来源：电子技术应用  作者：中南大学 李建平 邹中升 王福亮

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。

在热超声倒装芯片封装键合过程中，芯片凸点和基板焊盘位置对准精度要求非常严格，误差要求小于5μm。通过对全自动引线键合机图像视觉定位系统的研究，结合热超声倒装键合工艺的特点和要求，在HexSight视觉软件的基础上开发了适用于热超声倒装键合机的图像识别定位系统。本文介绍此视觉定位系统的组成和实现过程。

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。

来源：电子技术应用  作者：中南大学 李建平 邹中升 王福亮

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。

在热超声倒装芯片封装键合过程中，芯片凸点和基板焊盘位置对准精度要求非常严格，误差要求小于5μm。通过对全自动引线键合机图像视觉定位系统的研究，结合热超声倒装键合工艺的特点和要求，在HexSight视觉软件的基础上开发了适用于热超声倒装键合机的图像识别定位系统。本文介绍此视觉定位系统的组成和实现过程。

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。