CN105789095A - 一种全自动植球机及其植球方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全自动植球机及植球方法。全自动植球机包括架台、网板、供球机构、六自由度机械手、刮板及三维力传感器，网板通过网板夹持机构固定于架台上，所述的网板上设有与晶圆PAD点相对应的网孔，供球机构向网板上供应锡球；六自由度机械手为刮板动作的驱动机构，用于模仿手工植球方式，刮板设在六自由度机械手末端，受六自由度机械手带动而进行植球动作，三维力传感器设在六自由度机械手末端与刮板之间，用于检测植球过程中刮板的受力突变，并将刮板受力信息传递给六自由度机械手。与现有技术相比，本发明的植球机采用六自由度机械手，模仿人工植球动作，使植球动作更柔性、平稳，在工厂大批量生产情况下，稳定的植球质量可以得到保障。

Description

一种全自动植球机及其植球方法

技术领域

本发明涉及一种植球装置，尤其是涉及一种全自动植球机及其植球方法。

背景技术

晶圆级植球机是一种高端半导体封装设备，用于将锡球精准放置于已经印刷助焊剂的晶圆上，目前晶圆级植球机使用的锡球球径一般在75μm～300μm范围内，其核心技术之一就是植球方式。

现有的晶圆级植球设备为了实现将锡球精确植入晶圆，基本采用手工植球、扫球植球、治具吸球植球等方式。

手工植球(如专利CN103606527A)是操作工手拿一个塑料刮板在网板上来回几次刮球，将球刮入网孔内，网孔与晶圆上的PAD点预先对位，每个网孔落入一个锡球，通过此种手动方式将锡球植到晶圆的PAD点上，此种方式需要专业操作人员操作，在工厂大批量生产情况下，植球质量可能受人工操作的影响。

扫球方式(如专利CN101106098A)是用集束多根极细的线做成旋转头，在网板上往复扫球将球扫入网孔内植在晶圆上，此种方式的细线毛刷消耗量大、制作过程及步骤繁琐、需要专业人员经常更换，因而成本较高，植球过程中锡球浪费严重、也容易出现锡球飞溅的情况而影响生产质量。

治具吸球(如专利CN201529822U)是制作一个与晶圆或基板大小相同的治具，治具上制作与需要植球位置相对应的Pin针，利用真空在震动的供料槽内将锡球吸到治具上，再通过精确的定位系统将锡球植入晶圆或基板。此种方式动作机构复杂，需要图像识别系统、精确定位系统、高性能检测系统等，硬件质量要求较高，价格极其昂贵。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种全自动植球机及其植球方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种全自动植球机，包括：

架台，

网板：通过网板夹持机构固定于架台上，所述的网板上设有与晶圆PAD点相对应的网孔，网孔用于锡球的漏入；

供球机构：设在架台上，用于向网板上供应锡球；

六自由度机械手：设在架台旁，为刮板动作的驱动机构，用于模仿手工植球方式；

刮板：设在六自由度机械手末端，受六自由度机械手带动而进行植球动作；

三维力传感器：设在六自由度机械手末端与刮板之间，用于检测植球过程中刮板的受力突变，并将刮板受力信息传递给六自由度机械手。

所述的网板夹持机构为设置在架台四角处的四个网板夹持气缸，所述的网板由四个网板夹持气缸夹持而呈水平状态。

所述的供球机构包括供球气缸、供球盒与供球管，所述的供球盒内盛放锡球，所述的供球气缸设在供球盒出口处，并与供球管上端连接，所述的供球管下端伸到网板上方，所述的供球气缸控制锡球的供应。

所述的网板中部为晶圆位置，晶圆位置下方用于放置晶圆，网板在晶圆位置内设有与晶圆PAD点相对应的网孔。

所述的架台中间部分上下贯通，所述的网板水平设置在架台的中间。

基于上述全自动植球机的植球方法，包括以下步骤：

(1)将在前道工序中印刷完助焊剂的晶圆经由晶圆搬送机构传送到网板下方，由相机对晶圆和网板进行对位调整之后，晶圆搬送机构使晶圆上升至植球位，吸附住网板，晶圆PAD点和网板的网孔一一对应；

(2)供球机构动作，将指定数量的锡球落入到网板中指定位置；

(3)六自由度机械手带动刮板模仿人工植球进行以下动作：铺球、扫球、除净。

所述的网板其中一个角落处设有一机械手待机位置，所述的网板从其中右边到左边对应刮板运行的位置分别为不同的刮板运行位置。

所述的铺球动作具体方法如下：六自由度机械手从机械手待机位置移动到铺球初始的位置，刮板在网板上方间隔一小段距离，此时刮板在网板之间的夹角为α，六自由度机械手带动刮板保持α夹角姿势将锡球从位置推到位置，然后反方向从位置运动的位置，接着反方向从位置运动到位置，最后反方向从位置运动到位置，经过六自由度机械手模拟两次人工铺球动作，此时锡球均匀的铺在网板上，网板上有孔的地方落入一个锡球，植到晶圆相应的PAD点上，其余的锡球留在网板上，由扫球动作将锡球扫到网板一侧。所述的α优选为45°。

所述的扫球动作具体方法如下：铺球完成之后，刮板在位置，六自由度机械手带动刮板移动到位置，刮板在网板上方并紧贴网板，此时刮板和网板之间的夹角为β，六自由度机械手带动刮板保持β夹角姿势，按照走两步退一步的方式将锡球从网板上扫走；走两步退一步的方式具体为：六自由度机械手带动刮板首先从位置运动两步到位置，六自由度机械手抬起一定高度，退一步回到位置，刮板紧贴网板从位置运动两步到位置，六自由度机械手抬起一定高度，退一步回到位置，刮板紧贴网板从位置运动两步到位置，六自由度机械手抬起一定高度，退回到位置，刮板紧贴网板从位置运动两步到位置，扫球完成；在扫球过程中如遇到卡球现象，三维力传感器会检测到刮板受力突变，并将刮板受力信息传递给六自由度机械手，六自由度机械手从该位置退一步重新扫球，以排除卡球现象。所述的β优选为60°。

扫球完成之后，刮板在位置，会有部分锡球遗留在刮板运行方向的两侧，通过除净动作将网板上的锡球扫干净。

所述的除净动作具体方法如下：六自由度机械手带动刮板移动到位置上侧，刮板紧贴网板，此时刮板和网板之间的夹角为δ，六自由度机械手带动刮板保持δ夹角姿势向网板右下角移动到位置的下侧，六自由度机械手抬起一定高度，退回到网板左下方位置下侧，刮板紧贴网板从位置下侧朝网板右上方运动到位置的上侧，经过除净步骤，锡球从网板的植球区域扫干净；在扫球过程中如遇到卡球现象，三维力传感器会检测到刮板受力突变，并将刮板受力信息传递给六自由度机械手，六自由度机械手从该位置退一步重新扫球，以排除卡球现象。所述的δ优选为90°。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明的植球机采用六自由度机械手，模仿人工植球动作，使植球动作更柔性、平稳，在工厂大批量生产情况下，稳定的植球质量可以得到保障；

2、本发明的植球机以及应用该植球机的植球方法较常规的自动植球，材料经济实用、制作简单，植球机结构简洁，更换快速，植球效率高，适应能力强；

3、本发明的植球机操控灵活，通过程序控制可实现不同轨迹动作，利用三维力传感器反馈，可以检测植球过程中卡球等状况，并对迅速调整手臂动作解决突发状况；

4、本发明的植球机采用柔性化设计，利用六自由度机械手可满足不同工作需求，实现一机多用，大大降低制造成本。

附图说明

图1为全自动植球机的立体结构示意图

图2为全自动植球机的俯视结构示意图

图3为网板上刮板运行位置示意图

图4为铺球动作示意图

图5为铺球动作运行线路图

图6为扫球动作示意图

图7为扫球动作运行线路图

图8为除净动作示意图

图9为除净动作运行线路图

图中标号：1.六自由度机械手，2.供球气缸，3.供球盒，4.供球管，5.三维力传感器，6.刮板，7.架台，8.晶圆位置，9.网板，10.网板夹持气缸，11.机械手待机位置，12-18.刮板运行位置，19.锡球，20.晶圆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种全自动植球机，如图1、图2所示，包括架台7、网板9、供球机构、六自由度机械手1、刮板6及三维力传感器5，架台7中间部分上下贯通，网板9水平设置在架台7的中间。网板9通过网板夹持机构固定于架台7上，网板9中部为晶圆位置8，晶圆位置8下方用于放置晶圆20，网板9在晶圆位置8内设有与晶圆20PAD点相对应的网孔，网孔用于锡球19的漏入；网板夹持机构为设置在架台7四角处的四个网板夹持气缸10，网板9由四个网板夹持气缸10夹持而呈水平状态。供球机构设在架台7上，用于向网板9上供应锡球19，供球机构包括供球气缸2、供球盒3与供球管4，供球盒3内盛放锡球19，供球气缸2设在供球盒3出口处，并与供球管4上端连接，供球管4下端伸到网板9上方，供球气缸2控制锡球19的供应。六自由度机械手1设在架台7旁，为刮板6动作的驱动机构，用于模仿手工植球方式；刮板6设在六自由度机械手1末端，受六自由度机械手1带动而进行植球动作；三维力传感器5设在六自由度机械手1末端与刮板6之间，用于检测植球过程中刮板6的受力突变，并将刮板6受力信息传递给六自由度机械手1。

基于上述全自动植球机的植球方法，包括以下步骤：

1、将在前道工序中印刷完助焊剂的晶圆20经由晶圆搬送机构传送到网板9下方，由相机对晶圆20和网板9进行对位调整之后，晶圆搬送机构使晶圆20上升至植球位，吸附住网板9，晶圆20PAD点和网板9的网孔一一对应；

2、供球机构动作，将指定数量的锡球19落入到网板9中指定位置；

3、六自由度机械手1带动刮板6模仿人工植球进行以下动作：铺球、扫球、除净。

如图3所示，网板9其中一个角落处设有一机械手待机位置11，网板9从其中右边到左边对应刮板6运行的位置分别为位置12、13、14、15、16、17、18。

如图4、图5所示，铺球动作具体方法如下：六自由度机械手1从机械手待机位置11移动到铺球初始的位置12，刮板6在网板9上方间隔一小段距离，此时刮板6在网板9之间的夹角为α，六自由度机械手1带动刮板6保持α夹角姿势将锡球19从位置12推到位置17，然后反方向从位置18运动的位置13，接着反方向从位置12运动到位置17，最后反方向从位置18运动到位置13，经过六自由度机械手1模拟两次人工铺球动作，此时锡球19均匀的铺在网板9上，网板9上有孔的地方落入一个锡球19，植到晶圆20相应的PAD点上，其余的锡球19留在网板9上，由扫球动作将锡球19扫到网板9一侧。α优选为45°。

如图6、图7所示，扫球动作具体方法如下：铺球完成之后，刮板6在位置13，六自由度机械手1带动刮板6移动到位置17，刮板6在网板9上方并紧贴网板9，此时刮板6和网板9之间的夹角为β，六自由度机械手1带动刮板6保持β夹角姿势，按照走两步退一步的方式将锡球19从网板9上扫走；走两步退一步的方式具体为：六自由度机械手1带动刮板6首先从位置17运动两步到位置15，六自由度机械手1抬起一定高度，退一步回到位置16，刮板6紧贴网板9从位置16运动两步到位置14，六自由度机械手1抬起一定高度，退一步回到位置15，刮板6紧贴网板9从位置15运动两步到位置13，六自由度机械手1抬起一定高度，退回到位置18，刮板6紧贴网板9从位置18运动两步到位置13，扫球完成；在扫球过程中如遇到卡球现象，三维力传感器5会检测到刮板6受力突变，并将刮板6受力信息传递给六自由度机械手1，六自由度机械手1从该位置退一步重新扫球，以排除卡球现象。β优选为60°。

扫球完成之后，刮板6在位置13，会有部分锡球19遗留在刮板6运行方向的两侧，通过除净动作将网板9上的锡球19扫干净。

如图8、图9所示，除净动作具体方法如下：六自由度机械手1带动刮板6移动到位置18上侧，刮板6紧贴网板9，此时刮板6和网板9之间的夹角为δ，六自由度机械手1带动刮板6保持δ夹角姿势向网板9右下角移动到位置13的下侧，六自由度机械手1抬起一定高度，退回到网板9左下方位置18下侧，刮板6紧贴网板9从位置18下侧朝网板9右上方运动到位置13的上侧，经过除净步骤，锡球19从网板9的植球区域扫干净；在扫球过程中如遇到卡球现象，三维力传感器5会检测到刮板6受力突变，并将刮板6受力信息传递给六自由度机械手1，六自由度机械手1从该位置退一步重新扫球，以排除卡球现象。δ优选为90°。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全自动植球机，其特征在于，包括：

架台(7)，

网板(9)：通过网板夹持机构固定于架台(7)上，所述的网板(9)上设有与晶圆(20)PAD点相对应的网孔；

供球机构：设在架台(7)上，用于向网板(9)上供应锡球(19)；

六自由度机械手(1)：设在架台(7)旁，为刮板(6)动作的驱动机构；

刮板(6)：设在六自由度机械手(1)末端，受六自由度机械手(1)带动而进行植球动作；

三维力传感器(5)：设在六自由度机械手(1)末端与刮板(6)之间，用于检测植球过程中刮板(6)的受力突变，并将刮板(6)受力信息传递给六自由度机械手(1)。

2.根据权利要求1所述的一种全自动植球机，其特征在于，所述的网板夹持机构为设置在架台(7)四角处的四个网板夹持气缸(10)，所述的网板(9)由四个网板夹持气缸(10)夹持而呈水平状态。

3.根据权利要求1所述的一种全自动植球机，其特征在于，所述的供球机构包括供球气缸(2)、供球盒(3)与供球管(4)，所述的供球盒(3)内盛放锡球(19)，所述的供球气缸(2)设在供球盒(3)出口处，并与供球管(4)上端连接，所述的供球管(4)下端伸到网板(9)上方，所述的供球气缸(2)控制锡球(19)的供应。

4.根据权利要求1所述的一种全自动植球机，其特征在于，所述的网板(9)中部为晶圆位置(8)，晶圆位置(8)下方用于放置晶圆(20)，网板(9)在晶圆位置(8)内设有与晶圆(20)PAD点相对应的网孔。

5.根据权利要求1所述的一种全自动植球机，其特征在于，所述的架台(7)中间部分上下贯通，所述的网板(9)水平设置在架台(7)的中间。

6.一种基于权利要求1-5中任一项所述的全自动植球机的植球方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将印刷完助焊剂的晶圆(20)传送到网板(9)下方，对晶圆(20)和网板(9)进行对位调整之后，使晶圆(20)上升至植球位，吸附住网板(9)，晶圆(20)PAD点和网板(9)的网孔一一对应；

(2)供球机构动作，将指定数量的锡球(19)落入到网板(9)中指定位置；

(3)六自由度机械手(1)带动刮板(6)模仿人工植球进行以下动作：铺球、扫球、除净。

7.根据权利要求6所述的植球方法，其特征在于，所述的网板(9)其中一个角落处设有一机械手待机位置(11)，所述的网板(9)从其中右边到左边对应刮板(6)运行的位置分别为位置(12、13、14、15、16、17、18)。

8.根据权利要求7所述的植球方法，其特征在于，所述的铺球动作具体方法如下：

六自由度机械手(1)从机械手待机位置(11)移动到铺球初始的位置(12)，刮板(6)在网板(9)上方间隔一段距离，此时刮板(6)在网板(9)之间的夹角为α，六自由度机械手(1)带动刮板(6)保持α夹角姿势将锡球(19)从位置(12)推到位置(17)，然后反方向从位置(18)运动的位置(13)，接着反方向从位置(12)运动到位置(17)，最后反方向从位置(18)运动到位置(13)，锡球(19)均匀的铺在网板(9)上，网板(9)上有孔的地方落入一个锡球(19)，植到晶圆(20)相应的PAD点上，其余的锡球(19)留在网板(9)上，由扫球动作将锡球(19)扫到网板(9)一侧。

9.根据权利要求7所述的植球方法，其特征在于，所述的扫球动作具体方法如下：

铺球完成之后，刮板(6)在位置(13)，六自由度机械手(1)带动刮板(6)移动到位置(17)，刮板(6)在网板(9)上方并紧贴网板(9)，此时刮板(6)和网板(9)之间的夹角为β，六自由度机械手(1)带动刮板(6)保持β夹角姿势，按照走两步退一步的方式将锡球(19)从网板(9)上扫走；

走两步退一步的方式具体为：六自由度机械手(1)带动刮板(6)首先从位置(17)运动两步到位置(15)，六自由度机械手(1)抬起，退一步回到位置(16)，刮板(6)紧贴网板(9)从位置(16)运动两步到位置(14)，六自由度机械手(1)抬起，退一步回到位置(15)，刮板(6)紧贴网板(9)从位置(15)运动两步到位置(13)，六自由度机械手(1)抬起一定高度，退回到位置(18)，刮板(6)紧贴网板(9)从位置(18)运动两步到位置(13)，扫球完成；

在扫球过程中如遇到卡球现象，三维力传感器(5)会检测到刮板(6)受力突变，并将刮板(6)受力信息传递给六自由度机械手(1)，六自由度机械手(1)从该位置退一步重新扫球，以排除卡球现象。

10.根据权利要求7所述的植球方法，其特征在于，所述的除净动作具体方法如下：

六自由度机械手(1)带动刮板(6)移动到位置(18)上侧，刮板(6)紧贴网板(9)，此时刮板(6)和网板(9)之间的夹角为δ，六自由度机械手(1)带动刮板(6)保持δ夹角姿势向网板(9)右下角移动到位置(13)的下侧，六自由度机械手(1)抬起，退回到网板(9)左下方位置(18)下侧，刮板(6)紧贴网板(9)从位置(18)下侧朝网板(9)右上方运动到位置(13)的上侧，经过除净步骤，锡球(19)从网板(9)上扫干净；

在扫球过程中如遇到卡球现象，三维力传感器(5)会检测到刮板(6)受力突变，并将刮板(6)受力信息传递给六自由度机械手(1)，六自由度机械手(1)从该位置退一步重新扫球，以排除卡球现象。