CN104795346A - 一种电磁型芯片操作装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电磁型芯片操作装置，包括第一驱动机构、铁磁性外壳和电磁铁衔铁，铁磁性外壳中设置有电磁线圈，电磁铁衔铁浮搁在电磁线圈上，电磁铁衔铁上固设有用于吸附芯片的非铁磁性真空吸嘴，非铁磁性真空吸嘴沿第一方向伸出铁磁性外壳，铁磁性外壳、电磁线圈和电磁铁衔铁共同作用形成比例电磁铁；第一驱动机构能够驱动铁磁性外壳沿第一方向移动；比例电磁铁工作时所述电磁铁衔铁受到沿第一方向向下的恒定吸力，带动非铁磁性真空吸嘴以恒定压力压在芯片上。本发明采用比例电磁铁和非铁磁性真空吸嘴相互配合，利用电磁原理和真空吸附对芯片进行操作，能够提高芯片操作的精度和可靠性。

Description

一种电磁型芯片操作装置
技术领域
本发明涉及半导体封装领域，特别是涉及一种电磁型芯片精密操作装置。
背景技术
随着全球电子信息技术的迅速发展，集成电路芯片不断向高密度、高性能和轻薄短小方向发展，为满足IC封装要求，越来越多的薄芯片将会出现在封装中。芯片的轻薄化发展对现有电子封装技术提出了挑战，其中一个主要的难题是薄芯片的精密操作技术。芯片操作工艺广泛应用于电子封装工业生产中，用于实现IC芯片的无损精确传输与键合，如固晶、引线键合和倒装芯片等封装设备。芯片操作是电子封装中的一个关键工艺过程，其精度和可靠性是IC设备的重要性能指标。
芯片操作装置在高速运动过程中，接触芯片时易于产生较大的冲击力。IC芯片为脆性半导体材料，芯片强度低易碎，所以必须精密控制芯片的操作力。现有的芯片精密操作装置中，如专利CN1613146A所公开的转塔式多芯片拾取和翻转装置，具有工作效率高的优点，但其自身结构复杂，对机械加工和控制要求较高。专利CN201110045760.0公开了一种利用气缸驱动Z向运动，弹簧控制压力的芯片拾取装置，这种装置不能实时调节压力。现有设备中也有采用简单的旋转电机和操作臂的结构形式，在芯片吸取过程中为刚性接触或不接触，易于造成芯片损伤或拾取效率低等问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够保持芯片操作力恒定，降低操作装置接触芯片时产生的冲击力，避免芯片损伤的电磁型芯片操作装置。
为实现上述目的，本发明的电磁型芯片操作装置，包括第一驱动机构、铁磁性外壳和电磁铁衔铁，所述铁磁性外壳中设置有电磁线圈，所述电磁铁衔铁浮搁在所述电磁线圈上，所述电磁铁衔铁上固设有用于吸附芯片的非铁磁性真空吸嘴，所述非铁磁性真空吸嘴沿第一方向伸出所述铁磁性外壳，所述铁磁性外壳、所述电磁线圈和所述电磁铁衔铁共同作用形成比例电磁铁；所述第一驱动机构能够驱动所述铁磁性外壳沿所述第一方向移动；所述比例电磁铁工作时所述电磁铁衔铁受到沿所述第一方向向下的恒定吸力，带动所述非铁磁性真空吸嘴以恒定压力压在所述芯片上。
进一步，所述电磁型芯片操作装置还包括第二驱动机构，所述第二驱动机构通过联轴器与所述电磁铁衔铁相连，所述第二驱动机构能够驱动所述电磁铁衔铁以所述第一方向为轴旋转，进而带动所述非铁磁性真空吸嘴旋转。
进一步，所述联轴器中设置有至少一直线轴承，所述电磁铁衔铁上具有与所述直线轴承数量相匹配并安装在所述直线轴承中的轴杆，使所述电磁铁衔铁与所述第二驱动机构相连。
进一步，所述铁磁性外壳具有桶形外壁，桶形外壁的内侧周向具有L形挡壁，L形挡壁的第一壁沿横向与所述桶形外壁的内侧相连，L形挡壁的第二壁沿所述铁磁性外壳内纵向向上延伸，所述L形挡壁的第二壁的上部与所述铁磁性衔铁相邻的表面为连续的柱面和锥面，与所述铁磁性衔铁之间形成径向气隙和轴向气隙；所述L形挡壁与所述桶形外壁内侧围成用于容置所述电磁线圈的环形容槽；所述比例电磁铁工作时，所述电磁铁衔铁与所述铁磁性外壳之间形成第一磁回路和第二磁回路，所述第一磁回路经过所述L形挡壁的第二壁的柱面径向到达所述电磁铁衔铁，所述第二磁回路经过所述L形挡壁的第二壁的锥面轴向到达所述电磁铁衔铁，产生所述恒定吸力。
进一步，所述L形挡壁的第二壁与所述非铁磁性真空吸嘴之间设置有导向套，所述L形挡壁的第二壁与所述铁磁性衔铁相邻的表面的下部具有向径向延伸的用于对所述导向套限位的凸台。
进一步，所述非铁磁性真空吸嘴通过真空管与抽真空装置连接，所述真空管沿所述电磁铁衔铁和所述铁磁性外壳径向导出，并且所述电磁铁衔铁的外径和所述铁磁性外壳的内径之间具有5-20微米的间隙。
进一步，所述电磁型芯片操作装置还包括与所述第一驱动机构相互配合的导向机构，所述导向机构包括导轨和滑块，所述滑块配合安装在所述导轨上，所述铁磁性外壳设置在所述滑块上，所述第一驱动机构的动力端与所述滑块相连，所述第一驱动机构能够驱动所述滑块沿所述导轨移动，并带动所述铁磁性外壳沿所述导轨移动。
本发明的电磁型芯片操作装置采用比例电磁铁和非铁磁性真空吸嘴相互配合，利用电磁原理和真空吸附对芯片进行操作，无须压力传感器反馈即可获得所需的精确且恒定操作力，降低操作装置接触芯片时产生的冲击力，提高芯片操作的精度和可靠性。
附图说明
图1为本发明的电磁型芯片操作装置的一种实施例的结构示意图；
图2为本发明的电磁型芯片操作装置的另一种实施例的结构示意图；
图3为本发明的电磁型芯片操作装置中磁路的示意图；
图4为图2中A-A剖视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明的电磁型芯片操作装置，包括第一驱动机构1、铁磁性外壳2和电磁铁衔铁3，所述铁磁性外壳2中设置有电磁线圈4，所述电磁铁衔铁3浮搁在所述电磁线圈4上，所述电磁铁衔铁3上固设有用于吸附芯片6的非铁磁性真空吸嘴5，所述非铁磁性真空吸嘴5沿第一方向伸出所述铁磁性外壳2，所述铁磁性外壳2、所述电磁线圈4和所述电磁铁衔铁3共同作用形成比例电磁铁；所述第一驱动机构1能够驱动所述铁磁性外壳2沿所述第一方向移动；所述比例电磁铁工作时所述电磁铁衔铁3受到沿所述第一方向向下的恒定吸力，带动所述非铁磁性真空吸嘴5以恒定压力压在所述芯片6上。
本实施例的电磁型芯片操作装置利用铁磁性外壳、电磁线圈和电磁铁衔铁共同作用形成比例电磁铁，并在电磁铁衔铁上设置非铁磁性真空吸嘴，在磁性原理和真空吸附配合作用下对芯片进行操作，可以通过控制电磁线圈中通入的电流就可以在操作装置接触芯片时获得精确且恒定的操作力，降低操作装置接触芯片时产生的冲击力，提高芯片操作的精度和可靠性。
如图2所示，优选的，所述电磁型芯片操作装置还包括第二驱动机构8，所述第二驱动机构8通过联轴器9与所述电磁铁衔铁3相连，所述第二驱动机构8能够驱动所述电磁铁衔铁3以所述第一方向为轴旋转，进而带动所述非铁磁性真空吸嘴5旋转。其中，第二驱动机构8可以为旋转电机其固定在电机支架上，旋转电机8的输出轴通过联轴器9传递扭矩。在本实施例中电磁型芯片操作装置拾取到芯片6后，若发现芯片6歪斜，可以通过旋转电机8驱动联轴器9、电磁铁衔铁3、非铁磁性真空吸嘴5以及芯片6一起旋转，来调整芯片6的对准角度。
优选的，所述联轴器9中设置有至少一直线轴承10，所述电磁铁衔铁3上具有与所述直线轴承10数量相匹配并安装在所述直线轴承10中的轴杆，使所述电磁铁衔铁3与所述第二驱动机构8相连。本实施例中以设置两个直线轴承、两个轴杆为例进行说明，其中直线轴承和轴杆的数量并不局限于此，可以根据实际需要任意选择。由于在联轴器中设置了直线轴承，芯片操作力不会受到芯片调整角度的影响。
优选的，所述铁磁性外壳2具有桶形外壁，桶形外壁的内侧周向具有L形挡壁，L形挡壁的第一壁21沿横向与所述桶形外壁的内侧相连，L形挡壁的第二壁22沿所述铁磁性外壳内纵向向上延伸，所述L形挡壁的第二壁22的上部与所述铁磁性衔铁相邻的表面为连续的柱面221和锥面222，与所述铁磁性衔铁3之间形成径向气隙和轴向气隙；所述L形挡壁与所述桶形外壁内侧围成用于容置所述电磁线圈4的环形容槽。如图3所示，所述比例电磁铁工作时，所述电磁铁衔铁3与所述铁磁性外壳2之间形成第一磁回路31和第二磁回路32，所述第一磁回路31经过所述L形挡壁的第二壁的柱面221径向到达所述电磁铁衔铁3，产生轴向吸力F1，所述第二磁回路32经过所述L形挡壁的第二壁的锥面222轴向到达所述电磁铁衔铁3，产生轴向吸力F2，F1和F2一起得到电磁铁衔铁3的恒定吸力。当电磁铁衔铁3受到芯片操作力而发生位移时，第一磁回路31与第二磁回路32的磁通量会发生适当增减，使得电磁铁衔铁3所受吸力不变，即可得到恒定的芯片操作力。
优选的，所述L形挡壁的第二壁22与所述非铁磁性真空吸嘴5之间设置有导向套7，所述L形挡壁的第二壁22与所述铁磁性衔铁3相邻的表面的下部具有向径向延伸的用于对所述导向套7限位的凸台23。其中，电磁铁衔铁3与非铁磁性真空吸嘴5移动时可以通过导向套7进行导向，精确控制电磁铁衔铁3与非铁磁性真空吸嘴5沿轴向移动，不会产生晃动，保证芯片操作力不受其他外力影响。凸台23可以托住导向套7，以防止导向套7在重力的作用下滑落。
优选的，所述电磁型芯片操作装置还包括与所述第一驱动机构1相互配合的导向机构，所述导向机构包括滑块11和导轨12，所述滑块11配合安装在所述导轨12上，所述铁磁性外壳2通过机架设置在所述滑块11上，所述第一驱动机构1的动力端与所述滑块11相连，所述第一驱动机构1能够驱动所述滑块沿所述导轨12移动，并带动所述铁磁性外壳2沿所述导轨12移动，保证芯片操作装置一直保持沿轴向移动。
如图4所示，优选的，所述非铁磁性真空吸嘴5通过真空管51与抽真空装置（图中未示出）连接，抽真空装置与真空管51之间通过真空接头52连通，所述真空管51沿所述电磁铁衔铁3和所述铁磁性外壳2径向导出，并且所述电磁铁衔铁3的外径和所述铁磁性外壳2的内径之间具有5-20微米的间隙配合，从而保证了电磁铁衔铁在外壳内不受真空管影响，自由轴向运动和绕轴旋转，避免了真空管弯曲对芯片操作力的影响。
运用本发明拾取芯片，放置或键合芯片时，外部电机驱动直线滑块11作第一方向下降运动，直线滑块11带动整个装置运动。真空吸嘴5接触芯片6前，或者接触基板或晶圆时，电磁线圈4中通入芯片所需操作力对应的电流，该电流大小与电磁铁衔铁3所受吸力关系可通过压力传感器标定。真空吸嘴5接触芯片6时，直线滑块11带动电机支架、旋转电机8、外壳2、联轴器9、直线轴承10、电磁线圈4以及导向套7继续朝轴向（第一方向）下降一定高度，约0.01-0.2mm。此时真空吸嘴5和电磁铁衔铁3的轴向高度不发生变化，但电磁铁衔铁3和外壳2之间发生位移，由于外壳设定的圆柱面和圆锥面结构，电磁铁衔铁3在该位移内受到外壳2的恒定的吸力。故真空吸嘴5以一定恒力压在芯片6上，该恒定压力即为装置的电磁吸力。从而使电子封装设备既满足了工艺要求的定位精度，又兼顾了系统的工作效率。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种电磁型芯片操作装置，其特征在于，包括第一驱动机构、铁磁性外壳和电磁铁衔铁，所述铁磁性外壳中设置有电磁线圈，所述电磁铁衔铁浮搁在所述电磁线圈上，所述电磁铁衔铁上固设有用于吸附芯片的非铁磁性真空吸嘴，所述非铁磁性真空吸嘴沿第一方向伸出所述铁磁性外壳，所述铁磁性外壳、所述电磁线圈和所述电磁铁衔铁共同作用形成比例电磁铁；所述第一驱动机构能够驱动所述铁磁性外壳沿所述第一方向移动；所述比例电磁铁工作时所述电磁铁衔铁受到沿所述第一方向向下的恒定吸力，带动所述非铁磁性真空吸嘴以恒定压力压在所述芯片上。
2.如权利要求1所述的电磁型芯片操作装置，其特征在于，所述电磁型芯片操作装置还包括第二驱动机构，所述第二驱动机构通过联轴器与所述电磁铁衔铁相连，所述第二驱动机构能够驱动所述电磁铁衔铁以所述第一方向为轴旋转，进而带动所述非铁磁性真空吸嘴旋转。
3.如权利要求2所述的电磁型芯片操作装置，其特征在于，所述联轴器中设置有至少一直线轴承，所述电磁铁衔铁上具有与所述直线轴承数量相匹配并安装在所述直线轴承中的轴杆，使所述电磁铁衔铁与所述第二驱动机构相连。
4.如权利要求1所述的电磁型芯片操作装置，其特征在于，所述铁磁性外壳具有桶形外壁，桶形外壁的内侧周向具有L形挡壁，L形挡壁的第一壁沿横向与所述桶形外壁的内侧相连，L形挡壁的第二壁沿所述铁磁性外壳内纵向向上延伸，所述L形挡壁的第二壁的上部与所述铁磁性衔铁相邻的表面为连续的柱面和锥面，与所述铁磁性衔铁之间形成径向气隙和轴向气隙；所述L形挡壁与所述桶形外壁内侧围成用于容置所述电磁线圈的环形容槽；所述比例电磁铁工作时，所述电磁铁衔铁与所述铁磁性外壳之间形成第一磁回路和第二磁回路，所述第一磁回路经过所述L形挡壁的第二壁的柱面径向到达所述电磁铁衔铁，所述第二磁回路经过所述L形挡壁的第二壁的锥面轴向到达所述电磁铁衔铁，产生所述恒定吸力。
5.如权利要求4所述的电磁型芯片操作装置，其特征在于，所述L形挡壁的第二壁与所述非铁磁性真空吸嘴之间设置有导向套，所述L形挡壁的第二壁与所述铁磁性衔铁相邻的表面的下部具有向径向延伸的用于对所述导向套限位的凸台。
6.如权利要求1所述的电磁型芯片操作装置，其特征在于，所述非铁磁性真空吸嘴通过真空管与抽真空装置连接，所述真空管沿所述电磁铁衔铁和所述铁磁性外壳径向导出，并且所述电磁铁衔铁的外径和所述铁磁性外壳的内径之间具有5-20微米的间隙。
7.如权利要求1所述的电磁型芯片操作装置，其特征在于，所述电磁型芯片操作装置还包括与所述第一驱动机构相互配合的导向机构，所述导向机构包括导轨和滑块，所述滑块配合安装在所述导轨上，所述铁磁性外壳设置在所述滑块上，所述第一驱动机构的动力端与所述滑块相连，所述第一驱动机构能够驱动所述滑块沿所述导轨移动，并带动所述铁磁性外壳沿所述导轨移动。
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