來源：電子技術應用  作者：中南大學 李建平 鄒中升 王福亮

摘要：通過對芯片熱超聲倒裝鍵合工藝過程的研究，結合國內外熱超聲倒裝鍵合設備發展的現狀，研制了一臺用于芯片的熱超聲倒裝鍵合機。
關鍵詞：熱超聲倒裝機械視覺運動控制HexSight

20世紀90年代以來，隨著應用領域的大力驅動，微電子封裝技術獲得了日新月異的發展，目前主要的一級封裝技術有引線鍵合和倒裝鍵合兩種。引線鍵合技術是用金屬絲將集成電路芯片上的電極引線與集成電路底座外引線連接在一起，通過減小引線直徑和引線間距獲得封裝密度的提高，但小直徑引線的強度和剛性更差，這將給引線彎曲的操作帶來難度，降低引線鍵合的可靠性。在芯片封裝I／0數目不斷增加，內部連接可靠性要求越來越高的形式下，芯片鍵合工藝表現出由引線鍵合向倒裝鍵合發展的趨勢。倒裝鍵合方式是一種基于面陣焊球鍵合的封裝工藝，目前倒裝鍵合工藝主要有熱超聲鍵合、再回流焊、熱壓鍵合、環氧樹脂導電膠鍵合等。再回流焊可靠性比較高，而且凸點數量多，但采用Sn／Pb焊料，對環境和人體的保護極為不利。環氧樹脂導電膠工藝簡單，且在低溫下鍵合，但存在可靠性不高、寄生電阻太大等不足。熱壓連接工藝沒有污染，效率高，但存在可靠性不高、鍵合條件要求苛刻等缺點。

熱超聲倒裝鍵合是在超聲能量、壓力及熱的共同作用下，實現芯片I／O端口與基板之間的直接互連。熱超聲倒裝鍵合具有封裝可靠性高、連接效率高、工藝簡單、成本低、適應性強等優點，較低的鍵合溫度降低了在凸點與焊盤問形成Au-A1金屬間化合物的可能性，同時又是一種無鉛的綠色焊接，被認為是滿足下一代芯片封裝要求的具有發展潛力的新工藝和新技術。美國Colorado大學的SY Kang等人已經成功地將帶有64個金凸點的GaAs芯片利用熱超聲倒裝連接到硅基板上，而且結合強度達0．23 N／bump。此芯片已經應用于多道存儲系統和光電組件中。日本Toshiba公司、新加坡ASM公司也在研究和采用熱超聲倒裝連接工藝。國內相關的研究還處于起步階段，除中南大學外僅有少數研究所及合資公司在進行此類研究。

在熱超聲倒裝芯片封裝鍵合過程中，芯片凸點和基板焊盤位置對準精度要求非常嚴格，誤差要求小于5μm。通過對全自動引線鍵合機圖像視覺定位系統的研究，結合熱超聲倒裝鍵合工藝的特點和要求，在HexSight視覺軟件的基礎上開發了適用于熱超聲倒裝鍵合機的圖像識別定位系統。本文介紹此視覺定位系統的組成和實現過程。

1 熱超聲倒裝鍵合原理
1.1 芯片熱超聲倒裝鍵臺工藝流程
熱超聲倒裝鍵合工藝過程中使用的芯片與基板如圖l所示。

此鍵合工藝流程可以分為以下4個步驟：
(1)芯片的拾取。開始鍵合工作前，芯片與基板放置在指定工作臺，如果芯片與基板不在視覺系統的視覺范圍內，驅動平動臺，按指定算法搜索芯片與基板；待獲取芯片位置后，根據基板擺放位置，假設芯片被基板吸取后不發生偏轉，對芯片位置進行調整，實現對準(通過坐標變換實現對準，在物理上仍相差一固定位差并由程序記錄)，驅動真空吸附系統，吸嘴位置下降，利用真空吸力將芯片吸附，完成芯片拾取。同時啟動基板加熱系統，將基板加熱到150℃左右。

(2)芯片與基板的對準。完成芯片吸附后，驅動平動臺移動一固定位差，完成芯片與基板的物理對準。但實驗中發現．在芯片被拾取的過程中會發生偏移，所以必須在芯片運動到基板正上方對準之前再次啟動視覺系統從芯片下方仰視被吸附后的芯片，獲取芯片被吸附后實際位置，根據吸嘴吸附芯片的實際偏移和轉角，再次調整極板位置，實現芯片凸點與基板焊盤的對準(通過坐標變換實現對準，在物理上仍相差一固定位差，程序記錄后由機械運動機構實現物理對準)。

(3)施加鍵合力。芯片與基板對準后，芯片運動至基板正上方(物理上對準)，保持真空吸力，吸嘴緩慢下降，直至芯片凸點和基板焊盤為一微小距離時，驅動鍵合壓力控制系統，對芯片緩慢施加鍵合壓力。理想情況下，芯片表面與基板平行，鍵合力與基板方向垂直。

(4)施加超聲波。在鍵合力達到預定壓力時，凸點與基板接觸并在一定程度上被壓扁和變形；這時啟動超聲波發生器，換能器通過吸嘴在與基板的平行方向上對芯片施加超聲波能量，使凸點與基板結合界面發生摩擦，除去凸點表面的氧化物和污染層，溫度劇烈上升，凸點發生變形，凸點與基板焊盤的原子相互滲透達到相互連接的效果。

(5)鍵合頭復位。鍵合工作完成之后釋放吸嘴真空吸力，芯片與吸嘴分離，提升吸嘴，完成一個鍵合周期。熱超聲倒裝芯片與基板連接步驟如圖2所示。

來源：電子技術應用  作者：中南大學 李建平 鄒中升 王福亮

摘要：通過對芯片熱超聲倒裝鍵合工藝過程的研究，結合國內外熱超聲倒裝鍵合設備發展的現狀，研制了一臺用于芯片的熱超聲倒裝鍵合機。
關鍵詞：熱超聲倒裝機械視覺運動控制HexSight

20世紀90年代以來，隨著應用領域的大力驅動，微電子封裝技術獲得了日新月異的發展，目前主要的一級封裝技術有引線鍵合和倒裝鍵合兩種。引線鍵合技術是用金屬絲將集成電路芯片上的電極引線與集成電路底座外引線連接在一起，通過減小引線直徑和引線間距獲得封裝密度的提高，但小直徑引線的強度和剛性更差，這將給引線彎曲的操作帶來難度，降低引線鍵合的可靠性。在芯片封裝I／0數目不斷增加，內部連接可靠性要求越來越高的形式下，芯片鍵合工藝表現出由引線鍵合向倒裝鍵合發展的趨勢。倒裝鍵合方式是一種基于面陣焊球鍵合的封裝工藝，目前倒裝鍵合工藝主要有熱超聲鍵合、再回流焊、熱壓鍵合、環氧樹脂導電膠鍵合等。再回流焊可靠性比較高，而且凸點數量多，但采用Sn／Pb焊料，對環境和人體的保護極為不利。環氧樹脂導電膠工藝簡單，且在低溫下鍵合，但存在可靠性不高、寄生電阻太大等不足。熱壓連接工藝沒有污染，效率高，但存在可靠性不高、鍵合條件要求苛刻等缺點。

熱超聲倒裝鍵合是在超聲能量、壓力及熱的共同作用下，實現芯片I／O端口與基板之間的直接互連。熱超聲倒裝鍵合具有封裝可靠性高、連接效率高、工藝簡單、成本低、適應性強等優點，較低的鍵合溫度降低了在凸點與焊盤問形成Au-A1金屬間化合物的可能性，同時又是一種無鉛的綠色焊接，被認為是滿足下一代芯片封裝要求的具有發展潛力的新工藝和新技術。美國Colorado大學的SY Kang等人已經成功地將帶有64個金凸點的GaAs芯片利用熱超聲倒裝連接到硅基板上，而且結合強度達0．23 N／bump。此芯片已經應用于多道存儲系統和光電組件中。日本Toshiba公司、新加坡ASM公司也在研究和采用熱超聲倒裝連接工藝。國內相關的研究還處于起步階段，除中南大學外僅有少數研究所及合資公司在進行此類研究。

在熱超聲倒裝芯片封裝鍵合過程中，芯片凸點和基板焊盤位置對準精度要求非常嚴格，誤差要求小于5μm。通過對全自動引線鍵合機圖像視覺定位系統的研究，結合熱超聲倒裝鍵合工藝的特點和要求，在HexSight視覺軟件的基礎上開發了適用于熱超聲倒裝鍵合機的圖像識別定位系統。本文介紹此視覺定位系統的組成和實現過程。

1 熱超聲倒裝鍵合原理
1.1 芯片熱超聲倒裝鍵臺工藝流程
熱超聲倒裝鍵合工藝過程中使用的芯片與基板如圖l所示。

此鍵合工藝流程可以分為以下4個步驟：
(1)芯片的拾取。開始鍵合工作前，芯片與基板放置在指定工作臺，如果芯片與基板不在視覺系統的視覺范圍內，驅動平動臺，按指定算法搜索芯片與基板；待獲取芯片位置后，根據基板擺放位置，假設芯片被基板吸取后不發生偏轉，對芯片位置進行調整，實現對準(通過坐標變換實現對準，在物理上仍相差一固定位差并由程序記錄)，驅動真空吸附系統，吸嘴位置下降，利用真空吸力將芯片吸附，完成芯片拾取。同時啟動基板加熱系統，將基板加熱到150℃左右。

(2)芯片與基板的對準。完成芯片吸附后，驅動平動臺移動一固定位差，完成芯片與基板的物理對準。但實驗中發現．在芯片被拾取的過程中會發生偏移，所以必須在芯片運動到基板正上方對準之前再次啟動視覺系統從芯片下方仰視被吸附后的芯片，獲取芯片被吸附后實際位置，根據吸嘴吸附芯片的實際偏移和轉角，再次調整極板位置，實現芯片凸點與基板焊盤的對準(通過坐標變換實現對準，在物理上仍相差一固定位差，程序記錄后由機械運動機構實現物理對準)。

(3)施加鍵合力。芯片與基板對準后，芯片運動至基板正上方(物理上對準)，保持真空吸力，吸嘴緩慢下降，直至芯片凸點和基板焊盤為一微小距離時，驅動鍵合壓力控制系統，對芯片緩慢施加鍵合壓力。理想情況下，芯片表面與基板平行，鍵合力與基板方向垂直。

(4)施加超聲波。在鍵合力達到預定壓力時，凸點與基板接觸并在一定程度上被壓扁和變形；這時啟動超聲波發生器，換能器通過吸嘴在與基板的平行方向上對芯片施加超聲波能量，使凸點與基板結合界面發生摩擦，除去凸點表面的氧化物和污染層，溫度劇烈上升，凸點發生變形，凸點與基板焊盤的原子相互滲透達到相互連接的效果。

(5)鍵合頭復位。鍵合工作完成之后釋放吸嘴真空吸力，芯片與吸嘴分離，提升吸嘴，完成一個鍵合周期。熱超聲倒裝芯片與基板連接步驟如圖2所示。