劉勁松，馮川魯，時 威

（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)自動化有限公司，上海 201114）

晶圓植球設(shè)備自動清潔機(jī)構(gòu)的研究

劉勁松1,2，馮川魯1，時 威2

（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)自動化有限公司，上海 201114）

晶圓植球設(shè)備采用了金屬模板印刷法進(jìn)行植球。植球過程中，殘留在網(wǎng)板上的助焊劑和錫焊球不及時清理，不但會影響晶圓定位和印刷植球效果還會損傷網(wǎng)板和晶圓。根據(jù)印刷網(wǎng)板和植球網(wǎng)板的清潔要求，分別采用了無塵布擦拭和真空吸附的清潔方法。設(shè)計(jì)了印刷網(wǎng)板自動清潔機(jī)構(gòu)并分析了其工作流程,設(shè)計(jì)了植球網(wǎng)板自動清潔機(jī)構(gòu)并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。自動清潔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了晶圓植球設(shè)備的自動化水平，為實(shí)現(xiàn)全自動晶圓植球設(shè)備打下基礎(chǔ)。

晶圓植球設(shè)備；網(wǎng)板；清潔機(jī)構(gòu)

0 引言

晶圓級封裝（Wafer Level Package，WLP），是一項(xiàng)先進(jìn)封裝技術(shù)，形成封裝體的各工藝步驟均在未分切的完整晶圓上完成[1]。整個WLP封裝過程中，制造晶圓凸點(diǎn)的工藝決定了WLP封裝設(shè)備的設(shè)計(jì)方案。制造晶圓凸點(diǎn)工藝有三種形式：電鍍方式、印刷錫膏固化方式和植球方式[2,3]，其中植球方式成本低、無污染和工藝穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用。

晶圓植球設(shè)備是WLP封裝過程中關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要機(jī)構(gòu)包括：印刷機(jī)構(gòu)、植球機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)以及上下料機(jī)構(gòu)[4]。印刷機(jī)構(gòu)和植球機(jī)構(gòu)的核心工作平臺分別是印刷網(wǎng)板和植球網(wǎng)板。晶圓植球設(shè)備是利用攝像頭通過尋找晶圓和網(wǎng)板上的特征點(diǎn)進(jìn)行對位，殘留在印刷網(wǎng)板上的助焊劑（Flux）如果不及時清理會覆蓋特征點(diǎn)，影響晶圓定位[5]。植球過程中，殘留在植球網(wǎng)板下面的錫焊球會增大晶圓和植球網(wǎng)板的間隙，影響植球效果，甚至?xí)p傷晶圓和網(wǎng)板。國內(nèi)封裝廠的晶圓植球設(shè)備大多處于半自動化水平，網(wǎng)板主要靠人工進(jìn)行清潔。但是，由于手動清潔的隨機(jī)性，導(dǎo)致人工清潔并不可靠[6]。本文針對實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)構(gòu)的自動化，研究了晶圓植球設(shè)備自動清潔機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步提高了晶圓植球設(shè)備的自動化水平。

1 晶圓植球設(shè)備清潔方法

金屬模板印刷法植球方式主要包括印刷和植球兩道工藝，印刷機(jī)構(gòu)和植球機(jī)構(gòu)都需要使用金屬模板。印刷網(wǎng)板的主要功能是印刷時將助焊劑準(zhǔn)確的涂敷在晶圓的焊盤（Bump）上，而植球網(wǎng)板的主要功能是植球時焊錫球通過模板網(wǎng)孔落入晶圓焊盤上[7]。兩道工藝分別采用以下方法進(jìn)行清潔。

1.1 印刷網(wǎng)板清潔方法

水溶性助焊劑易溶于水和酒精[8]，在室溫條件下，長期暴露在空氣中的助焊劑會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)變質(zhì)[9]，殘留在網(wǎng)板上的痕跡會變得難以清洗。因此，在助焊劑印刷完成后，對印刷網(wǎng)板及時清洗顯得非常重要。 目前針對殘留在印刷網(wǎng)板上的助焊劑主要借助工業(yè)酒精和無塵布進(jìn)行清潔。

印刷網(wǎng)板自動清潔機(jī)構(gòu)要對殘留在印刷網(wǎng)板上的助焊劑實(shí)現(xiàn)自動清洗。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于全自動的無塵布傳送系統(tǒng)和酒精供給系統(tǒng)。

1.2 植球網(wǎng)板清潔方法

目前植球網(wǎng)板的清潔方法主要有接觸式清潔方法和非接觸式清潔方法：接觸式清潔方法原理是利用黏著滾輪將錫焊球從網(wǎng)板上黏下，這種清潔方式需要黏著滾輪與植球網(wǎng)板緊密接觸并施加一定壓力；非接觸式清潔方法的原理是利用真空吸附裝置將錫焊球從植球網(wǎng)板清除并回收。

非接觸式清潔方法與接觸式清潔方法相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）避免了清潔裝置與植球網(wǎng)板直接接觸，減小了植球網(wǎng)板的變形。

2）可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)吸引力大小。

3）錫焊球通過吸管進(jìn)入回收裝置，避免落入機(jī)床，省去了二次清潔的麻煩。

鑒于非接觸式清潔方式以上優(yōu)點(diǎn)，植球網(wǎng)板自動清潔機(jī)構(gòu)采取了非接觸式清潔方法。機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于可調(diào)節(jié)吸附力的實(shí)現(xiàn)。

2 印刷網(wǎng)板自動清潔機(jī)構(gòu)

印刷網(wǎng)板自動清潔機(jī)構(gòu)主要由無塵布傳送系統(tǒng)、酒精供給系統(tǒng)、擦拭系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)等四部分組成。無塵布傳送系統(tǒng)由供布裝置、收卷裝置、增量式編碼器和對射激光傳感器等組成；酒精供給系統(tǒng)主要由酒精供給裝置和酒精噴射裝置組成；擦拭系統(tǒng)主要由擦拭裝置和夾持裝置組成；傳動系統(tǒng)由一級傳動裝置和二級傳動裝置組成。

如圖1所示，無塵布傳送系統(tǒng)完成了無塵布的供給和傳送量檢測。無塵布的傳送軌跡為：收卷裝置由伺服電機(jī)驅(qū)動，將無塵布依次經(jīng)供布機(jī)構(gòu)、夾持裝置和擦拭裝置收卷到滾輪。增量式編碼器記錄無塵布的收卷量，對射激光傳感器檢測無塵布是否已經(jīng)用完。在無塵布傳送的過程中，酒精噴射裝置將酒精噴到無塵布，噴射量可由PLC控制酒精供給裝置的閥門調(diào)節(jié)。無塵布傳送完畢后，由夾持裝置將無塵布夾住，Z軸氣缸將擦拭裝置向上推到工作位置，開始擦拭網(wǎng)板。擦拭網(wǎng)板動作由橫向擺動和縱向傳動兩個動作組成，橫向擺動動作由X軸電機(jī)完成，縱向擺動傳動動作由Y軸方向的傳動裝置完成。一級傳動裝置采用絲杠傳動，由Y軸電機(jī)驅(qū)動；二級傳動裝置采用氣缸軌道傳動，由Y軸氣缸驅(qū)動。

如圖2所示，印刷網(wǎng)板清潔機(jī)構(gòu)的工作過程包括有酒精擦拭和無酒精擦拭兩個階段：第一個階段，傳送無塵布的同時需要噴射酒精將無塵布浸濕，無塵布傳送完成后開始擦拭動作，完成對整個網(wǎng)面的擦拭后，傳動裝置到達(dá)返程點(diǎn)，進(jìn)入第二階段；第二階段也就是返程階段，傳送無塵布時不需要噴射酒精，再次完成對整個網(wǎng)面的擦拭，傳動裝置到達(dá)復(fù)位原點(diǎn)，網(wǎng)板清洗結(jié)束。在傳送無塵布過程中，激光對射傳感器會檢測無塵布是否用完，如果無塵布已經(jīng)用完P(guān)LC會停止清潔機(jī)構(gòu)動作并發(fā)出警報(bào)。

圖1 印刷網(wǎng)板自動清潔機(jī)構(gòu)示意圖

圖2 印刷網(wǎng)板自動清潔機(jī)構(gòu)工作流程

3 植球網(wǎng)板自動清潔機(jī)構(gòu)

植球網(wǎng)板自動清潔機(jī)構(gòu)主要由：吸附系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)組成。吸附系統(tǒng)由吸附裝置、動力裝置和回收裝置組成；傳動系統(tǒng)由一級傳動裝置和二級傳動裝置組成；檢測系統(tǒng)主要由激光位移傳感器組成。

如圖3所示，吸附系統(tǒng)完成了對錫焊球的吸附和回收。動力裝置產(chǎn)生空氣負(fù)壓為吸附裝置提供吸附力，回收裝置對吸附的錫焊球進(jìn)行回收。為了對植球網(wǎng)板進(jìn)行全面清潔，吸附裝置在工作過程中會左右擺動，擺動動作由X軸電機(jī)完成。傳動系統(tǒng)采用了兩級傳動的設(shè)計(jì)。激光位移傳感器會檢測吸附裝置與植球網(wǎng)板之間的距離，并將反饋信號傳送給PLC進(jìn)行處理。PLC會通過控制Z軸伺服電機(jī)對吸附裝置和植球網(wǎng)板之間的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 植球網(wǎng)板自動清潔機(jī)構(gòu)示意圖

圖4 吸附裝置工作示意圖

吸附裝置工作示意圖如圖4所示，錫焊球附著在網(wǎng)板上并無規(guī)律，附著力產(chǎn)生的主要原因是植球刷在植球過程中產(chǎn)生的靜電力。設(shè)附著力為F，錫焊球直徑為d，錫焊球密度為 ，錫焊球自身重力為Gb，錫焊球最大橫截面積為A，所需吸球口的真空度為P，安全系數(shù)為Sf，重力加速度為g，則：

將吸附系統(tǒng)中的流動空氣簡化為理想流體模型[10]，設(shè)Q為每個吸球口單位時間內(nèi)產(chǎn)生的流量，D為吸球口直徑，S為每個植球孔的面積，n為平均每個吸球口對應(yīng)的植球孔的數(shù)量，L為吸球裝置平面與植球網(wǎng)板之間的距離，qv為吸球口空氣的流速，0為空氣密度，h距地面高度，C為常量，則：

由伯努利方程得：

通過以上分析，在額定功率下Q為常量，可通過調(diào)整吸球裝置與植球網(wǎng)板之間的距離L，調(diào)整吸附力。激光位移傳感器能夠精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化[11]，可以借助激光位移傳感器進(jìn)行距離檢測，然后通過工藝調(diào)整達(dá)到清潔效果。

4 結(jié)論

本文針對晶圓植球設(shè)備中印刷網(wǎng)板和植球網(wǎng)板的清潔要求，分別研究了印刷網(wǎng)板自動清潔機(jī)構(gòu)和植球網(wǎng)板自動清潔機(jī)構(gòu)。通過在自主研發(fā)的晶圓級微球植球機(jī)上實(shí)驗(yàn)， 取得了良好的清潔效果。晶圓植球設(shè)備自動清潔機(jī)構(gòu)進(jìn)一步提高了晶圓植球設(shè)備的自動化水平，為實(shí)現(xiàn)晶圓植球生產(chǎn)線全自動化打下基礎(chǔ)。

[1] 中國電子學(xué)會電子制造與封裝技術(shù)分會,電子封裝技術(shù)叢書編輯委員會.電子封裝工藝設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2011：157-162.

【】【】

[2] 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].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2013,06：573-577.

[3] 云振新.圓片級封裝技術(shù)及其應(yīng)用[J].電子與封裝,2004,01：19-23.

[4] 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),2003,35(5)：602-604.

[5] Randy Leon Peckham, Joseph A.Perault. Cleaning apparatus in a stencil printer：US, 6626106 B2[P].2003-9-30.

[6] Gunter Erdman. Stencil wiping device：US, 6491204 B1[P].2002-12-10.

[7] 劉勁松,時威,張金志.晶圓級WLP封裝植球機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[J].機(jī)械制造自動化,2015,35(6)：28-31.

[8] 曾士良.助焊劑及其選用[J].電子測量技術(shù),1992,(4)：49-51.

[9] 楊兵,丁榮崢,唐桃扣.CBGA植球在線質(zhì)量檢測與控制技術(shù)[J].電子與封裝,2009,9(3)：6-10.

[10] 林建忠.流體力學(xué)(第2版)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2013.

[11] 陳新春,閆乃晴,齊偉,王燦.基于Visual Basic與RS232串行通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].智能制造,2016,(8)：37-40.

Research on automatic cleaning unit in wafer-level package ball mounter

LIU Jin-song1,2, FENG Chuan-lu1, SHI Wei2

TP23

：A

：1009-0134(2017)05-0102-03

2017-01-14

上海市科學(xué)技術(shù)委員會項(xiàng)目（16DZ1121003）

劉勁松（1968 -），男，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、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用、系統(tǒng)集成和機(jī)電一體化裝備設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。