CN108063104A - 用于调整接合装置的部件之间的相对位置的系统 - Google Patents

Abstract

本发明接合装置包括可移动接合头夹头、配置为与接合头夹头一起移动的参考标记、翻转头夹头、第一和第二成像装置和调整机构。在使用中，第一成像装置捕获参考标记和翻转头夹头的一个或多个图像，以及第二成像装置捕获参考标记和接合头夹头的一个或多个图像。基于从翻转头夹头、接合头夹头和参考标记的图像确定的偏移，调整机构将接合头夹头的位置与翻转头夹头的位置对准。翻转头夹头拾取电气部件，并将电气部件传送给在对准位置的接合头夹头。

Description

用于调整接合装置的部件之间的相对位置的系统

技术领域

本发明涉及一种用于调整接合装置的不同部件之间的相对位置的系统以及包括了这种系统的接合装置。

背景技术

图1示出了现有技术的接合装置100。接合装置100具有带有结合头夹头104的接合头102和带有翻转头夹头108的翻转头106。在使用中，翻转头夹头108从晶片112拾取芯片110，并且被翻转180°。然后，接合头夹头104从翻转头夹头108拾取芯片110。重要的是通过确保在交接过程中接合头夹头104和翻转头夹头108对准，从而保证将芯片110从翻转头夹头108交接到接合头夹头104的稳定性。这是因为这种交接稳定性对用于芯片接合的焊剂浸渍（flux dipping）的质量以及接合质量都有直接的影响。

接合头夹头104拾取芯片110的位置可以称为具有笛卡尔坐标X、Y的交接位置。在装置100中，交接位置取决于接合头夹头104的位置并且可以通过移动接合头102来调整。交接位置的高度也是固定的，并且由接合装置100获得。交接位置的X和Y的分量通常由手动和自动调整的组合来确定。具体地，用户直观地估计接合头夹头104的中心和翻转头夹头108的中心之间的偏移，并手动调整接合头夹头104的X、Y的位置来使这些中心相对准。

图2是芯片110的中心相对于接合头夹头104的中心的图示。为了验证上述手动调整的精度，首先将接合头夹头104的中心调整到一台仰视相机的光学中心。然后，芯片110由翻转头夹头108拾取并交接给接合头夹头104，然后该接合头夹头104被移动到与仰视相机的光学中心对准的位置。然后，确定芯片110相对于仰视相机的光学中心的位置，芯片110的中心从接合头夹头104的中心偏移偏移量202，相当于其从仰视相机的光学中心偏移偏移量202。理想情况下，这个数值202应该是零。在接合装置100中，如果偏移量202不足够接近零，则需要手动进一步调整接合头102直到偏移量接近零为止。再次验证该补偿的精度，重复调整接合头102并验证补偿的精度的过程，直到偏移量202可接受地接近零。然后，接合头夹头104的最终调整位置用于将芯片110从翻转头夹头108传送到接合头夹头104。

如上所述，接合装置100的设置是繁琐的，因为它要求用户直观估计偏移并手动调整接合头102。此外，装置100的设置时间很长，因为设置需要重复的试错以达到令人满意的效果。

至关重要的是，接合头夹头104在远离夹头104的中心的位置不能拾取芯片110（其可被称为拾取误差）。拾取误差可能导致机器误差。例如，接合头夹头104可能不会成功地拾取芯片110，导致交接失败。也存在芯片110的位置不完全覆盖接合头夹头104上的吸孔的可能性。这引起空气泄漏，导致对芯片110的吸力差，进而增加了芯片110掉落的风险。拾取误差也可能使芯片110旋转，导致检查芯片110需要较大的仰角。由于上述原因，每当出现拾取误差时，产出的接合质量往往很差并且可能发生接合后错误，从而影响装置100的吞吐量。此外，如果芯片110与接合头夹头104的中心之间未对准导致夹头104的吸入孔部分露出，则在焊剂浸渍过程中存在吸入焊剂的风险，进而会污染接合头夹头104。

发明内容

本发明旨在提供一种新的和有用的用于调整接合装置的部件之间的相对位置的系统。

总体来讲，本发明提出了一种具有可移动接合头夹头、翻转头夹头和与接合头夹头一起移动的参考标记的接合装置，其中参考标记用于将接合头夹头的位置与翻转头夹头的位置对准。

具体地，本发明的第一方面是一种接合装置，包括：可移动接合头夹头；参考标记，其被配置为与所述接合头夹头一起移动；翻转头夹头，其被配置成拾取电气部件并将所述电气部件传送到接合头夹头；第一成像装置，其被配置为捕获参考标记和翻转头夹头的一个或多个图像；第二成像装置，其被配置为捕获参考标记和接合头夹头的一个或多个图像；以及调节机构，其基于从翻转头夹头、接合头夹头和参考标记的图像确定的偏移可操作地将接合头夹头的位置和翻转头夹头的位置对准。

可以通过光学校准而非手动地调整上述接合装置中的交接位置。这使得进行调整更加容易。由于不仅在设置接合装置时而且每次在夹头改变之后通常交接位置被调整，所以可以大大减少用户方面的努力。此外，与手动调整接合装置（当不同用户调整交接位置时其通常导致交接位置的变化）相比，可以更精准地调整上述接合装置中的交接位置。这使得接合装置更可靠地处理小型芯片封装。此外，由于通过光学校准获得的交接位置足够准确，因此当夹头改变时可以减少设置时间和重新调整交接位置需要的时间，所以不需要进行基于试错的进一步调整。

第一和第二成像装置可以指向相反的方向。 通过使用这种成像装置，捕获的图像可以包括配置成保持电气部件的夹头的部分（因为这些部分也是相对的）。这可以增加通过捕获的图像确定的交接位置的准确性。

根据权利要求1所述的装置，其中，所述参考标记可在通过第一成像装置能够看到的位置和通过第二成像装置能够看到的位置之间移动.

第一成像装置可以位于翻转头夹头上方的相对固定位置。 这样可以减少接合装置中的可移动部件的数量，进而便于维护接合装置。 参考标记可以在通过第一成像装置能够看到的位置和通过第二成像装置能够看到的位置之间移动。

参考标记可以位于透明体上。 这使得可从透明体的上侧和下侧看到参考标记。这不仅使制造接合装置更容易，而且增加了使用参考标记确定的交接位置的准确度。例如，透明体可以包括玻璃。

可以使用下述信息来确定偏移：接合头夹头与由第二成像装置捕获的接合头夹头和参考标记的一个或多个图像获得的参考标记之间的距离；以及由通过第一成像装置捕获的参考标记和翻转头夹头的一个或多个图像获得的参考标记和翻转头夹头相对于第一成像装置的位置。使用参考标记作为两个成像装置之间的公共参考，使切换位置更容易和精确地确定。

本发明的第二方面是一种用于将可移动接合头夹头的位置与翻转头夹头的位置对准的方法，所述翻转头夹头构造成拾取电气部件并将电气部件传送到接合头夹头，所述方法包括以下步骤：使用第一成像装置捕获翻转头夹头和被配置成随接合头夹头移动的参考标记的一个或多个图像；使用第二成像装置捕获接合头夹头和参考标记的一个或多个图像；使用翻转头夹头、接合头夹头和参考标记的图像确定翻转头夹头和接合头夹头之间的偏移；以及相对翻转头夹头调整接合头夹头以便基于所述确定的偏移使接合头夹头和翻转头夹头的位置对准。

本发明的第三方面是一种接合装置，包括：可移动接头夹头；参考标记，其被配置为与所述接合头夹头一起移动；第一成像装置，其被配置为捕获参考标记和所述接合头夹头可操作地与电气部件接合的接合位置的一个或多个图像；第二成像装置，其被配置为捕获参考标记和接合头夹头的一个或多个图像；以及调整机构，其基于从所述接合位置、接合头夹头和参考标记的图像确定的偏移可操作地将所述接合头夹头的位置与所述接合位置对准。

附图说明

现在将仅参考以下附图来说明本发明的实施例，其中：

图1示出了现有技术的接合装置的示意图；

图2是相对于图1的现有技术的接合装置的接合头夹头的芯片的图示；

图3示出了根据本发明的优选实施例的接合装置的示意图；

图4示出了用于调整相对于图3的接合装置的翻转头夹头的接合头夹头位置的方法的流程图；

图5（a）至图5（h）示出了图4的方法的步骤的示意图；

图6（a）示出了接合台，图6（b）至图6（c）示出了对在接合台的图3的接合装置的热效应；和

图7示出了用于调整图3的接合装置的接合头夹头和接合焊盘之间的相对位置的方法的流程图。

具体实施方式

图3示出了根据本发明的优选实施例的接合装置300的示意图。

接合装置300包括具有接合头夹头304的接合头302和具有翻转头夹头310的翻转头308。接合头302与以编码器306形式存在的调整机构相连接，编码器306又与轨道318连接。编码器306（并且因此，结合头302）可沿着轨道318的长度移动。翻转头308被位置固定并被构造成从保持元件拾取电气部件（例如，从晶片拾取芯片）并且从第一方向反转180°到第二方向。 在第一方向上，翻转头夹头310面向保持元件（向下远离轨道318）以便拾取电气部件，而在第二方向上，翻转头夹头310向上朝向轨道318 以将电气部件传送到接合头夹头304。

透明体以校准玻璃312的形式连接到接合头302。参考标记位于校准玻璃312上从而标记校准玻璃312的中心。如图3所示，校准玻璃312（因此，参考标记）位于距离接合头夹头304一定距离处。参考标记和接合头夹头304之间的初始距离（D）是预先已知的，但是它们在接合装置300使用期间的实际距离可能偏离该初始距离。由于校准玻璃312与接合头302连接，所以每当接合头302移动时，校准玻璃312与参考标记一起随着接合头302移动。校准玻璃312的透明性使得参考标记从校准玻璃312的上侧和下侧都可见。

接合装置300还包括具有成像机构和处理器的视觉系统。成像机构包括具有以对准翻转头的光学器件314的形式存在的第一成像装置和以仰视相机316的形式存在的第二成像装置。对准翻转头的光学器件314和仰视相机316指向相反的方向。特别地，仰视相机316向上朝向轨道318，而对准翻转头的光学器件314向下朝向翻转头夹头310。

在使用中，设置接合装置300具有处于设置位置的接合头302和在第二方向上的翻转头308。接合装置300执行用于调整接合头夹头304相对于翻转头夹头310的位置的方法400，其步骤如图4所示。方法400包括下面详细描述的步骤402至步骤422。

在步骤402中，接合头302从设置位置移动到校准玻璃在仰视相机316上方的第一位置。

在步骤404中，使用仰视相机316捕获（与参考标记一起的）校准玻璃312的图像。

在步骤406中，接合头302从第一位置移动到接合头夹头304位于仰视相机316上方的第二位置。第一和第二位置之间的距离相当于在接合头夹头304和参考标记之间的预先已知的初始距离（D）。

在步骤408中，使用仰视相机316捕获接合头夹头304的图像。

在步骤410中，使用步骤404和408中捕获的图像来计算校准玻璃312的中心（参考标记所在的位置）与接合头夹头304的中心之间的距离。具体地，当校准玻璃312的图像被捕获时参考标记和仰视相机316的中心之间的偏移（O1）以及当接合头夹头304的图像被捕获时接合头夹头304的中心和仰视相机316的中心之间的偏移（O2），分别使用校准玻璃312的图像和接合头夹头304的图像来确定。然后，利用这些偏移（O1，O2）以及第一和第二位置之间的预先已知的距离，通过整合各个偏移来获取或得到校准玻璃312的中心和接合头夹头304中心之间的距离。 通过从仰视相机316观察到的校准玻璃312和接合头夹头304的图案也使用捕获的图像得到。

在步骤412中，接合头302从第二位置移动到校准玻璃312位于翻转对准光学器件314下方的第三位置。

在步骤414中，使用对准翻转头的光学器件314捕获（与参考标记一起的）校准玻璃312的图像。

在步骤416中，接合头302从第三位置移动到远离对准翻转头的光学器件314的第四位置，使得翻转头夹头310可由对准翻转头的光学器件314观看。

在步骤418中，使用对准翻转头的光学器件314捕获翻转头夹头310的图像。

在步骤420中，当参考标记和翻转头夹头310的图像被捕获时，确定参考标记和翻转头夹头310相对于对准翻转头的光学器件314的位置。具体地，当接合头302处于第三位置时参考标记和对准翻转头的光学器件314的中心之间的偏移（O3）以及翻转头夹头310的中心和对准翻转头的光学器件314的中心之间的偏移（O4），分别使用校准玻璃312的图像和翻转头夹头310的图像来确定。 然后，利用这些偏移（O3，O4）以及校准玻璃312的中心和接合头夹头304之间的距离（Dd）, 确定翻转头夹头310的中心和接合头夹头304的中心之间的对准位置。具体地，当参考标记与对准翻转头的光学器件314的中心对准时，根据参考标记的位置的偏移确定对准位置。通过对准翻转头的光学器件314观察到的校准玻璃312和翻转头夹头310的图案也使用捕获的图像得到。

在步骤422中，基于步骤420中确定的对准位置来调整翻转头夹头310与接合头夹头304之间的相对位置。具体地，翻转头308从第二方向反转到第一方向以便从保持元件中拾取电气部件（例如，从晶片拾取芯片），然后反转回到第二方向。然后，接合头302移动到对准位置，在该位置处接合头夹头304的中心与翻转头夹头310的中心对准。当接合头302处于对准位置时，电气部件从翻转头夹头310传送到接合头夹头304。然后，接合头302被移动到接合台用于接合处理。

对预定数量的电气部件重复步骤422。此后，重复步骤402至步骤420以获得翻转头夹头310和接合头夹头304之间的另一对准位置（其可以与先前对准位置相同或不同），并且使用该对准位置，对另一预定数量的电气部件执行步骤422。

图5（a）-图5（h）示出了方法400的步骤。 具体地，图5（e）示出了通过仰视相机316捕获校准玻璃312的图像的步骤404，以及图5（a）示出了此捕获图像中的校准玻璃312的图案。 图5（f）示出了通过仰视相机316捕获接合头夹头304的图像的步骤408，以及图5（b）示出了此捕获图像中的接合头夹头304的图案。 图5（g）示出了通过对准翻转头的光学器件314捕获的校准玻璃312的图像，以及图5（c）示出了此捕获图像中的校准玻璃312的图案。图5（h）示出了通过对准翻转头的光学器件314捕获的翻转头夹头310的图像的步骤418，以及图5（d）示出了此捕获图像中的翻转头夹头310的图案。 在图5（a）-图5（d）中，图案叠加在示出成像装置314、316的各个中心的网格上，以示出校准玻璃312或夹头304、310与相应成像装置的中心的偏移。

如上所述，接合头302移动到用于接合处理的接合台。图6（a）示出了接合台处的接合头302，其包括以接合光学器件602形式存在的第三成像装置和具有接合位置的接合焊盘606，在结合位置处接合头夹头302可操作地接合电子部件604。在图6（a）中，接合光学器件602、 接合头夹头304、电子部件604和接合焊盘606的中心沿对准轴608对准。图6（b）和图6（c）示出了对接合精度影响的热效应。具体地，图6（b）示出了由于接合头302的热膨胀，接合头夹头304的中心如何从对准轴608移位。图6（c）示出了由于接合光学器件602和接合头302的热膨胀，接合光学器件602的中心和接合头夹头304的中心如何从对准轴608移位。当接合头302发生热膨胀时，校准玻璃312的位置（未在图6（a）至图6（c）示出）随接合头夹头304一起移动。图6（b）和图6（c）中接合头夹头304和接合光学器件602的位置的移动导致电气件604与接合焊盘606错误地接合，从而电气部件的中心和接合位置不对准，进而导致接合误差。

为了补偿热效应，接合装置300还可以执行方法700，用于对准接合头夹头304相对于接合焊盘606的接合位置的位置。方法700包括将在下面详述的步骤702至步骤712。

在步骤702中，结合头302移动到第六位置，其中校准玻璃312在接合光学器件602下方。

在步骤704中，使用接合光学器件602捕获校准玻璃312（与参考标记一起）的图像。

在步骤706中，接合头302从第六位置移动到远离接合光学器件602的第七位置，使得接合焊盘606可通过接合光学器件302看到。

在步骤708中，使用接合光学器件602捕获接合焊盘606的图像。

在步骤710中，当参考标记和接合焊盘606的图像被捕获时，确定参考标记的位置和相对于接合光学器件602的接合的位置。具体地，当接合头302在第六位置时参考标记和接合光学器件602的中心之间的偏移（O5），以及接合位置的中心和接合光学器件602的中心之间的偏移（O6），分别使用校准玻璃312的图像和接合焊盘606的图像来确定。然后，使用这些偏移（O5、O6）和校准玻璃312的中心与接合头夹头304之间的距离（Dd，如方法400的步骤410中所确定的），确定接合头夹头304的中心与接合位置之间的对准位置。特别地，通过整合各个偏移来确定对准位置。

在步骤712中，基于在步骤710中推导出的对准位置来调整接合头夹头304相对于接合焊盘606的位置。特别地，将结合头302移动到对准位置，在该位置处接合头夹头304的中心与接合位置的中心对准。 当接合头302处于对准位置时，电气部件从接合头夹头304传送到接合焊盘606，然后接合到接合焊盘606上。

类似的，对预定数量的电气部件重复步骤712， 此后重复步骤702至步骤710以获得接合头夹头304和接合位置之间的更新的对准位置（其可以与先前对准位置相同或不同）。使用该对准位置，对另一预定数量的电气部件执行步骤712。

各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。

例如，通过相应地修改方法400来代替翻盖头夹头310和接合头夹头304，可以在接合装置300的其他部件上使用如上所述的方法400。

步骤422可以包括进一步的子步骤来补偿拾取误差。例如，在翻转头308拾取电子部件并反转回到第二方向之后，电子部件的图像可以被对准翻转头的光学器件314捕获，以及电气部件相对于对准翻转头的光学器件314的位置可以使用捕获的图像来确定。更具体地，可以使用捕获的图像来确定电气部件的中心从对准翻转头的光学器件314的中心的偏移。然后，接合头302移动到接合头夹头304的中心与电气部件的中心对准的位置。该位置基于：（i）翻转头夹头310的中心与在步骤420中确定的接合头夹头304的中心之间的对准位置，以及（ii）电气部件相对于对准翻转头的光学器件314的位置。通过对每个电气部件重复这些子步骤，可以实现交接位置的运行时更新以补偿拾取误差。

在接合预定数量的电气元件之后，代替重复方法400的步骤402至步骤420或方法700的步骤702至步骤710，接合装置300可以包括接收信息（例如自这些步骤的上一次迭代所经历的时间量或接合装置300的不同部件的温度变化）的反馈系统，并且使用该信息来决定是否重复所述步骤。

此外，校准玻璃312可以由任何其他透明体代替。事实上，校准玻璃312也可以由不透明体代替，或者可以完全去除（在后一种情况下，参考标记可以位于接合头302的部件上）。由于参考标记从它所位于的主体的上侧和下侧都不可见，所以如果主体是不透明的在这种情况下，参考标记包括在主体的上侧有至少一个标记以及在主体下侧有至少一个标记，这些标记沿着主体的竖直轴对准。

此外，参考标记不需要位于校准玻璃312的中心。另外，无论参考标记是否位于校准玻璃312的中心，可以相应地修改方法400、700以使接合装置不同部件的点而非中心对准。类似地，在步骤410、420和710中计算参数时，也可使用这些成像装置的其他参考点来代替作为参考点使用的对准翻转头的光学器件314、仰视相机316和接合光学器件602的中心。

Claims (15)

1.一种接合装置，包括：

可移动接合头夹头；

参考标记，其被配置为与所述接合头夹头一起移动；

翻转头夹头，其被配置成拾取电气部件并将所述电气部件传送到所述接合头夹头；

第一成像装置，其被配置为捕获所述参考标记和所述翻转头夹头的一个或多个图像；

第二成像装置，其被配置为捕获所述参考标记和所述接合头夹头的一个或多个图像；和

调整机构，其基于从所述翻转头夹头、接合头夹头和参考标记的图像确定的偏移，可操作地将所述接合头夹头的位置与所述翻转头夹头的位置对准。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二成像装置指向相反的方向。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一成像装置位于所述翻转头夹头上方的相对固定位置。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述参考标记能够在通过所述第一成像装置能够看到的位置和通过所述第二成像装置能够看到的另一位置之间移动。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述参考标记位于透明体上。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述透明体包括玻璃。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，使用下述信息确定所述偏移：

所述接合头夹头和所述参考标记之间的距离，其中所述参考标记从通过所述第二成像装置捕获的所述接合头夹头和所述参考标记的一个或多个图像获得；和

从通过所述第一成像装置捕获的所述参考标记和所述翻转头夹头的一个或多个图像中获得的、所述参考标记和所述翻转头夹头相对于所述第一成像装置的位置。

8.一种用于将可移动接合头夹头的位置与翻转头夹头的位置对准的方法，所述翻转头夹头被配置成拾取电气部件并将所述电气部件传送到所述接合头夹头，所述方法包括以下步骤：

使用第一成像装置捕获所述翻转头夹头和被配置成与所述接合头夹头一起移动的参考标记的一个或多个图像；

使用第二成像装置捕获所述接合头夹头和所述参考标记的一个或多个图像；

使用所述翻转头夹头、接合头夹头和参考标记的图像来确定所述翻转头夹头和所述接合头夹头之间的偏移；和

基于所确定的偏移，相对于所述翻转头夹头调整所述接合头夹头以将所述接合头夹头和所述翻转头夹头的位置对准。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一和第二成像装置指向相反的方向。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一成像装置位于所述翻转头夹头上方的相对固定位置。

11.根据权利要求8所述的装置，其中使用所述第二成像装置捕获所述参考标记的一个或多个图像的步骤还包括下述步骤：将所述参考标记从通过所述第一成像装置能够看到的位置移动到通过所述第二成像装置能够看到的另一个位置。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述参考标记位于透明体上。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述透明体包括玻璃。

14.根据权利要求8所述的方法，其中，使用下述信息确定所述偏移：

所述接合头夹头和所述参考标记之间的距离，其中所述参考标记从通过所述第二成像装置捕获的所述接合头夹头和所述参考标记的一个或多个图像获得；和

从通过所述第一成像装置捕获的所述参考标记和所述翻转头夹头的一个或多个图像中获得的、所述参考标记和所述翻转头夹头相对于所述第一成像装置的位置。

15.一种接合装置，包括：

可移动接合头夹头；

参考标记，其被配置为与所述接合头夹头一起移动；

第一成像装置，其被配置为捕获所述参考标记和接合位置的一个或多个图像，在所述接合位置所述接合头夹头可操作地接合电气部件；

第二成像装置，其被配置为捕获所述参考标记和所述接合头夹头的一个或多个图像；和

调整机构，其基于从所述接合位置、接合头夹头和参考标记的图像确定的偏移，可操作地将所述接合头夹头的位置与所述接合位置对准。