Research and application about gravity mounter method on wafer-Level package ball mounter

劉勁松1,2，萬鵬程1，時(shí)　威1

（1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海微松工業(yè)自動(dòng)化有限公司，上海 201114）

LIU Jin-Song1,2,　WAN Peng-Cheng1,　SHI Wei1

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WLP微球植球機(jī)的重力植球法研究與應(yīng)用

Research and application about gravity mounter method on wafer-Level package ball mounter

劉勁松1,2，萬鵬程1，時(shí)威1

（1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海微松工業(yè)自動(dòng)化有限公司，上海 201114）

LIU Jin-Song1,2,WAN Peng-Cheng1,SHI Wei1

摘要：晶圓級(jí)封裝（WLP）是目前主流的高端半導(dǎo)體封裝技術(shù)之一，如何提高焊錫植球精度是當(dāng)前的各大廠商關(guān)注的熱點(diǎn)問題。通過介紹焊錫植球的基本流程，引出并比較了兩種常見的焊錫球搭載方式。并對(duì)重力植球法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步闡述，包括焊錫球供球與回收裝置和機(jī)器視覺對(duì)準(zhǔn)裝置。最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)植球過程中可能產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行檢測(cè)和觀察，與半自動(dòng)植球機(jī)比較，證明通過參數(shù)調(diào)整能滿足實(shí)際生產(chǎn)所需要的植球要求。

關(guān)鍵詞：晶圓級(jí)封裝；植球機(jī)；重力植球法

0　引言

晶圓級(jí)封裝（WLP，Wafer Level Package）是指直接在晶圓（Wafer）上進(jìn)行封裝和測(cè)試，然后再將其切割分離（singulation）為單個(gè)IC顆粒的封裝技術(shù)。與傳統(tǒng)的先切割再封測(cè)的技術(shù)相比，WLP實(shí)現(xiàn)了制造技術(shù)與封裝技術(shù)的融合；取代了傳統(tǒng)的引線鍵合（Wire Bonding）技術(shù)，采用芯片凸塊技術(shù)（Bumping）；并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品尺寸與IC裸晶原始大小幾乎相同的封裝體積，故其為芯片尺寸封裝（CSP，Chip Scale Package）的種[1]。該技術(shù)滿足了目前市場(chǎng)上對(duì)便攜性產(chǎn)品尺寸不斷減小的需求。

WLP封裝過程中最為關(guān)鍵的設(shè)備是微球植球機(jī)，其主要機(jī)構(gòu)包括：印刷機(jī)構(gòu)，植球機(jī)構(gòu)，檢測(cè)機(jī)構(gòu)以及上下料機(jī)構(gòu)[2]。上料機(jī)構(gòu)通過將晶圓預(yù)對(duì)準(zhǔn)（Pre-Alignment）后放上晶圓搬運(yùn)平臺(tái)，晶圓依次通過印刷機(jī)構(gòu)涂敷助焊劑（Flux），植球機(jī)構(gòu)手動(dòng)或自動(dòng)將焊錫球放置于晶圓上，最后將植球完成的晶圓放回晶圓盒（Cassette）[3]。WLP封裝的技術(shù)難點(diǎn)主要包括：凸點(diǎn)技術(shù)[4,5]，超精密絲網(wǎng)印刷[6]，微球搭載技術(shù)[7]。本文主要討論的通過對(duì)文獻(xiàn)[7]所討論的微球搭載技術(shù)進(jìn)行拓展，分析了主流焊錫球搭載技術(shù)，對(duì)植球過程所需要的設(shè)備原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。并通過實(shí)驗(yàn)與自主研發(fā)的半自動(dòng)晶圓植球機(jī)WMB-1100進(jìn)行比較，證明通過該設(shè)計(jì)能達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)所需要求。

1　植球流程分析

植球流程主要包括：焊錫球的供給，焊錫球的放置以及多余焊錫球的回倉[8]。晶圓在完成印刷過程后，通過晶圓搬運(yùn)平臺(tái)移動(dòng)到植球位置。此時(shí)通過焊錫球供給裝置提供焊錫球，然后通過定的方法將每個(gè)焊錫球放置在對(duì)應(yīng)的位置上面，完成植球過程。焊錫球體積?。ㄖ睆酱蠹s在0.15mm～0.76mm），故焊錫球搭載技術(shù)的方法主要有以下兩種：真空吸引法和重力植球法。

真空吸引法植球的原理是通過真空吸頭拾取焊錫球，將其植到芯片或晶圓上。其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，廣泛用于另種植球工藝——基板（BGA）植球技術(shù)中[9]。但WLP與BGA相比，由于BGA植球?qū)ο笫乔懈钔瓿傻男酒?，可以放在固定的模版中；而WLP植球?qū)ο髣t是整片完整的晶圓，放置在晶圓搬運(yùn)平臺(tái)上，定位誤差與精密定位模具有定差距。同時(shí)完整晶圓片相比較切割好的IC芯片需要植球的數(shù)量更多，例如現(xiàn)在主流的12inch晶圓上存在750～1500個(gè)芯片，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)基板（BGA）植球技術(shù)通過真空吸引法加精密模具對(duì)40～50個(gè)芯片的加工。故WLP使用真空吸引法所需要設(shè)計(jì)的相應(yīng)的模型過于復(fù)雜，且成本過高，不實(shí)際。

重力植球法是通過對(duì)準(zhǔn)裝置，將晶圓與超精密絲網(wǎng)對(duì)齊，然后焊錫球通過重力方式穿過超精密絲網(wǎng)的網(wǎng)孔落到晶圓上的助焊劑上。其優(yōu)點(diǎn)在于每次能同時(shí)植球的數(shù)量較多，但缺點(diǎn)是焊錫球容易出現(xiàn)堵塞和變型。由于當(dāng)前主流12inch晶圓上需要植球的數(shù)量較大，故采用此方法。

重力植球法機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于：焊錫球供球和回收裝置的設(shè)計(jì)以及對(duì)準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)。

2　焊錫球供球和回收裝置

圖1　供球和回收裝置結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，焊料池主要放置焊錫球，由于焊錫球體積較小，且表面光滑，在球與球之間會(huì)形成相互吸引的力，稱之為黏著力。隨著焊錫球的尺寸越小，表面現(xiàn)象占的比重越大，故每次將部分的焊錫球傳送到振動(dòng)盤中，振動(dòng)盤產(chǎn)生微小振動(dòng)將相鄰的焊錫球分離開來。同時(shí)為了確保焊料池有足夠的焊錫球，通過傳感器監(jiān)測(cè)，如果沒有達(dá)到設(shè)定的高度，則通過傳感器反饋信號(hào)，通過焊料池對(duì)振動(dòng)盤填充焊料。通過多次實(shí)驗(yàn)調(diào)整植球過程從焊料池傳送到振動(dòng)盤的焊錫球數(shù)量，可以保證不會(huì)因?yàn)楣┣蜻^多或者過少影響植球的成功率。

儲(chǔ)球容器通過Z軸方向的氣缸和電磁閥控制其的工作狀態(tài)，其在工作狀態(tài)下與超精密絲網(wǎng)接觸。這時(shí)候?qū)τ诔芙z網(wǎng)表面會(huì)存在如下幾個(gè)力的作用：儲(chǔ)球容器的壓力、超精密絲網(wǎng)與焊錫球之間的接觸力、焊錫球的壓力。這些都會(huì)導(dǎo)致超精密絲網(wǎng)發(fā)生彈性變形形成彈性變形力[11]。這里主要分析超精密絲網(wǎng)與焊錫球之間的接觸力。

假設(shè)最初超精密絲網(wǎng)為平整的表面，焊錫球的半徑為R的剛性球體，焊錫球與超精密絲網(wǎng)的接觸面為個(gè)半徑為a的圓形區(qū)域，r表示xy平面上產(chǎn)生的位移，p0表示法向方向的最大壓力。如圖2所示。

圖2　焊錫球作用下絲網(wǎng)的變形

其法向的壓力分布：

根據(jù)赫茲（Hertz）接觸理論，在應(yīng)力作用下，垂直方向的位移應(yīng)該滿足如下關(guān)系：

根據(jù)上式可以分別求出：

將上式帶入到總應(yīng)力公式：

焊錫球通過振動(dòng)盤傳入儲(chǔ)球容器中，儲(chǔ)球容器的底部為了防止對(duì)超精密絲網(wǎng)產(chǎn)生磨損故采用特定的掃球材料。通過x軸方向和y軸方向的兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)裝球容器在超精密絲網(wǎng)上移動(dòng)，其中的焊錫球由于重力的作用，從絲網(wǎng)的小孔中落到助焊劑上面，同時(shí)與容器運(yùn)動(dòng)方向相反側(cè)的掃球材料將多余的焊錫球帶走，保證在超精密絲網(wǎng)表面不存在多余的焊球，如圖3所示。

在完成工作表面的整個(gè)循環(huán)后，還可以通過視覺檢測(cè)裝置對(duì)植球表面進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于缺失球的部位，將儲(chǔ)球容器移動(dòng)至該位置，讓焊錫球再次覆蓋次表面，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)球。若再次檢測(cè)仍出現(xiàn)無法植球的情況，則通過信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)界面，通過手工植球的方式進(jìn)行補(bǔ)球。但這種方式只能對(duì)焊錫球缺失進(jìn)行補(bǔ)償，而不能檢測(cè)到超精密絲網(wǎng)出現(xiàn)的多顆球粘黏（bridge）的現(xiàn)象，同時(shí)有些問題是經(jīng)過回焊發(fā)生的缺陷，故常額外采用補(bǔ)球機(jī)的形式對(duì)晶圓表面的缺陷進(jìn)行補(bǔ)球，而不在晶圓植球機(jī)上進(jìn)行[9]。

最后，將容器移動(dòng)超精密絲網(wǎng)邊緣以遠(yuǎn)離植球工作區(qū)域。通過真空吸附，將多余的球吸走，吸入供球裝置，實(shí)現(xiàn)焊錫球的回收。

圖3　重力植球過程圖

3　圖像定位裝置

圖像定位裝置主要用于將超精密絲網(wǎng)孔與晶圓上涂敷助焊劑的位置對(duì)齊，保證焊錫球能夠準(zhǔn)確的落入對(duì)應(yīng)晶圓的膠點(diǎn)上。圖像定位裝置相關(guān)聯(lián)的硬件主要包括：CCD攝像頭，視覺控制器，PLC，伺服電機(jī)，伺服控制器，上位機(jī)構(gòu)成，如圖4所示。

圖4　圖像定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖

要實(shí)現(xiàn)超精密絲網(wǎng)與晶圓之間的對(duì)齊，需要對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。因?yàn)槌芙z網(wǎng)通過兩個(gè)氣缸固定在植球機(jī)植球平臺(tái)上，即可假設(shè)其相對(duì)靜止。通過攝像頭標(biāo)定，使得晶圓在傳送過來后與超精密絲網(wǎng)對(duì)齊。這里采用針孔模型對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行描述。

設(shè)晶圓在世界坐標(biāo)系下面的坐標(biāo)為Xw=(xw,yw,zw)T，其在圖像坐標(biāo)系下面的坐標(biāo)為(u,v)T，兩者滿足以下關(guān)系[12]：

其中：M1稱為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣；(u0,v0)為圖像主點(diǎn)，其中考慮到CCD攝像機(jī)鏡頭的徑向畸變和切向畸變。M2稱為物理變化矩陣，其中的R和T分別是旋轉(zhuǎn)和平移矩陣。

ax和ay可以表示為：

f為有效焦距，是圖像平面與光學(xué)中心的距離；sx為比例因子；k1和k2為前兩階徑向畸變系數(shù)，dx和dy分別為CCD攝像機(jī)在X和Y方向的像素大?。籸d為畸變后圖像的像素半徑。

圖5　顯微放大模型

由于晶圓上的焊錫球較小，故需要通過顯微放大模型對(duì)其有效焦距進(jìn)行標(biāo)定，如圖5所示，其中AB表示物體的大小，A'B'表示放大后的成像。l為物距，l'為相距；透鏡的等效焦距為fe。由于所拍攝晶圓平面與攝像頭平面平行。故zc=l，f=l。根據(jù)高斯成像理論，可以得出：

圖6　晶圓定位標(biāo)識(shí)

完成攝像頭的標(biāo)定之后，我們需要通過學(xué)習(xí)獲得晶圓的正確位置，這里包括設(shè)定攝像機(jī)的標(biāo)定參數(shù)并對(duì)植球平面與攝像頭、超精密絲網(wǎng)的平面進(jìn)行誤差補(bǔ)償。通過不斷的實(shí)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)，獲得植球效果最佳的植球點(diǎn)，在此位置通過CCD攝像機(jī)對(duì)晶圓上的特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，經(jīng)過圖像采集卡采集信號(hào)，然后通過公式轉(zhuǎn)化為圖像信息存儲(chǔ)在上位機(jī)中。等實(shí)際生產(chǎn)過程中，將測(cè)量到的數(shù)據(jù)與預(yù)存在上位機(jī)中的超精密絲網(wǎng)與晶圓的準(zhǔn)確定位的位置關(guān)系進(jìn)行比較，比較后上位機(jī)通過對(duì)PLC發(fā)送命令，控制個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)器，間接控制電機(jī)對(duì)晶圓搬運(yùn)平臺(tái)的坐標(biāo) XY及角度θ計(jì)算修正[2]。

4　實(shí)驗(yàn)與分析

通過重力植球法植球過程中出現(xiàn)的缺陷可能有：錫球偏移、錫球缺失、錫球冗余和錫球變形[13]。通過調(diào)整攝像機(jī)參數(shù)和調(diào)整晶圓傳送平臺(tái)與超精密絲網(wǎng)的平行度可以提高植球的位置精度，以減少錫球偏移。通過變儲(chǔ)球容器的壓力、掃球材料以及移動(dòng)路線可以提高錫球的植球質(zhì)量，以減少錫球缺失、錫球冗余以及錫球變形等現(xiàn)象。

圖7　全自動(dòng)重力植球效果圖

圖8　WMB-1100植球效果圖

根據(jù)重力植球法設(shè)計(jì)的全自動(dòng)植球?qū)嶒?yàn)結(jié)果如圖7所示，上海微松半自動(dòng)晶圓植球機(jī)WMB-1100的植球效果如圖8所示，在次元影像測(cè)量?jī)x上對(duì)其進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)無顯著差異，全自動(dòng)植球的誤差能控制在合理范圍之內(nèi)，故可以推廣到實(shí)際生產(chǎn)中。

5　結(jié)論

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫再吉.集成電路芯片尺寸封裝技術(shù)[J].微電子學(xué),1997,06:48-52.

[2] 劉勁松,郭儉.BGA/CSP封裝技術(shù)的研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003(5):602-604.

[3] 劉勁松,時(shí)威,張金志.晶圓級(jí)WLP封裝植球機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2015,12:28-31.

[4] 鄭宗林,吳懿平,吳豐順,等.電鍍方法制備錫鉛焊料凸點(diǎn)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,09:59-62.

[5] 王紅雨.球柵陣列封裝無鉛植球工藝研究[D].復(fù)旦大學(xué),2009.

[6] 楊建友,成剛虎.簡(jiǎn)述絲網(wǎng)印刷壓力均勻性的影響因素[J].網(wǎng)印工業(yè),2009,10:20-22.

[7] 劉勁松,郭儉.3D芯片封裝晶圓植球裝備關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2013,06:573-577.

[8] 夏鏈,吳斌,田曉青,等.基于虛擬樣機(jī)的BGA供球機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能仿真研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,36(8):910-914.

[9] 夏鏈,韓江,方興,江擒虎,趙韓.球柵陣列(BGA)自動(dòng)植球機(jī)的研制[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006,02:155-158,164.

[10] Zhou M,Xunping LI,Xiao M A. EARLY INTERFACIAL REACTION AND UNDERCOOLING SOLIDIFICATION BEHAVIOR OF Sn3.5Ag/Cu SYSTEM[J].Acta Metallurgica Sinica -Chinese Edition-,2010, 46(5):569-574.

[11] Valentin L.Popov.李強(qiáng),雒建斌,譯.接觸力學(xué)與摩擦學(xué)的原理及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011:44-50.

[12] 李君蘭,張大衛(wèi),王以忠,趙興玉,孔凡芝.面向IC封裝的顯微視覺定位系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程,2010,04:965-972.

[13] 賈偉妙.基于機(jī)器視覺的芯片BGA封裝焊球缺陷檢測(cè)及MATLAB仿真[D].合肥工業(yè)大學(xué),2009.

作者簡(jiǎn)介：劉勁松（1968 -），男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，研究方向?yàn)楦叨税雽?dǎo)體芯片制造裝備和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)。

基金項(xiàng)目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)項(xiàng)目（15DZ1101201）

收稿日期：2015-12-17

中圖分類號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)03-0102-04