CN102157351B - 一种芯片拾放控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种芯片拾放控制方法, 芯片以第一速度V₁下降到速度切换位置,对其直接减速至第二速度V₂,再以第二速度V₂下降至芯片待拾取或贴装处，完成芯片拾取或贴装，芯片在下将过程中从高速直接转至低速,减小了减速过程的冲击力，有效完成芯片拾取或贴装。

Description

一种芯片拾放控制方法

技术领域

本发明涉及电子封装领域，具体涉及一种芯片拾放控制方法。

背景技术

微小芯片的拾取与贴装一直以来都是电子封装行业的难题。近年来，为了获得更轻、更小、更薄的电子产品，强烈要求半导体芯片的超薄化，而通过研磨、磨削以及蚀刻半导体晶片的背面，可以使芯片厚度薄至100μm以下。但是，对于厚度在100μm以下的芯片而言，芯片的拾取与贴装的难度进一步加大了。半导体芯片通常都是易碎的，薄芯片更加容易破裂或者损伤，必须对其操作力进行严格控制。芯片拾放装置在工作时，需要预先设定拾取和贴装芯片时的压力，而将芯片放在框架或基板上时必须给予一定量的压力，以便使芯片与框架或基板有更好的粘结。所以在实际芯片贴装过程中，必须精确设定与控制该压力的大小，保证芯片可靠粘结的同时不损伤芯片。据相关文献介绍，芯片贴装过程中需实现冲击力＜100g，接触压力＜40g，芯片的减薄对冲击力与接触压力提出了更严苛的要求。

除力控功能外，芯片拾放装置还必须具有响应快速的特点以提高整设备的效率。另外，由于芯片在拾取的过程经常产生微小的位置变化，在贴装前需要对芯片的位置进行纠正，这对于定位精度要求高的封装设备来说尤为重要，必须对贴装上吸取的芯片进行一定角度的旋转以补偿位置的偏差。要具有该功能，芯片拾放装置必须还具有旋转自由度。

目前部分拾放装置仅仅采用了弹簧对该压力进行控制，如专利CN 1533237A，弹簧控制压力方案原理简单，但是压力的调节较为粗略，精度不够，容易发生拾不到芯片或者芯片粘结不牢固等现象，并且容易损伤芯片。也有专利方案(CN 101005757A)采用了气压的方式来控制压力，这类方案结构简单，但是压力调节不易，且气动作用通常都有一定的滞后性，响应速度不够快；而且气动执行机构以较大的速度下降而使芯片与基板接触的过程中承受较大的冲击力。另外，大多数方案(CN 2633839Y、CN 1533239A等)仅仅考虑了芯片贴装时的直线运动而不考虑芯片的旋转位置补偿，这种芯片拾放装置一般仅适合贴装时角度无精确要求的场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种芯片拾放控制方法，实现芯片的可靠粘结并有效防止芯片在贴装过程中因为压力过大而损坏。

一种芯片拾放控制方法，具体为：芯片拾放装置以第一速度V₁下降到速度切换位置，对其直接减速至第二速度V₂，再以第二速度V₂下降至芯片待拾取或贴装处，完成芯片拾取或贴装，其中0.2m/s≤V₁≤0.3m/s，0.02≤V₂≤0.04m/s。

所述速度切换位置是指芯片拾放装置距离芯片拾取或贴装位置0.5～1mm处。

本发明控制方法优化了经典的力/位混合控制的速度曲线，将电机从位置控制模式切换到速度控制模式时速度先减速到零然后再加速到一个较低的速度优化为速度直接从高速减速过渡到一个较低的速度，从而减小了减速过程的冲击力。拾取装置采用音圈电机实现三种模式的切换控制，并设计了旋转驱动机构在芯片贴装前对芯片位姿校正，实现芯片的可靠粘结和精确位姿贴片。

附图说明

图1是本发明装置的一种具体实施方式的总体结构示意图；

图2是图1中直线驱动机构的立体分解图；

图3是图2中轴承座结构的立体分解图；

图4是图1中旋转驱动机构的立体分解图；

图5是芯片贴装过程的流程图；

图6是芯片贴装下降过程的速度曲线示意图，图6(a)为现有的经典力/位混合控制的速度曲线图，图6(b)为本发明控制方法的速度曲线图。

具体实施方式

如图1所示，根据部件运动方式与功能可以将本发明的芯片拾放装置分为五个部件，分别是直线驱动机构10、旋转驱动机构20、支撑机构30、花键及芯片拾放机构40。花键主要包括花键轴242和花键套243。

如图1所示，支撑机构30主要包括直线驱动音圈电机安装板31、底板32、密封盖板33以及Z型板34，其中底板32是整个拾放装置的基础零件，所有的零件都直接或者间接安装在其上面，而且其也是拾放装置与其他零部件的连接零件。音圈电机安装板31固连在底板32的顶端，其上圆周阵列分布的沉头孔则是音圈电机定子的安装固定孔。Z型板34通过侧面固定在底板32上，其右边安装了旋转驱动步进电机23，左边安装了花键24。密封盖板33则直接固连在Z型板34上。

如图2和3所示，直线驱动机构10主要包括直线驱动音圈电机11、直线导向组件12电气限位组件13、电机位置检测组件14、弹簧22。直线导向组件12中的导轨123安放在底板32上，导轨123上安放有滑块122，滑块122的一端连接直线驱动音圈电机11，滑块122的另一端连接花键轴242，花键轴242连接芯片拾放机构40，花键轴242上在滑块122与芯片拾放机构40之间套有弹簧22，导轨123的一侧设有电气限位组件13，导轨123的另一侧设有电机位置检测组件14。各组件结构和安装方式详细如下：

音圈电机11的定子111的顶端与音圈电机安装板31固连，音圈电机动子112与定子111之间无配合关系，给动子112通不同大小和不同变化率的电流时，其在定子111产生磁场的作用下实现不同加速度、驱动力的运动。该音圈电机11至少可以采用位置控制、速度控制、力控制三种模式，且在三种模式间可以随意转换，当然这一些功能都跟音圈电机本身的控制器与驱动器及其控制方法相关。音圈电机动子112的下端有圆周阵列的四个，在L型转接板121通过对应位置的孔与之固连。L型转接板121与音圈电机动子112下端面垂直的表面跟滑块122固连，导轨123则直接通过螺纹直接固连在底板32上，直线导轨的两端分别安装了一个限位块124，以防止滑块122滑离导轨123。直线导轨123的对称中轴线与音圈电机11的轴线所形成的平面与底板32的表面垂直，该虚拟平面、底板32平面与音圈电机安装板31平面三者两两垂直相交，可根据这三个平面建立一基准坐标系，该坐标系如图2所示。在这个坐标系中，直线导向组件12位于音圈电机11的Z正向、Y负向，而X向两者重合。

电气限位组件13由传感器遮挡片131、传感器132和传感器安装板133组成，该组件主要用来限制音圈电机动子的运动上、下限，确定其在音圈电机可能的行程范围内，可起到电气安全保护作用。传感器安装板133有一沉头的U型孔，在该沉头U型孔插入螺栓将该板固定在底板32的左侧面上，在装配时还可以根据传感器安装板133上传感器132与固连在L型转接板121上的传感器遮挡片131之间的位置关系调整传感器安装板133的Z向位置。传感器遮挡片131上的U型槽可使其Z向固定位置小范围内进行调节，以保证光电传感器132的触发满足行程要求。

电机位置检测组件14位于直线导向组件的X正向，底板32右侧。电机位置检测组件14由光栅尺零点传感器141、光栅尺安装板142、光栅尺143和光栅尺读数头144构成，用于实时检测音圈电机动子112所处的位置，进而精确确定各个模式的切换位置。光栅尺安装板142上有两个沉头孔，装入螺栓后可直接固连在L型转接板121上，将光栅尺安装板142侧面用丙酮擦洗干净后将光栅尺143粘结在预定的位置，光栅尺143的两端用自带的小压块粘结固定好。光栅尺零点传感器141用两个螺栓直接固连在光栅尺安装板142的侧面光栅尺143的Y正向。光栅尺读数头144则直接从底板32的背面用螺栓固定，在安装读数头时一定要保证好光栅尺读数头144与光栅尺143之间X向的间距，以及光栅尺读数头144与光栅尺零点传感器141两者在Y向的间距。

在花键轴242上滑块122与芯片拾放机构40之间套有一弹簧22，该弹簧的外面可安装一伸缩塑料管，防止花键轴242裸露在外而受到外界灰尘的污染。弹簧22一直处于压缩状态，保证芯片拾放机构40在没有直线驱动力的状况下一直处于缩回状态，并随着芯片拾放机构40的下降压缩量增大，另一方面在正常工作情况下也可削弱直线驱动力的冲击影响，防止驱动力过冲。

芯片拾放机构40包括气管连接件41、吸嘴固定器42和橡胶吸嘴43。花键轴242的末端安装有吸嘴固定器42，其通过螺纹旋入花键轴242的一端，拧紧该螺纹副后在吸嘴固定器42圆周面上的两个小螺纹孔内分别拧入一紧定螺钉，防止该螺纹联接松动，橡胶吸嘴43直接套入吸嘴固定器42的小凸台上即可，这样吸嘴43便与花键轴242一起运动了。

如图4所示，旋转驱动机构20用于纠正吸嘴43上芯片的角度以保证芯片以精确的、一致的角度实现贴装，该部件主要包括旋转驱动电机23、旋转运动转接件25、同步带传动机构26和回零组件。花键套243套在花键轴242上，并位于弹簧22和芯片拾放机构40之间，花键套243表面套有花键座241。花键座241、花键套243和花键轴242一起组成花键24。花键座241是花键24与其他零部件的接口，其上有圆周阵列的四个通孔，螺栓可穿过该通孔与Z型板34固连。花键座241与花键套243件有一圈滚珠，该圈滚珠一方面使两者在轴向保持位置固定，另一方面使两者之间可以存在相关转动，本方案中花键座241是固定的，花键套243得到旋转驱动力后进而将旋转运动传递给花键轴242，至此花键轴242作为拾放装置的主轴便已经同时实现了直线与旋转运动，花键24在本发明方案中同时实现旋转运动传动和直线导向的作用。花键套243通过同步带传动机构26连接旋转驱动电机23。同步带传动机构26包括从动轮261、同步带262和主动轮263。花键套243与从动轮261间通过旋转运动转接件25相接，步进电机23固定在Z型板34的右侧，同步带传动机构26的主动轮263固连在步进电机23的输出轴上，从动轮261则固定在圆柱转接件252上，根据从动轮261的Z向位置调整主动轮263在旋转驱动电机23轴向的位置，使主动轮263与从动轮261在Z向平齐。回零组件用于给花键轴242的旋转角度调整提供一个精确的目标参考位置，其由回零传感器27和Z型遮挡片28构成，装置工作前，首先驱动花键轴242旋转，Z型遮挡片28跟随一起转动，当其转到某处触发回零传感器27时，将该位置记为目标参考位置。当旋转驱动电机23本身具有定位功能时，则不需要回零组件。旋转驱动电机23可采用步进电机或者伺服电机。

为了避免花键轴242的转动带动音圈电机动子112旋转，对音圈电机11的直线运动产生不利影响，本发明花键轴242上靠近直线驱动音圈电机11间固定有轴承，同时增加了轴承214的固定支撑零件，从而组成了移动轴承座21。移动轴承座21直接固定在L型转接板121上，其组成结构如图4所示。其中两个轴承214端面紧密贴合地装配在轴承室底座215中，轴承的外圈上有一外圈调节环213，装配时可修配外圈调节环213的厚度保证轴承室上盖211与轴承室底座215紧密贴合的同时通过外圈调节环213压紧轴承214，使轴承无轴向间隙从而保证直线方向的运动精度。两个轴承214的内圈一端采用花键轴242的轴肩进行定位，另一端在内圈调整环212和气管连接件41的作用下进行定位，拧紧气管连接件41与花键轴242的紧固螺纹，即可使内圈调整环212紧压轴承214的内圈，实现内圈无间隙、无轴向窜动。移动轴承座消除了花键轴242旋转对音圈电机的影响(花键轴242在旋转时，轴承214的内圈跟着转动而外圈不动，移动轴承座21整体无转动)，并将音圈电机动子112的直线运动传递给花键轴242，是本发明解耦结构中至关重要的组件。

在某些特定的应用场合下，该发明还可以做一些简化或结构转换，具体实施方式如下：

(1)在音圈电机动子112的旋转运动对其直线运动没有影响或者滚珠花键24的导向精

度足以满足设备的精度要求的情况下，可以去掉直线导向组件12，直接利用花键轴做直线运动。

(2)在直线位置精度要求不高的情况下位置检测组件14可以采用磁性尺的方式。

参阅图5及6，本发明涉及的拾放装置的控制方法主要是针对芯片吸取和芯片贴装两个过程中音圈电机11运动和力的控制。在一个工作循环中，拾放装置首先停在芯片吸取位置，等芯片准备好后，拾放装置便开始工作了。

如图5中步骤501所示，音圈电机11带动芯片拾取与贴装机构40在位置控制模式下，位置检测组件14对当前位置进行实时检测并反馈结果给执行器进而实现吸嘴43上的芯片高速下降到目标位置I(目标位置I通过事先开展的实验确定一般而言为芯片吸取机构下降到距离待拾取芯片基板0.5～1mm处的位置)。该目标位置I即设定为位置控制模式与速度控制模式切换位置，芯片到达该位置后便切换到速度控制模式。

在进行位置控制模式与速度控制模式切换时，本发明的控制方法对经典的力/位混合控制进行了优化，图6对比了经典力/位混合控制和本发明控制方法的速度曲线，经典力/位混合控制在高速运动的位置控制方式切换到低速接近的速度控制方式时会采用将速度先降到零然后重新加速到v₂的间接方式。而本发明的控制方法中，当拾放装置将要运动到目标位置I时会控制音圈电机进行减速，且通过适当的计算，使芯片到达目标位置I时音圈电机11仍然具有一速度v₂(大小一般为0.02～0.04m/s，具体值根据目标位置I的大小而定)，从而使改进后的曲线中，从位置控制方式切换到速度控制方式时，直接从减速过程过渡到速度v₂。从速度曲线的意义来看，其与坐标轴围成的图形的面积大小即表达了位移的大小，在位置控制阶段的运动参数完全相同的情况下，要围成面积大小相同的图形，改进前速度控制阶段的最大速度v₁(0.2m/s≤v₁≤0.3m/s)明显要大于改进后的最大速度v₂。该最大速度的减小一方面可以使缩短速度控制方式下的减速时间提高整个动作的速度；另一方面也可以减小减速过程中加速度，进而减小芯片贴装过程中的冲击力，从而使芯片得到最大程度的保护。

如图5中步骤502所示，音圈电机11进入速度控制模式后在一个较低的速度下运动使芯片进一步下降。该过程对音圈电机11的最大下降速度v₂进行限制可以减小芯片在减速到达芯片吸取位置或者芯片贴装位置时所受的冲击力。

如图5中步骤503与506所示，在芯片吸取时，音圈电机11减速停留在相应的芯片吸取位置，芯片吸取机构40在真空吸附作用下完成芯片的吸取，而后音圈电机11在切换到位置控制模式下快速上升。至此拾放装置便实现了芯片吸取的全部动作。

接着，芯片拾放装置将整体运动到芯片贴装位置的垂直正上方。在该运动过程中，芯片将经过一个检测位置，该处检测工具一般情况下可以为一视觉系统。该视觉系统一方面可以判断此时吸嘴43上是否有芯片，如果没有芯片拾放装置则直接回到芯片吸取位，有芯片则根据采集到的芯片位姿图像计算此芯片的实际位姿，将该实际位姿与标准模板进行比较得到偏差值并将该偏差值反馈给执行单元。在拾放装置整体往芯片贴装位运动的过程中，旋转运动部件20根据图像处理反馈的结果对芯片进行纠偏，保证芯片纠姿后能够与基板上固定位置精确对准，确保本发明提供的拾放装置具有更高的贴装精度。

图5中的步骤501和502也是芯片贴装过程必须经历的。芯片贴吸装置40低速下降经反馈单元检测确定步骤502的动作完成，音圈电机11减速到达芯片贴装位置(即芯片接触到基板时的速度/力切换位置)后，音圈电机便由速度控制模式切换到力控制模式。而后，如图5中步骤504和505所示，音圈电机11在力控制模式下使芯片充分接触基板并施加一定的压力，该压力缓慢增加到一个阈值(该阈值跟芯片的厚度、大小，吸嘴与基板的材料等因素相关)。压力达到该设定接触压力阈值后，然后保持该阈值压力一段时间(事先根据芯片所必须的粘结牢靠情况进行实验来压力值的大小和施加压力的时间)使芯片与基板可靠粘结。之后，芯片贴吸装置便关闭真空吸附而后立即打开真空快排，使吸嘴与芯片表面不再吸附在一起，与此同时音圈电机11在位置控制模式下快速上升，真空快排在延时一定时间后关闭，完成步骤506的动作。最后拾放装置整体在X-Y工作台的运输下由芯片贴装位回到芯片吸取位。至此该拾放装置便完成芯片的吸取与贴装的一套完整动作流程。

Claims (1)

1.一种芯片拾放控制方法，具体为：芯片拾放装置以第一速度V₁下降到速度切换位置，对其直接减速至第二速度V₂，再以第二速度V₂下降至芯片待拾取或贴装处，完成芯片拾取或贴装，其中0.2m/s≤V₁≤0.3m/s，0.02≤V₂≤0.04m/s；所述速度切换位置是指芯片拾放装置距离芯片拾取或贴装位置0.5～1mm处。

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