專利名稱：一種芯片拾放控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子封裝領(lǐng)域，具體涉及一種芯片拾放控制方法。
背景技術(shù)：
微小芯片的拾取與貼裝一直以來都是電子封裝行業(yè)的難題。近年來，為了獲得更輕、更小、更薄的電子產(chǎn)品，強烈要求半導體芯片的超薄化，而通過研磨、磨削以及蝕刻半導體晶片的背面，可以使芯片厚度薄至100 μ m以下。但是，對于厚度在100 μ m以下的芯片而言，芯片的拾取與貼裝的難度進一步加大了。半導體芯片通常都是易碎的，薄芯片更加容易破裂或者損傷，必須對其操作力進行嚴格控制。芯片拾放裝置在工作時，需要預先設定拾取和貼裝芯片時的壓力，而將芯片放在框架或基板上時必須給予一定量的壓力，以便使芯片與框架或基板有更好的粘結(jié)。所以在實際芯片貼裝過程中，必須精確設定與控制該壓力的大小，保證芯片可靠粘結(jié)的同時不損傷芯片。據(jù)相關(guān)文獻介紹，芯片貼裝過程中需實現(xiàn)沖擊力< 100g，接觸壓力< 40g，芯片的減薄對沖擊力與接觸壓力提出了更嚴苛的要求。除力控功能外，芯片拾放裝置還必須具有響應快速的特點以提高整設備的效率。 另外，由于芯片在拾取的過程經(jīng)常產(chǎn)生微小的位置變化，在貼裝前需要對芯片的位置進行糾正，這對于定位精度要求高的封裝設備來說尤為重要，必須對貼裝上吸取的芯片進行一定角度的旋轉(zhuǎn)以補償位置的偏差。要具有該功能，芯片拾放裝置必須還具有旋轉(zhuǎn)自由度。目前部分拾放裝置僅僅采用了彈簧對該壓力進行控制，如專利CN 1533237A，彈簧控制壓力方案原理簡單，但是壓力的調(diào)節(jié)較為粗略，精度不夠，容易發(fā)生拾不到芯片或者芯片粘結(jié)不牢固等現(xiàn)象，并且容易損傷芯片。也有專利方案(CN 101005757A)采用了氣壓的方式來控制壓力，這類方案結(jié)構(gòu)簡單，但是壓力調(diào)節(jié)不易，且氣動作用通常都有一定的滯后性，響應速度不夠快；而且氣動執(zhí)行機構(gòu)以較大的速度下降而使芯片與基板接觸的過程中承受較大的沖擊力。另外，大多數(shù)方案(CN 2633839YXN 1533239A等)僅僅考慮了芯片貼裝時的直線運動而不考慮芯片的旋轉(zhuǎn)位置補償，這種芯片拾放裝置一般僅適合貼裝時角度無精確要求的場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種芯片拾放控制方法，實現(xiàn)芯片的可靠粘結(jié)并有效防止芯片在貼裝過程中因為壓力過大而損壞。一種芯片拾放控制方法，具體為芯片拾放裝置以第一速度V1下降到速度切換位置，對其直接減速至第二速度V2,再以第二速度V2下降至芯片待拾取或貼裝處，完成芯片拾取或貼裝，其中 0. 2m/S 彡 V1 彡 0. 3m/s，0. 02 ^ V2 ^ 0. 04m/s。所述速度切換位置是指芯片拾放裝置距離芯片拾取或貼裝位置0. 5 Imm處。本發(fā)明控制方法優(yōu)化了經(jīng)典的力/位混合控制的速度曲線，將電機從位置控制模式切換到速度控制模式時速度先減速到零然后再加速到一個較低的速度優(yōu)化為速度直接從高速減速過渡到一個較低的速度，從而減小了減速過程的沖擊力。拾取裝置采用音圈電機實現(xiàn)三種模式的切換控制，并設計了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)在芯片貼裝前對芯片位姿校正，實現(xiàn)芯片的可靠粘結(jié)和精確位姿貼片。


圖1是本發(fā)明裝置的一種具體實施方式
的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中直線驅(qū)動機構(gòu)的立體分解圖；圖3是圖2中軸承座結(jié)構(gòu)的立體分解圖；圖4是圖1中旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)的立體分解圖；圖5是芯片貼裝過程的流程圖；圖6是芯片貼裝下降過程的速度曲線示意圖，圖6(a)為現(xiàn)有的經(jīng)典力/位混合控制的速度曲線圖，圖6 (b)為本發(fā)明控制方法的速度曲線圖。
具體實施例方式如圖1所示，根據(jù)部件運動方式與功能可以將本發(fā)明的芯片拾放裝置分為五個部件，分別是直線驅(qū)動機構(gòu)10、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)20、支撐機構(gòu)30、花鍵及芯片拾放機構(gòu)40。花鍵主要包括花鍵軸242和花鍵套M3。如圖1所示，支撐機構(gòu)30主要包括直線驅(qū)動音圈電機安裝板31、底板32、密封蓋板33以及Z型板34，其中底板32是整個拾放裝置的基礎(chǔ)零件，所有的零件都直接或者間接安裝在其上面，而且其也是拾放裝置與其他零部件的連接零件。音圈電機安裝板31固連在底板32的頂端，其上圓周陣列分布的沉頭孔則是音圈電機定子的安裝固定孔。Z型板34 通過側(cè)面固定在底板32上，其右邊安裝了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動步進電機23，左邊安裝了花鍵M。密封蓋板33則直接固連在Z型板34上。如圖2和3所示，直線驅(qū)動機構(gòu)10主要包括直線驅(qū)動音圈電機11、直線導向組件 12電氣限位組件13、電機位置檢測組件14、彈簧22。直線導向組件12中的導軌123安放在底板32上，導軌123上安放有滑塊122，滑塊122的一端連接直線驅(qū)動音圈電機11，滑塊 122的另一端連接花鍵軸M2，花鍵軸242連接芯片拾放機構(gòu)40，花鍵軸242上在滑塊122 與芯片拾放機構(gòu)40之間套有彈簧22，導軌123的一側(cè)設有電氣限位組件13，導軌123的另一側(cè)設有電機位置檢測組件14。各組件結(jié)構(gòu)和安裝方式詳細如下音圈電機11的定子111的頂端與音圈電機安裝板31固連，音圈電機動子112與定子111之間無配合關(guān)系，給動子112通不同大小和不同變化率的電流時，其在定子111產(chǎn)生磁場的作用下實現(xiàn)不同加速度、驅(qū)動力的運動。該音圈電機11至少可以采用位置控制、 速度控制、力控制三種模式，且在三種模式間可以隨意轉(zhuǎn)換，當然這一些功能都跟音圈電機本身的控制器與驅(qū)動器及其控制方法相關(guān)。音圈電機動子112的下端有圓周陣列的四個， 在L型轉(zhuǎn)接板121通過對應位置的孔與之固連。L型轉(zhuǎn)接板121與音圈電機動子112下端面垂直的表面跟滑塊122固連，導軌123則直接通過螺紋直接固連在底板32上，直線導軌的兩端分別安裝了一個限位塊124，以防止滑塊122滑離導軌123。直線導軌123的對稱中軸線與音圈電機11的軸線所形成的平面與底板32的表面垂直，該虛擬平面、底板32平面與音圈電機安裝板31平面三者兩兩垂直相交，可根據(jù)這三個平面建立一基準坐標系，該坐標系如圖2所示。在這個坐標系中，直線導向組件12位于音圈電機11的Z正向、Y負向，而X向兩者重合。電氣限位組件13由傳感器遮擋片131、傳感器132和傳感器安裝板133組成，該組件主要用來限制音圈電機動子的運動上、下限，確定其在音圈電機可能的行程范圍內(nèi)，可起到電氣安全保護作用。傳感器安裝板133有一沉頭的U型孔，在該沉頭U型孔插入螺栓將該板固定在底板32的左側(cè)面上，在裝配時還可以根據(jù)傳感器安裝板133上傳感器132與固連在L型轉(zhuǎn)接板121上的傳感器遮擋片131之間的位置關(guān)系調(diào)整傳感器安裝板133的Z向位置。傳感器遮擋片131上的U型槽可使其Z向固定位置小范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，以保證光電傳感器132的觸發(fā)滿足行程要求。電機位置檢測組件14位于直線導向組件的X正向，底板32右側(cè)。電機位置檢測組件14由光柵尺零點傳感器141、光柵尺安裝板142、光柵尺143和光柵尺讀數(shù)頭144構(gòu)成，用于實時檢測音圈電機動子112所處的位置，進而精確確定各個模式的切換位置。光柵尺安裝板142上有兩個沉頭孔，裝入螺栓后可直接固連在L型轉(zhuǎn)接板121上，將光柵尺安裝板142側(cè)面用丙酮擦洗干凈后將光柵尺143粘結(jié)在預定的位置，光柵尺143的兩端用自帶的小壓塊粘結(jié)固定好。光柵尺零點傳感器141用兩個螺栓直接固連在光柵尺安裝板142的側(cè)面光柵尺143的Y正向。光柵尺讀數(shù)頭144則直接從底板32的背面用螺栓固定，在安裝讀數(shù)頭時一定要保證好光柵尺讀數(shù)頭144與光柵尺143之間X向的間距，以及光柵尺讀數(shù)頭144與光柵尺零點傳感器141兩者在Y向的間距。在花鍵軸242上滑塊122與芯片拾放機構(gòu)40之間套有一彈簧22，該彈簧的外面可安裝一伸縮塑料管，防止花鍵軸242裸露在外而受到外界灰塵的污染。彈簧22 —直處于壓縮狀態(tài)，保證芯片拾放機構(gòu)40在沒有直線驅(qū)動力的狀況下一直處于縮回狀態(tài)，并隨著芯片拾放機構(gòu)40的下降壓縮量增大，另一方面在正常工作情況下也可削弱直線驅(qū)動力的沖擊影響，防止驅(qū)動力過沖。芯片拾放機構(gòu)40包括氣管連接件41、吸嘴固定器42和橡膠吸嘴43?；ㄦI軸242 的末端安裝有吸嘴固定器42，其通過螺紋旋入花鍵軸M2的一端，擰緊該螺紋副后在吸嘴固定器42圓周面上的兩個小螺紋孔內(nèi)分別擰入一緊定螺釘，防止該螺紋聯(lián)接松動，橡膠吸嘴43直接套入吸嘴固定器42的小凸臺上即可，這樣吸嘴43便與花鍵軸242 —起運動了。如圖4所示，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)20用于糾正吸嘴43上芯片的角度以保證芯片以精確的、一致的角度實現(xiàn)貼裝，該部件主要包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機23、旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)接件25、同步帶傳動機構(gòu)26和回零組件?；ㄦI套243套在花鍵軸242上，并位于彈簧22和芯片拾放機構(gòu)40 之間，花鍵套243表面套有花鍵座Ml?；ㄦI座Ml、花鍵套243和花鍵軸242 —起組成花鍵對?；ㄦI座241是花鍵M與其他零部件的接口，其上有圓周陣列的四個通孔，螺栓可穿過該通孔與Z型板34固連?；ㄦI座241與花鍵套243件有一圈滾珠，該圈滾珠一方面使兩者在軸向保持位置固定，另一方面使兩者之間可以存在相關(guān)轉(zhuǎn)動，本方案中花鍵座241是固定的，花鍵套243得到旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力后進而將旋轉(zhuǎn)運動傳遞給花鍵軸M2，至此花鍵軸242 作為拾放裝置的主軸便已經(jīng)同時實現(xiàn)了直線與旋轉(zhuǎn)運動，花鍵M在本發(fā)明方案中同時實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動傳動和直線導向的作用?；ㄦI套243通過同步帶傳動機構(gòu)沈連接旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機23。同步帶傳動機構(gòu)沈包括從動輪沈1、同步帶262和主動輪沈3?；ㄦI套243與從動輪間通過旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)接件25相接，步進電機23固定在Z型板34的右側(cè)，同步帶傳動機構(gòu)沈的主動輪263固連在步進電機23的輸出軸上，從動輪261則固定在圓柱轉(zhuǎn)接件252上，根據(jù)從動輪的Z向位置調(diào)整主動輪263在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機23軸向的位置，使主動輪 263與從動輪261在Z向平齊?；亓憬M件用于給花鍵軸M2的旋轉(zhuǎn)角度調(diào)整提供一個精確的目標參考位置，其由回零傳感器27和Z型遮擋片觀構(gòu)成，裝置工作前，首先驅(qū)動花鍵軸 242旋轉(zhuǎn)，Z型遮擋片觀跟隨一起轉(zhuǎn)動，當其轉(zhuǎn)到某處觸發(fā)回零傳感器27時，將該位置記為目標參考位置。當旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機23本身具有定位功能時，則不需要回零組件。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機23可采用步進電機或者伺服電機。為了避免花鍵軸242的轉(zhuǎn)動帶動音圈電機動子112旋轉(zhuǎn)，對音圈電機11的直線運動產(chǎn)生不利影響，本發(fā)明花鍵軸242上靠近直線驅(qū)動音圈電機11間固定有軸承，同時增加了軸承214的固定支撐零件，從而組成了移動軸承座21。移動軸承座21直接固定在L型轉(zhuǎn)接板121上，其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中兩個軸承214端面緊密貼合地裝配在軸承室底座215中，軸承的外圈上有一外圈調(diào)節(jié)環(huán)213，裝配時可修配外圈調(diào)節(jié)環(huán)213的厚度保證軸承室上蓋211與軸承室底座215緊密貼合的同時通過外圈調(diào)節(jié)環(huán)213壓緊軸承214，使軸承無軸向間隙從而保證直線方向的運動精度。兩個軸承214的內(nèi)圈一端采用花鍵軸242的軸肩進行定位，另一端在內(nèi)圈調(diào)整環(huán)212和氣管連接件41的作用下進行定位，擰緊氣管連接件41與花鍵軸M2的緊固螺紋，即可使內(nèi)圈調(diào)整環(huán)212緊壓軸承214的內(nèi)圈，實現(xiàn)內(nèi)圈無間隙、無軸向竄動。移動軸承座消除了花鍵軸242旋轉(zhuǎn)對音圈電機的影響(花鍵軸242在旋轉(zhuǎn)時，軸承214的內(nèi)圈跟著轉(zhuǎn)動而外圈不動，移動軸承座21整體無轉(zhuǎn)動)，并將音圈電機動子112的直線運動傳遞給花鍵軸對2，是本發(fā)明解耦結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要的組件。在某些特定的應用場合下，該發(fā)明還可以做一些簡化或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，具體實施方式
如下(1)在音圈電機動子112的旋轉(zhuǎn)運動對其直線運動沒有影響或者滾珠花鍵M的導向精度足以滿足設備的精度要求的情況下，可以去掉直線導向組件12，直接利用花鍵軸做直線運動。(2)在直線位置精度要求不高的情況下位置檢測組件14可以采用磁性尺的方式。參閱圖5及6，本發(fā)明涉及的拾放裝置的控制方法主要是針對芯片吸取和芯片貼裝兩個過程中音圈電機11運動和力的控制。在一個工作循環(huán)中，拾放裝置首先停在芯片吸取位置，等芯片準備好后，拾放裝置便開始工作了。如圖5中步驟501所示，音圈電機11帶動芯片拾取與貼裝機構(gòu)40在位置控制模式下，位置檢測組件14對當前位置進行實時檢測并反饋結(jié)果給執(zhí)行器進而實現(xiàn)吸嘴43上的芯片高速下降到目標位置I (目標位置I通過事先開展的實驗確定一般而言為芯片吸取機構(gòu)下降到距離待拾取芯片基板0. 5 Imm處的位置)。該目標位置I即設定為位置控制模式與速度控制模式切換位置，芯片到達該位置后便切換到速度控制模式。在進行位置控制模式與速度控制模式切換時，本發(fā)明的控制方法對經(jīng)典的力/位混合控制進行了優(yōu)化，圖6對比了經(jīng)典力/位混合控制和本發(fā)明控制方法的速度曲線，經(jīng)典力/位混合控制在高速運動的位置控制方式切換到低速接近的速度控制方式時會采用將速度先降到零然后重新加速到V2的間接方式。而本發(fā)明的控制方法中，當拾放裝置將要運動到目標位置I時會控制音圈電機進行減速，且通過適當?shù)挠嬎?，使芯片到達目標位置I時音圈電機11仍然具有一速度V2 (大小一般為0. 02 0. 04m/s,具體值根據(jù)目標位置I的大小而定)，從而使改進后的曲線中，從位置控制方式切換到速度控制方式時，直接從減速過程過渡到速度v2。從速度曲線的意義來看，其與坐標軸圍成的圖形的面積大小即表達了位移的大小，在位置控制階段的運動參數(shù)完全相同的情況下，要圍成面積大小相同的圖形， 改進前速度控制階段的最大速度V1 (0. 2m/s ^ V1 ^ 0. 3m/s)明顯要大于改進后的最大速度v2。該最大速度的減小一方面可以使縮短速度控制方式下的減速時間提高整個動作的速度；另一方面也可以減小減速過程中加速度，進而減小芯片貼裝過程中的沖擊力，從而使芯片得到最大程度的保護。如圖5中步驟502所示，音圈電機11進入速度控制模式后在一個較低的速度下運動使芯片進一步下降。該過程對音圈電機11的最大下降速度V2進行限制可以減小芯片在減速到達芯片吸取位置或者芯片貼裝位置時所受的沖擊力。如圖5中步驟503與506所示，在芯片吸取時，音圈電機11減速停留在相應的芯片吸取位置，芯片吸取機構(gòu)40在真空吸附作用下完成芯片的吸取，而后音圈電機11在切換到位置控制模式下快速上升。至此拾放裝置便實現(xiàn)了芯片吸取的全部動作。接著，芯片拾放裝置將整體運動到芯片貼裝位置的垂直正上方。在該運動過程中， 芯片將經(jīng)過一個檢測位置，該處檢測工具一般情況下可以為一視覺系統(tǒng)。該視覺系統(tǒng)一方面可以判斷此時吸嘴43上是否有芯片，如果沒有芯片拾放裝置則直接回到芯片吸取位，有芯片則根據(jù)采集到的芯片位姿圖像計算此芯片的實際位姿，將該實際位姿與標準模板進行比較得到偏差值并將該偏差值反饋給執(zhí)行單元。在拾放裝置整體往芯片貼裝位運動的過程中，旋轉(zhuǎn)運動部件20根據(jù)圖像處理反饋的結(jié)果對芯片進行糾偏，保證芯片糾姿后能夠與基板上固定位置精確對準，確保本發(fā)明提供的拾放裝置具有更高的貼裝精度。圖5中的步驟501和502也是芯片貼裝過程必須經(jīng)歷的。芯片貼吸裝置40低速下降經(jīng)反饋單元檢測確定步驟502的動作完成，音圈電機11減速到達芯片貼裝位置(即芯片接觸到基板時的速度/力切換位置)后，音圈電機便由速度控制模式切換到力控制模式。 而后，如圖5中步驟504和505所示，音圈電機11在力控制模式下使芯片充分接觸基板并施加一定的壓力，該壓力緩慢增加到一個閾值(該閾值跟芯片的厚度、大小，吸嘴與基板的材料等因素相關(guān))。壓力達到該設定接觸壓力閾值后，然后保持該閾值壓力一段時間(事先根據(jù)芯片所必須的粘結(jié)牢靠情況進行實驗來壓力值的大小和施加壓力的時間)使芯片與基板可靠粘結(jié)。之后，芯片貼吸裝置便關(guān)閉真空吸附而后立即打開真空快排，使吸嘴與芯片表面不再吸附在一起，與此同時音圈電機11在位置控制模式下快速上升，真空快排在延時一定時間后關(guān)閉，完成步驟506的動作。最后拾放裝置整體在X-Y工作臺的運輸下由芯片貼裝位回到芯片吸取位。至此該拾放裝置便完成芯片的吸取與貼裝的一套完整動作流程。
權(quán)利要求
1.一種芯片拾放控制方法，具體為芯片拾放裝置以第一速度V1下降到速度切換位置，對其直接減速至第二速度V2,再以第二速度V2下降至芯片待拾取或貼裝處，完成芯片拾取或貼裝，其中 0. 2m/s 彡 V1 彡 0. 3m/s，0. 02 ^ V2 ^ 0. 04m/s。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片拾放控制方法，其特征在于，所述速度切換位置是指芯片拾放裝置距離芯片拾取或貼裝位置0. 5 Imm處。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種芯片拾放控制方法,芯片以第一速度V1下降到速度切換位置,對其直接減速至第二速度V2,再以第二速度V2下降至芯片待拾取或貼裝處，完成芯片拾取或貼裝，芯片在下將過程中從高速直接轉(zhuǎn)至低速,減小了減速過程的沖擊力，有效完成芯片拾取或貼裝。
文檔編號H01L21/50GK102157351SQ20111006667
公開日2011年8月17日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者尹周平, 熊有倫, 王瑜輝, 蔡偉林, 陳建魁 申請人:華中科技大學