司在进行此类研究。
1 热超声倒装键合原理
1.1 芯片热超声倒装键台工艺流程热超声倒装键合工艺过程中使用的芯片与基板如图l所示。
此键合工艺流程可以分为以下4个步骤：
（1）芯片的拾取。开始键合工作前，芯片与基板放置在指定工作台，如果芯片与基板不在视觉系统的视觉范围内，驱动平动台，按指定算法搜索芯片与基板；待获取芯片位置后，根据基板摆放位置，假设芯片被基板吸取后不发生偏转，对芯片位置进行调整，实现对准（通过坐标变换实现对准，在物理上仍相差一固定位差并由程序记录），驱动真空吸附系统，吸嘴位置下降，利用真空吸力将芯片吸附，完成芯片拾取。同时启动基板加热系统，将基板加热到150℃左右。
（2）芯片与基板的对准。完成芯片吸附后，驱动平动台移动一固定位差，完成芯片与基板的物理对准。但实验中发现．在芯片被拾取的过程中会发生偏移，所以必须在芯片运动到基板正上方对准之前再次启动视觉系统从芯片下方仰视被吸附后的芯片，获取芯片被吸附后实际位置，根据吸嘴吸附芯片的实际偏移和转角，再次调整极板位置，实现芯片凸点与基板焊盘的对准（通过坐标变换实现对准，在物理上仍相差一固定位差，程序记录后由机械运动机构实现物理对准）。
（3）施加键合力。芯片与基板对准后，芯片运动至基板正上方（物理上对准），保持真空吸力，吸嘴缓慢下降，直至芯片凸点和基板焊盘为一微小距离时，驱动键合压力控制系统，对芯片缓慢施加键合压力。理想情况下，芯片表面与基板平行，键合力与基板方向垂直。
（4）施加超声波。在键合力达到预定压力时，凸点与基板接触并在一定程度上被压扁和变形；这时启动超声波发生器，换能器通过吸嘴在与基板的平行方向上对芯片施加超声波能量，使凸点与基板结合界面发生摩擦，除去凸点表面的氧化物和污染层，温度剧烈上升，凸点发生变形，凸点与基板焊盘的原子相互渗透达到相互连接的效果。
（5）键合头复位。键合工作完成之后释放吸嘴真空吸力，芯片与吸嘴分离，提升吸嘴，完成一个键合周期。热超声倒装芯片与基板连接步骤如图2所示。
1．2 键台机的构成
根据以上工艺流程，本文研究设计的倒装键合机由以下部分组成：
（1）芯片吸附台。以真空吸附的方式将芯片固定在平台上，同时平台在视觉系统的驱动下调整芯片X、Y平面位置及W轴转角。
（2）键合工作台（即基板吸附台）。除具有芯片吸附台的功能外，还能对基板加热，装有温度传感器，可以实时监测键合过程中的温度。
（3）键合头。具有真空吸附功能，后端与超声换能器键合压力控制器相连，在芯片吸附台拾取芯片。当芯片与基板对准后，施加键合压力和超声波能量。
（4）机械视觉系统。采集芯片、基板位置图像，为整机的机械运动提供位置参数，指导机械机构运动。各个部分相互关系如图3所示。
2 热超声倒装键合机视觉定位系统硬件组成
2．1 机械视觉单元设计
视觉系统是一个相对独立的模块，它与计算机通过PCI局部总线相连，图像数据通过总线传人计算机控制系统以控制键合机的X、Y平动台和W、R旋转台运动。视觉系统由以下部分组成：
（1）光学系统。光学系统主要是一个定焦距物镜，它把来自观察目标的光线聚焦到CCD传感器光敏器件上。由于CCD传感器对物距非常敏感。在CCD摄像头后安装调整螺钉，通过旋转调整螺钉使成像达到最佳效果。在键合机工作过程中不能对焦距进行调整，调焦是针对芯片的表面进行。而对于基板对准来说，即使图像离焦也不能改变焦距，但是基板和芯片厚度相当，这种图像离焦对图像影响并不是很严重，而且此系统对图像离焦有一定的允差。
（2）CCD摄像机。CCD摄像机是图像采集的前驱部件，由光敏二极管线性阵列或矩形阵列构成。它按一定顺序输出每个二极管的电压脉冲，将图像光信号转换成电信号。输出的电压脉冲序列可以直接以RS-170制式输入标准显示器，或者输入计算机的内存进行数值化处理。
2．2 运动单元设计
键合机微动系统采用压电陶瓷驱动精密定位工作台。此系统附着在Z轴上，与Z轴平动台组成一个位置一力控制装置，在宏动部分完成快速精确定位后，利用微控制台低惯量、高精度的特性，对芯片缓慢施加键合压力。这样可以精确控制倒装键合压力，获得良好的结合强度，保护芯片不被破坏，便于对倒装键合工艺的分析。
3 热超声倒装键合机视觉定位软件的开发
3．1 图像处理软件
图像数据经数据采集卡进入计算机后，必须经过图像预处理，提取图像信息完成定位工作。HexSight提供了丰富的处理过程。本软件的开发正是在HexSight提供的ActiveX组件的基础上进行的，添加方法与其他标准组件相同。修改组件属性，添加应用程序处理过程，在此仅使用了图像获取（HSAcqulsitionDevice）、定位（HSLocator）这两个处理过程。图像获取处理过程将图像采集到公共数据库，同时完成对像素畸变、镜头畸变和投影畸变的补偿。定位处理过程完成对象轮廓几何特征的提取和搜索，采用最先进的轮廓检测技术识别对象和模式。这一技术在图像零乱、光源亮度波动、对象重叠时仍可以获得较好效果。
3．1．1 建立搜索模型
模型的效果直接影响到系统的定位精度、响应速度和稳定性，一个好的模型可提供精确有效的对象轮廓特征。为提高系统的鲁棒性，模型应满足下列特性：
（1）模型图像应在照明系统及光学系统最理想的情况下获取。
（2）模型图像背景应具有单一性。
（3）图像应尽量体现待识别对象共同的几何轮廓特征。
（4）模型中使用的图形特征（尺寸、形状）必须是后继图像中稳定的元素。
本应用中模型建立的结果如图5所示。
3．1．2 视觉定位主程序
本应用使用两个摄像头分别对应两个处理系统在不同的时刻工作。程序通过接收运动单元的事件驱动不同的相机进行图像采集，加载相应模型库，对图像进行识别定位，给出芯片与基准位置之间X、Y坐标差及W、R轴的旋转角度，指导键合头拾取芯片，获取基板的位置进行坐标变换完成芯片与基板的对准。
倒装键合机运动控制软件是围绕视觉软件开发的。视觉系统采集的图像数据经软件处理后，输出芯片和基板的具体位置，然后将此数据传给运动部分，驱动外部伺服控制卡。
3．2 运动控制软件
本系统中，基本的运动控制主要有二方面：
（1）位置运动控制。主要包括XY平面的位置运动控制，Z轴竖直方向的位置运动控制以及R轴、W轴的旋转角度控制。本系统中，位置反馈信号由光栅尺提供，属于闭环控制。上位机进行路径规划，将运动指令和位置数据传给伺服控制器，伺服控制器进行插补、加减速控制，生成路径。位置控制原理如图6所示。
（2）微动控制。在宏动台运动到指定位置后，启动微动控制给芯片施加键合力。预定键合压力由用户在上位机设定，上位机将数据传递到下位机。同时控制权也交给下位机，下位机控制压电陶瓷驱动电源。控制微控台给出微小位移。达到预设键合压力。如果在微控台达到最大行程后仍不能达到预定压力，下位机反馈信号到主控机，再次驱动宏动台给出适量位移。微动控制原理如图7所示。
本文介绍了热超声倒装键合机的倒装键合工艺流程、视觉定位的系统构成及视觉定位软件的实现。基于HexSight视觉软件开发了机械视觉定位系统。实际运行表明，以芯片轮廓、凸点等主要轮廓曲线作为特征属性时，对任意角度的芯片定位时间仅20ms左右。此视觉软件与闭环伺服运动控制系统相结合，已成功完成对8个凸点芯片从拾取到芯片与基板的对准工作，但是在系统整体效率和精度上与国外芯片封装设备存在一定差距，特提出以下改进方案：
（1）对运动控制系统应通过优化机构运动方案和控制算法来进一步提高其性能。
（2）对于视觉系统，由于采用了两个摄像机，芯片与基板的对准在程序上是通过坐标变换来实现，物理上并不对准，在实际应用中，视觉系统的定位很大程度上取决于坐标变换的精度，所以提高视觉系统的定位精度必须对两个摄像头进行高精度的参数标定。
