用于非接触式半导体芯片搬运的近场声学抓取技术

《CIRP Annals》：Near-field acoustic gripping for contactless semiconductor die handling

　　

王耀科|赵子明|史毅|郭平

美国伊利诺伊州埃文斯顿市西北大学机械工程系，邮编60208

摘要

本研究提出了一种用于无接触半导体芯片处理的近场声学抓取技术。现有的近场声学吸附技术在处理较大物体时效果不佳，因为排斥性挤压压力会抑制吸附边缘效应。本文提出了一个力学模型来解释这两种竞争力之间的关系，并解释了尺寸限制的原因。为了解决尺寸限制问题，提出了一种可扩展的多岛设计，通过分割空气膜来维持吸附状态。实验表明，该系统能够稳定地抓取8×8毫米的硅芯片，从而将已知的尺寸限制提高了一倍。该系统具有522牛顿/米的垂直刚度，并能承受0.7g的横向加速度，证明了其在先进封装应用中的潜力。

引言

先进的半导体封装工艺，特别是混合键合工艺，对无颗粒的芯片处理提出了越来越严格的要求。随着互联尺寸缩小到亚10微米级别，即使是键合界面上的微小污染也会导致严重的产量损失。传统的基于接触的处理方法，包括机械夹具和真空拾取，不可避免地会导致芯片间的污染转移、喷嘴磨损和表面损坏，以及气动系统产生的颗粒。颗粒污染是集成电路制造中的主要失效机制[1]。随着半导体芯片变得更薄更小，这种挑战进一步加剧，因为机械接触不仅会产生颗粒，还可能造成芯片断裂和表面损伤[2]。

现有的无接触处理技术在半导体芯片应用中存在关键局限性。伯努利夹具利用气流产生的压力差实现非接触抓取，但它们横向位置稳定性较差，且可能产生湍流，从而携带颗粒污染[3,4]。磁悬浮系统原则上可以提供六自由度的控制，但需要磁性材料、主动控制架构和较高的功耗，这使得它们不适用于半导体芯片处理[5,6]。

近场声学抓取（NFAL）提供了一种有前景的无接触处理方案，因为它不依赖材料、具有固有的被动自稳定功能[7]，并且适用于平面物体的运输[8,9]。在NFAL中，超声波振动在振动表面和物体之间产生一层薄薄的空气膜，该空气膜的周期性振荡流动会产生一个偏置的时均推力，在传统的NFAL配置中，这个推力会产生一个从下方支撑物体的排斥力[10,11]。

当物体置于振动表面下方并在严格的几何条件下时，NFAL可以产生一个净吸引力，使物体抵抗重力悬浮，从而提供一种完全非接触的抓取解决方案，非常适合半导体芯片处理。这种特定的几何条件要求物体的横向尺寸小于声波波长，通常在21 kHz时小于4毫米[12]。这种尺寸限制源于空气膜内的挤压效应和边缘效应之间的竞争，但之前关于这些效应的研究[13]都是在传统悬浮（排斥）背景下进行的，其中边缘效应仅作为边界压力降部分减少了净排斥力，从未产生过吸引力。这两种效应在吸附状态下的相互作用及其与几何尺寸限制的关系尚未被探索。由于这种理解有限，很少有研究能够有效展示吸附现象[12,14]，且所有研究都局限于物体尺寸小于4毫米的情况。而这远远不能满足当前封装所需的4–16毫米芯片尺寸，成为工业应用的关键障碍。

为了解决这些知识空白，本文建立了一个力学模型，阐明了空气膜内排斥性挤压效应和吸附性边缘效应之间的竞争关系。该模型为吸附和排斥之间的转变提供了物理解释，并揭示了尺寸限制的根本原因。提出通过空气膜分割来实现可扩展设计策略，从而将吸附力的产生与物体尺寸解耦，从而克服了先前研究中确定的尺寸限制。

该方法采用多岛架构，四个岛屿独立产生抓取力，共同悬停较大的物体。这是首次展示用于抓取最大8×8毫米芯片的近场声学抓取技术，有效将已知的尺寸限制提高了一倍[12,14]。

章节片段

近场声学抓取的力学建模

近场声学抓取中吸附力的产生并不是一个单一的现象，而是由竞争性压力分布之间的动态平衡所决定的。如图1(a)所示，当振动头振荡时，会出现两种不同的流动机制：一种是由惯性流驱动的排斥性挤压效应，其中空气被压缩并排出；另一种是粘性吸附边缘效应。为了解释尺寸限制的物理起源，本文提出了一个力学模型……

通过空气膜分割实现的可扩展设计

第2节中的理论框架确定了有效半径$R_{\text{eff}}$' role="presentation">$R_{\text{eff}}$作为控制因素，其中$R_{\text{eff}}=\sqrt{A/}$' role="presentation">$R_{\text{eff}}$对于矩形芯片而言。由于推导假设了轴对称几何形状，因此进行了CFD模拟以比较圆形和等面积正方形配置。由于圆形芯片的曲率平滑（没有顶点），产生的吸附力比方形芯片大19%，这证实了轴对称模型为矩形芯片提供了一个上限。无论……

横向稳定性和刚度特性

对于精确的无接触处理，系统不仅需要垂直约束物体，还需要横向约束。第2节中建立的力学模型预测，时均压力分布呈抛物线形状，中心处阻力最大，向周边逐渐减小至负吸附力。这种非均匀的压力场自然会产生一个径向恢复力，使物体自我居中。

为了量化这种稳定性，需要测量残余的横向振荡……

结论

本研究克服了限制近场声学抓取的几何约束。力学模型表明，性能取决于排斥性惯性力（与R^4成比例）和吸附性边缘力（与R^2成比例）之间的竞争。这两种力随空气膜厚度的变化而不同，从而形成了一个“势阱”区域，确保了系统的自稳定平衡。利用这些见解，提出并验证了一种多岛架构，将该架构与物体尺寸解耦……

CRediT作者贡献声明

王耀科：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析。赵子明：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析。史毅：撰写——审阅与编辑、方法论、资金获取、概念化。郭平（2）：撰写——审阅与编辑、方法论、资金获取、概念化、资源协调、监督。