專利名稱：面向mems立體封裝和組裝的錫球凸點鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面向MEMS立體封裝和組裝的錫球凸點鍵合方法，屬于MEMS器件 的封裝互連和組裝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微機電系統(tǒng)MEMS(MicroElectromechanicalSystem)是采用目前快速發(fā)展的高科 技技術(shù)，將集成電路ICdntegratedCircuit)制造工藝中的硅微細(xì)加工技術(shù)和機械工業(yè)中 的微機械加工技術(shù)結(jié)合起來，制造出的機、電一體甚至光、機、電一體的新器件或系統(tǒng)，它具 有成本低、體積小、低功耗、集成化高、可批量生產(chǎn)等特點。不同的MEMS器件的結(jié)構(gòu)和功能 差異很大，其應(yīng)用環(huán)境也不同，導(dǎo)致MEMS器件的封裝成本幾乎為制造成本的50% 80%。因 此，建立一種標(biāo)準(zhǔn)化的MEMS器件的封裝工藝，是MEMS器件實現(xiàn)大批量、低成本、高可靠的工 業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的MEMS封裝工藝是由集成電路的封裝工藝發(fā)展演變而來的。其中作為核心 工藝的鍵合互連技術(shù)不僅能實現(xiàn)芯片或引線的電氣互連，更能輔助微結(jié)構(gòu)的三維裝配及組 裝。微釬料球鍵合技術(shù)通過對微小釬料球的加熱重熔，不僅能實現(xiàn)MEMS器件高可靠性的互 連鍵合，還能通過熔融釬料的表面張力實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的自對準(zhǔn)或自組裝過程，可發(fā)展成一種 標(biāo)準(zhǔn)化的可靠的MEMS封裝工藝。近年，微釬料球鍵合技術(shù)得到了較快發(fā)展。如德國PacTech 公司開發(fā)了一種基于激光的釬料凸點噴射設(shè)備，可將導(dǎo)入的錫球噴射到焊盤上，并迅速通 過激光加熱重熔，完成鍵合。美國國家專利《C0NTINU0USM0DES0LDERJETAPPARATUS》，專利 號US2007/0068996A1，通過壓電傳感器驅(qū)動及機械振動觸發(fā)連續(xù)形成均勻一致的熔化金 屬液滴，通過路徑控制實現(xiàn)鍵合。上述兩種方法均能夠?qū)崿F(xiàn)錫球凸點的制作并完成鍵合過 程。然而，這兩種方法都存在成形不好和焊盤連接不穩(wěn)定的缺點，需要再次重熔整形。中國發(fā)明專利《激光制作無鉛釬料凸點的方法》，公開號CN101556925A，
公開日為 2009年10月14日，通過計算機錄入事先預(yù)置的釬料位置，控制掃描振鏡配合激光器工作 實現(xiàn)凸點制作。但是，該方法中釬料為事先預(yù)置，無法精確控制釬料量，同時無法通過計算 機進(jìn)行鍵合位置的自動識別，不適合于MEMS器件的立體封裝鍵合；中國發(fā)明專利《柔性激 光植球機的焊盤視覺識別與定位系統(tǒng)》，公開號CN1719591A，
公開日為2006年1月11日， 通過CCD攝像機采集焊盤圖像，并通過圖像處理軟件獲得焊盤位置，以輔助激光植球機完 成植球動作。該方法能實現(xiàn)焊盤自動識別，利于自動化的激光凸點制作過程。然而，該系統(tǒng) 僅適用于特定焊盤平面的激光凸點制作，不具備凸點制作及互連的一體化技術(shù)，不適用于 MEMS器件的三維立體鍵合。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有MEMS器件的封裝鍵合工藝沒有實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)有MEMS器 件的自動化鍵合技術(shù)僅適用于特定焊盤平面的激光凸點制作，不能夠?qū)⑼裹c制作及互連一 體化實現(xiàn)，并且不適于進(jìn)行MEMS器件立體封裝的問題，提供一種面向MEMS立體封裝和組裝
4的錫球凸點鍵合方法。本發(fā)明基于以下設(shè)備完成芯片夾持機構(gòu)、圖像采集裝置、吸嘴、激光頭、激光到光 纖耦合器、光纖和激光自聚焦透鏡，激光自聚焦透鏡與吸嘴同軸裝夾，
它的鍵合方法包括以下步驟
步驟一由芯片夾持機構(gòu)將待鍵合芯片運送到圖像采集裝置的視覺系統(tǒng)工作區(qū)域，由 圖像采集裝置采集圖像信息；
步驟二 根據(jù)采集的圖像信息計算得到待鍵合芯片的所有待鍵合焊盤中心的位置，同 時存儲所有待鍵合焊盤中心的位置信息；
步驟三根據(jù)所有待鍵合焊盤中心的位置信息，由預(yù)置的程序規(guī)劃植球鍵合路徑； 步驟四根據(jù)植球鍵合路徑對每一個焊盤進(jìn)行鍵合，具體為 步驟四一將吸嘴移動到供料區(qū)，從供料瓶中吸取微釬料球；
步驟四二 將待鍵合芯片和吸嘴均移動到植球區(qū)，將吸嘴中的微釬料球釋放并固定在 一個未鍵合焊盤中心；
步驟四三控制激光器的激光頭發(fā)出激光，該激光經(jīng)激光到光纖耦合器耦合后經(jīng)光 纖將其傳輸?shù)郊す庾跃劢雇哥R進(jìn)行聚集后，對微釬料球進(jìn)行重熔，完成一個焊盤的植球鍵 合；
步驟四四判斷是否完成對所有焊盤的植球鍵合，若否，返回步驟四一；若是，芯片的 植球鍵合完成。它還包括以下步驟
步驟五將步驟四中完成植球鍵合的芯片移動到圖像采集裝置的視覺系統(tǒng)工作區(qū)域， 進(jìn)行芯片上所有焊盤的植球鍵合凸點圖像采集；
步驟六根據(jù)采集的圖像查找質(zhì)量不合格的植球鍵合凸點； 步驟七記錄所有不合格植球鍵合凸點的焊盤中心的位置信息； 步驟八根據(jù)所有不合格植球鍵合凸點的焊盤中心的位置信息，由預(yù)置的程序規(guī)劃凸 點吸除路徑；
步驟九根據(jù)凸點吸除路徑對每一個不合格植球鍵合凸點進(jìn)行吸除，再將凸點吸除路 徑作為植球鍵合路徑返回步驟四。所述步驟九中將一個不合格植球鍵合凸點吸除的方法為
將完成植球鍵合的芯片移至植球區(qū)，將吸嘴對應(yīng)于一個不合格植球鍵合凸點，控制激 光頭發(fā)出激光，該激光經(jīng)激光到光纖耦合器耦合后經(jīng)光纖將其傳輸?shù)郊す庾跃劢雇哥R進(jìn)行 聚集后，對此不合格植球鍵合凸點進(jìn)行重熔，同時采用吸嘴對不合格植球鍵合凸點進(jìn)行吸 除。所述步驟四及步驟九執(zhí)行的過程中，均采用氮氣對芯片進(jìn)行保護(hù)。所述步驟二中從供料瓶中吸取微釬料球的方法為使吸嘴的真空倉內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓， 當(dāng)真空倉內(nèi)的壓力達(dá)到預(yù)置閾值，判定吸嘴從供料瓶中吸取微釬料球成功；所述步驟三中 吸嘴將微釬料球釋放的方法為向吸嘴的真空倉內(nèi)注入氮氣，使微釬料球落下。所述步驟一中的圖像采集裝置由(XD和具有1至6倍可調(diào)放大倍數(shù)的組合鏡頭組 成，所述圖像采集裝置能夠沿Zv軸運動。所述芯片夾持機構(gòu)能夠在Xc軸和Yc軸組成的二維平面內(nèi)做二維平面運動。
所述激光自聚焦透鏡與吸嘴能夠在Zt軸和Yt軸組成的二維平面內(nèi)做二維平面運動。所述微釬料球的直徑范圍為40 ii m至300 ii m ；步驟四中微釬料球重熔時間范圍為 20ms 至 50ms。所述激光器為半導(dǎo)體泵浦Nd: YAG固體激光器；光纖的直徑為100 u m ；所述激光經(jīng) 激光自聚焦透鏡聚焦后的光斑直徑為100 ym。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)了釬料合金凸點制作及互 連的一體化，形成了一種低成本、高精度、適應(yīng)性強、高可靠性的標(biāo)準(zhǔn)MEMS封裝工藝。具有 以下優(yōu)點效果
一、采用微釬料球進(jìn)行鍵合互連，能精確控制釬料量，這對于某些光學(xué)MEMS器件的自 組裝過程是必要的；
二、芯片在植球鍵合過程中采用氮氣進(jìn)行保護(hù)，不使用釬劑，避免了污染和對MEMS器 件的腐蝕；
三、對微釬料球的重熔時間不超過50ms，可達(dá)到定位精度不超過lym，焊盤自動識別 系統(tǒng)精度為士5 y m，能夠?qū)崿F(xiàn)高效高精度的MEMS器件封裝；
四、微釬料球通過吸嘴實現(xiàn)拾取和釋放，能通過搭載吸嘴的二維運動平臺與搭載不同 芯片夾持機構(gòu)的二維運動平臺的配合，實現(xiàn)任意方向的芯片的植球和互連，特別適合MEMS 器件的立體三維封裝。五、本發(fā)明不僅能自動實現(xiàn)植球鍵合凸點制作及互連的一體化過程，同時還能自 動實現(xiàn)在線的質(zhì)量檢測及返修，適應(yīng)性廣，自動化程度高。
圖1為實施方式一所述的本發(fā)明方法的流程圖；圖2為實施方式一中所述步驟四 的流程圖；圖3為實施方式二所述的本發(fā)明方法的流程圖；圖4為實現(xiàn)本發(fā)明方法的系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖，圖中12為裝有氮氣的氮氣瓶。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖1、圖2和圖4說明本實施方式，本實施方式基于以 下設(shè)備完成芯片夾持機構(gòu)1、圖像采集裝置2、吸嘴3、激光頭4、激光到光纖耦合器5、光纖 6和激光自聚焦透鏡7，激光自聚焦透鏡7與吸嘴3同軸裝夾，
它的鍵合方法包括以下步驟
步驟一由芯片夾持機構(gòu)1將待鍵合芯片運送到圖像采集裝置2的視覺系統(tǒng)工作區(qū)域， 由圖像采集裝置2采集圖像信息；
步驟二 根據(jù)采集的圖像信息計算得到待鍵合芯片的所有待鍵合焊盤中心的位置，同 時存儲所有待鍵合焊盤中心的位置信息；
步驟三根據(jù)所有待鍵合焊盤中心的位置信息，由預(yù)置的程序規(guī)劃植球鍵合路徑； 步驟四根據(jù)植球鍵合路徑對每一個焊盤進(jìn)行鍵合，具體為 步驟四一將吸嘴3移動到供料區(qū)，從供料瓶中吸取微釬料球； 步驟四二 將待鍵合芯片和吸嘴3均移動到植球區(qū)，將吸嘴3中的微釬料球釋放并固定
6在一個未鍵合焊盤中心；
步驟四三控制激光器的激光頭4發(fā)出激光，該激光經(jīng)激光到光纖耦合器5耦合后經(jīng)光 纖6將其傳輸?shù)郊す庾跃劢雇哥R7進(jìn)行聚集后，對微釬料球進(jìn)行重熔，完成一個焊盤的植球 鍵合；
步驟四四判斷是否完成對所有焊盤的植球鍵合，若否，返回步驟四一；若是，芯片的 植球鍵合完成。
具體實施方式
二 下面結(jié)合圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式與實施方式一 的不同之處在于它還包括以下步驟
步驟五將步驟四中完成植球鍵合的芯片移動到圖像采集裝置2的視覺系統(tǒng)工作區(qū) 域，進(jìn)行芯片上所有焊盤的植球鍵合凸點圖像采集；
步驟六根據(jù)采集的圖像查找質(zhì)量不合格的植球鍵合凸點； 步驟七記錄所有不合格植球鍵合凸點的焊盤中心的位置信息； 步驟八根據(jù)所有不合格植球鍵合凸點的焊盤中心的位置信息，由預(yù)置的程序規(guī)劃凸 點吸除路徑；
步驟九根據(jù)凸點吸除路徑對每一個不合格植球鍵合凸點進(jìn)行吸除，再將凸點吸除路 徑作為植球鍵合路徑返回步驟四。所述步驟九中將一個不合格植球鍵合凸點吸除的方法為
將完成植球鍵合的芯片移至植球區(qū)，將吸嘴3對應(yīng)于一個不合格植球鍵合凸點，控制 激光頭4發(fā)出激光，該激光經(jīng)激光到光纖耦合器5耦合后經(jīng)光纖6將其傳輸?shù)郊す庾跃劢?透鏡7進(jìn)行聚集后，對此不合格植球鍵合凸點進(jìn)行重熔，同時采用吸嘴3對不合格植球鍵合 凸點進(jìn)行吸除。所述步驟四及步驟九執(zhí)行的過程中，均采用氮氣對芯片進(jìn)行保護(hù)。所述步驟二中從供料瓶中吸取微釬料球的方法為使吸嘴3的真空倉8內(nèi)產(chǎn)生負(fù) 壓，真空倉8內(nèi)的壓力會在微釬料球前后發(fā)生變化，當(dāng)真空倉8內(nèi)的壓力達(dá)到預(yù)置閾值，判 定吸嘴3從供料瓶中吸取微釬料球成功；所述步驟三中吸嘴3將微釬料球釋放的方法為 向吸嘴3的真空倉8內(nèi)注入氮氣，使微釬料球落下。所述步驟一中的圖像采集裝置2由(XD和具有1至6倍可調(diào)放大倍數(shù)的組合鏡頭 組成，所述圖像采集裝置2能夠沿Zv軸運動。所述芯片夾持機構(gòu)1能夠在Xc軸和Yc軸組成的二維平面內(nèi)做二維平面運動。所述激光自聚焦透鏡7與吸嘴3能夠在Zt軸和Yt軸組成的二維平面內(nèi)做二維平 面運動。所述微釬料球的直徑范圍為40 ii m至300 ii m ；步驟四中微釬料球重熔時間范圍為 20ms 至 50ms。所述激光器為半導(dǎo)體泵浦Nd: YAG固體激光器；光纖6的直徑為100 u m ；所述激光 經(jīng)激光自聚焦透鏡7聚焦后的光斑直徑為100 ym。所述使吸嘴3的真空倉8內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓可以采用真空泵9來實現(xiàn)，真空倉8內(nèi)的壓 力可以采用壓力傳感器10進(jìn)行監(jiān)測獲得；所述激光自聚焦透鏡7與吸嘴3可同時固定在固 定支架11上。本實施方式能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的高速定位、焊盤的自動識別和定位、高速微釬料球的凸點制作、MEMS器件的互連鍵合、植球鍵合凸點質(zhì)量檢測和在線返修，實現(xiàn)了微釬料合金凸 點制作及互連的一體化過程。適用于對MEMS器件進(jìn)行立體封裝。它的實現(xiàn)設(shè)備包括如下幾個部分
激光熱源部分本發(fā)明采用激光做熱源來實現(xiàn)高速微釬料球凸點的制作。激光器采用 半導(dǎo)體泵浦Nd:YAG固體激光器，它的最大功率為60w。激光通過激光到光纖耦合器5耦合 到光纖6中進(jìn)行柔性傳輸，并通過自聚焦透鏡7進(jìn)行再次聚焦，對微釬料球進(jìn)行激光重熔。 自聚焦透鏡7被夾持在高速定位固定支架11上，激光自聚焦透鏡7的工作距離為75mm，自 聚焦透鏡7聚焦光斑直徑為100 u m。高速定位及焊盤識別部分主要實現(xiàn)了芯片的裝夾、運送及微釬料球的定位及焊 盤識別功能。本發(fā)明中的實現(xiàn)裝置包括5個自由度，Xc軸和Yc軸可實現(xiàn)芯片夾持機構(gòu)1的二維 平面運動；Zt軸和Yt軸可實現(xiàn)固定支架11的二維平面運動，進(jìn)而實現(xiàn)微釬料球真空吸嘴 3和激光自聚焦透鏡7的二維平面運動；Zv軸用于搭載圖像采集裝置2，實現(xiàn)圖像采集裝置 2的調(diào)焦。上述各軸的最高運動速度為0.3m/s，穩(wěn)定時間<20ms。在最高速度情況下測試， 定位精度可達(dá)0. 5 y m，考慮光柵尺的加工制造精度、平臺導(dǎo)軌的直線度等因素，最終單軸絕 對定位精度不超過lPm。焊盤自動識別系統(tǒng)的精度為士5i!m。微釬料球的拾取過程通過固定支架11在Zt軸和Yt軸上的運動將吸嘴3移動到 供料裝置的出料口上方，通過在真空倉8內(nèi)形成一定負(fù)壓，實現(xiàn)微釬料球的拾?。煌ㄟ^向真 空倉8內(nèi)注入氮氣，使微釬料球落下，同時通過吸嘴3前端的特定結(jié)構(gòu)完成小球的固定。激 光從吸嘴3的真空倉8頂部光學(xué)窗口通過下部小孔處射出，對微釬料球進(jìn)行重熔，完成植鍵 合凸點的制作和互連一體化操作。本發(fā)明的運行流程如下
通過芯片夾持機構(gòu)1將芯片運送到視覺系統(tǒng)工作區(qū)域進(jìn)行焊盤識別，存儲位置信息； 將吸嘴3移動到供料區(qū)，完成微釬料球吸??；通過吸嘴3連通的真空倉8的壓力傳感判斷 吸嘴3的吸球狀態(tài)；將芯片和吸嘴3分別移動至植球點，釋放微釬料球，調(diào)用預(yù)置的工藝文 件，按序進(jìn)行植球及鍵合；將芯片移動到視覺工作區(qū)進(jìn)行凸點質(zhì)量檢測；若有不合格凸點， 則返修。本實施方式中微釬料球的拾取、釋放、固定、鍵合、返修均通過一個吸嘴3完成，具 有高度集成性和適應(yīng)性。返修過程中對不合格植球鍵合凸點進(jìn)行吸除時，需通過發(fā)射激光 對該凸點進(jìn)行重熔，并開啟真空泵9，在真空倉8內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，當(dāng)壓力達(dá)到一定值，吸嘴3即 可將不合格植球鍵合凸點在熔融態(tài)時進(jìn)行吸除。所述步驟六中根據(jù)采集的圖像查找質(zhì)量不合格的植球鍵合凸點的方法為由步驟 一中的圖像采集裝置2在采集圖像信息過程中，截取所有待鍵合焊盤的圖像作為待鍵合焊 盤的模板，并將其放入模板庫中；進(jìn)行植球鍵合凸點質(zhì)量檢測的時候，按照預(yù)置的程序規(guī)劃 的路徑，逐一將每一個植球鍵合凸點的圖像與模板庫中存儲的待鍵合焊盤的模板進(jìn)行圖像 匹配，得到匹配值NC。當(dāng)NC大于預(yù)設(shè)定的焊盤匹配值PadN時，認(rèn)定此時該焊盤未完成鍵 合，也即沒有凸點，則判定此植球鍵合凸點的質(zhì)量為不合格；之后，對NC小于或等于預(yù)設(shè)定 的焊盤匹配值PadN的植球鍵合凸點的圖像的灰度圖進(jìn)行處理，并將每一個植球鍵合凸點 的圖像的灰度與預(yù)設(shè)定的灰度閾值進(jìn)行比較，如果其灰度小于預(yù)設(shè)定的灰度閾值，則判定此植球鍵合凸點鍵合過程中氧化嚴(yán)重，凸點質(zhì)量為不合格；對灰度大于等于預(yù)設(shè)定的灰度 閾值的植球鍵合凸點的偏心閾值進(jìn)行判定計算鍵合凸點的中心位置，將植球鍵合凸點的 中心位置與已存諸的待鍵合焊盤的中心位置進(jìn)行比較，比對其中心坐標(biāo)，如果其中心坐標(biāo) 的偏差不在設(shè)定的偏心閾值范圍內(nèi)，則可判定此植球鍵合凸點的質(zhì)量不合格。
具體實施方式
三本實施方式的具體實施步驟如下
一、將芯片置于芯片夾持機構(gòu)1上，通過Xc軸和Yc軸的運動將芯片移動至圖像采集裝 置2的下方，圖像采集裝置2經(jīng)Zv軸調(diào)焦后，進(jìn)行圖像采集；
二、根據(jù)圖像采集信息在工控機中通過特定算法識別出所述待鍵合的焊盤中心，同時 存儲所有待鍵合焊盤中心的位置信息；
三、根據(jù)所有待鍵合焊盤中心的位置信息，由預(yù)置的程序規(guī)劃植球鍵合路徑；
四、根據(jù)植球鍵合路徑對每一個焊盤進(jìn)行鍵合，具體為
四一吸嘴3通過在Zt軸和Yt軸方向的運動，移至供料口上方，接著真空倉8通過真 空泵9獲得一定負(fù)壓，吸嘴3吸取微釬料球；通過壓力傳感器10實時監(jiān)測真空倉8內(nèi)部負(fù) 壓，從而判斷吸取微釬料球是否成功，若不成功則重復(fù)執(zhí)行；
四二、將芯片和吸嘴3均移至植球位置，通過向真空倉8注入氮氣，釋放微釬料球在一 個未鍵合的焊盤中心，并由吸嘴3的特定結(jié)構(gòu)完成微釬料球的固定；
四三、控制激光頭4發(fā)出的激光經(jīng)由激光到光纖耦合器5，耦合到光纖6中進(jìn)行傳輸，再 由激光自聚焦透鏡7聚焦，對微釬料球進(jìn)行重熔，完成植球鍵合；所述激光自聚焦透鏡7與 吸嘴3的孔徑對中，固定在固定支架11上；
五植球鍵合完成的芯片被移動到圖像采集裝置2下方，進(jìn)行圖像采集； 六根據(jù)采集的圖像通過算法自動實現(xiàn)植球鍵合凸點的外觀質(zhì)量檢測； 七對質(zhì)量檢測不合格的鍵合凸點，記錄位置，自動完成不合格鍵合凸點的在線返修， 具體為
七一通過圖像處理，自動識別和記錄芯片不合格植球鍵合凸點的位置，并按照不合格 植球鍵合凸點的位置，由預(yù)置的程序規(guī)劃凸點吸除路徑；在吸嘴3對不合格植球鍵合凸點 進(jìn)行激光重熔的同時，開啟真空泵9，對不合格植球鍵合凸點進(jìn)行一一吸除，；
七二 再將芯片移至圖像采集裝置2下方，進(jìn)行圖像采集，然后通過圖像處理識別植球 鍵合凸點吸除是否成功；
七三鍵合凸點吸除不成功則重復(fù)步驟七一，吸除成功則將凸點吸除路徑作為植球鍵 合路徑返回步驟四；
本實施方式保證了對已返修的植球鍵合凸點的再次凸點質(zhì)量檢測，直至所有植球鍵合 凸點被檢測合格才完成全部鍵合過程。對不合格凸點進(jìn)行在線返修及再次質(zhì)量檢測，確保 了更高的植球鍵合成功率。本實施方式的植球鍵合過程中，芯片受平面上四個方向及正上方共五個方向的氮 氣保護(hù)，無需釬劑，避免了對MEMS器件的污染與損壞。本實施方式中，所用微釬料球的直徑為200 u m,焊盤直徑170 u m,微釬料球的合 金成分及鍵合工藝參數(shù)依實際情況而定。本實施例中，運動平臺單軸的最高運動速度為0. 3m/s，穩(wěn)定時間<20ms，絕對定位 精度不超過lym，焊盤自動識別系統(tǒng)精度為士 5i!m。
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所述圖像采集裝置2可對不同焦平面實現(xiàn)自動對焦和圖像采集，得到芯片上焊盤 圖像的三維信息。配合芯片夾持機構(gòu)1與固定支架11的定位，微釬料球的釋放及固定過程 可適用于三維方向上的任意焊盤。吸嘴3和激光自聚焦透鏡7同軸裝夾，激光柔性傳輸，適 合于對芯片任意位置的植球鍵合和互連重熔。本發(fā)明能實現(xiàn)三維上任意位置的植球鍵合及互連，特別適合于MEMS器件的立體 封裝和組裝。本發(fā)明不局限于上述實施方式，還可以是上述各實施方式中所述技術(shù)特征的合理組合。
權(quán)利要求
一種面向MEMS立體封裝和組裝的錫球凸點鍵合方法，其特征在于它基于以下設(shè)備完成芯片夾持機構(gòu)(1)、圖像采集裝置(2)、吸嘴(3)、激光頭(4)、激光到光纖耦合器(5)、光纖(6)和激光自聚焦透鏡(7)，激光自聚焦透鏡(7)與吸嘴(3)同軸裝夾，它的鍵合方法包括以下步驟步驟一由芯片夾持機構(gòu)(1)將待鍵合芯片運送到圖像采集裝置(2)的視覺系統(tǒng)工作區(qū)域，由圖像采集裝置(2)采集圖像信息；步驟二根據(jù)采集的圖像信息計算得到待鍵合芯片的所有待鍵合焊盤中心的位置，同時存儲所有待鍵合焊盤中心的位置信息；步驟三根據(jù)所有待鍵合焊盤中心的位置信息，由預(yù)置的程序規(guī)劃植球鍵合路徑；步驟四根據(jù)植球鍵合路徑對每一個焊盤進(jìn)行鍵合，具體為步驟四一將吸嘴(3)移動到供料區(qū)，從供料瓶中吸取微釬料球；步驟四二將待鍵合芯片和吸嘴(3)均移動到植球區(qū)，將吸嘴(3)中的微釬料球釋放并固定在一個未鍵合焊盤中心；步驟四三控制激光器的激光頭(4)發(fā)出激光，該激光經(jīng)激光到光纖耦合器(5)耦合后經(jīng)光纖(6)將其傳輸?shù)郊す庾跃劢雇哥R(7)進(jìn)行聚集后，對微釬料球進(jìn)行重熔，完成一個焊盤的植球鍵合；步驟四四判斷是否完成對所有焊盤的植球鍵合，若否，返回步驟四一；若是，芯片的植球鍵合完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向MEMS立體封裝和組裝的錫球凸點鍵合方法，其特征在 于它還包括以下步驟步驟五將步驟四中完成植球鍵合的芯片移動到圖像采集裝置(2)的視覺系統(tǒng)工作區(qū) 域，進(jìn)行芯片上所有焊盤的植球鍵合凸點圖像采集；步驟六根據(jù)采集的圖像查找質(zhì)量不合格的植球鍵合凸點； 步驟七記錄所有不合格植球鍵合凸點的焊盤中心的位置信息； 步驟八根據(jù)所有不合格植球鍵合凸點的焊盤中心的位置信息，由預(yù)置的程序規(guī)劃凸 點吸除路徑；步驟九根據(jù)凸點吸除路徑對每一個不合格植球鍵合凸點進(jìn)行吸除，再將凸點吸除路 徑作為植球鍵合路徑返回步驟四。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向MEMS立體封裝和組裝的錫球凸點鍵合方法，其特征在 于所述步驟九中將一個不合格植球鍵合凸點吸除的方法為將完成植球鍵合的芯片移至植球區(qū)，將吸嘴(3 )對應(yīng)于一個不合格植球鍵合凸點，控制 激光頭(4 )發(fā)出激光，該激光經(jīng)激光到光纖耦合器(5 )耦合后經(jīng)光纖(6 )將其傳輸?shù)郊す庾?聚焦透鏡(7)進(jìn)行聚集后，對此不合格植球鍵合凸點進(jìn)行重熔，同時采用吸嘴(3)對不合格 植球鍵合凸點進(jìn)行吸除。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的面向MEMS立體封裝和組裝的錫球凸點鍵合方法，其特征在 于所述步驟四及步驟九執(zhí)行的過程中，均采用氮氣對芯片進(jìn)行保護(hù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向MEMS立體封裝和組裝的錫球凸點鍵合方法，其特征在 于所述步驟二中從供料瓶中吸取微釬料球的方法為使吸嘴(3)的真空倉(8)內(nèi)產(chǎn)生負(fù) 壓，當(dāng)真空倉(8)內(nèi)的壓力達(dá)到預(yù)置閾值，判定吸嘴(3)從供料瓶中吸取微釬料球成功；所述步驟三中吸嘴(3)將微釬料球釋放的方法為向吸嘴(3)的真空倉(8)內(nèi)注入氮氣，使微 釬料球落下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向MEMS立體封裝和組裝的錫球凸點鍵合方法，其特征在 于所述步驟一中的圖像采集裝置(2)由(XD和具有1至6倍可調(diào)放大倍數(shù)的組合鏡頭組 成，所述圖像采集裝置(2 )能夠沿Zv軸運動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向MEMS立體封裝和組裝的錫球凸點鍵合方法，其特征在 于所述芯片夾持機構(gòu)(1)能夠在Xc軸和Yc軸組成的二維平面內(nèi)做二維平面運動。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的面向MEMS立體封裝和組裝的錫球凸點鍵合方法，其特征在 于所述激光自聚焦透鏡(7)與吸嘴(3)能夠在Zt軸和Yt軸組成的二維平面內(nèi)做二維平 面運動。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向MEMS立體封裝和組裝的錫球凸點鍵合方法，其特征在 于所述微釬料球的直徑范圍為40 y m至300 y m ；步驟四中微釬料球重熔時間范圍為20ms 至 50ms。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向MEMS立體封裝和組裝的錫球凸點鍵合方法，其特征在 于所述激光器為半導(dǎo)體泵浦Nd:YAG固體激光器；光纖(6)的直徑為lOOym ；所述激光經(jīng) 激光自聚焦透鏡(7)聚焦后的光斑直徑為100 ym。
全文摘要
面向MEMS立體封裝和組裝的錫球凸點鍵合方法，屬于MEMS器件的封裝互連和組裝領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有MEMS器件的封裝鍵合工藝沒有實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)有MEMS器件的自動化鍵合技術(shù)僅適用于特定焊盤平面的激光凸點制作，不能夠?qū)⑼裹c制作及互連一體化實現(xiàn)，并且不適于進(jìn)行MEMS器件立體封裝的問題。它首先將待鍵合芯片運送到圖像采集裝置的視覺系統(tǒng)工作區(qū)域，采集圖像信息，然后計算得到待鍵合芯片的所有待鍵合焊盤中心的位置，同時存儲所有位置信息；然后根據(jù)位置信息，規(guī)劃植球鍵合路徑；根據(jù)植球鍵合路徑對每一個焊盤進(jìn)行鍵合它包括由吸嘴吸取微釬料球、釋放微釬料球在焊盤中心及完成鍵合。本發(fā)明用于對MEMS器件進(jìn)行立體封裝。
文檔編號B81C3/00GK101857188SQ20101022249
公開日2010年10月13日 申請日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者劉威, 楊磊, 王春青, 田艷紅 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)