CN105609436A - 一种竖直倒装键合设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于芯片贴装设备相关领域，并公开了一种竖直倒装键合设备，包括供料组件、贴料组件以及双轴驱动组件，其中该供料组件用于完成芯片的供给；该贴料组件包括转盘组件及配套的齿轮拨动机构，其中该转盘组件包括其轴线与X轴方向相平行的转盘、设置在转盘内部的凸轮机构以及沿着转盘的周向方向间隔分布的多个吸嘴组件，由此用于将从晶元盘戳离的芯片予以吸附转移，然后贴装至基板；此外，该齿轮拨动机构设置在转盘的相邻一侧，并用于执行各个所述吸嘴组件沿其自身轴线的旋转运动。通过本发明，能够通过各组件之间的相互联系和共同协作，实现对芯片倒装键合的高效率和高质量处理，同时具备结构紧凑、布局巧妙和操作稳定可靠等优点。

Description

一种竖直倒装键合设备

技术领域

本发明属于芯片贴装设备相关领域，更具体地，涉及一种竖直倒装键合设备。

背景技术

随着信息产业的迅猛发展，电子产品的应用越来越广泛，其需求量也日益增加。如芯片之类的微小电子元器件作为电子产品的最小单位，是电子产品制造和应用的基础。目前，电子元器件由传统PCB通孔插装到贴装转变，组装技术革命迅速升温。SMD正在成为当前和未来国际上一打科技潮流，为电子封装领域带来了新的发展势头。

为了对譬如SMD之类的芯片实现贴装的高效率和可靠性，对贴片相关设备提出了更好的要求：首先，贴片机能准确地从存储芯片处吸取芯片，并能准确贴放到相应位置；此外，贴片机还需保证高效率的吸取贴片动作，降低生产成本，增大生产效率。

现有技术中已经提出了一些用于芯片倒装键合的贴装设备，如CN104409373A提出的一种用于bump晶元的贴片机，CN104752283A提出了一种芯片倒装装置等。然而，进一步的研究表明，这类现有的贴装设备在贴装效率和精度方面仍难于满足现有工况的需求，并存在结构组成复杂、成本高昂，操作不便等缺陷。相应地，本领域亟需针对上述技术问题寻求更为完善的解决方案，以满足目前日益提高的工艺要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种竖直倒装键合设备，其中通过结合芯片贴装的工艺特点进行针对性设计，对其整体构造重新进行布局设计，同时对其关键组件如贴料组件、供料组件、吸嘴组件等的具体结构及其设置方式进行研究和改进，相应与现有设备相比能够显著提高贴装的效率，同时具备结构紧凑、稳定可靠、精度和自动化程度高等特点，因而尤其适用于SMD之类芯片的倒装键合的大批量工业化规模生产场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种竖直倒装键合设备，其特征在于，该竖直倒装键合设备包括供料组件、贴料组件以及双轴驱动组件，其中：

所述供料组件包括晶元盘、顶针单元、X向平动模块和Y向平动模块，其中该晶元盘呈倒置方式设立，并承载有待键合的多个芯片；该顶针单元通过所包含的顶针沿着Z轴方向直线运动，用于将所述晶元盘上的芯片向下戳离；该X向平动模块和Y向平动模块配合用于执行所述晶元盘沿着X轴和Y轴方向的直线移动，由此实现晶元盘及芯片的双自由度运动；

所述贴料组件相对设置在所述晶元盘的下方，并包括转盘组件及配套的齿轮拨动机构，其中该转盘组件包括其轴线与X轴方向相平行的转盘、设置在所述转盘内部的凸轮机构，以及沿着所述转盘的周向方向间隔分布且各自沿着转盘径向方向向外突出的多个吸嘴组件；其中所述转盘配置有直驱电机执行旋转；所述凸轮机构同样配置有凸轮驱动电机执行旋转，进而驱动与此凸轮机构的凸轮外壁相接触的所述吸嘴组件执行伸缩运动；所述吸嘴组件通过与之相连的旋转接头获得气路传输与分配，由此将从所述晶元盘戳离的芯片予以吸附转移，然后贴装至基板；此外，该齿轮拨动机构设置在所述转盘的相邻一侧，并用于执行各个所述吸嘴组件沿其自身轴线的旋转运动；

所述双轴驱动组件包括X轴驱动单元、Y轴驱动单元及其配套的滑轨，并用于使上述供料组件、贴料组件作为整体一同实现在X轴和Y轴方向上的双自由度运动。

作为进一步优选地，上述竖直倒装键合设备优选还包括视觉识别组件，该视觉识别组件包括第一相机、第二相机、第三相机和第四相机，其中该第一相机用于对芯片被所述吸嘴组件执行吸附转移过程中的位置执行实时感测；该第二相机用于对所述吸嘴组件中的吸嘴与芯片之间的对接位置执行实时感测；该第三相机用于对芯片在贴装前后的姿态执行实时感测；该第四相机则用于对芯片在贴装区域的位置执行实时感测。

作为进一步优选地，对于所述吸嘴组件而言，其优选包括吸嘴、吸嘴内轴和吸嘴外轴，其中该吸嘴密封安装在所述吸嘴内轴上，并用于执行芯片的真空吸附转移；该吸嘴内轴嵌合安装在所述吸嘴外轴的内部，并沿着轴线方向具备移动行程；该吸嘴外轴的轴端设置有钢珠滚轮，由此通过此钢珠滚轮与所述凸轮机构的凸轮外壁相滚动接触，进而实现整个吸嘴组件的伸缩运动。

作为进一步优选地，所述齿轮拨动机构包括不完全齿轮，其中当所述转盘上的吸嘴随着此转盘一同旋转时，该不完全齿轮的光面正对着所述吸嘴内轴；而当所述转盘上的吸嘴运动到吸附工位时，该不完全齿轮发生旋转，并通过安装在所述吸嘴内轴上的调整齿轮来对其旋转角度相应进行调节。

作为进一步优选地，在所述吸嘴内轴与所述吸嘴外轴相接触的内侧区域，还加工有短槽且在该短槽内设有滚珠，由此使得当吸嘴内轴与吸嘴外轴能够彼此带动一同旋转。

作为进一步优选地，在所述吸嘴外轴邻近所述钢珠滚轮的一侧，还固定安装有扭簧柱，该扭簧柱的另外一端插入所述转盘中，由此各个吸嘴发生旋转时，所述扭簧柱产生扭力可以使得吸嘴予以复位。

作为进一步优选地，所述贴料组件优选包括有两个所述转盘组件及一个所述齿轮拨动机构，其中这两个转盘组件的结构相同，它们沿着Z轴方向并列分布并且两者所包括的所述吸嘴组件处于同一平面之内。

总体而言，按照本发明的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过结合芯片倒装键合的工艺特征进行针对性设计，相应对本发明中的贴装设备的整体构造重新进行布局设计，并可实现多吸嘴高精度贴装，与现有设备相比显著提高了生产效率；

2、通过对其关键组件的特定组成结构及其设置方式进行研究改进，尤其是采用倒置晶元转移单元、两转盘旋转对接等手段，能够在实现高效率芯片转移的同时，还确保高定位精度和操作便利性；此外，还对各个吸嘴组件的具体组成结构进行了相应设计；

3、按照本发明的贴装设备整体结构紧凑、布局巧妙且操作稳定可靠，而且各个模块单元之间相互联系，共同协作，因而尤其适用于芯片倒装键合贴装的大批量规模化生产场合。

附图说明

图1是按照本发明优选实施方式所构建的竖直倒装键合设备的整体结构示意图；

图2是图1中所示供料组件的结构示意图；

图3是按照本发明优选实施例的双转盘式贴料组件的结构示意图；

图4是对图3中所示转盘组件更为具体的结构示意图；

图5是按照本发明优选实施例的吸嘴组件的结构示意图；

图6是按照本发明的优选实施例的视觉识别组件的布置示意图；

图7是图1中所示双轴驱动组件及支撑组件的结构示意图；

图8是用于显示按照本发明的竖直倒装键合设备用于贴装一个芯片的工艺动作流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施方式所构建的竖直倒装键合设备的整体结构示意图。如图1中所示，该倒装键合设备主要包括供料组件30、贴料组件40以及双轴驱动组件10，此外还可包括作为以上各组件安装基础的支撑组件20等，下面将对这些关键组件逐一进行解释说明。

参见图2，所述供料组件30包括晶元盘33、顶针单元34、X向平动模块31和Y向平动模块32，其中该晶元盘33譬如呈倒置方式设立，并承载有待键合的多个芯片；该顶针单元34通过所包含的顶针沿着Z轴方向直线运动，用于将所述晶元盘上的芯片向下戳离；该X向平动模块31和Y向平动模块32配合用于执行所述晶元盘沿着X轴和Y轴方向的直线移动，由此实现晶元盘及芯片的双自由度运动；此外，还可以包括用于X轴和Y轴方向自由度导线的滑轨35、用于固定晶元盘及其平动模块的固定件36等，其中晶元盘可在固定件35上手动调整安装角度。

参见图3和图4，作为本发明的关键改进之一，所述贴料组件40相对设置在所述晶元盘33的下方，并包括转盘组件41及配套的齿轮拨动机构44，其中对于图3所示的一种优选实施例而言，其包括有两个沿着Z轴方向对齐排布的转盘组件，以及一个共用的齿轮拨动机构，相应通过这两个转盘组件之间的旋转及对接，实现芯片的逐次吸附转移操作。更具体地，各个转盘组件的结构相同，并包括其轴线与X轴方向相平行的转盘411、设置在转盘411内部的凸轮机构416，以及沿着所述转盘411的周向方向间隔分布且各自沿着转盘径向方向向外突出的多个吸嘴组件50；其中所述转盘411配置有直驱电机415执行旋转；所述凸轮机构416同样配置有凸轮驱动电机417执行旋转，进而驱动与此凸轮机构的凸轮外壁相接触的所述吸嘴组件执行伸缩运动；所述吸嘴组件50通过与之相连的旋转接头获得气路传输与分配，由此将从所述晶元盘戳离的芯片予以吸附转移，然后贴装至基板；此外，该齿轮拨动机构44设置在所述转盘411的相邻一侧，并用于执行各个所述吸嘴组件沿其自身轴线的旋转运动。

对照图3更具体地进行说明，该贴料组件包括两个对齐排布的转盘组件41，第一安装板42、第二安装板43，以及齿轮拨动机构44。两个转盘组件安装在第一安装板、第二安装板的情况一致，易保证两个转盘上的所有吸嘴所在的工作平面具有较好的对齐条件，使得两个转盘的吸嘴能较好的对接。其中，转盘组件41包括有转盘411，转盘411上固定有均布的两个或以上的吸嘴组件50，转盘411譬如通过安装法兰414连接到直驱电机415上，直驱电机415实现转盘411的旋转；转盘411还优选与实现多气路控制的过孔式气路旋转接头412的转子连接，过孔式气路旋转接头412的定子通过止动片413固定到第二安装板43上，此外，转盘组件41还包括实现吸嘴组件50沿着其轴向方向伸缩凸轮机构416以及驱动凸轮旋转的凸轮驱动电机417，直驱电机415和凸轮驱动电机417固定在第一安装板42上，齿轮拨动机构44实现吸嘴组件50的旋转运动。

按照本发明的另一优选实施例，还对各个吸嘴组件的具体结构及其设置方式进行了研究设计。如图5中所示，吸嘴组件50包括吸嘴内轴51，其轴端密封一个吸嘴53，轴侧处开设一个通气口，以通气控制吸嘴的吸附；吸嘴内轴51外面套有一个吸嘴外轴52，外轴的轴端譬如用螺纹的方式连接有一个钢珠滚轮54，与所述的凸轮机构414的凸轮滚动接触，吸嘴外轴52为从动件，其上例如卡有卡环挡板55，复位弹簧56一端与卡环挡板55接触，另一端与所述的转盘411安装处的内侧贴合，以此实现凸轮从动件的锁紧。

更具体地，吸嘴轴结构包括吸嘴内轴51和吸嘴外轴52，吸嘴内轴51套在吸嘴外轴52中，吸嘴内轴51上加工有行程槽，一挡销52b穿过吸嘴外轴52插入行程槽内，以此限制吸嘴内轴51与吸嘴外轴52的相对运动。吸嘴外轴内还可以设有一缓冲弹簧57，由此使得譬如采用塑料材质的吸嘴53也具有缓冲的功能，以此实现吸嘴的软着陆。

另外，所述的吸嘴内轴51和吸嘴外轴52的内侧相应位置上还可以加工有一短槽，相应的两短槽配合的槽内设有滚珠52a，形成滚动花键式配合方式，使得吸嘴某一轴转动时带动另一轴一起转动。另外，吸嘴外轴52设置钢珠滚54的一端，优选固定有一扭簧柱58，该扭簧柱的另一端插入转盘411中，当吸嘴轴旋转时，扭簧柱58能产生阻碍吸嘴轴旋转的弹簧力。此外，吸嘴内轴51上优选安装有调整齿轮59，由所述的齿轮拨动机构44啮合转动，以此来调节吸嘴轴的旋转角度。

按照本发明的另一优选实施例，所述的拨动齿轮机构44为不完全齿轮，当转盘411上吸嘴随转盘旋转时，不完全齿轮的光面对着吸嘴内轴51，当吸嘴运动到吸附工位的上方时，拨动齿轮机构旋转，与调整齿轮59啮合转动，以此调整吸嘴内轴的选转角度。当贴装某一芯片，安装相应的晶元时，可首先手动调整其安装角度，吸嘴吸取晶元上剥离的芯片，在扭簧柱和滚动花键式的旋转限制装置下，芯片在吸嘴上的姿态只能是小幅度变动，芯片贴装时，由不完全齿轮机构拨动进行小角度调整，一次完成芯片的对位贴装。

参见图3、4、5，所述的吸嘴内轴侧加工有通气孔，与气路管进行紧密封合，多个吸嘴的气路管与过孔式气路旋转接头转子气口连接，转子固定在转盘411上，随转盘411和吸嘴组件50一起旋转；各个气路通过过孔式气路旋转接头内部结构传给其定子气口，再与气源气路连通，以控制吸嘴的气路连通与控制。过孔式气路旋转接头的定子可通过止动片413与第二安装板43固定。所述的过孔式气路旋转接头能实现多路气的单独控制，适用于转盘式贴片机构的气路情况。

按照本发明的另一优选实施例，如图6中所示，上述竖直倒装键合设备优选还可包括视觉识别组件60，该视觉识别组件60包括第一相机61、第二相机62、第三相机63和第四相机64，其中该第一相机61用于对芯片被所述吸嘴组件执行吸附转移过程中的位置执行实时感测；该第二相机62用于对所述吸嘴组件中的吸嘴与芯片之间的对接位置执行实时感测；该第三相机63用于对芯片在贴装前后的姿态执行实时感测；该第四相机64则用于对芯片在贴装区域的位置执行实时感测。以此方式，实现芯片在吸取、倒装转移、贴放过程中精准对位，保障芯片贴装工艺的精度。

接着参见图7，所述双轴驱动组件10包括X轴驱动单元11、Y轴驱动单元12及其配套的滑轨，并用于使上述供料组件30、贴料组件40等作为整体一同实现在X轴和Y轴方向上的双自由度运动。

下面将参照图8以一个芯片的贴合过程为例，来具体解释按照本发明的倒装键合工艺流程。

如图8所示，一个芯片的运动过程为：第一相机检测到晶元上将要吸取的芯片的位置，X、Y平移模组驱动晶元将相应芯片移动到吸料工位，顶针单元上下运动剥离芯片，同时晶元下面的转盘组件上的吸嘴在凸轮的升程运动中接近晶元吸取芯片，凸轮转动一定角度回程，同时转盘同向转动，到180°时，上、下两个转盘组件的吸嘴在凸轮的回转推动下对接，实现芯片的翻转与转移，第二相机检测两吸嘴的对接情况，凸轮转动一定角度回程，转盘继续转动，期间，第三相机检测吸嘴上芯片的姿态，吸嘴上芯片运动到贴片工位的上方时，齿轮拨动机构的不完全齿轮转动，与拨动齿轮啮合，一次调整芯片的姿态，同时，凸轮转动推动吸嘴伸出，贴放芯片，凸轮回程，同时不完全齿轮反向转动，退出啮合状态，转盘继续转动，第四相机检测到下一个贴片工位，双轴驱动组件驱动整体装置运动至相应位置，开始下一循环。由于采用两个或以上的吸嘴组件，使得晶元运动，取料、对接转移、芯片检测、贴片以及贴片工位的移动可以同步进行，大大提高了作业效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种竖直倒装键合设备，其特征在于，该竖直倒装键合设备包括供料组件(30)、贴料组件(40)以及双轴驱动组件(10)，其中：

所述供料组件(30)包括晶元盘(33)、顶针单元(34)、X向平动模块(31)和Y向平动模块(32)，其中该晶元盘(33)呈倒置方式设立，并承载有待键合的多个芯片；该顶针单元(34)通过所包含的顶针沿着Z轴方向直线运动，用于将所述晶元盘上的芯片向下戳离；该X向平动模块(31)和Y向平动模块(32)配合用于执行所述晶元盘沿着X轴和Y轴方向的直线移动，由此实现晶元盘及芯片的双自由度运动；

所述贴料组件(40)相对设置在所述晶元盘(33)的下方，并包括转盘组件(41)及配套的齿轮拨动机构(44)，其中该转盘组件(41)包括其轴线与X轴方向相平行的转盘(411)、设置在所述转盘(411)内部的凸轮机构(416)，以及沿着所述转盘(411)的周向方向间隔分布且各自沿着转盘径向方向向外突出的多个吸嘴组件(50)；其中所述转盘(411)配置有直驱电机(415)执行旋转；所述凸轮机构(416)同样配置有凸轮驱动电机(417)执行旋转，进而驱动与此凸轮机构的凸轮外壁相接触的所述吸嘴组件执行伸缩运动；所述吸嘴组件(50)通过与之相连的旋转接头获得气路传输与分配，由此将从所述晶元盘戳离的芯片予以吸附转移，然后贴装至基板；此外，该齿轮拨动机构(44)设置在所述转盘(411)的相邻一侧，并用于执行各个所述吸嘴组件沿其自身轴线的旋转运动；

所述双轴驱动组件(10)包括X轴驱动单元(11)、Y轴驱动单元(12)及其配套的滑轨，并用于使上述供料组件(30)、贴料组件(40)作为整体一同实现在X轴和Y轴方向上的双自由度运动。

2.如权利要求1所述的竖直倒装键合设备，其特征在于，上述竖直倒装键合设备优选还包括视觉识别组件(60)，该视觉识别组件(60)包括第一相机(61)、第二相机(62)、第三相机(63)和第四相机(64)，其中该第一相机(61)用于对芯片被所述吸嘴组件执行吸附转移过程中的位置执行实时感测；该第二相机(62)用于对所述吸嘴组件中的吸嘴与芯片之间的对接位置执行实时感测；该第三相机(63)用于对芯片在贴装前后的姿态执行实时感测；该第四相机(64)则用于对芯片在贴装区域的位置执行实时感测。

3.如权利要求1或2所述的竖直倒装键合设备，其特征在于，对于所述吸嘴组件(50)而言，其优选包括吸嘴(53)、吸嘴内轴(51)和吸嘴外轴(52)，其中该吸嘴(53)密封安装在所述吸嘴内轴(51)上，并用于执行芯片的真空吸附转移；该吸嘴内轴(51)嵌合安装在所述吸嘴外轴(52)的内部，并沿着轴线方向具备移动行程；该吸嘴外轴(52)的轴端设置有钢珠滚轮(54)，由此通过此钢珠滚轮与所述凸轮机构(414)的凸轮外壁相滚动接触，进而实现整个吸嘴组件的伸缩运动。

4.如权利要求1-3任意一项所述的竖直倒装键合设备，其特征在于，所述齿轮拨动机构(44)包括不完全齿轮，其中当所述转盘(411)上的吸嘴随着此转盘一同旋转时，该不完全齿轮的光面正对着所述吸嘴内轴(51)；而当所述转盘上的吸嘴运动到吸附工位时，该不完全齿轮发生旋转，并通过安装在所述吸嘴内轴(51)上的调整齿轮(59)来对其旋转角度相应进行调节。

5.如权利要求4所述的竖直倒装键合设备，其特征在于，在所述吸嘴内轴(51)与所述吸嘴外轴(52)相接触的内侧区域，还加工有短槽且在该短槽内设有滚珠(52a)，由此使得当吸嘴内轴与吸嘴外轴能够彼此带动一同旋转。

6.如权利要求5所述的竖直倒装键合设备，其特征在于，在所述吸嘴外轴(52)邻近所述钢珠滚轮(54)的一侧，还固定安装有扭簧柱(58)，该扭簧柱(58)的另外一端插入所述转盘(411)中，由此各个吸嘴发生旋转时，所述扭簧柱产生扭力以使得吸嘴可予以复位。

7.如权利要求1-6任意一项所述的竖直倒装键合设备，其特征在于，所述贴料组件(40)优选包括有两个所述转盘组件(41)及一个所述齿轮拨动机构(44)，其中这两个转盘组件的结构相同，它们沿着Z轴方向并列分布并且两者所包括的所述吸嘴组件处于同一平面之内。