Challenges et progrès dans la manipulation robotisée de puces pour le semi-conducteur
Image 1: Manipulation robotisée de puces pour le semi-conducteur
Cet article présente un aperçu des procédés et équipements de fabrication des puces pour le semi-conducteur, suivi d'exemples de produits du quotidien qui les utilisent. Il expose ensuite les principaux défis liés à la manipulation des puces pour le semi-conducteur et présente des méthodes pour minimiser les dommages. L'utilisation du robot de prélèvement et de placement (PPR) de THK est présentée à travers des cas pratiques.
Les semi-conducteurs, technologie essentielle à l'industrie
Les semi-conducteurs sont souvent considérés comme le pilier de l'industrie. Leur importance se reflète dans une vaste gamme d'applications. Les unités centrales de traitement (CPU) sont intégrées à la quasi-totalité des smartphones et des ordinateurs, avec des systèmes modernes utilisant fréquemment plusieurs processeurs ou des architectures multi cœurs pour un traitement efficace des données. Dans des applications complexes telles que les véhicules, de nombreuses CPU sont également utilisées, chacune assurant une fonction spécifique.
Au-delà des processeurs, les composants de mémoire sont essentiels, car ils stockent les données temporairement ou définitivement pendant leur traitement. Les capteurs constituent un autre domaine d'application clé : les capteurs d'image, de photo, d'accélération et de pression capturent des grandeurs physiques et les convertissent en informations numériques utilisées dans de nombreux produits grand public et industriels.
Les semi-conducteurs ont également profondément influencé la technologie d'éclairage. Grâce à leur efficacité, leur longue durée de vie et leur compacité, les LED ont largement remplacé les sources lumineuses conventionnelles et sont aujourd'hui largement utilisées dans les véhicules, les infrastructures et les écrans.
Ces exemples illustrent le rôle central que jouent les semi-conducteurs dans notre vie de tous les jours.
Image 2: Applications pour les semi-conducteurs
Puces pour le semi-conducteur et leur fabrication
Les semi-conducteurs sont initialement fabriqués à partir d'un matériau à base de silicium¹. Des blocs de silicium monocristallin, appelés lingots, sont découpés en fines tranches. Ces tranches subissent ensuite des étapes de prétraitement telles que la structuration et la séparation des puces, au cours desquelles la tranche est décomposée en microprocesseurs fonctionnels individuels. Ces microprocesseurs sont appelés puces pour le semi-conducteur ou matrices. Le terme « puce » reflète le fait qu'il s'agit de petits morceaux ou fragments du lingot de silicium, tandis que le terme « matrice » désigne un morceau de matériau de forme carrée ou cubique, semblable à un dé de jeu vidéo ; d'où le terme de séparation des matrices.
À ce stade, les puces sont séparées mais ne peuvent pas encore être utilisées directement dans un circuit². Elles doivent d'abord être montées sur un cadre de connexion polarisé ou un boîtier semi-conducteur qui assure l'interface avec le circuit. Cette étape, appelée collage de puces, consiste à fixer la puce par brasage ou par collage.
Lors de l'étape de câblage qui suit, la puce est reliée électriquement au boîtier à l'aide de fins fils métalliques. À ce stade, les fils et la surface de la puce pour semi-conducteur sont exposés et nécessitent une manipulation soigneuse. Afin d'assurer une protection mécanique et une stabilité optimales, une résine est appliquée lors de l'étape suivante, appelée moulage, pour former une encapsulation protectrice.
(1) D’autres matériaux sont aussi utilisés.
(2) Au moment où cet article a été écrit, une technique connue sous le nom de flip-chip bonding existait également.
Image 3: Process de fabrication de semi-conducteur
Parmi les différentes machines utilisées dans ces étapes de traitement, on trouve des découpeuses pour la séparation des puces, des machines de collage de puces pour placer les puces (microprocesseurs), des trieuses3 pour le pré-tri des puces avant le collage des puces et des machines de câblage pour le câblage.
(3) Les trieuses peuvent retirer les puces identifiées comme défectueuses lors des tests.
Défis liés à la manipulation des puces pour le semi-conducteur
Revenons aux procédés de séparation des tranches en puces individuelles, puis à la récupération de ces puces. Lors de la séparation, les plaquettes sont fixées sur un ruban adhésif afin d'éviter la dispersion des puces pendant la découpe. Après la découpe, les puces détachées de la plaquette sont saisies par un outil de prélèvement et détachées du ruban adhésif.
En raison des propriétés physiques du silicium, ce matériau peut se fracturer ou se fissurer même sous des chocs mineurs. Ceci engendre un risque d'endommagement des puces ayant déjà passé avec succès les étapes de traitement précédentes. Pour réduire ce risque, le ruban adhésif fixé à la plaquette est étiré (expansion du ruban), et des broches d'éjection soulèvent légèrement les puces une à une par le dessous. Ceci permet aux outils de prélèvement de détacher les puces du ruban adhésif plus facilement et en douceur.
Image 4: Élargissement de la bande et levage des puces pour semi-conducteur à l'aide d'un outil de prélèvement
Le soulèvement des puces à l'aide de broches d'éjection facilite le retrait du ruban adhésif ; toutefois, cette opération exige une mise en œuvre très précise et technologiquement complexe. Les facteurs suivants compliquent ce process :
1. Les puces sont très fines et extrêmement sensibles aux contraintes mécaniques.
2. Les éjecteurs et les outils de prélèvement doivent être parfaitement synchronisés dans le temps et l'espace.
3. L'usure peut entraîner un désalignement des éjecteurs et des pinces4 par rapport aux puces.
4. Dans l’industrie du semi-conducteur et des composants électroniques, une buse d’aspiration est appelée pince. Les facteurs de complication individuels sont examinés plus en détail ci-dessous.
1. Puces fines et extrêmement sensibles
Comme mentionné précédemment, les lingots sont découpés en fines tranches pour produire des plaquettes de semi-conducteurs. Plus ces plaquettes sont fines, plus on peut en obtenir à partir d'un seul lingot, ce qui réduit le coût unitaire. De plus, des composants semi-conducteurs plus petits et plus fins nécessitent moins d'espace et de volume lorsqu'ils sont montés sur un circuit imprimé. Tout cela contribue à rendre le dispositif électronique fini plus compact et le produit final plus convivial.
Si de nombreuses puces sont amincies à une épaisseur de 0,5 mm à 1,0 mm pour des raisons de résistance mécanique et de facilité de manipulation, certaines puces de pointe peuvent avoir une épaisseur d'environ 20 µm seulement.
2. Mouvement synchronisé de la broche d'éjection et de l'outil de prélèvement
La broche d'éjection est déplacée vers le haut depuis la face inférieure d'une plaquette de semi-conducteur par un servomoteur ou un autre mécanisme d'entraînement. La pince de l'unité de prélèvement est également actionnée par un servomoteur ou un autre actionneur, mais se déplace vers le bas. La séquence de prélèvement d'une puce pour le semi-conducteur est la suivante :
1. La pince est abaissée jusqu'à la puce pendant que le vide est appliqué.
2. Le bouton d'éjection est relevé.
3. Le bouton d'éjection et la pince sont soulevés simultanément.
4. La pince continue sa remontée et saisit la puce.
Durant ce processus, la puce est soumise à des contraintes dues au contact avec la pince et la broche d'éjection, ainsi qu'à des forces résultant de son serrage entre ces éléments. Afin de limiter les dommages causés à ces puces pour semi-conducteur de haute précision, un contrôle précis de la position, de la vitesse et un mouvement synchronisé le long de l'axe vertical sont indispensables.
Nos recherches ont montré qu'un serrage de quelques dizaines de micromètres seulement engendre des charges de plusieurs centaines de grammes, rendant ainsi un contrôle strict de la position essentiel.
3. L'usure peut modifier la position relative de la broche d'éjection et de la pince par rapport à la puce.
Les broches d'éjection et les pinces entrent en contact avec les puces des milliers, voire des dizaines de milliers de fois par jour, ce qui entraîne leur usure progressive. Pour contrer cette usure, des métaux durs, voire des diamants, sont utilisés pour ces composants. Cependant, l'extrémité de ces pièces peut se déformer, modifiant ainsi leur position relative par rapport aux puces. Ceci peut engendrer des erreurs d'éjection et endommager les puces manipulées.
Image 5 : Les chocs causés par le blocage dû à l'absence de possibilité de réglage lors du levage avec la broche d'éjection
Avantages du robot de prélèvement et de placement PPR
En tant que système intégré, le PPR est équipé d'un moteur linéaire et d'un codeur pour l'axe Z, ainsi que d'un capteur de force, ce qui le rend parfaitement adapté à une large gamme de process de prélèvement de puces pour le semi-conducteur.
Grâce à une fonction d'arrêt de contact qui s'active dès que la pince touche la puce, le PPR réduit l'impact de la charge sur cette dernière. Cette même fonction permet également de prévenir les fluctuations d'intensité de cet impact, telles que celles qui peuvent survenir en raison des décalages de la pince dus à l'usure. Capable de capturer des informations de position à l'échelle micrométrique, le PPR peut en outre détecter cette usure en vérifiant la position de la pince au moment précis du contact avec la puce.
Vous trouverez sur cette page une étude de cas portant sur une solution proposée où la détermination de la hauteur est effectuée à partir d'informations de position.
Grâce à la fonction de contrôle de la force de pression du PPR, synchronisée avec les broches d'éjection, une charge prédéfinie sur les puces prélevées est maintenue constante. Ceci permet d'éviter les chocs lors du levage des puces qui dépasseraient la charge définie, même si le mouvement sur l'axe vertical n'est pas synchronisé avec une grande précision.
Vous trouverez également sur cette page une étude de cas présentant le comportement des capteurs de force utilisés pour le contrôle de la force de pression.
Image 6 : Absorption des chocs par évitement de l’addition des forces lors du levage des puces
Image 7: Structure du robot de prélèvement et de placement PPR
Promouvoir des rendements plus élevés dans la fabrication des semi-conducteurs
Cette fois-ci, l'accent a été mis sur la manipulation des puces pour semi-conducteur lors de leur fabrication. Les défis liés à la prévention des dommages et aux améliorations de process permis par le robot de prélèvement et de placement (PPR) ont été examinés. Comme décrit dans la première partie de cet article, les semi-conducteurs sont un composant essentiel des technologies modernes. Face à l'augmentation constante des exigences fonctionnelles des appareils tels que les smartphones, il est impératif de miniaturiser et d'amincir les semi-conducteurs. Cependant, les retours d'utilisateurs indiquent que de nombreux fabricants d'équipements et de machines rencontrent des difficultés importantes à cet égard.
On pense que le PPR, associé à d'autres technologies de THK, peut contribuer à relever ces défis et à soutenir le développement des procédés dans l'industrie des semi-conducteurs.
Pour plus d'informations ou pour obtenir une assistance technique, veuillez contacter THK.
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