CN106559977B - 用于在衬底上安装部件的装置 - Google Patents

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Abstract

用于在衬底上安装部件的装置，包括具有焊接头(6)的拾取和放置系统(5)，摄像机(7)和两个光学偏转系统(8，9)。第一光学偏转系统(8)和摄像机(7)构成第一图像检测系统，用于记录部件被安装到的衬底定点(2)图像。第一光学偏转系统(8)、第二光学偏转系统(9)和摄像机(7)构成第二图像检测系统，用于记录部件(1)底侧的图像。拾取和放置系统(5)以预定的高度H1，在第二光学偏转系统(9)上方将托架(13)从部件(1)的拾取定点移动至衬底定点(2)，使得部件(1)的底侧位于摄像机(7)的焦平面，并且提升托架(13)至相应的预定高度H2，使得衬底定点(2)位于摄像机(7)的焦平面。

Description

用于在衬底上安装部件的装置
技术领域
本发明涉及用于把部件——通常是电子或光学部件、特别是电半导体芯片和倒装芯片——安装在衬底上的装置。这种安装在本领域称为焊接工艺或贴装工艺。
背景技术
这类装置尤其用在半导体工业中。该种装置的一个实例是管芯焊接机或拾取和放置机，半导体芯片、微机械和微光学部件等等形式的部件采用该装置放置并焊接在衬底上，例如，引线框架、印刷电路板、陶瓷等等。部件由焊接头在拾起定点拾起，特别是吸起，移动至衬底定点并放置在衬底上精确限定的位置。焊接头是拾取和放置系统的一部分，能够使焊接头在至少三个空间方向上移动。为确保在衬底上放置部件关于位置能够精确地进行，必须同时确定由焊接头抓取的部件相对于焊接头定位轴的精确位置和衬底定点的精确位置。
在EP449481、US5878484、WO2004064472和EP1916887中已知这种装置，其中使用两个反射镜，相对于垂向约45°扭转布置，使得把部件的底侧突出至摄像机，从而部件的位置随后能够相对于焊接头的定位轴确定。根据EP2373145还可知使用反射镜和五角棱镜突出部件的底侧至摄像机的装置。在这些装置中，摄像机的光轴平行于焊接头的定位轴延伸。在EP2373145的装置中，仅有部件的位置确定，衬底定点的位置不能确定。
在近来设计的工业使用的装置中，一般使用两个摄像机，即布置在衬底平面中或下方并指向上方用于确定部件位置的一个摄像机和布置在衬底平面上方并且指向下方用来确定衬底定点位置的一个摄像机。这些装置的相关缺陷在于焊接头需要首先从拾取位置向布置在衬底平面中或下方的摄像机行进，并且随后进一步行进至衬底定点，其经常需要迂回。
发明内容
本发明基于开发仅需要一个摄像机来确定部件位置和衬底定点位置的装置，并且简化了光学结构，只需要小空间。
附图说明
附图并入本说明书并且作为说明书的一部分，连同详细的描述示出了本发明的一个或者多个实施例，用于阐述本发明的原理和实现。附图是示意性的，而非按照比例绘制。图中：
图1和2示出了依照本发明用于安装部件的装置的两张快照，以及
图3和4示出了单独的光学偏转系统的替换实施例。
具体实施方式
图1和2示意性示出了依照本发明用于把部件1安装在衬底3的衬底定点2上的装置的两张快照的侧视图。所述部件通常是电子、微机械或(微)光学部件，特别是半导体芯片和倒装芯片。该装置包括用于衬底3的支撑部4、带有焊接头6的拾取和放置系统5、单个摄像机7、第一光学偏转系统8、第二光学偏转系统9、第一光源10、第二光源11和第三光源12。焊接头6、第一光学偏转系统8、摄像机7和第二光源11紧固至共同的托架13。第二光学偏转系统9固定布置在所述装置上。衬底3一般具有多个衬底定点(location)。术语“衬底定点2”在下文中一般地理解为位于摄像机7视场中的衬底定点，其中从衬底定点2至摄像机7的射束路径延伸穿过第一光学偏转系统8并在其中偏转至少一次。
用于衬底3的支撑部4的表面限定了衬底平面14。拾取和放置系统5包含至少三个驱动器，用来沿三个空间方向移动托架13，即沿平行于衬底平面14延伸的两个方向和垂直于衬底平面14延伸的在此称作Z方向的方向。焊接头6包括在Z方向延伸的抓取轴15。
摄像机7和第一光学偏转系统8共同构成第一图像检测系统，用于记录部件1被安装到的衬底定点2的图像。摄像机7、第一光学偏转系统8和第二光学偏转系统9共同构成第二图像检测系统，用于记录由焊接头6保持的部件1的底侧的图像。
拾取和放置系统5被设置用来借助焊接头6在拾取定点拾取相应的部件1并把该部件放置在衬底定点2。为了高精度地定位，摄像机7一方面记录部件1的底侧的图像并且另一方面记录部件1被安装到的衬底定点2的图像。
第一光学偏转系统8用于把摄像机7的光轴16变换为更加靠近焊接头6的抓取轴15的光轴17，光轴16按照相对于焊接头6的抓取轴15横向偏移的方式沿Z方向延伸。由于第一光学偏转系统8，第一图像检测系统的物侧光轴17从焊接头6的抓取轴15延伸距离D，该距离D显著地小于焊接头6的抓取轴15与摄像机7的光轴16之间的距离。
只要焊接头6位于第二光学偏转系统9上方预定的工作区域内，第二光学偏转系统9和第一光学偏转系统8协同并把焊接头6保持的部件1的底侧带入摄像机7的视场中。
为了让摄像机7记录部件1的底侧以及部件1被放置的衬底定点2的清晰图像，第一图像检测系统和第二图像检测系统的射束路径的光路必须最大可能程度地等长。通过在Z方向上移动拾取和放置系统5的托架13来调整射束路径的长度。因此，编程该装置，为记录部件1的图像，使托架13在第二光学偏转系统9之上沿Z方向移动至衬底平面14上方的预定高度H1，使得至少部件1在第二光学偏转系统9之上行进期间，部件1的底侧位于摄像机7的焦平面中，从而在部件1的移动期间，摄像机7能够记录部件1底侧的清晰图像，并且为记录衬底定点2的图像，使托架13提升至衬底平面14之上的预定高度H2，使得衬底定点2位于摄像机7的焦平面中，从而摄像机7能够记录衬底定点2的清晰图像。确定两个高度H1和H2的尺寸，使得部件1的底侧与摄像机7之间的射束路径的光学长度和衬底定点2与摄像机7之间的射束路径的光学长度同样大，从而部件1的底侧或衬底定点2当中任一个都位于摄像机7的焦平面中。这适用于H2＞H1，如图1和2中所示。
编程该装置，使得首先记录衬底3的每个衬底定点2的图像，然后在衬底3的各衬底定点2上一个接一个地安装部件1。但还能够编程该装置，使得在每一安装处理期间，记录部件1的底侧图像，并且然后记录相关联的衬底定点2的图像。
图1示出该装置处于一种状态，在该状态下托架13位于预定高度H2，在使得预定衬底定点2处于摄像机7的视场内的位置，从而摄像机7能够记录所述衬底定点2足够清晰的图像。
图2示出该装置处于一种状态，该状态下托架13位于预定高度H1，并且在第二光学偏转系统9的工作区域内，使得部件1的底侧位于摄像机7的视场中，从而摄像机7能够记录部件1的底侧足够清晰的图像。
根据第一实施例，第一光学偏转系统8包括偏转棱镜18和反射镜19。偏转棱镜18是横截面为三角形的物体，并且在两个表面21和22上反射源自衬底平面沿Z方向的光束20。三角形偏转棱镜18的底面22平行于衬底平面14延伸，光束20在该底面22上经受第二次反射。第二表面21是镜面的，并且与底面22夹预定角度α，光束20在该第二表面21上经受第一次反射。确定该角度α，使得光束20在底面22上全反射。为确保发生全反射，角度α必须满足斯涅尔(Snell)折射定律：
α＜90°-arcsin(n(空气)/n(偏转棱镜18))，
其中n(空气)表示空气折射率，并且n(偏转棱镜18)表示偏转棱镜18组成材料的折射率。
根据第一实施例，第二光学偏转系统9包含对称偏转棱镜24，用于反射源自部件1底侧沿抓取轴15的方向的光束25三次，直至其平行于抓取轴15再次离开偏转棱镜24，并投射在第一光学偏转系统8上。光源10布置在偏转棱镜24的一侧，在偏转棱镜24的下方。偏转棱镜24在截面上呈等腰三角形，具有三个表面26、27、28，选择它们的夹角β使得光束25在上表面26上全反射。角度β因此必须满足条件：
β＜90°-arcsin(n(空气)/n(偏转棱镜24))。
由于全反射，上表面26不需要镀银，使得部件1上反射的光能够进入偏转棱镜24，在全部三个表面26、27、28上内部反射，能够再次离开偏转棱镜24，并且能够随后借助第一光学偏转系统8导引至摄像机7。
表面27有益地以镀银的方式形成。如果存在由焊接头6保持的用于部件1的底侧照明的光源10，则表面28未曝光，但另外的三角体29与偏转棱镜24的一部分构成分束器。分束发生在表面28上，例如一般经由受抑全反射。充当分束器层的表面28还能够形成为波尔卡圆点(polkadot)。波尔卡圆点是以矩阵方式布置的反射点组成的图样。
根据第二实施例，如图3和4所示，第一光学偏转系统8包括取代偏转棱镜18的反射镜23，该反射镜与垂直方向呈一角度。该实施例比第一实施例需要更多的空间，其导致的后果是焊接头6的抓取轴15与光轴17之间的距离D比第一实施例中的大，因为反射镜22的所需材料的厚度增大了该距离D。反射镜19和23能够相对于垂直方向倾斜45°，但也可以大于45°或小于45°。然而，这导致了反射镜19在衬底平面14向下的方向上或反射镜23在焊接头6的方向上需要更大的空间。
如图3和4所示，根据第二实施例的第二光学偏转系统9还包括分束器立方体30、五角棱镜31和可选择的透光体32，该透光体32优选地无缝布置在分束器立方体30与五角棱镜31之间。源自部件1的底侧的光束25在分束器立方体30中偏转90°，在五角棱镜31中的两个表面上反射，并且由此总计偏转又一个90°，使得从五角棱镜31发射的光束平行于焊接头6的抓取轴15并且平行于摄像机7的光轴16延伸。当透光体32无缝插入在这两个元件之间并且由相同材料组成时，在从分束器立方体30穿出期间以及在进入五角棱镜31期间，透光体32减小了光学路径并且防止了光束25反射。
两个偏转系统8和9的光学部件由透光材料组成，优选玻璃或具有相对高折射率的透明塑料。
光源10和12用于照明部件1的底侧。光源10优选布置在分束器立方体30下方。分束器立方体30因此用于射入由光源10发射的光，并且用于解耦合在部件1的底侧上反射的光。光源10按照与光轴16共轴的方式照明部件1的底侧，使得以光滑的反射底侧最佳地专门照明部件1，而光源12构成为横向光，使得以粗糙的漫反射底侧最佳地照明部件1。
光源11用于照明衬底定点2。光源11优选地包含照明装置，其优选地环绕第一图像检测系统的光轴17的所有侧面上布置，并且其以横向光的方式照射要照明的衬底定点。它可以另外包括共轴照明。
在焊接头6在第二光学偏转系统9之上行进期间，摄像机7能够记录部件1的底侧的图像，即无需停止，或装置能够在第二光学偏转系统9上方停止焊接头6，使得记录图像。
在全部的实施例中，反射镜19能够省略，并且能够布置摄像机7(以扭转方式)，使得其光轴16与在偏转棱镜18或反射镜23上反射之后光束20的方向一致。
本发明至少提供以下的有益效果：
-仅需要单一的摄像机用来确定由焊接头抓取的部件的精确位置和衬底定点的精确位置。
-第一光学偏转系统移动摄像机的光轴更加靠近焊接头的抓取轴，并且因此增大了机器的工作范围。
-第一光学偏转系统导致从部件底侧至摄像机的光学路径长度的减小，并且因此减小了调节摄像机焦平面所需的高度H1与H2之间的差。
-第二光学偏转系统允许在行进期间记录部件的底侧，无需为此必须停止焊接头。这是因为部件的底侧的图像看上去仍然是静止的，只要部件位于第二光学偏转系统的预定工作区域中。
-第一光学偏转系统刚性连接至焊接头，并且第二光学偏转系统固定布置在机器上。因此在焊接工艺期间一个或者另一个偏转系统或其部件的移动是不必要的。
-高度H1和H2能够经由选择元件24或元件30，31和32的几何形状和材料调节至安装装置的特定需求。
尽管示出和描述了本发明的实施例和应用，很显然，较之上述，受益于本公开的本领域技术人员能够做出更多的修改，而不脱离本发明的构思。因此，本发明除了权利要求和其等价物精神之外不受限制。

Claims (5)

1.用于在衬底(3)上安装部件(1)的装置，包括：
用于所述衬底(3)的支撑部(4)，其中所述支撑部(4)的表面限定了衬底平面(14)，
具有焊接头(6)的拾取和放置系统(5)，其中所述拾取和放置系统(5)被设置成用所述焊接头(6)在拾取定点拾取部件(1)并把所述部件放置在衬底定点(2)上，
摄像机(7)，用于检测由所述焊接头(6)保持的部件(1)的位置并且检测所述部件(1)要被安装到的衬底定点(2)的位置，
第一光学偏转系统(8)，和
第二光学偏转系统(9)，
其中
所述摄像机(7)具有光轴(16)，
所述拾取和放置系统(5)包含可替换的托架(13)，所述第一光学偏转系统(8)、所述摄像机(7)和所述焊接头(6)紧固在该托架(13)上，
所述第二光学偏转系统(9)固定布置在所述装置上，
所述第一光学偏转系统(8)和所述摄像机(7)构成第一图像检测系统，该第一图像检测系统用于记录所述衬底定点(2)的图像，其中所述第一图像检测系统的物侧光轴(17)平行于所述焊接头(6)的抓取轴(15)并且从所述焊接头(6)的抓取轴(15)延伸一段距离(D)，该距离(D)小于所述焊接头(6)的抓取轴(15)与所述摄像机(7)的光轴(16)之间的距离，
所述第一光学偏转系统(8)、所述第二光学偏转系统(9)和所述摄像机(7)构成第二图像检测系统，用于记录所述部件(1)的底侧的图像，以及
所述装置被编程，为了记录所述部件(1)的图像，在所述部件(1)从拾取定点转移至衬底定点(2)期间，以所述衬底平面(14)上方的预定的高度H1，在第二光学偏转系统(9)之上移动所述托架(13)，使得在所述第二光学偏转系统(9)之上行进期间，所述部件(1)的底侧位于所述摄像机(7)的焦平面，并且
为了记录所述衬底定点(2)的图像，在所述衬底平面(14)上方，提升所述托架(13)至预定高度H2，使得所述衬底定点(2)位于所述摄像机(7)的焦平面，
其中，两个高度H1和H2的尺寸被确定成使得所述部件(1)的底侧与所述摄像机(7)之间的射束路径的光学长度与所述衬底定点(2)与所述摄像机(7)之间的射束路径的光学长度相等。
2.根据权利要求1的装置，其中所述第一光学偏转系统(8)包括偏转棱镜(18)和反射镜(19)。
3.根据权利要求1的装置，其中所述第一光学偏转系统(8)包括两个反射镜(19，23)。
4.根据权利要求1至3中任一项的装置，其中所述第二光学偏转系统(9)包括对称偏转棱镜(24)。
5.根据权利要求1至3中任一项的装置，其中所述第二光学偏转系统(9)包括分束器立方体(30)、五角棱镜(31)和无缝布置在所述分束器立方体(30)和五角棱镜(31)之间的透光体(29)。
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