晶圆植球设备自动清洁机构的研究

刘劲松，冯川鲁，时 威

（1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.上海微松工业自动化有限公司，上海 201114）

晶圆植球设备自动清洁机构的研究

刘劲松1,2，冯川鲁1，时 威2

（1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.上海微松工业自动化有限公司，上海 201114）

晶圆植球设备采用了金属模板印刷法进行植球。植球过程中，残留在网板上的助焊剂和锡焊球不及时清理，不但会影响晶圆定位和印刷植球效果还会损伤网板和晶圆。根据印刷网板和植球网板的清洁要求，分别采用了无尘布擦拭和真空吸附的清洁方法。设计了印刷网板自动清洁机构并分析了其工作流程,设计了植球网板自动清洁机构并对其关键技术进行研究。自动清洁机构的设计进一步提高了晶圆植球设备的自动化水平，为实现全自动晶圆植球设备打下基础。

晶圆植球设备；网板；清洁机构

0 引言

晶圆级封装（Wafer Level Package，WLP），是一项先进封装技术，形成封装体的各工艺步骤均在未分切的完整晶圆上完成[1]。整个WLP封装过程中，制造晶圆凸点的工艺决定了WLP封装设备的设计方案。制造晶圆凸点工艺有三种形式：电镀方式、印刷锡膏固化方式和植球方式[2,3]，其中植球方式成本低、无污染和工艺稳定，被广泛应用。

晶圆植球设备是WLP封装过程中关键设备之一，其主要机构包括：印刷机构、植球机构、检测机构以及上下料机构[4]。印刷机构和植球机构的核心工作平台分别是印刷网板和植球网板。晶圆植球设备是利用摄像头通过寻找晶圆和网板上的特征点进行对位，残留在印刷网板上的助焊剂（Flux）如果不及时清理会覆盖特征点，影响晶圆定位[5]。植球过程中，残留在植球网板下面的锡焊球会增大晶圆和植球网板的间隙，影响植球效果，甚至会损伤晶圆和网板。国内封装厂的晶圆植球设备大多处于半自动化水平，网板主要靠人工进行清洁。但是，由于手动清洁的随机性，导致人工清洁并不可靠[6]。本文针对实现清洁机构的自动化，研究了晶圆植球设备自动清洁机构，进一步提高了晶圆植球设备的自动化水平。

1 晶圆植球设备清洁方法

金属模板印刷法植球方式主要包括印刷和植球两道工艺，印刷机构和植球机构都需要使用金属模板。印刷网板的主要功能是印刷时将助焊剂准确的涂敷在晶圆的焊盘（Bump）上，而植球网板的主要功能是植球时焊锡球通过模板网孔落入晶圆焊盘上[7]。两道工艺分别采用以下方法进行清洁。

1.1 印刷网板清洁方法

水溶性助焊剂易溶于水和酒精[8]，在室温条件下，长期暴露在空气中的助焊剂会发生化学反应变质[9]，残留在网板上的痕迹会变得难以清洗。因此，在助焊剂印刷完成后，对印刷网板及时清洗显得非常重要。 目前针对残留在印刷网板上的助焊剂主要借助工业酒精和无尘布进行清洁。

印刷网板自动清洁机构要对残留在印刷网板上的助焊剂实现自动清洗。机构设计的关键在于全自动的无尘布传送系统和酒精供给系统。

1.2 植球网板清洁方法

目前植球网板的清洁方法主要有接触式清洁方法和非接触式清洁方法：接触式清洁方法原理是利用黏着滚轮将锡焊球从网板上黏下，这种清洁方式需要黏着滚轮与植球网板紧密接触并施加一定压力；非接触式清洁方法的原理是利用真空吸附装置将锡焊球从植球网板清除并回收。

非接触式清洁方法与接触式清洁方法相比，有以下优点：

1）避免了清洁装置与植球网板直接接触，减小了植球网板的变形。

2）可以通过调整结构参数调节吸引力大小。

3）锡焊球通过吸管进入回收装置，避免落入机床，省去了二次清洁的麻烦。

鉴于非接触式清洁方式以上优点，植球网板自动清洁机构采取了非接触式清洁方法。机构的设计关键在于可调节吸附力的实现。

2 印刷网板自动清洁机构

印刷网板自动清洁机构主要由无尘布传送系统、酒精供给系统、擦拭系统和传动系统等四部分组成。无尘布传送系统由供布装置、收卷装置、增量式编码器和对射激光传感器等组成；酒精供给系统主要由酒精供给装置和酒精喷射装置组成；擦拭系统主要由擦拭装置和夹持装置组成；传动系统由一级传动装置和二级传动装置组成。

如图1所示，无尘布传送系统完成了无尘布的供给和传送量检测。无尘布的传送轨迹为：收卷装置由伺服电机驱动，将无尘布依次经供布机构、夹持装置和擦拭装置收卷到滚轮。增量式编码器记录无尘布的收卷量，对射激光传感器检测无尘布是否已经用完。在无尘布传送的过程中，酒精喷射装置将酒精喷到无尘布，喷射量可由PLC控制酒精供给装置的阀门调节。无尘布传送完毕后，由夹持装置将无尘布夹住，Z轴气缸将擦拭装置向上推到工作位置，开始擦拭网板。擦拭网板动作由横向摆动和纵向传动两个动作组成，横向摆动动作由X轴电机完成，纵向摆动传动动作由Y轴方向的传动装置完成。一级传动装置采用丝杠传动，由Y轴电机驱动；二级传动装置采用气缸轨道传动，由Y轴气缸驱动。

如图2所示，印刷网板清洁机构的工作过程包括有酒精擦拭和无酒精擦拭两个阶段：第一个阶段，传送无尘布的同时需要喷射酒精将无尘布浸湿，无尘布传送完成后开始擦拭动作，完成对整个网面的擦拭后，传动装置到达返程点，进入第二阶段；第二阶段也就是返程阶段，传送无尘布时不需要喷射酒精，再次完成对整个网面的擦拭，传动装置到达复位原点，网板清洗结束。在传送无尘布过程中，激光对射传感器会检测无尘布是否用完，如果无尘布已经用完PLC会停止清洁机构动作并发出警报。

图1 印刷网板自动清洁机构示意图

图2 印刷网板自动清洁机构工作流程

3 植球网板自动清洁机构

植球网板自动清洁机构主要由：吸附系统、传动系统和检测系统组成。吸附系统由吸附装置、动力装置和回收装置组成；传动系统由一级传动装置和二级传动装置组成；检测系统主要由激光位移传感器组成。

如图3所示，吸附系统完成了对锡焊球的吸附和回收。动力装置产生空气负压为吸附装置提供吸附力，回收装置对吸附的锡焊球进行回收。为了对植球网板进行全面清洁，吸附装置在工作过程中会左右摆动，摆动动作由X轴电机完成。传动系统采用了两级传动的设计。激光位移传感器会检测吸附装置与植球网板之间的距离，并将反馈信号传送给PLC进行处理。PLC会通过控制Z轴伺服电机对吸附装置和植球网板之间的距离进行调节。

图3 植球网板自动清洁机构示意图

图4 吸附装置工作示意图

吸附装置工作示意图如图4所示，锡焊球附着在网板上并无规律，附着力产生的主要原因是植球刷在植球过程中产生的静电力。设附着力为F，锡焊球直径为d，锡焊球密度为 ，锡焊球自身重力为Gb，锡焊球最大横截面积为A，所需吸球口的真空度为P，安全系数为Sf，重力加速度为g，则：

将吸附系统中的流动空气简化为理想流体模型[10]，设Q为每个吸球口单位时间内产生的流量，D为吸球口直径，S为每个植球孔的面积，n为平均每个吸球口对应的植球孔的数量，L为吸球装置平面与植球网板之间的距离，qv为吸球口空气的流速，0为空气密度，h距地面高度，C为常量，则：

由伯努利方程得：

通过以上分析，在额定功率下Q为常量，可通过调整吸球装置与植球网板之间的距离L，调整吸附力。激光位移传感器能够精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化[11]，可以借助激光位移传感器进行距离检测，然后通过工艺调整达到清洁效果。

4 结论

本文针对晶圆植球设备中印刷网板和植球网板的清洁要求，分别研究了印刷网板自动清洁机构和植球网板自动清洁机构。通过在自主研发的晶圆级微球植球机上实验， 取得了良好的清洁效果。晶圆植球设备自动清洁机构进一步提高了晶圆植球设备的自动化水平，为实现晶圆植球生产线全自动化打下基础。

[1] 中国电子学会电子制造与封装技术分会,电子封装技术丛书编辑委员会.电子封装工艺设备[M].北京：化学工业出版社,2011：157-162.

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

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[10] 林建忠.流体力学(第2版)[M].北京：清华大学出版社,2013.

[11] 陈新春,闫乃晴,齐伟,王灿.基于Visual Basic与RS232串行通信的数据采集系统[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

上海市科学技术委员会项目（16DZ1121003）

刘劲松（1968 -），男，哈尔滨人，教授，博士，研究方向为高端半导体芯片制造装备、工业机器人应用、系统集成和机电一体化装备设计与制造技术。