CN102983088A - 一种基于内置位移传感器音圈电机的粘片机焊头机构 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于内置位移传感器音圈电机的粘片机焊头机构。包括有伺服电机(1)、摆臂(2)、音圈电机(3)、焊头吸嘴(14)，其中包括有伺服电机(1)、摆臂(2)、音圈电机(3)、焊头吸嘴(14)，其中带动摆臂(2)往复旋转、使装设在摆臂上的焊头吸嘴(14)对准取晶或固晶位置的伺服电机(1)的输出轴与摆臂(2)连接，音圈电机(3)固定在摆臂(2)上，完成取晶或固晶动作的焊头吸嘴(14)与音圈电机(3)的输出轴连接。本发明采用音圈电机直驱的方式，可减少焊头吸嘴的残余振动，易于控制好焊头吸嘴的粘片力，进一步提升单位时间内粘焊晶片的数量，提高粘焊质量。本发明涉及一种设计巧妙，性能优良，方便实用的基于内置位移传感器音圈电机的粘片机焊头机构。

Description

一种基于内置位移传感器音圈电机的粘片机焊头机构

技术领域

本发明涉及半导体元件制造中的关键设备——芯片粘片机的焊头机构，特别涉及一种内置位移传感器音圈电机的粘片机焊头机构。属于粘片机焊头机构的改造技术。

背景技术

焊头是粘片机的核心部件，其功能是将晶圆上已切割分离的晶片吸起，传送并放置于载体上（如：引线框架、PCB板等）进行粘贴焊接。为此，焊头机构属于两自由度（Y、Z）的传动机构，需要精确、平稳地往返于拾片点和粘片点两个位置，完成拾取晶片、传送晶片、粘焊晶片等动作。拾取和粘焊晶片所必需的直线传动行程很小，仅为1～3mm。传送晶片的行程却很大，一般与晶圆的直径有关。目前晶圆直径已达12英寸，即250mm以上，而且还有不断增大的趋势。市场上常用的多种焊头机构，均采用传统的串联机构形式:往返于拾片点和粘片点的运动，即在Y方向，是通过导轨、滚珠丝杆螺母、直线轴承等零件制成Y滑块，固定在机架上的电动机由滚珠丝杆驱动Y滑块作直线运动。安装固定在Y滑块上的另一电机经过相应的直线运动机构形成焊头Z方向的拾片和焊片动作。在Y和Z电机的配合作用下，焊头完成预先设定的粘焊动作。但是由于Z方向运动的驱动电机和运动机构是装配在Y滑块上的跟随运动，该电机的质量占整个焊头运动质量的比例很大，因而焊头的运动惯量较大。降低滑块或焊头的质量以减少运动惯量受到限制，因此串联机构的焊头速度受运动冲击的影响无法提高。另外，串联机构的焊头末端只能是悬臂结构，刚性不足。解决此问题的有效途径是：采用音圈电机来直接驱动焊头，通过控制音圈电机来实现焊头的力—位移控制。

现有粘片机焊头机构存在的问题主要是：

1)应用弹簧作为缓冲，残余振动大：由于芯片厚度的偏差、焊头的振动和定位误差，引起吸嘴与芯片的接触力大小变化，通常需要安装缓冲弹簧。由于焊头吸嘴是在作高速的直线运动，加上粘焊晶片所需求的粘片力十分微小，若缓冲装置中的弹簧刚度太大，它会使得焊头吸嘴在粘焊晶片时的起不到缓冲效果；若缓冲装置中的弹簧刚度过小，它又会使得焊头吸嘴在运动到极限位置时残余振动大；二者均使得粘焊晶片质量产生不良影响。

2)直接驱动摆臂跟焊头，负载过大:现有的串联式机构是将整个摆杆系统直接装到直线运动平台上（音圈电机或丝杠滑块机构），会使得整个粘焊惯性太大，影响粘焊精度，同时摆臂在蠕动变形情况下也会影响粘焊质量。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种减少焊头吸嘴的残余振动，易于控制好焊头吸嘴的粘片力，进一步提升单位时间内粘焊晶片的数量，提高粘焊质量的基于内置位移传感器音圈电机的粘片机焊头机构。本发明能够完成从晶圆拾取晶片，然后高速地、高精度地摆转到粘片位置，实现粘片过程，粘焊速度高，冲击力小，粘焊晶片质量高。

本发明的技术方案是：本发明的基于内置位移传感器音圈电机的粘片机焊头机构，包括有伺服电机、摆臂、音圈电机、焊头吸嘴，其中带动摆臂往复旋转、使装设在摆臂上的焊头吸嘴对准取晶或固晶位置的伺服电机的输出轴与摆臂连接，音圈电机固定在摆臂上，完成取晶或固晶动作的焊头吸嘴与音圈电机的输出轴连接。

上述音圈电机包括有音圈电机外壳、音圈电机磁轭、永久磁铁、音圈电机线圈、音圈电机导向轴、圆筒式外电容极板、圆筒式内电容极板、音圈电机线圈支架、焊头吸嘴，音圈电机导向轴的两端支承在音圈电机磁轭的两端，音圈电机线圈支架套装在音圈电机导向轴上，音圈电机线圈装设在音圈电机线圈支架上，永久磁铁装设在音圈电机线圈的外侧，音圈电机磁轭装设在永久磁铁的外侧，且在音圈电机磁轭的中心内孔上嵌有两个圆筒形外电容极板，与音圈电机导向轴上嵌有的圆筒式内电容极板形成差分电容位移传感器，焊头吸嘴装设在音圈电机导向轴的伸出端。

上述音圈电机线圈支架装在音圈电机导向轴上并由卡环紧固。

上述音圈电机导向轴通过滑套支承在音圈电机磁轭上。

上述伺服电机固定在固定架上，音圈电机安装在摆臂上。

本发明由于采用包括有伺服电机驱动元及音圈电机驱动元的结构，其中伺服电机驱动元通过驱动摆臂，使摆臂往复地从拾取晶片点到粘焊点间歇地来回摆动，从而能使焊头吸嘴在拾取点和粘片点间往复地传送晶片；音圈电机驱动元驱动焊头吸嘴，使焊头吸嘴可以作直线移动，从而使其能够在拾取点接触晶圆上的晶片和在粘片点粘焊晶片。本发明具有如下特点：1）采用伺服电机旋转摆臂的方式来传送晶片，虽然在一定程度上受到惯性的影响，但是从速度和精度这两个角度来看，此种方法显得更有优势；2）音圈电机不但使得第一个特点能够得于实现，更是一个十分有利于实现传统粘片机进一步迈向高速、高精度的突破；3）电容式位移传感器用于音圈电机上，将直线位移转化为电容变化，电容变化通过电容测试电路来测量，以此来反馈出音圈电机伸出轴的位置变化。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的基于内置位移传感器音圈电机的粘片机焊头机构。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中音圈电机的结构示意图；

图3为本发明的工作原理图。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1、2、3所示，本发明的基于内置位移传感器音圈电机的粘片机焊头机构，包括有伺服电机1、摆臂2、音圈电机3、焊头吸嘴14，其中带动摆臂2往复旋转、使装设在摆臂2上的焊头吸嘴14对准取晶或固晶位置的伺服电机1的输出轴与摆臂2连接，音圈电机3固定在摆臂2上，完成取晶或固晶动作的焊头吸嘴14与音圈电机3的输出轴连接。

上述摆臂2在伺服电机1的驱动下，往复地来回旋转一定的角度，准确地定位于拾片点和粘片点的上方，然后通过音圈电机3快速地实现取晶或固晶操作。由于固定在摆臂2的音圈电机3质量轻，因此摆臂2和音圈电机3的质量总和不大，因而摆臂2的转动惯性小。

本实施例中，上述音圈电机3包括有音圈电机外壳4、音圈电机磁轭5、永久磁铁6、音圈电机线圈7、音圈电机导向轴9、圆筒式外电容极板11、圆筒式内电容极板12、音圈电机线圈支架13、焊头吸嘴14，音圈电机导向轴9的两端通过滑套10支承在音圈电机磁轭(4)的两端，音圈电机线圈支架13套装在音圈电机导向轴9上，音圈电机线圈7装设在音圈电机线圈支架13上，永久磁铁6装设在音圈电机线圈7的外侧，音圈电机磁轭5装设在永久磁铁6的外侧，且在音圈电机磁轭5的中心内孔上嵌有一层圆筒形外电容极板11，在音圈电机导向轴9上嵌有一层圆筒式内电容极板12圆筒形外电容极板11与圆筒式内电容极板12之间留有间隙，焊头吸嘴14装设在音圈电机导向轴9的伸出端。带有焊头吸嘴14的音圈电机3的工作原理及制作方法是：此类型音圈电机的基本应用原理是安培定律，音圈电机线圈7在永久磁铁6和音圈电机磁轭5所形成的均匀磁场中受到安培力作用下，驱动音圈电机线圈支架13作直线移动。由于音圈电机结构确定之后，其所受到的安培力与线圈的通电电流成线性关系，因此，音圈电机3的移动位置和主轴上的输出力可以得到很好地控制。另外，音圈电机3还集成了差分电容位移测量模块，差分电容位移测量模块包括在音圈电机磁轭5的中心内孔上嵌有的一层圆筒形外电容极板11，在音圈电机导向轴9上嵌有的一层圆筒式内电容极板12，两电容极板层间保持一定的间隙。当焊头吸嘴(14)上下移动时，使得两个电容层间的相对面积发生变化，然后通过外设的电容测试电路来计算出焊头吸嘴14的位置变化，再结合控制理论原理来反馈式地控制音圈电机。音圈电机集成的差分电容位移测量模块能够实时地监测焊头吸嘴14的位置，同时也为更好地控制粘片机焊头吸嘴14的固晶作用力，以防压破晶片，保证粘焊晶片的质量。

本实施例中，上述音圈电机线圈支架13装在音圈电机导向轴9上，并由卡环8紧固。

此外，上述音圈电机导向轴9通过滑套10支承在音圈电机磁轭5上。

本实施例中，上述伺服电机1固定在固定架上，音圈电机3安装在摆臂2一端所设的电机座上。

本发明的粘片机焊头机构是为了把晶圆上的晶片粘焊到指定位置。为了提高工作速率和粘焊精度，本发明采用两个驱动元，一个是伺服电机，另一个是音圈电机。音圈电机3安装在摆臂2上，伺服电机1安装在固定架上。其中伺服电机驱动与之相联的摆臂2往复地从拾取晶片点到粘焊点间歇地来回摆动，从而能使焊头吸嘴14在拾取点和粘片点间往复地传送晶片；音圈电机3驱动元驱动焊头吸嘴14，使焊头吸嘴14可以作直线移动，从而使其能够在拾取点接触晶圆上的晶片和在粘片点粘焊晶片。在拾取点时，伺服电机1停止，音圈电机3工作，焊头吸嘴14向下移动，其吸取晶片后，再向上移动，回到原位，音圈电机3停止。焊头吸嘴14保持吸附着晶片，伺服电机1工作，摆臂2摆转到指定位置，伺服电机1停止。音圈电机3工作，焊头吸嘴14向下运动，将焊头吸嘴14上的晶片粘焊到指定位置，然后焊头吸嘴14反向移动到原位。音圈电机3停止，伺服电机1工作，将摆臂2旋转至原位，准备下一次循环。

本发明的粘片机焊头机构的工作次序主要包括拾取晶片、传送晶片、粘焊晶片等步骤，具体如下： 

1、伺服电机1将摆臂2旋转至左边，使焊头吸嘴14对准晶圆15的位置；伺服电机1停止，音圈电机3启动，驱动焊头吸嘴14向下垂直运动，焊头上的吸嘴与晶圆15上的晶片相接触，焊头吸嘴14在真空的作用下吸附所接触的晶片；然后音圈电机3反向驱动焊头吸嘴14向上垂直运动，完成晶片拾取动作。

2、音圈电机3停止，伺服电机1反转，带动摆臂2旋转至右边，使焊头吸嘴14对准待粘片的位置，完成晶片传送动作；此过程中，焊头吸嘴14始终保持吸附着晶片。

3、伺服电机1不工作，音圈电机3在电流驱动下又重新启动，驱动焊头吸嘴14向下垂直运动，焊头吸嘴14将吸附着的晶片粘焊到承载基体16上；然后音圈电机3在反电流脉冲驱动下，焊头吸嘴14向上移动，完成晶片粘焊动作。

4、音圈电机3停止，伺服电机1启动，带动摆臂2旋转，使焊头吸嘴14回到拾取晶片点上方，准备下一个循环。

    图3中，实线表示拾片点，虚线表示粘片点，在允许的工作范围内，X、Y、Z方向的移动距离可以适当调整。

Claims (5)

1.一种基于内置位移传感器音圈电机的粘片机焊头机构，其特征在于包括有伺服电机(1)、摆臂(2)、音圈电机(3)、焊头吸嘴(14)，其中带动摆臂(2)往复旋转、使装设在摆臂上的焊头吸嘴(14)对准取晶或固晶位置的伺服电机(1)的输出轴与摆臂(2)连接，音圈电机(3)固定在摆臂(2)上，完成取晶或固晶动作的焊头吸嘴(14) 与音圈电机(3)的输出轴连接。

2.根据权利要求1所述的基于内置位移传感器音圈电机的粘片机焊头机构，其特征在于上述音圈电机(3)包括有音圈电机外壳(4)、音圈电机磁轭(5)、永久磁铁(6)、音圈电机线圈(7)、音圈电机导向轴(9)、圆筒式外电容极板(11)、圆筒式内电容极板(12)、音圈电机线圈支架(13)、焊头吸嘴(14)，音圈电机导向轴(9)的两端支承在音圈电机磁轭(5)的两端，音圈电机线圈支架(13)套装在音圈电机导向轴(9)上，音圈电机线圈(7)装设在音圈电机线圈支架(13)上，永久磁铁(6)装设在音圈电机线圈(7)的外侧，音圈电机磁轭(5)装设在永久磁铁(6)的外侧，且在音圈电机磁轭(5)的中心内孔上嵌有两个圆筒形外电容极板(11)，与音圈电机导向轴(9)上嵌有的圆筒式内电容极板(12)形成差分电容位移传感器，焊头吸嘴(14)装设在音圈电机导向轴(9)的伸出端。

3.根据权利要求2所述的基于内置位移传感器音圈电机的粘片机焊头机构，其特征在于上述音圈电机线圈支架(13)装在音圈电机导向轴(9)上并由卡环(8)紧固。

4.根据权利要求2所述的基于内置位移传感器音圈电机的粘片机焊头机构，其特征在于上述音圈电机导向轴(9)通过滑套(10)支承在音圈电机磁轭(5)上。

5.根据权利要求1至4任一项所述的基于内置位移传感器音圈电机的粘片机焊头机构，其特征在于上述伺服电机(1)固定在固定架上，音圈电机(3)安装在摆臂(2)上。

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