CN110034032B - 一种力反馈闭环控制复合键合装置 - Google Patents

一种力反馈闭环控制复合键合装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种力反馈闭环控制复合键合装置，微动装置由宏动装置带动横向平移与竖向平移；微动装置包括超磁致伸缩致动器，改变自身的长度带动贴装杆位移，超磁致伸缩致动器的伸缩幅度很小，用于驱动贴装杆小范围精准位移；应变片用于检测贴装杆与基板之间的接触力，通过应变片对微动装置提供反馈，根据检测信号控制超磁致伸缩致动器的伸缩量；芯片距离基板较远时由宏动装置快速移动，到达距离基板较近的位置时停止宏动装置，微动装置驱动芯片移动，芯片接触基板时产生接触力，通过接触力形成反馈，避免对芯片产生较大的压力，在贴装的不同阶段使用宏动装置或微动装置驱动，在保证贴片效率的基础上精准控制接触力，避免芯片被压坏。

Description

一种力反馈闭环控制复合键合装置
技术领域
本发明涉及芯片倒装技术领域，更进一步涉及一种力反馈闭环控制复合键合装置。
背景技术
倒装芯片(Flip chip)是一种无引脚结构，一般含有电路单元。在芯片倒装领域，芯片贴合是倒装最关键的环节，在芯片贴合过程中，芯片由贴装头携带转移到基板上，由于贴装头和芯片之间存在挤压，较大的力冲击容易使芯片发生裂纹，造成芯片与天线互连失效；为了保证粘贴封装的可靠性，贴装头把芯片置于基板焊盘之后，还需要以一定的接触力压合一段时间，但不能在接触过程中压坏芯片。
传统的贴装头利用电机驱动位移，利用跟随误差作为是否接触的判断依据，跟随误差是贴装头实际运动输出量与理论运动输出量之间的差值，因此跟随误差是位置参量；在芯片由贴装头带动高速运行过程中，芯片未接触到基板，不受外力作用，实际运动输出量与理论运动输出量误差很小，此时跟随误差是一种比较小的正常值；一旦发生接触，贴装头受到基板阻挡，实际运动输出量与理论运动输出量误差急剧增加，跟随误差陡增，跟随误差超出阈值，减小贴装力的输出，使贴装头进行微小的运动输出。
因此单纯的位置参量控制不能满足贴片的严格要求，对于本领域的技术人员来说，如何更加精确地控制芯片贴装，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种力反馈闭环控制复合键合装置，能够精准控制接触力，避免芯片被压坏，具体方案如下：
一种力反馈闭环控制复合键合装置，包括宏动装置和微动装置，所述微动装置装配在所述宏动装置上，所述微动装置由所述宏动装置带动横向平移与竖向平移；
所述微动装置包括通过调节施加电压控制伸缩的超磁致伸缩致动器，所述超磁致伸缩致动器通过改变自身的长度带动贴装杆位移；
还包括用于检测所述贴装杆与基板之间接触力的应变片，根据所述应变片的检测信号控制所述超磁致伸缩致动器的伸缩量。
可选地，所述微动装置还包括伸缩放大器，所述超磁致伸缩致动器的长度变化经过所述伸缩放大器放大后带动所述贴装杆移动。
可选地，所述微动装置还包括微动基座，所述微动基座滑动安装在所述宏动装置上；所述超磁致伸缩致动器限位安装在所述微动基座上。
可选地，所述超磁致伸缩致动器的伸缩方向与所述贴装杆的运动方向垂直；
所述伸缩放大器包括延长线能够形成菱形的柔性铰链；所述超磁致伸缩致动器和所述贴装杆分别位于菱形的两条对角线上。
可选地，所述伸缩放大器还包括平行设置的驱动块，所述柔性铰链和所述驱动块相交连接形成框架；
框架的侧边包括两个所述柔性铰链，所述柔性铰链的对角线内端连接致动块，对角线外端连接所述驱动块；
位于所述超磁致伸缩致动器其中一侧的所述致动块与所述贴装杆固定，所述贴装杆滑动穿过另一侧的所述致动块。
可选地，所述超磁致伸缩致动器的两侧分别设置两排共四个所述柔性铰链。
可选地，所述应变片的两端分别连接所述贴装杆与所述微动基座。
可选地，所述宏动装置由音圈电机驱动，利用光栅尺实时定位反馈所述微动装置的位置。
本发明公开了一种力反馈闭环控制复合键合装置，微动装置装配在宏动装置上，微动装置由宏动装置带动横向平移与竖向平移，带动微动装置快速的移动到相应的位置，适用于大范围的快速位移；微动装置包括超磁致伸缩致动器，超磁致伸缩致动器通过调节施加电压控制伸缩，改变自身的长度带动贴装杆位移，超磁致伸缩致动器的伸缩幅度很小，用于驱动贴装杆小范围精准位移；应变片用于检测贴装杆与基板之间的接触力，通过应变片对微动装置提供反馈，根据检测信号控制超磁致伸缩致动器的伸缩量；芯片距离基板较远时由宏动装置快速移动，到达距离基板较近的位置时停止宏动装置，微动装置驱动芯片移动，芯片接触基板时产生接触力，通过接触力形成反馈，避免对芯片产生较大的压力，在贴装的不同阶段使用宏动装置或微动装置驱动，在保证贴片效率的基础上精准控制接触力，避免芯片被压坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的力反馈闭环控制复合键合装置一种具体实施例的轴测图；
图2A为本发明提供的力反馈闭环控制复合键合装置一种具体实施例的正视图；
图2B为本发明提供的力反馈闭环控制复合键合装置一种具体实施例的侧视图；
图3为微动装置的轴测图。
图中包括：
宏动装置1、微动装置2、超磁致伸缩致动器21、贴装杆22、伸缩放大器23、柔性铰链231、驱动块232、致动块233、微动基座24、应变片3。
具体实施方式
本发明的核心在于提供一种力反馈闭环控制复合键合装置，能够精准控制接触力，避免芯片被压坏。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本发明的力反馈闭环控制复合键合装置进行详细的介绍说明。
如图1所示，为本发明提供的力反馈闭环控制复合键合装置一种具体实施例的结构图；图2A和图2B分别为本发明提供的力反馈闭环控制复合键合装置一种具体实施例的正视图和侧视图；该装置包括宏动装置1和微动装置2，微动装置2装配在宏动装置1上，微动装置2由宏动装置1带动横向平移与竖向平移；图1中所示仅为宏动装置1中与微动装置2相互装配的部分，图中所示的部分仅限定微动装置2竖向移动，图中所示部分由宏动装置1的其他部分带动做水平移动。宏动装置1可带动微动装置2大范围快速移动，到达靠近或远离芯片的位置。
微动装置2包括超磁致伸缩致动器21，通过调节对超磁致伸缩致动器21施加的电压控制其伸缩，超磁致伸缩致动器21可小幅度伸缩改变长度；超磁致伸缩致动器21连接贴装杆22，超磁致伸缩致动器21通过改变自身的长度带动贴装杆22位移，超磁致伸缩致动器21为动力部件，贴装杆22为从动部件，贴装杆22的端部用于放置芯片，带动芯片移动靠近基板。
本发明的力反馈闭环控制复合键合装置还包括应变片3，应变片3用于检测贴装杆22与基板之间的接触力，根据应变片3的检测信号控制超磁致伸缩致动器21的伸缩量。
芯片距离基板较远时由宏动装置1快速移动，到达距离基板较近的位置时停止宏动装置1，微动装置2中的贴装杆22带动芯片移动，应变片3检测贴装杆22与基板之间的接触力小于阈值时，超磁致伸缩致动器21继续改变长度，芯片继续靠近基板，接触力持续增大；当应变片3检测贴装杆22与基板之间的接触力超过阈值时，调节超磁致伸缩致动器21的施加电压，形成闭环反馈，使超磁致伸缩致动器21停止改变长度，贴装杆22与基板之间的接触力始终小于芯片的压溃压力；此压合状态保持一定的时间，以一定的压力压合芯片，确保芯片牢固地固定在基板上，再按相反的步骤使贴装杆22远离基板。
本发明的力反馈闭环控制复合键合装置在贴装的不同阶段切换宏动装置1或微动装置2驱动，宏动装置1可大范围快速使微动装置2移动，微动装置2可精准地驱动贴装杆22伸缩移动，利用应变片3的压力检测信号实现闭环反馈，芯片所受的压力始终小于芯片的压溃值，在保证贴片效率的基础上精准控制接触力，避免芯片被压坏。
在上述方案的基础上，本发明的微动装置2还包括伸缩放大器23，超磁致伸缩致动器21的长度变化经过伸缩放大器23放大后带动贴装杆22移动，由于超磁致伸缩致动器21的伸缩变形幅度很小，为了保证驱动贴装杆22具有更大的移动范围，通过伸缩放大器23作为中间传动结构，将超磁致伸缩致动器21的变形放大后带动贴装杆22移动。
微动装置2还包括微动基座24，微动基座24为一框架形结构，用于支撑微动装置2的其他部分，超磁致伸缩致动器21、贴装杆22和伸缩放大器23分别安装在微动基座24上，与微动基座24同步移动。
如图3所示，为微动装置2的结构图；微动基座24滑动安装在宏动装置1上，微动基座24的两侧凸出设置两个滑块，滑块插入宏支装置1的滑槽内，通过滑块使微动基座24平移滑动；超磁致伸缩致动器21限位安装在微动基座24上，如图3所示，在微动基座24上设置四个卡块，分别从两侧夹装超磁致伸缩致动器21，超磁致伸缩致动器21通过卡块实现固定，固定安装在微动基座24上，由于卡块仅与超磁致伸缩致动器21的侧壁接触，不影响长度方向的两端，因而超磁致伸缩致动器21可自由伸缩改变长度。除了设置四个卡块固定超磁致伸缩致动器21，也可采用其他的固定形式，本发明在此不再一一列举。
具体地，超磁致伸缩致动器21的伸缩方向与贴装杆22的运动方向垂直，如图2A所示，超磁致伸缩致动器21的长度方向呈横向延伸，沿水平方向伸缩；贴装杆22的长度方向呈竖向延伸，贴装杆22沿竖向移动。
伸缩放大器23包括延长线能够形成菱形的柔性铰链231，柔性铰链231可弹性伸缩变形；超磁致伸缩致动器21和贴装杆22分别位于菱形的两条对角线上，当超磁致伸缩致动器21伸长时，带动其所在的对角线伸长，另一对角线缩短，从而使贴装杆22随之移动，将横向的伸缩转换为竖向的移动。
具体地，如图2A所示，本发明的伸缩放大器23包括平行设置的驱动块232；柔性铰链231和驱动块232相交连接形成框架，驱动块232形成框架相对的两条侧边，柔性铰链231形成矩形另外的侧边。图2A所示位于同一侧边设置两个柔性铰链231，两个柔性铰链231大致平行，柔性铰链231与驱动块232围成的框架大致为矩形。
矩形框架的由柔性铰链231构成两侧边，每条侧边包括两个柔性铰链231；柔性铰链231为长方体块状结构，其纵截面为矩形，矩形的截面有倾斜的对角线，对角线为一条线段，柔性铰链231的对角线内端连接致动块233，对角线外端连接驱动块232，这里所指的内端是两个柔性铰链231相互靠近的一端，相互远离的一端为外端。柔性铰链231对角线的延长线可形成菱形。
超磁致伸缩致动器21的两端分别与两个驱动块232顶靠接触，当超磁致伸缩致动器21伸长时，由于柔性铰链231的对角线两端固定，驱动块232对柔性铰链231施加拉力，使固定的对角线伸长，柔性铰链231扭转变形。
位于超磁致伸缩致动器21其中一侧的致动块233与贴装杆22固定，贴装杆22滑动穿过另一侧的致动块233；图2A中所示，共设置两个致动块233，位于上方的致动块233与贴装杆22固定，位于下方的致动块233上设置贯通孔，贴装杆22滑动穿过下方的致动块233，起到导向的作用。
位于下方的致动块233与微动基座24相互固定，下方的致动块233保持固定不动。
超磁致伸缩致动器211的两侧分别设置两排共四个柔性铰链231，如图2A所示，超磁致伸缩致动器211的上侧设置两排共四个柔性铰链231，下侧同样设置两排共四个柔性铰链231，共设置八个柔性铰链，整个装置运动更加稳定。
位于超磁致伸缩致动器21同侧的柔性铰链231对角线延长线的夹角背向超磁致伸缩致动器21，如图2A所示，位于超磁致伸缩致动器21上侧的柔性铰链231对角线延长线形成的夹角朝上，位于超磁致伸缩致动器21下侧的柔性铰链231对角线延长线形成的夹角朝下；相应地，若调整对角线延长线形成的夹角的朝向也是可以的，上方的夹角向下，下方的夹角向上，只要两侧的夹角对称即可，也可实现相同的技术效果。
如图2A所示，应变片3的两端分别连接贴装杆22与微动基座24，贴装杆22相对于微动基座24滑动，应变片3的两端分别固定连接一段拉杆，应变片3通过拉杆与贴装杆22、微动基座24连接，贴装杆22相对于微动基座24移动时对应变片3形成拉扯，应变片3感知接触力。应变片3优选地采用PVDF压电薄膜。
宏动装置1由音圈电机驱动，利用光栅尺实时定位反馈微动装置2的位置，到达指定位置时音圈电机停止，由微动装置2带动贴装杆22移动贴装，宏动与微动分开独立执行，在一定程度上减少位置控制与力控制的切换频率及次数，控制更加简便。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种力反馈闭环控制复合键合装置，其特征在于，包括宏动装置(1)和微动装置(2)，所述微动装置(2)装配在所述宏动装置(1)上，所述微动装置(2)由所述宏动装置(1)带动横向平移与竖向平移；
所述微动装置(2)包括通过调节施加电压控制伸缩的超磁致伸缩致动器(21)，所述超磁致伸缩致动器(21)通过改变自身的长度带动贴装杆(22)位移；
还包括用于检测所述贴装杆(22)与基板之间接触力的应变片(3)，根据所述应变片(3)的检测信号控制所述超磁致伸缩致动器(21)的伸缩量。
2.根据权利要求1所述的力反馈闭环控制复合键合装置，其特征在于，所述微动装置(2)还包括伸缩放大器(23)，所述超磁致伸缩致动器(21)的长度变化经过所述伸缩放大器(23)放大后带动所述贴装杆(22)移动。
3.根据权利要求2所述的力反馈闭环控制复合键合装置，其特征在于，所述微动装置(2)还包括微动基座(24)，所述微动基座(24)滑动安装在所述宏动装置(1)上；所述超磁致伸缩致动器(21)限位安装在所述微动基座(24)上。
4.根据权利要求3所述的力反馈闭环控制复合键合装置，其特征在于，所述超磁致伸缩致动器(21)的伸缩方向与所述贴装杆(22)的运动方向垂直；
所述伸缩放大器(23)包括延长线能够形成菱形的柔性铰链(231)；所述超磁致伸缩致动器(21)和所述贴装杆(22)分别位于菱形的两条对角线上。
5.根据权利要求4所述的力反馈闭环控制复合键合装置，其特征在于，所述伸缩放大器(23)还包括平行设置的驱动块(232)，所述柔性铰链(231)和所述驱动块(232)相交连接形成框架；
框架的侧边包括两个所述柔性铰链(231)，所述柔性铰链(231)的对角线内端连接致动块(233)，对角线外端连接所述驱动块(232)；
位于所述超磁致伸缩致动器(21)其中一侧的所述致动块(233)与所述贴装杆(22)固定，所述贴装杆(22)滑动穿过另一侧的所述致动块(233)。
6.根据权利要求5所述的力反馈闭环控制复合键合装置，其特征在于，所述超磁致伸缩致动器(21)的两侧分别设置两排共四个所述柔性铰链(231)。
7.根据权利要求5所述的力反馈闭环控制复合键合装置，其特征在于，所述应变片(3)的两端分别连接所述贴装杆(22)与所述微动基座(24)。
8.根据权利要求7所述的力反馈闭环控制复合键合装置，其特征在于，所述宏动装置(1)由音圈电机驱动，利用光栅尺实时定位反馈所述微动装置(2)的位置。
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