一种拾取贴片吸头和制备方法、混合键合方法

技术领域

本发明属于半导体封装技术领域，尤其涉及一种拾取贴片吸头和制备方法、混合键合方法。

背景技术

芯片至晶圆(D2W)混合键合技术是一种无凸点的键合方式，对键合表面洁净度较为敏感，贴片过程中芯片表面产生的污染会导致键合界面处出现大量孔隙或键合完全失效。

对于芯片的拾取，可以采用直接接触方式(例如，正面直接接触和四周直接接触)其中，正面直接接触方式很难保证芯片吸头表面洁净度要求，后续需要做洁净处理，效率较低，成本较高；四周直接接触方式要求芯片与芯片间的空间大，严重降低晶圆出芯片数量；目前，非接触方式主要应用于较大尺寸的产品(例如，如超薄晶圆和玻璃喷流盘等)拾取与放置，无法应用于微型芯片的拾取与放置。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种拾取贴片吸头和制备方法、混合键合方法，解决了现有技术中微型芯片直接接触拾取无法保证洁净度、所需空间较大以及非接触拾取无法用于微型芯片的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种拾取贴片吸头，包括气旋式吸头以及用于真空吸附气旋式吸头的吸盘；气旋式吸头包括分体设置的基体和盖体，基体上开设依次连通的进气通道、配气型腔、气旋通道和气旋型腔，配气型腔的顶端为敞开端，盖体盖设于敞开端且与敞开端密封连接；气旋通道的出气方向与气旋型腔的径向的角度大于0°且小于等于90°。

进一步地，进气通道沿基体的径向设置，配气型腔设于基体的顶端，气旋通道设于基体的底端，配气型腔的轴线、气旋通道的轴线均与基体的轴线平行。

进一步地，气旋通道包括第一段以及与第一段连通的第二段，第一段的轴线与基体的轴线平行，第二段的出气方向与气旋型腔的径向的角度大于0°且小于等于90°。

进一步地，气旋通道的出气方向与气旋型腔的径向的角度为90°。

进一步地，气旋通道的数量为3～6个。

进一步地，气旋通道的数量为4个；相邻两个气旋内通道的出气方向垂直。

进一步地，基体和盖体的材料为不锈钢、铝合金或铜合金。

进一步地，拾取贴片吸头适用于微型芯片，微型芯片的尺寸为1～100mm×1～100mm。

本发明还提供了一种拾取贴片吸头的制备方法，用于制备上述拾取贴片吸头，制备方法包括如下步骤：

步骤1：分别加工基体和盖体；

步骤2：对基体和盖体进行密封连接，得到拾取贴片吸头。

本发明还提供了一种混合键合方法，采用上述拾取贴片吸头，混合键合方法包括如下步骤：

采用拾取贴片吸头对微型芯片的正面进行非接触拾取；

将微型芯片的背面放置于接触吸头上；

拾取贴片吸头释放微型芯片的正面，将微型芯片的正面与晶圆接触进行加压贴片，完成微型芯片至晶圆的混合键合。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

A)本发明提供的拾取贴片吸头，针对微型芯片，进行了独特的气旋式吸头的结构设计，一方面，现有技术中的气旋式吸头的尺寸较大，因此，其能够采用钻孔等工艺来实现流体通道的加工，但是，对于微型芯片来说，本发明的气旋式吸头已经无法采用常规的气旋式吸头加工工艺，其加工性尤为重要，本发明的气旋式吸头将整体结构分为基体和盖体，在基体上加工进气通道、配气型腔、气旋通道和气旋型腔，通过盖体实现气配气型腔的密封，采用分离式组件加工再进行合体，能够大大降低气旋式吸头的加工难度，从而使得本发明的气旋式吸头不仅具有气旋吸附功能，还能够实现真正意义上的加工和生产。

B)本发明提供的拾取贴片吸头，气旋通道的出气方向与气旋型腔的径向的角度为90°，这样，从气旋通道的出气口流出的高速流体能够沿着气旋型腔的内壁高速流动，尽可能大地在气旋型腔中形成真空区域，从而能够进一步提高气旋式吸头的吸附力和高速气流的流动稳定性。

C)本发明提供的拾取贴片吸头，通过限位块和限位槽，其中，限位段能够有效限定盖体和基体之间的轴向位移，勾起段能够限定盖体和基体之间的径向位移，通过限位段和勾起段的相互配合基本上能够保证盖体和基体在密封焊接后不会发生相对位移，从而能够减少焊接处的受力，保证焊接的可靠性和密封性。此外，需要说明的是，在焊接之前，盖体和基体沿径向相互靠近，使得位于边缘处的限位块插入限位槽中，还能够对盖体和基体进行定位，保证焊接的装配精度。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明提供的拾取贴片吸头的结构示意图，图中，实线箭头为高速气体的流动方向，虚线箭头为吸附力的方向；

图2为本发明提供的拾取贴片吸头中基体的俯视图；

图3为图2的A-B剖面图；

图4为图2的B-C剖面图；

图5为本发明提供的拾取贴片吸头中限位块和限位槽的结构示意图；

图6为本发明提供的混合键合方法的流程示意图。

附图标记：

1-进气通道；2-配气型腔；3-气旋通道；31-第一段；32-第二段；4-气旋型腔；5-吸盘；6-微型芯片；7-接触吸头；8-晶圆；9-连接段；10-限位段；11-勾起段；12-盖体；13-基体。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明提供了一种拾取贴片吸头，参见图1至图5，包括气旋式吸头以及用于真空吸附气旋式吸头的吸盘5(例如，真空吸盘)，气旋式吸头包括分体设置的基体13和盖体12，基体13上开设依次连通的进气通道1、配气型腔2、气旋通道3和气旋型腔4，配气型腔2的顶端为敞开端，盖体12盖设于敞开端且与敞开端密封连接，气旋通道3的出气方向与气旋型腔4的径向的角度大于0°且小于等于90°。

实施时，进气通道1的进气口与供气单元连接，微型芯片6设于气旋型腔4的出气口，供气单元提供的高压气流依次经过进进气通道1、配气型腔2、气旋通道3和气旋型腔4，从气旋型腔4与微型芯片6之间的空隙的流出，并沿气旋型腔4的径向向外快速扩散，从而使得微型芯片6上方的气体流速增大，微型芯片6正面与气旋型腔4之间形成真空区域，使得微型芯片6向靠近气旋式吸头方向移动，实现微型芯片6的无接触吸附和拾取。需要强调的是，由于微型芯片6和气旋式吸头之间存在高速气流，微型芯片6不会与气旋式吸头接触，可以避免吸取芯片过程中吸头对芯片表面的沾污。

需要说明的是，为了能够实现微型芯片6的吸附，上述气旋式吸头的直径为10～75mm，例如，10mm、25mm、30mm、40mm、55mm或75mm；气旋式吸头的整体高度为5～10mm，例如，5mm、6.5mm、8mm或10mm；进气通道1的直径为0.8～1.3mm，例如，0.8mm、0.9mm、1.2mm或1.3mm；配气型腔2的直径为8.5～9.5mm，例如，8.5mm、8.8mm、9.2mm或9.5mm，深度为1.5～2.5mm，例如，1.5mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm或2.5mm；气旋型腔4的直径为5～7mm，例如，5.0mm、5.8mm、6.0mm、6.5mm或7.0mm，深度为2.0～3.5mm，例如，2.0mm、2.6mm、3.1mm或3.5mm；气旋通道3的出气口的直径为0.8～1.3mm，例如，0.8mm、0.9mm、1.2mm或1.3mm。

示例性地，上述拾取贴片吸头尤其适用于微型芯片6的无接触式拾取和贴片，该微型芯片6的尺寸(长×宽)为1～100mm×1～100mm。

与现有技术相比，本发明提供的拾取贴片吸头，针对微型芯片6，进行了独特的气旋式吸头的结构设计，一方面，现有技术中的气旋式吸头的尺寸较大，因此，其能够采用钻孔等工艺来实现流体通道的加工，但是，对于微型芯片6来说，本发明的气旋式吸头已经无法采用常规的气旋式吸头加工工艺，其加工性尤为重要，本发明的气旋式吸头将整体结构分为基体13和盖体12，在基体13上加工进气通道1、配气型腔2、气旋通道3和气旋型腔4，通过盖体12实现气配气型腔2的密封，采用分离式组件加工再进行合体，能够大大降低气旋式吸头的加工难度，从而使得本发明的气旋式吸头不仅具有气旋吸附功能，还能够实现真正意义上的加工和生产。

为了能够实现高速气流的快速流动，上述进气通道1、配气型腔2、气旋通道3和气旋型腔4的具体布置方式如下：进气通道沿基体13的径向设置，配气型腔2设于基体13的顶端，气旋通道3设于基体13的底端，配气型腔2的轴线、气旋通道3的轴线均与基体13的轴线平行。

对于气旋通道3的结构，具体来说，其包括第一段31以及与第一段31连通的第二段32，第一段31的轴线与基体13的轴线平行，第二段32的出气方向(即第二段32的轴线)与气旋型腔4的径向的角度大于0°且小于等于90°。

考虑到气旋式吸头的吸附力和高速气流的流动稳定性，气旋通道3的出气方向与气旋型腔4的径向的角度为90°，也就是说，气旋通道3的出气方向与气旋型腔4的径向垂直，这样，从气旋通道3的出气口流出的高速流体能够沿着气旋型腔4的内壁高速流动，尽可能大地在气旋型腔4中形成真空区域，从而能够进一步提高气旋式吸头的吸附力和高速气流的流动稳定性。

示例性地，上述气旋通道3的数量可以为3～6个，例如，4个，4个气旋通道3均匀、呈螺旋形发散布置，相邻两个气旋内通道的出气方向垂直，当高速气流从气旋通道3的出气口处流出时，高速流体能够沿着气旋型腔4的内壁切线方向流动进入气旋型腔4，这样能够有效减小高速流体的流动阻力，保证其流动速度，能够进一步提高真空区域的直径。

值得注意的是，在上述拾取贴片吸头吸附微型芯片的过程中，盖体12与基体13的连接界面始终会受到高速气体产生的张力，仅通过电阻焊方式或焊料焊接方式来实现两者的密封连接，可能会产生两者发生分离或者漏气的情况，因此，上述盖体12与基体13的连接处设有相互配合的限位块和限位槽，限位块与盖体12和基体13中的其中一个固定连接，限位槽开设于盖体12和基体13中的另一个上通过相互配合的限位块和限位槽。

其中，对于限位块的结构，具体来说，其包括依次连接的连接段9、限位段10和勾起段11，连接段9、限位段10和勾起段11均位于盖体12和基体13的边缘处，可以理解的是，限位槽的形状与限位块的形状相互配合，限位槽包括依次连通的连接槽、限位槽和勾起槽，连接段9插入连接槽中，限位段10插入限位槽中，勾起段11插入勾起槽中。通过此种结构的限位块和限位槽，其中，限位段10能够有效限定盖体12和基体13之间的轴向位移，勾起段11能够限定盖体12和基体13之间的径向位移，通过限位段10和勾起段11的相互配合基本上能够保证盖体12和基体13在密封焊接后不会发生相对位移，从而能够减少焊接处的受力，保证焊接的可靠性和密封性。此外，需要说明的是，在焊接之前，盖体12和基体13沿径向相互靠近，使得位于边缘处的限位块插入限位槽中，还能够对盖体12和基体13进行定位，保证焊接的装配精度。

需要说明的是，为了能够在密封焊接之前提前实现限位块和限位槽的连接，上述限位块和限位槽的数量均为一个。

对于基体13和盖体12的材料，具体来说，两者可以采用不锈钢、铝合金或铜合金。

本发明还提供了一种拾取贴片吸头的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

步骤1：采用金属注射成型、金属3D打印成型或微型机加工分别加工基体13和盖体12；

步骤2：采用电阻焊方式或焊料焊接方式对基体13和盖体12进行密封连接，得到拾取贴片吸头。

与现有技术相比，本发明提供的拾取贴片吸头的制备方法的有益效果与上述提供的拾取贴片吸头的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

对于金属注射成型，上述步骤1包括如下步骤：

步骤11：根据基体13和盖体12的形状和尺寸制备基体模具和盖体模具；

步骤12：将基体13的原料(粒径为0.1～100μm的不锈钢、铝合金或铜合金粉末)注入基体13模具，采用基体13模具对基体13进行注射成型，得到待处理基体13；

将盖体12的原料(粒径为0.1～100μm的不锈钢、铝合金或铜合金粉末)注入盖体模具，采用盖体模具对盖体12进行注射成型，得到待处理盖体；

注射成型的成型剂为蜡基成型剂或树脂基成型剂；

步骤13：对成型后的待处理基体和待处理盖体采用热脱脂(脱脂温度为40～80℃)或丙酮基溶剂脱脂；

步骤14：对脱脂后的待处理基体和待处理盖体进行烧结成型，得到基体13和盖体12。

对于3D打印成型，上述步骤1包括如下步骤：

步骤11’：根据基体13和盖体12的形状和尺寸设计3D打印程序；

步骤12’：采用原料(粒径为0.1～100μm的不锈钢、铝合金或铜合金粉末)，根据3D打印程序打印待处理基体和待处理盖体；

步骤13’：待处理基体和待处理盖体进行烧结成型，得到基体13和盖体12。

同样需要说明的是，不同的原料所采用的烧结温度也不同，具体来说，烧结工艺分别为：原料为不锈钢，烧结温度为1000～1400℃，原料为铝合金，烧结温度为300～500℃，原料为铜合金，烧结温度为500～800℃。

对于微型机加工，上述步骤1包括如下步骤：

采用数控加工中心和微型刀具分别加工基体13和盖体12。

为了能够保证基体13和盖体12之间的连接稳定性，采用电阻焊方式对基体13和盖体12进行密封连接，具体工艺参数如下：电阻焊压力为10～500gf，电阻焊功率为50～200W。

采用焊料焊接方式对基体13和盖体12进行密封连接，具体工艺参数如下：对基体13和盖体12的表面进行镀镍，镀层厚度为0.5～10μm，焊料为锡基焊料，焊接温度为150～350℃。

本发明还提供了一种混合键合方法，参见图6，采用上述拾取贴片吸头，该混合键合方法包括如下步骤：

步骤a：采用拾取贴片吸头对微型芯片6的正面进行非接触拾取，使得微型芯片6从蓝膜上分离，进气口气压为0.15～1MPa；

步骤b：将微型芯片6的背面放置于接触吸头7上；

步骤c：拾取贴片吸头释放微型芯片6的正面，将微型芯片6的正面与晶圆8接触进行加压贴片，压力为1～1000N，晶圆8尺寸为8吋或12吋，完成微型芯片6至晶圆8的贴片，实现微型芯片6至晶圆8的混合键合。

与现有技术相比，本发明提供的混合键合方法的有益效果与上述提供的拾取贴片吸头的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

实施例一

本实施例的拾取贴片吸头的具体尺寸如下：

拾取贴片吸头的整体直径为10mm，整体高度为8mm，进气通道的直径为1mm，配气型腔的直径为9mm，配气型腔的深度为2mm，气旋型腔的直径6mm，气旋型腔的深度为3mm，气旋通道的数量为4个，气旋通道的直径为1mm。

实施例二

本实施例的制备方法用于实施例一的拾取贴片吸头的制备，该制备方法包括如下步骤：

根据基体和盖体的形状和尺寸制备基体模具和盖体模具；

将粒径为50μm的不锈钢分别注入基体模具和盖体模具，注射成型的成型剂为蜡基成型剂，得到待处理基体和待处理盖体；；

对成型后的待处理基体和待处理盖体采用热脱脂(脱脂温度为40℃)；

对脱脂后的待处理基体和待处理盖体进行烧结成型，烧结温度为1200℃，得到基体和盖体；

采用电阻焊方式对基体和盖体进行密封连接，得到拾取贴片吸头，电阻焊压力为500gf，电阻焊功率为100W。

实施例三

采用实施例一的拾取贴片吸头对微型芯片进行贴片，微型芯片的尺寸(长×宽)为10×10mm，贴片方法包括如下步骤：

采用非接触式吸头对微型芯片的正面进行拾取，使得微型芯片从蓝膜上分离，进气口气压为1MPa；

将微型芯片的背面放置于接触吸头上；

非接触式吸头释放微型芯片的正面，将微型芯片的正面与晶圆接触进行加压贴片，压力为500N，晶圆尺寸为8吋，完成微型芯片至晶圆的贴片，实现微型芯片至晶圆的混合键合。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。