CN110137108A - 一种对称性结构布局的压电顶针系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电子封装技术领域，目的是提供一种对称性结构布局的压电顶针系统，结构紧凑，工作频率高、可靠性强、生产效率高。上述压电顶针系统包括顶针、驱动所述顶针往复运动的驱动机构和传动机构，驱动机构包括框体、设置于所述框体内的多铰链多级放大组件和压电陶瓷，所述压电陶瓷水平设置于所述多铰链多级放大组件内且两端与所述多铰链多级放大组件固定，所述多铰链多级放大组件相对于所述压电陶瓷的轴线上下对称，且所述多铰链多级放大组件、所述传动机构和所述顶针均相对于所述压电陶瓷的垂直中心线左右对称。本发明解决了现有顶针系统零件种类繁多，工作频率低的问题。

Description

一种对称性结构布局的压电顶针系统

技术领域

本发明涉及微电子封装技术领域，特别是涉及一种对称性结构布局的压电顶针系统。

背景技术

芯片剥离是芯片封装工艺的关键技术之一，在芯片剥离过程中顶针系统用于将芯片顶起，使芯片从黏附于蓝膜上的晶圆盘上剥离。顶针系统的工作频率和位置精度直接关系到芯片生产的效率和成品率。

现有的芯片剥离顶针系统，如中国专利文献CN 206584903U公开了一种半导体封装机的顶针升降机构，包括主体，在主体内的腔内装有一个偏心轮，偏心轮固定在伺服电机的轴上，弹簧挡块上面装有压缩弹簧，运动块装在交叉滚子导轨中间；在顶针帽的腔内上部装有顶针座，顶针座下面装顶针，顶针下面装有滚珠衬套导向组件。这种顶针系统利用伺服电机驱动偏心轮上下往复运动，进而带动顶针完成顶起芯片的动作，然后复位。这种利用电机及相应传动机构作为动力来源，为顶针剥离芯片提供所需要的位移及输出力的顶针系统，还要设置光栅传感器等装置来监测并控制位移输出量，保证顶针顶起芯片后的位移及时反馈至控制终端，当顶针运动到指定位移量时，使驱动器停止动作，避免损坏芯片。整个系统零件种类繁多，装配好后整体结构尺寸和重量大，装配调试过程复杂，而且单位时间工作效率低，只能达到每小时最高1.4万次的工作频率，影响集成电路封装工艺的生产效率。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术的芯片剥离顶针系统零件种类繁多，整体结构尺寸和重量大，装配调试过程复杂，工作频率低，影响封装工艺的生产效率，而提供一种零部件较少，结构紧凑，工作频率高、可靠性强的对称性结构布局的压电顶针系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种对称性结构布局的压电顶针系统，包括顶针、驱动所述顶针往复运动的驱动机构和传动机构，所述驱动机构包括框体、设置于所述框体内的多铰链多级放大组件和压电陶瓷，所述压电陶瓷水平设置于所述多铰链多级放大组件内且两端与所述多铰链多级放大组件固定，所述多铰链多级放大组件相对于所述压电陶瓷的轴线上下对称，并且所述多铰链多级放大组件、所述传动机构和所述顶针均相对于所述压电陶瓷的垂直中心线左右对称。

优选地，所述多铰链多级放大组件包括两个装配梁、两个输出梁和四个连接梁，两个所述装配梁分别与所述压电陶瓷的两端连接，两个所述输出梁对称设置在所述压电陶瓷的轴线两侧且位于中间位置，所述连接梁通过柔性铰链连接相邻的所述装配梁和所述输出梁。

优选地，所述连接梁与所述装配梁之间所述柔性铰链的设置位置靠近所述框体，所述连接梁与所述输出梁之间所述柔性铰链的设置位置靠近所述压电陶瓷。

优选地，位于下部的所述输出梁与所述框体固定，位于上部的所述输出梁通过驱动所述传动机构控制所述顶针。

优选地，所述传动机构包括传递杆，所述传递杆的轴线与所述压电陶瓷的垂直中心线重合，所述传递杆的下端与位于上部的所述输出梁接触，所述传递杆外套装有导轴，所述导轴与所述框体固定，所述导轴外设置有用于限位、调节所述传递杆伸出长度的限位调节组件，所述传递杆的上端自所述限位调节组件伸出，并通过连接轴与所述顶针连接。

优选地，所述导轴下端面成型有内凹槽，所述传递杆的下部具有第一凸台，所述第一凸台与所述内凹槽的底面之间设置有套装于所述传递杆外的复位弹簧；在电场作用下，位于上部的所述输出梁对所述传递杆施加的竖直向上作用力大于所述复位弹簧的恢复力。

优选地，所述限位调节组件包括锁紧块和限位螺母，所述锁紧块与所述框体可拆卸连接，所述限位螺母螺接于所述锁紧块的中心孔内，所述传递杆的上端自所述限位螺母的中心孔伸出，所述传递杆伸出所述导轴且位于所述限位螺母内的部分成型有第二凸台，所述第二凸台适于与所述限位螺母中心孔的台阶配合限位所述传递杆伸出所述限位螺母的长度。

优选地，所述传递杆伸出所述限位螺母的部分连接所述连接轴，所述连接轴进而与顶针夹持件连接，所述顶针固定在所述顶针夹持件上。

优选地，位于上部的所述输出梁的上表面中间位置设置有耐磨球，所述耐磨球的球面与所述传递杆的下端面点接触。

优选地，所述耐磨球采用结构陶瓷或硬质合金材料。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明提供的对称性结构布局的压电顶针系统，用于集成电路封装生产环节中的芯片剥离，其驱动机构包括压电陶瓷和多铰链多级放大组件，压电陶瓷和多铰链多级放大组件在装配之后呈现出水平方向和竖直方向完全对称的结构特点，在电场作用下，多铰链多级放大组件能够将压电陶瓷的微米级小行程转换为亚毫米级大行程，这种压电陶瓷通过刚性铰链精准传递并放大位移的驱动方式，位移重复精度高，可实现高频往复动作至少200000次/小时，显著提高了工艺生产效率，而且充分利用了结构空间，零部件较少，结构紧凑，重量轻、集成度高，有效地简化了装配工艺，便于装配与调试，极大降低了系统的人工装配和调试成本，并且系统结构刚度大，在高频振动的同时，保证整个设备的使用寿命。

(2)本发明提供的对称性结构布局的压电顶针系统，传动机构和顶针位于驱动机构的正下方，且均为对称性结构，传递杆的运动为纯粹的轴向往复运动，无任何切向位移或切向分力，使顶针避免了由于切向位移或切向分力所产生的输出位移和输出力的损失，而且避免了传动零部件的磨损，显著提高了往复运动的工作频率。

(3)本发明提供的对称性结构布局的压电顶针系统，在传递杆与输出梁之间设置耐磨球，增加了多铰链多级放大组件与传递杆的耐磨性，并且能阻隔热传递，避免将传递杆上的热量传递给多铰链多级放大组件，进而传递给压电陶瓷，有效的避免了压电陶瓷工作温度过热的情况发生，提高了驱动机构整体的稳定性。

(4)本发明提供的对称性结构布局的压电顶针系统，产品完成度高，顶针的上升高度可调，能够适用于多种应用场合，有效避免了二次开发带来的额外成本，限位调节组件通过螺纹旋合方式调整，结构简单易操作。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明对称性结构布局的压电顶针系统的示意图；

图2是本发明多铰链多级放大组件的示意图；

图3是本发明多铰链多级放大组件的放大原理图。

图中附图标记表示为：1-顶针，2-框体，3-复位弹簧，4-压电陶瓷，5-装配梁，6-输出梁，7-连接梁，8-柔性铰链，9-传递杆，10-导轴，11-连接轴，12-耐磨球，13-锁紧块，14-限位螺母，15-第二凸台，16-台阶，17-顶针夹持件，18-内凹槽，19-第一凸台，20-锁紧螺母，21-预紧螺钉，22-多铰链多级放大组件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，是本发明一种对称性结构布局的压电顶针系统的优选实施例。所述压电顶针系统包括顶针1、驱动所述顶针1往复运动的驱动机构和传动机构。

所述驱动机构包括框体2、设置于所述框体2内的多铰链多级放大组件22和压电陶瓷4。所述压电陶瓷4水平设置于所述多铰链多级放大组件22内且两端与所述多铰链多级放大组件22固定，所述多铰链多级放大组件22相对于所述压电陶瓷4的轴线上下对称，并且，所述多铰链多级放大组件22、所述传动机构和所述顶针1均相对于所述压电陶瓷4的垂直中心线左右对称。

具体地，如图2所示，所述多铰链多级放大组件22包括两个装配梁5、两个输出梁6和四个连接梁7。两个所述装配梁5分别与所述压电陶瓷4的两端通过预紧螺钉21连接，具体地，所述压电陶瓷4的两端预先分别粘接中间触点，所述压电陶瓷4水平放置，所述预紧螺钉21对所述压电陶瓷4两端的中间触点施加一定预紧力，将所述压电陶瓷4与所述装配梁5固定，所述压电陶瓷4为多层压电陶瓷。所述压电陶瓷4作为源动力，其在电场作用下产生伸缩运动，该运动具有的速度和位移特征通过多铰链多级放大机构进行放大，并传递给所述传动机构和顶针。两个所述输出梁6对称设置在所述压电陶瓷4的轴线两侧且位于中间位置，位于下部的所述输出梁6与所述框体2固定，位于上部的所述输出梁6通过驱动所述传动机构控制所述顶针1。所述连接梁7通过柔性铰链8连接相邻的所述装配梁5和所述输出梁6，所述连接梁7与所述装配梁5之间所述柔性铰链8的设置位置靠近所述框体2，所述连接梁7与所述输出梁6之间所述柔性铰链8的设置位置靠近所述压电陶瓷4。

如图3所示，所述多铰链多级放大组件22的放大原理是：在电场作用下，压电陶瓷4会产生水平方向、向外张开的微小形变，由于压电陶瓷4的两端与两个装配梁5固定连接，左右两个装配梁5受到水平方向、向外张开的作用力(图2中“输入”箭头所示)，进而带动连接梁7产生移动，以图中左上方的连接梁7为例，该连接梁7将产生逆时针转动，使两个柔性铰链8的连线(图中虚线)逆时针转动至趋于水平，同理右上方的连接梁7将产生顺时针转动，左下方的连接梁7将产生顺时针转动，右下方的连接梁7将产生逆时针转动；受此作用，上下两个输出梁6将产生竖直方向、向外张开的作用力，由于位于下部的输出梁6与框体2固定连接，因此上下两个输出梁6产生的竖直方向位移量叠加于位于上部的输出梁6上并输出至后续传动机构。该多铰链多级放大机构能够将压电陶瓷的微米级小行程转换亚毫米级大行程。

所述传动机构包括传递杆9，所述传递杆9的轴线与所述压电陶瓷4的垂直中心线重合。所述传递杆9的下端与位于上部的所述输出梁6接触，为了提高耐磨性，位于上部的所述输出梁6的上表面中间位置设置有耐磨球12，所述耐磨球12的球面与所述传递杆9的下端面点接触，所述耐磨球12采用结构陶瓷或硬质合金等耐磨材料，如钨钢，设置该耐磨球能够消除撞击时产生的剪切力，提升磨损件的使用寿命。所述传递杆9外套装有导轴10，所述导轴10与所述框体2固定，所述导轴10下端面成型有内凹槽18，所述传递杆9的下部具有第一凸台19，所述第一凸台19与所述内凹槽18的底面之间设置有套装于所述传递杆9外的复位弹簧3。在电场作用下，位于上部的所述输出梁6对所述传递杆9施加的竖直向上作用力大于所述复位弹簧3的恢复力。

所述导轴10外设置有用于限位、调节所述传递杆9伸出长度的限位调节组件，所述传递杆9的上端自所述限位调节组件伸出，并通过连接轴11与所述顶针1连接。所述限位调节组件包括锁紧块13和限位螺母14，所述锁紧块13与所述框体2可拆卸连接，所述限位螺母14螺接于所述锁紧块13的中心孔内，所述传递杆9的上端自所述限位螺母14的中心孔伸出，所述传递杆9伸出所述导轴10且位于所述限位螺母14内的部分成型有第二凸台15，所述第二凸台15适于与所述限位螺母14中心孔的台阶16配合限位所述传递杆9伸出所述限位螺母14的长度。这种通过结构进行机械限位的方式可靠性强，将限位螺母调整到位后，通过锁紧块将其位置锁死，有效保证传递杆最大位移位置的重复精度，而且利用限位螺母通过螺纹旋合的方式来控制传递杆伸出长度，不仅可进行微调以保证芯片的剥离成功率，而且还可以根据不同类型的芯片剥离工艺，调节顶针上升高度，以便适配不同的工况作业。所述传递杆9伸出所述限位螺母14的部分连接所述连接轴11，所述连接轴11进而与顶针夹持件17连接，所述顶针1通过锁紧螺母20固定在所述顶针夹持件17上，便于拆换，所述顶针1的轴线与所述传递杆9的轴线重合。

本发明对称性结构布局的压电顶针系统，布局合理，空间利用率高，从结构和原理上消除了干扰传递杆垂直运动过程中受到的水平方向的剪切力，使传递杆始终沿自身轴向运动无偏载，避免传递杆运动时产生垂直于其运动方向的位移或力的分量，传递效率高。

下面对本发明对称性结构布局的压电顶针系统的工作过程进行详述：

在电场作用下，压电陶瓷4产生水平方向、向外张开的微小形变，通过多铰链多级放大机构，该水平方向的微米级小行程转换为竖直方向的亚毫米级大行程，并通过位于上部的输出梁6输出；该输出梁6将向上推动传递杆9，使传递杆9在导轴10的导向作用下沿自身轴向向上随动；传递杆9进而带动连接轴11、顶针夹持件17和顶针1等部件一起向上移动；当传递杆9的第二凸台15与所述限位螺母14中心孔的台阶16接触后，传递杆9停止向上移动，顶针1顶起芯片，完成芯片剥离(事先须根据不同芯片的顶起高度，通过旋合限位螺母14调节传递杆9的伸出长度)；电场断开，压电陶瓷4返回到初始位置，位于上部的输出端6向下移动到初始位置，传递杆9及连接轴11、顶针夹持件17和顶针1等部件随动一起下落，由于设置了复位弹簧3，在电场作用消失后，复位弹簧3逐渐复原，使传递杆9等部件的下落过程更加平稳，直至所有部件复位，至此完成一个工作周期的往复运动。

本发明提供的对称性结构布局的压电顶针系统，压电陶瓷的位移量经过多铰链多级放大组件放大之后，传递给传递杆，并最终传递给顶针，这个位移传递过程不存在由于传递杆的切向分力或切向位移分量所导致的压电陶瓷输出位移和输出力的损失，传递效率高，工作寿命长。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种对称性结构布局的压电顶针系统，包括顶针(1)、驱动所述顶针(1)往复运动的驱动机构和传动机构，其特征在于：所述驱动机构包括框体(2)、设置于所述框体(2)内的多铰链多级放大组件(22)和压电陶瓷(4)，所述压电陶瓷(4)水平设置于所述多铰链多级放大组件(22)内且两端与所述多铰链多级放大组件(22)固定，所述多铰链多级放大组件(22)相对于所述压电陶瓷(4)的轴线上下对称，并且所述多铰链多级放大组件(22)、所述传动机构和所述顶针(1)均相对于所述压电陶瓷(4)的垂直中心线左右对称。

2.根据权利要求1所述的对称性结构布局的压电顶针系统，其特征在于：所述多铰链多级放大组件(22)包括两个装配梁(5)、两个输出梁(6)和四个连接梁(7)，两个所述装配梁(5)分别与所述压电陶瓷(4)的两端连接，两个所述输出梁(6)对称设置在所述压电陶瓷(4)的轴线两侧且位于中间位置，所述连接梁(7)通过柔性铰链(8)连接相邻的所述装配梁(5)和所述输出梁(6)。

3.根据权利要求2所述的对称性结构布局的压电顶针系统，其特征在于：所述连接梁(7)与所述装配梁(5)之间所述柔性铰链(8)的设置位置靠近所述框体(2)，所述连接梁(7)与所述输出梁(6)之间所述柔性铰链(8)的设置位置靠近所述压电陶瓷(4)。

4.根据权利要求3所述的对称性结构布局的压电顶针系统，其特征在于：位于下部的所述输出梁(6)与所述框体(2)固定，位于上部的所述输出梁(6)通过驱动所述传动机构控制所述顶针(1)。

5.根据权利要求1-4任一所述的对称性结构布局的压电顶针系统，其特征在于：所述传动机构包括传递杆(9)，所述传递杆(9)的轴线与所述压电陶瓷(4)的垂直中心线重合，所述传递杆(9)的下端与位于上部的所述输出梁(6)接触，所述传递杆(9)外套装有导轴(10)，所述导轴(10)与所述框体(2)固定，所述导轴(10)外设置有用于限位、调节所述传递杆(9)伸出长度的限位调节组件，所述传递杆(9)的上端自所述限位调节组件伸出，并通过连接轴(11)与所述顶针(1)连接。

6.根据权利要求5所述的对称性结构布局的压电顶针系统，其特征在于：所述导轴(10)下端面成型有内凹槽(18)，所述传递杆(9)的下部具有第一凸台(19)，所述第一凸台(19)与所述内凹槽(18)的底面之间设置有套装于所述传递杆(9)外的复位弹簧(3)；在电场作用下，位于上部的所述输出梁(6)对所述传递杆(9)施加的竖直向上作用力大于所述复位弹簧(3)的恢复力。

7.根据权利要求6所述的对称性结构布局的压电顶针系统，其特征在于：所述限位调节组件包括锁紧块(13)和限位螺母(14)，所述锁紧块(13)与所述框体(2)可拆卸连接，所述限位螺母(14)螺接于所述锁紧块(13)的中心孔内，所述传递杆(9)的上端自所述限位螺母(14)的中心孔伸出，所述传递杆(9)伸出所述导轴(10)且位于所述限位螺母(14)内的部分成型有第二凸台(15)，所述第二凸台(15)适于与所述限位螺母(14)中心孔的台阶(16)配合限位所述传递杆(9)伸出所述限位螺母(14)的长度。

8.根据权利要求7所述的对称性结构布局的压电顶针系统，其特征在于：所述传递杆(9)伸出所述限位螺母(14)的部分连接所述连接轴(11)，所述连接轴(11)进而与顶针夹持件(17)连接，所述顶针(1)固定在所述顶针夹持件(17)上。

9.根据权利要求8所述的对称性结构布局的压电顶针系统，其特征在于：位于上部的所述输出梁(6)的上表面中间位置设置有耐磨球(12)，所述耐磨球(12)的球面与所述传递杆(9)的下端面点接触。

10.根据权利要求9所述的对称性结构布局的压电顶针系统，其特征在于：所述耐磨球(12)采用结构陶瓷或硬质合金材料。