閆 瑛，郝耀武，王增琴

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原030024)

隨著半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步和市場(chǎng)對(duì)微小芯片需求的急速增長(zhǎng)，芯片I/O密度越來(lái)越高，芯片尺寸、芯片引線鍵合和焊盤直徑持續(xù)減小，因而對(duì)封裝設(shè)備的鍵合精度提出了極高的要求[1]，鍵合前相對(duì)平行度的好壞直接決定了鍵合精度的穩(wěn)定性，鍵合過(guò)程如圖1所示。目前主要依靠機(jī)械裝調(diào)或自適應(yīng)的方式來(lái)保證鍵合前的平行度，但對(duì)于凸點(diǎn)倒裝，機(jī)械裝調(diào)的效果和自適應(yīng)無(wú)法滿足高精度鍵合的需求。因此，準(zhǔn)直調(diào)平系統(tǒng)的研制對(duì)于高精度倒裝芯片的互連有重大意義。

圖1 倒裝鍵合過(guò)程示意圖

1 自準(zhǔn)直原理

數(shù)字光電自準(zhǔn)直儀原理如圖2所示，光線通過(guò)位于物鏡焦平面的分劃板后，經(jīng)物鏡形成平行光。平行光被垂直于光軸的反射鏡反射回來(lái)，再次通過(guò)準(zhǔn)直鏡頭后由分光棱鏡轉(zhuǎn)折匯聚在位于共軛焦平面的CCD表面，形成分劃板像。當(dāng)反射鏡傾斜一個(gè)微小角度時(shí)，反射回來(lái)的光束就產(chǎn)生一個(gè)傾角，位于CCD探測(cè)表面的分劃板像就產(chǎn)生一個(gè)位移。通過(guò)CCD對(duì)分劃板像位移的判讀即可得知反射鏡的角位移。這就是光學(xué)自準(zhǔn)直的基本原理。設(shè)分劃板到物鏡的距離為f，反射鏡偏轉(zhuǎn)角度為α，十字分劃板在CCD上所成像的位置變化為γ，則α=γ/2f。

圖2 數(shù)字光電自準(zhǔn)直儀原理圖

2 準(zhǔn)直光路設(shè)計(jì)

根據(jù)光學(xué)自準(zhǔn)直原理及倒裝工藝需求設(shè)計(jì)準(zhǔn)直系統(tǒng)，設(shè)計(jì)平面圖[2]如圖3所示。

圖3 準(zhǔn)直光路設(shè)計(jì)平面圖

3 準(zhǔn)直系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)及像質(zhì)評(píng)價(jià)

準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要考慮矯正球差、彗差、畸變等，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 準(zhǔn)直系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)圖

對(duì)準(zhǔn)直系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行綜合模擬及仿真分析與計(jì)算。光學(xué)系統(tǒng)MTF如圖5所示，能量集中度曲線如圖6所示，畸變曲線如圖7所示。

圖5 準(zhǔn)直系統(tǒng)MTF曲線

圖6 準(zhǔn)直系統(tǒng)能量集中度曲線

圖7 準(zhǔn)直系統(tǒng)畸變曲線對(duì)比

根據(jù)以上仿真與分析可知，系統(tǒng)在可見(jiàn)光波段全視場(chǎng)MTF已設(shè)計(jì)為衍射極限系統(tǒng)，系統(tǒng)的彌散圓半徑都在1μm以內(nèi)，系統(tǒng)成像質(zhì)量很好，能夠滿足對(duì)十字分劃板成清晰的圖像。

另外，透過(guò)系統(tǒng)畸變曲線可知，本系統(tǒng)畸變的最終設(shè)計(jì)值為0.000 32%，可以保證十字分劃像不變形。

4 準(zhǔn)直調(diào)平過(guò)程設(shè)計(jì)

準(zhǔn)直系統(tǒng)的工作原理如圖8所示，分別將十字靶標(biāo)圖形如圖9所示投射在芯片和基板的反射面上，圖形反射通過(guò)準(zhǔn)直光路投射到CCD上。根據(jù)光學(xué)準(zhǔn)直原理，假如CCD上顯示兩個(gè)不重合的十字靶標(biāo)，則認(rèn)為芯片和基板兩平面不平行，通過(guò)驅(qū)動(dòng)平行度調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)兩個(gè)十字靶標(biāo)到完全重合，則完成芯片和基板的平行度調(diào)節(jié)。

圖8 準(zhǔn)直系統(tǒng)工作原理圖

圖9 十字靶標(biāo)

調(diào)節(jié)過(guò)程中通過(guò)視覺(jué)拍攝上下兩個(gè)十字靶標(biāo)圖形在視場(chǎng)坐標(biāo)系內(nèi)的位置坐標(biāo)，以基板靶標(biāo)為基準(zhǔn)，可以計(jì)算出兩靶標(biāo)之間的XY方向像素坐標(biāo)的偏差值（rx，ry），依據(jù)激光干涉儀已經(jīng)標(biāo)定的位移與脈沖對(duì)應(yīng)關(guān)系（在整個(gè)行程中分別記錄多組XY方向脈沖與對(duì)應(yīng)像素坐標(biāo)的值，采用Matlab中最小二乘法進(jìn)行擬合，計(jì)算出兩組像素和脈沖的對(duì)應(yīng)關(guān)系），分別計(jì)算像素偏差對(duì)應(yīng)的脈沖量，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)調(diào)平功能。

高精度機(jī)構(gòu)采用半球氣浮結(jié)構(gòu)，分別通過(guò)驅(qū)動(dòng)俯仰和偏擺電機(jī)推動(dòng)精密螺旋推桿，使球凸產(chǎn)生兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)原理為：已知步進(jìn)電機(jī)推桿和球面連接桿交點(diǎn)到球面定點(diǎn)的距離為A，如圖10所示，球面半徑為R，轉(zhuǎn)角分辨率為B，轉(zhuǎn)角行程為C，步進(jìn)電機(jī)導(dǎo)程為S，傳動(dòng)裝置的綜合傳動(dòng)效率為η，減速比為i，保持轉(zhuǎn)矩為HT，設(shè)：D為步進(jìn)電機(jī)脈沖行程，θS為步進(jìn)電機(jī)步距角，E為整個(gè)行程允許位移，F(xiàn)為推力[3]，計(jì)算過(guò)程如下：

圖10 半球氣浮結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從高精度倒裝鍵合工藝需求出發(fā)，提出了基于自準(zhǔn)直原理的調(diào)平方案，給出了相應(yīng)的光路設(shè)計(jì)以及仿真過(guò)程，配合視覺(jué)檢測(cè)以及高精度執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直調(diào)平的功能，目前準(zhǔn)直調(diào)平功能以及在高精度倒裝設(shè)備上進(jìn)行了驗(yàn)證，功能和性能均能滿足設(shè)備使用要求。