CN105070670A - 一种键合头装置及芯片封装装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种键合头装置及芯片封装装置，涉及半导体封装技术领域，解决现有键合头装置高度尺寸过大的问题，该装置包括本体，本体包括：气缸，内部形成一中空的腔体，气缸上开设有真空连接孔；活塞，置于腔体内；花键轴，中空结构，与活塞中心位于同一轴线，第一端与活塞连接；真空吸杆，中空结构，与花键轴第二端固定连接；真空吸杆和花键轴的中空结构相连通至真空连接孔；与花键轴同轴设置的中空电机，花键轴从中空电机的轴心中穿过，中空电机设置于活塞与真空吸杆之间；与花键轴同轴设置的花键套，花键轴与花键套啮合连接，花键套设置于中空电机与活塞之间，花键套与中空电机固定连接。本发明的方案有效降低了键合头装置的高度。

Description

一种键合头装置及芯片封装装置
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种键合头装置及芯片封装装置。
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、高性能和轻薄短小的方向发展，传统的引线键合技术已经不能够满足现需的要求，而倒装芯片技术的发展为高密度封装带来了希望。倒装芯片(Flipchip)技术是半导体芯片以凸点阵列结构与基板直接键合互连的一种封装工艺方法，与传统的引线键合技术相比具有许多明显的优点，包括：优越的电学及热学性能，高I/O引脚数，封装尺寸小等，因而在近年来正成为高端器件及高密度封装领域中经常采用的封装形式。
倒装芯片工艺中的键合头是芯片封装的关键部件，键合头的设计直接影响到芯片封装的可靠性和精度。键合头在键合的过程中需要具有调整芯片角度的功能，以便使芯片与基板对准和定位。因此，一般设计的键合头都具有一个旋转电机，从而带动键合头旋转，调节芯片的角度。现有技术中的键合头装置，具有一个旋转电机，但是该键合头中的旋转电机是安装在整个装置的上方，这样就会造成了键合头的Z向尺寸过大，以至于键合头运动时需要更大的空间，从而也增加了整个倒装设备的尺寸。因此，为了减小整个装置的总尺寸，对各个部件的尺寸优化具有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种键合头装置及芯片封装装置，克服现有技术中键合头装置高度尺寸过大的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种键合头装置，包括本体，该本体包括：
气缸，所述气缸的内部形成一中空的腔体，其中所述气缸上开设有真空连接孔；
活塞，置于所述腔体内；
花键轴，中空结构，与所述活塞的中心位于同一轴线上，所述花键轴的第一端与所述活塞连接，通过所述活塞在所述腔体内沿轴向方向的移动，带动所述花键轴移动；
真空吸杆，中空结构，与所述花键轴的第二端固定连接；其中所述真空吸杆的中空结构和所述花键轴的中空结构相连通，且连通至所述真空连接孔；
与所述花键轴同轴设置的中空电机，其中所述花键轴从所述中空电机的轴心中穿过，且所述中空电机设置于所述活塞与所述真空吸杆之间；
与所述花键轴同轴设置的花键套，所述花键轴与所述花键套啮合连接，且所述花键套设置于所述中空电机与所述活塞之间，所述花键套与所述中空电机固定连接；通过所述中空电机带动所述花键套绕所述花键轴的轴心转动，所述花键轴跟随所述花键套一起转动。
其中，所述键合头装置还包括：一通气孔，凸出设置于所述气缸的顶部的外表面，并与所述腔体连通；所述通气孔进入所述腔体内的气体，对所述活塞施加一沿所述气缸轴向的压力。
其中，所述花键轴和所述真空吸杆之间固定一吸杆轴联器；所述花键轴的下端穿入所述吸杆轴联器上开设的安装孔中，并通过螺栓锁紧实现与所述吸杆轴联器的锁紧。
其中，所述吸杆轴联器的一端面设置多个圆柱槽，所述圆柱槽内设置有磁柱；所述真空吸杆包括同轴设置的安装部和插入部，所述插入部通过所述安装孔插入所述花键轴内，所述安装部与所述吸杆联轴器的端面贴合，并与所述磁柱相互吸附。
其中，所述花键套与所述中空电机直接固定连接。
其中，所述键合头装置还包括：
直线滑块，沿直线轨道运动；
连接支架，将所述本体与所述直线滑块固定。
其中，所述花键套包括与所述花键轴接触的内层和用于固定所述花键套的外层，所述内层和外层之间夹有一层滚珠结构。
其中，所述真空孔凸出于所述气缸的表面。
为了解决上述技术问题，本发明的实施例还提供了一种芯片封装装置，包括如上所述的键合头装置。
其中，所述芯片封装装置还包括：三条直线轨道，一条所述直线轨道垂直设置，两条所述直线轨道水平设置，水平设置的两条所述直线轨道互相垂直；
三个驱动电机，分别驱动直线滑块沿三条所述直线轨道滑动。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明实施例的键合头装置，用于固晶或倒装芯片等封装设备中的芯片拾取和放置工艺。该装置采用合理的设计，利用中空电机的特殊结构，可以使花键轴和真空吸杆直接从电机中间穿过，与传统设计的键合头装置(伺服电机安装于气缸上方)相比，可以有效地减少键合头的高度尺寸，从而减小键合头的运动空间，并且该装置工作精度高、效率高。该装置采用柔性操作，还可以避免对芯片造成的损坏。
附图说明
图1表示本发明实施例中键合头装置的装置本体的剖视图；
图2表示本发明实施例中键合头装置吸附芯片的工况示意图；
图3表示本发明实施例中键合头装置的吸杆联轴器的示意图；
图4表示本发明实施例中键合头装置的外观机构示意图。
附图标记说明：
100-本体，1-气缸，2-活塞，3-通气孔，4-真空连接孔，5-花键轴，6-花键套，61-内层，62-外层，63-滚珠结构，7-中空电机，8-吸杆轴联器，81-安装孔，82-圆柱槽，83-磁柱，9-真空吸杆，91-安装部，92-插入部，10-芯片，11-连接支架，12-直线滑块。
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。
本发明实施例的键合头装置，通过合理布置旋转电机的位置，有效地降低了键合头的Z向高度，并且该装置工作精度高、效率高。该装置采用柔性操作，还可以避免对芯片造成的损坏。
如图1所示，本发明的实施例提供了一种键合头装置，包括本体100，该本体100包括：气缸1，气缸1的内部形成一中空的腔体，其中气缸1上开设有真空连接孔4；活塞2，置于腔体内；花键轴5，中空结构，与活塞2的中心位于同一轴线上，花键轴5的第一端与活塞2连接，通过活塞2在腔体内沿轴向方向的移动，带动花键轴5移动；真空吸杆9，中空结构，与花键轴5的第二端固定连接；其中真空吸杆9的中空结构和花键轴5的中空结构相连通，且连通至真空连接孔4；与花键轴5同轴设置的中空电机7，其中花键轴5从中空电机7的轴心中穿过，且中空电机7设置于活塞2与真空吸杆9之间；与花键轴5同轴设置的花键套6，花键轴5与花键套6啮合连接，且花键套6设置于中空电机7与活塞2之间，花键套6与中空电机7固定连接；通过中空电机7带动花键套6绕花键轴5的轴心转动，花键轴5跟随花键套6一起转动。
具体来说，本发明的目的是针对现有键合头存在的高度尺寸过大的问题，提出了一种键合头装置，可以用于固晶或倒装芯片等封装设备中的芯片10拾取和放置工艺。该装置合理布置旋转电机的位置，其中花键轴5从中空电机7的轴心中穿过，花键轴5穿过花键套6、中空电机7与真空吸杆9固定。当活塞2推动花键轴5，花键轴5带动真空吸杆9可以沿竖直方向运动。真空吸杆9的中空结构和花键轴5的中空结构相连通，且连通至气缸1上开设真空连接孔4，真空连接孔4设置有一凸出于气缸外表面的接头，当外接的设备对真空连接孔4抽气的时候，真空吸杆9可以产生对芯片10的吸力，实现对芯片10的吸取。中空电机7主要用于调节芯片10的角度，以便实现芯片10与基板的准确定位与键合。中空电机7与花键套6直接相连，带动花键套6旋转，从而带动花键轴5和真空吸杆9转动，最终实现芯片10角度的调节。中空电机7的中空结构，有效地降低了键合装置的Z向高度。
进一步来说，本发明实施例的键合头装置还包括：一通气孔3，凸出设置于气缸1的顶部的外表面，并与腔体连通；通气孔3进入腔体内的气体，对活塞2施加一沿气缸1轴向的压力，使得活塞2带动花键轴5沿竖直方向运动。气缸1与活塞2用来提供气动压力，即键合头装置键合时所需的操作力。通过通气孔3向气缸1内通入气体，气体推动活塞2运动，可以提供装置所需的操作力。
其中，花键套6包括与花键轴5接触的内层61和用于固定花键套6的外层62，内层61和外层62之间夹有一层滚珠结构63。设有滚珠结构63的花键套6用于保证精确的直线运动。因为在键合头装置的操作过程中，真空吸杆9需要吸附芯片10进行直线运动，而真空吸杆9直接与花键轴5相连，因此花键轴5运动的直线精度直接决定了芯片10是否能够实现准确键合。采用滚珠结构63的花键套6和花键轴5相配合，滚珠在滚道和保持架的通道内循环，具有自动定心的功能，可以实现较高的直线运动精度，避免芯片10键合时发生倾斜，造成芯片10破碎和键合失败。
如图3所示，作为一种优选的方式，花键轴5和真空吸杆9之间固定一吸杆轴联器8；花键轴5的下端穿入吸杆轴联器8上开设的安装孔81中，并通过螺栓锁紧实现与吸杆轴联器8的锁紧。吸杆轴联器8的一端面设置多个圆柱槽82，圆柱槽82内设置有磁柱83；真空吸杆9包括同轴设置的安装部91和插入部92，插入部92通过安装孔81插入花键轴5内，安装部91与吸杆联轴器8的端面贴合，并与磁柱83相互吸附。为适应不同尺寸的芯片10，需要更换不同的真空吸杆9。吸杆联轴器8采用特殊设计，开设有圆柱槽82，在槽内安放磁柱83，使得吸杆联轴器8具有磁力吸附的功能，可以实现花键轴5和真空吸杆9的快速装配，方便真空吸杆9的更换。
下面结合图1和图2对本装置的工作动作过程进行详细描述。
在芯片10的拾取操作过程中，键合头装置通过真空吸附的功能拾取芯片10。具体的，活塞2、花键轴5和真空吸杆9开设有真空管路，与真空连接孔4构成完整的真空系统。芯片10通过传送带到达拾取位，键合头装置在直线电机的驱动下移动到芯片10附近，利用真空连接孔4抽真空，真空吸杆9将芯片10拾起。
在键合操作过程中，当真空吸杆9拾取到芯片10后，若视觉系统(图中未标出)检测到芯片10有歪斜，控制系统驱动中空电机7旋转一定的调整角度。中空电机7带动花键套6旋转，从而带动花键轴5和真空吸杆9旋转一定的角度，当视觉系统检测到芯片10达到合适的位置时，驱动信号停止，中空电机7停止旋转。
键合头装置还包括：直线滑块12，沿直线轨道运动；连接支架11，将本体100与直线滑块12固定。
如图4所示，本体100和连接支架11相连，连接支架11和直线滑块12相连，直线滑块12在直线电机或丝杠的带动下作直线运动，从而实现键合头装置的直线运动。
本发明实施例的键合头装置还具有对芯片10的柔性保护作用。在直线电机或丝杠的驱动下，直线滑块12带动整个键合头装置做竖直方向运动，当真空吸杆9运动到距离晶圆或基板约1mm时，直线电机或丝杠停止运动。然后，通过通气孔3向气缸1内通气，气体压力驱动活塞2运动，活塞2带动花键轴5和真空吸杆9向下运动，对芯片10进行键合。通气孔3外部连接有比例电气阀，可以柔性调节气缸1内的压力，从而提供合适的键合力。比例电气阀可以对芯片10起到保护作用，避免了因为芯片10厚度的差异或键合力过大造成的芯片10压碎现象。
本发明实施例的键合头装置，通过合理布置旋转电机的位置，有效地降低了键合头的Z向高度，并且该装置工作精度高、效率高。该装置采用柔性操作，还可以避免对芯片造成的损坏。
由于本发明实施例的键合头装置应用于芯片封装装置，因此，本发明实施例还提供了一种芯片封装装置，包括：如上述实施例中所述的键合头装置。其中，上述键合头装置的所述实施例均适用于该芯片封装装置的实施例中，也能达到相同的技术效果。
进一步来说，芯片封装装置还包括：三条直线轨道，一条直线轨道垂直设置，两条直线轨道水平设置，水平设置的两条直线轨道互相垂直；三个驱动电机，分别驱动直线滑块沿三条直线轨道滑动。通过分别设置X、Y、Z三个方向的直线轨道，可以实现键合头装置三个自由度的运动。
在直线轨道上可安装位置传感器和光栅尺，来提高键合头的定位精度，从而提高键合质量。键合头装置的直线运动可以采用直线电机驱动，但不仅限于直线电机驱动，还可以采用丝杠驱动等。
以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种键合头装置，其特征在于，包括本体(100)，该本体(100)包括：
气缸(1)，所述气缸(1)的内部形成一中空的腔体，其中所述气缸(1)上开设有真空连接孔(4)；
活塞(2)，置于所述腔体内；
花键轴(5)，中空结构，与所述活塞(2)的中心位于同一轴线上，所述花键轴(5)的第一端与所述活塞(2)连接，通过所述活塞(2)在所述腔体内沿轴向方向的移动，带动所述花键轴(5)移动；
真空吸杆(9)，中空结构，与所述花键轴(5)的第二端固定连接；其中所述真空吸杆(9)的中空结构和所述花键轴(5)的中空结构相连通，且连通至所述真空连接孔(4)；
与所述花键轴(5)同轴设置的中空电机(7)，其中所述花键轴(5)从所述中空电机(7)的轴心中穿过，且所述中空电机(7)设置于所述活塞(2)与所述真空吸杆(9)之间；
与所述花键轴(5)同轴设置的花键套(6)，所述花键轴(5)与所述花键套(6)啮合连接，且所述花键套(6)设置于所述中空电机(7)与所述活塞(2)之间，所述花键套(6)与所述中空电机(7)固定连接；通过所述中空电机(7)带动所述花键套(6)绕所述花键轴(5)的轴心转动，所述花键轴(5)跟随所述花键套(6)一起转动。
2.如权利要求1所述的键合头装置，其特征在于，所述键合头装置还包括：一通气孔(3)，凸出设置于所述气缸(1)的顶部的外表面，并与所述腔体连通；所述通气孔(3)进入所述腔体内的气体，对所述活塞(2)施加一沿所述气缸(1)轴向的压力。
3.如权利要求1所述的键合头装置，其特征在于，所述花键轴(5)和所述真空吸杆(9)之间固定一吸杆轴联器(8)；所述花键轴(5)的下端穿入所述吸杆轴联器(8)上开设的安装孔(81)中，并通过螺栓锁紧实现与所述吸杆轴联器(8)的锁紧。
4.如权利要求3所述的键合头装置，其特征在于，所述吸杆轴联器(8)的一端面设置多个圆柱槽(82)，所述圆柱槽(82)内设置有磁柱(83)；所述真空吸杆(9)包括同轴设置的安装部(91)和插入部(92)，所述插入部(92)通过所述安装孔(81)插入所述花键轴(5)内，所述安装部(91)与所述吸杆联轴器(8)的端面贴合，并与所述磁柱(83)相互吸附。
5.如权利要求1所述的键合头装置，其特征在于，所述花键套(6)与所述中空电机(7)直接固定连接。
6.如权利要求1所述的键合头装置，其特征在于，所述键合头装置还包括：
直线滑块(12)，沿直线轨道运动；
连接支架(11)，将所述本体(100)与所述直线滑块(12)固定。
7.如权利要求1所述的键合头装置，其特征在于，所述花键套(6)包括与所述花键轴(5)接触的内层(61)和用于固定所述花键套(6)的外层(62)，所述内层(61)和外层(62)之间夹有一层滚珠结构(63)。
8.如权利要求1所述的键合头装置，其特征在于，所述真空连接孔(4)上设置有一凸出于所述气缸(1)表面的接头。
9.一种芯片封装装置，其特征在于，包括如上权利要求1至8任一项所述的键合头装置。
10.如权利要求9所述的芯片封装装置，其特征在于，所述芯片封装装置还包括：三条直线轨道，一条所述直线轨道垂直设置，两条所述直线轨道水平设置，水平设置的两条所述直线轨道互相垂直；
三个驱动电机，分别驱动所述直线滑块(12)沿三条所述直线轨道滑动。
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