CN1148268A - 芯片焊接装置 - Google Patents

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Abstract

一种芯片焊接装置，包括：一个框架元件；一个可以控制沿着框架元件作水平直线运动的第一焊头，用于支撑晶片的晶片支撑装置，半导体芯片就从其上制做；第一半导体芯片吸取装置件。它安装在第一焊头里，用于通过真空吸力从晶片上拾取半导体芯片；引线框架传送装置，用于将引线框架送到半导体芯片焊接装置，按要求既可用于直接焊接又可用于间接焊接且包含筒夹替换器的芯片焊接装置是非常有用的。

Description

芯片焊接装置
本发明涉及一种用于制造半导体器件的芯片焊接装置，更具体地，涉及一种用于可选择地进行直接或间接焊接的芯片焊接装置。另外，本发明涉及一种带有筒夹替换器的芯片焊接装置，筒夹替换器能根据芯片大小自动选择多个燕尾型的筒夹。
半导体芯片(semiconductor chip or die)通过焊接工艺连接到晶片上。芯片焊接装置用来将半导体芯片连接到引线框架上。引线框架起着将半导体芯片的功能传送到外部线路中的作用，并且它还支撑着半导体芯片。根据是否使用预调准系统，焊接工艺可以是直接焊接，也可能是间接焊接。
随着半导体器件的高度集成化，芯片的尺寸也越来越大。另外，由于使用了GaAs晶片，芯片的厚度也减少到0.25mm。所以，焊接工艺要有高精度，这里，最好利用装有预调准系统的芯片焊接装置进行间接焊接。
在直接焊接时，从晶片上取下的半导体芯片不必用预调准系统就直接焊到引线框架上。用于直接焊接的芯片焊接装置的速度比用于间接焊接的焊接装置的速度快。所以能提高生产效率。另外，由于装置简单，操作和维修也很方便，同时装置出现的问题也就减少了。因为用于改变芯片大小的控制部分小，直接焊接的装置适合于各种类型的芯片和有限量的生产。
用于直接焊接的芯片焊接装置或用于间接焊接的芯片焊接装置，已根据操作的需要，分别予以应用。由于各种操作条件而需要使用直接焊接和间接焊接两种焊接工艺时，必须提供两种焊接装置，这样会增加成本并需要有安装空间。
同时，在通常的芯片焊接装置中，为了将晶片式芯片焊接到引线框架或印刷电路板上，它具有芯片传送装置。因为半导体芯片的尺寸非常小，在传送过程中，芯片由一个吸嘴或筒夹靠真空吸力来抓持。这里，当芯片是靠筒夹来传送时，由于半导体芯片的尺寸会有变化，筒夹必须根据半导体芯片的大小而进行更换。
通常，筒夹是由技术熟练的操作人员，利用特殊的装配工具，一种夹具，进行手工更换。它需要许多时间，所以也就降低了生产率。
因而，本发明的目的是提供一种芯片焊接装置，它既能用于直接焊接，也能用于间接焊接。
本发明的另一目的是提供一种芯片焊接装置，它具有能根据半导体芯片的大小自动更换筒夹的筒夹替换器。
为了达到上述目的，本发明提供了一种芯片焊接装置，它包括：一个框架元件；一个第一焊头，它可受控沿框架元件在水平方向作直线运动；晶片支撑装置，它用于支撑其上制作有半导体芯片的晶片；第一半导体芯片吸取装置，它安装在第一焊头上，用于通过真空吸力从晶片上拾取半导体芯片；和引线框架传送装置，用于将引线框架传送到半导体芯片焊接位置。
最好是，芯片焊接装置还包括：一个第二焊头，它可受控沿框架元件在水平方向作直线运动；一个预调准系统，用于调准来自第一半导体芯片吸取装置的半导体芯片；和第二半导体芯片吸取装置，它安装在第二焊头中，用于拾取由预调准系统调准的半导体芯片。
最好是，第一和第二半导体芯片吸取装置分别是可更换地安装在第一和第二焊头上的第一和第二筒夹，筒夹由音圈马达提升和下降。
最好是，第一和第二焊头在作水平运动时，是由线性步进马达来驱动。
最好是，在作水平运动时，第一和第二焊头的每个位置都由安装在每个焊头上的线性编码器和安装在框架元件上的线性刻度尺来测定。
最好是，每个筒夹的位置由感应板和接近度检测器来测定。
最好是，第一焊头受控在晶片支撑装置和引线框架传送装置之间往返运动，从而使第一半导体芯片吸取装置从由上述晶片支撑装置支撑的晶片上拆下半导体芯片，然后，将半导体芯片焊接到引线框架传送装置支撑的引线框架上。
最好是，第一焊头受控在晶片支撑装置和预调准系统之间往返运动，从而使第一筒夹从由晶片支撑装置支撑的晶片上拆下半导体芯片，然后，在预调准系统中对其调准。而第二焊头受控在预调准系统和引线框架传送装置之间作往返运动，从而使第二筒夹将预调准系统调准过的半导体芯片焊接到由引线框架支撑装置支撑的引线框架上。
最好是，第一和第二半导体芯片吸取装置都包括：一个第一卡盘，它包括一个燕尾槽和一个孔；一个第一柱体，它包括一个可以通过第一卡盘的孔受控在燕尾槽里作往返运动的杆；和一个筒夹，在它的一侧有一个和第一卡盘上的槽相对应的燕尾形凸缘，另一侧是第二燕尾形凸缘。
最好是，芯片焊接装置还包括一个用于更换筒夹的筒夹替换器，该筒夹替换器包括：多个第二卡盘，其中包括一个和筒夹的第二凸缘相对应的燕尾槽和一个孔；和一个第二柱体，它包括一个可以经过第二卡盘的孔受控作往返运动的杆。
最好是，第二卡盘按预定的间隔在筒夹替换器上呈辐射状排列，其中还包括控制第二卡盘转动的装置，从而使第二柱体的杆可以通过第二卡盘的孔往返运动。
最好是，芯片焊接装置还包括一个弹性元件，它安装在各第二卡盘的一端，用来支撑收装在第二卡盘中的筒夹。
参考附图，通过对优选实施例的详细介绍，上面所述的目的和优点会变得更加明显，其中：
图1是本发明的芯片焊接装置的正视图；
图2是图1中所示芯片焊接装置中焊头的放大图；
图3是图1中所示芯片焊接装置的预调准系统放大的正视图；
图4A至4C是用来解释使用本发明的芯片焊接装置直接焊接工艺的视图；
图5A至5E是用来解释使用本发明的芯片焊接装置间接焊接工艺的视图；
图6是用来表示本发明的筒夹替换器构造的分解图；
图7是说明图6所示筒夹替换器构造的平面图；
图8是本发明的筒夹替换器的平面图；
图9是筒夹替换器沿图8中IX-IX截取的示意性剖视图；及
图10是本发明芯片焊接装置上安装有筒夹替换器的部分的正视图。
参见图1，本发明的芯片焊接装置10包括：第一焊头11和第二焊头12；一个引线框架传送部分14；一个预调准系统19；一个晶片支架15和一个活塞16。另外，例如在预调准系统19旁边，还可设有一个套筒替换器(见图8)。
焊头11和12由一个马达(图中没有显示)在框架13上作直线往返运动。引线框架传送部分14顺序地将引线框架17送到一预定位置。焊头11和12都能在晶片18、预调准系统19或引线框架之上水平移动。预调准系统19仅用在间接焊接，并且它最好是位于引线框架传送部分14和框架13下面的晶片支架15之间。
晶片支架15支撑晶片18，晶片18上形成有半导体芯片。晶片支架15能水平移动支撑在它上面的晶片18，即，为了受控作水平运动的焊头11和12在预定位置通过吸力拾取芯片，晶片18要水平位移。
图2是图1所示芯片焊接装置的焊头11(12)的放大图，它位于引线框架传送部分14之上。焊头11(12)中包含一个感应体21，由此，通过线性马达使焊头进行往返的水平运动。焊头11(12)的水平位置可以通过线性编码器27来测定。可更换地固定在焊头11(12)上的筒夹24从图1所示的晶片18上拆下半导体芯片，并将它们固定在引线框架17上(见图1)。筒夹24通过真空吸力拾取半导体芯片。这里，在另外一个实施例中，真空吸嘴可以代替筒夹24。筒夹24可以通过驱动音圈马达(VCM)29沿垂直方向移动。音圈马达29是由支座22支撑的。筒夹24的垂直运动可以由感应板25和接近度检测器26来测定和控制。
图3是图1所示预调准系统19的放大图。预调准系统19用来调准位于调节部分38之上的半导体芯片的位置。预调准系统19中夹片32具有确定半导体芯片位置的功能。在使用预调准系统19进行间接焊接时，第一焊头11从晶片18上取下半导体芯片，并在预调准系统19中调节部分38的表面上调准芯片。第二焊头12拾取在调节部分38之上经调准的半导体芯片，并将它们连接到引线框架17上。
调节部分38的表面上有一个真空孔37，所以可以通过真空孔37产生的真空吸力将芯片固定在调节部分38之上。马达31驱动凸轮33，通过凸轮随动件34带动夹片32运动。夹片32将调节部分38表面上的芯片调准到预定位置。预调准以后，焊头12(见图1)拾取芯片并将它焊到引线框架17上。
下面将介绍芯片焊接装置的操作。这种芯片焊接装置即可用于直接焊接也可用于间接焊接。
图4A显示了直接焊接时焊头11和12的初始位置。其中，第二焊头12位于引线框架传送部分14的中间，第一焊头11位于晶片支架15的中间。当进行直接焊接时，仅使用第一焊头11。相应地，第二焊头12就被移到一个备用位置。
图4B显示了被移到备用位置的第二焊头12的位置。此时，第二焊头12位于框架13左侧最远端。所以，第一焊头11移到芯片上的拾取位置。芯片的拾取位置可以任意确定，在图4C中所示的实施例中，芯片的拾取位置是在框架13右侧最远端。焊头11和12的水平位置分别由安装在它们当中的线型编码器27来控制。当第一焊头11位于右侧最远端时，筒夹24随着音圈马达29(见图2)的运行而下降。筒夹24通过真空吸力从晶片18上卸下并拾取半导体芯片。这里，筒夹24下降的距离h1由接近度检测器26(见图2)和感应板25控制。当引杆(图中没有显示)从活塞16中伸出时，就可以取下半导体芯片。
筒夹24拾取的半导体芯片由音圈马达29提起，并随着第一焊头1的水平移动将芯片送到引线框架传送部分14所支承的引线框架17中。然后，筒夹24下降，且其随着真空状态消失而放开芯片，并将芯片在引线框架17上调准到预定位置，再进行焊接。
同时，当半导体芯片从晶片18上拆开并移走时，为了能取下并移动下一个芯片，晶片支架15最好能够步进运动。也就是说，晶片支架15移动一步，第一焊头1就能在固定的位置从晶片18上拾取半导体芯片。所以，下一个半导体芯片就能放在该拾取位置上。
图5A至5E显示了间接焊接工艺各连续状态。
如图5A所示，在芯片焊接装置的初始状态，第二焊头12位于引线框架14之上，第一焊头11位于晶片支架15之上。当选择间接焊模式时，第二焊头12不动，而第一焊头11移动到右侧最远端预定的芯片拾取位置，如图5B所示。此时，第一焊头11的筒夹24下降，通过真空吸力拾取芯片，然后提起来。
然后，第一焊头11在预调准系统19(见图5C)上方移动。由筒夹24拾取的芯片在预调准系统19的调节部分38上面调准，由夹片32来调准它。
图5D显示了芯片被预调准系统19调准以后的焊头11和12的位置。第一焊头11从预调准系统19移动到芯片拾取位置上方，第二焊头移至预调准系统19之上。接着，焊头11和12各自的筒夹24下降。此时，第二焊头12的筒夹24从预调准系统19上拾取芯片，然后将其提起，第一焊头11的筒夹24从晶片18上拆开并拾取芯片，然后将其提起来。
图5E显示了第二焊头12将芯片从预调准系统19移动到引线框架17上的某一位置，第一焊头11将芯片从晶片18移至预调准系统19。接着，焊头11和12各自的筒夹24下降，芯片脱离筒夹24。也就是，当引线框架17中的焊头12进行焊接时，另一个焊头11将芯片放到预调准系统19上。然后，重复上面所述动作。
参考附图6，它显示了本发明芯片焊接装置所选用的筒夹替换器。筒夹61的两侧是燕尾形的凸缘61a和61b。筒夹61在替换器62和焊头框架63之间交换。替换器62包括一个卡盘64，它上面开有一个与筒夹61上燕尾形凸缘61a相对应的槽66。图6仅显示了一个卡盘64，实际上在替换器62中(见图8)有多个卡盘64。焊头托架63包括一个焊头卡盘65，它上面开有一个与筒夹61上另一个燕尾形凸缘61b相对应的槽67。
卡盘64的一侧有一个柱体68。柱体68上的杆69可以穿过卡盘64的孔70插入；卡盘64的另一侧是一个片簧73，用来安全地装上筒夹61。当凸缘61a从卡盘64上面垂直部分朝着槽66下降时，筒夹61可以插到卡盘64的槽66之中。完全插入以后，筒夹61被支撑在片簧73的上部，而柱体68的杆69穿过孔70，而压紧凸缘61a，让它贴紧槽66。
焊头托架63的一端固定着一个焊头卡盘65。在焊头卡盘65的一侧，装有一个柱体71。柱体上的杆72通过焊头卡盘65上的孔(图中没有显示)，并朝着槽67前后移动。
焊头托架63可以用某种驱动装置(图中没有显示)来控制它作垂直方向运动。所以，当柱体71的杆72往回运动的同时焊头托架63下降，筒夹61的凸缘61b插到槽67中。然后，当柱体的杆72向前运动时，筒夹61受压而贝占紧槽67。
参见图7，替换器卡盘64的槽66和焊头卡盘65的槽67都比筒夹61的凸缘61a和61b大。另外，当柱体的杆69和72朝着槽66和67运动时，筒夹装进各自对应的槽66和67中，而当柱体的杆69和72从槽66和67处退回时，筒夹61即偏离开槽66和67。标号75代表筒夹61的真空线路，当筒夹61固定在焊头卡盘65上时，真空线路75和焊头卡盘65中的真空线路76连接。当筒夹61通过真空吸力拾取半导体芯片时，就要使用筒夹61的真空线路75。
参见图8，筒夹替换器80包含多个替换器卡盘64和片簧73，它们呈辐射状安装在圆盘式步进转动马达81上。在该实施例中，替换器卡盘64和片簧73间隔45度排列。另外，柱体68位于中部位置。筒夹61插在替换器卡盘64中。
参见图9，圆盘式步进转动马达81具有一个下部的定子81a，和一个上部的电感线圈81b。当定子81a固定时，电感线圈81b受控在定子81a上转动。替换器卡盘64和片簧73排列在电感线圈81b上，并由电感线圈81b带动旋转。柱体68是固定的。旋转步进马达81转动每个替换器卡盘64，使它定位于柱体的杆69能通过替换器卡盘64上的孔70前后运动位置。例如，用转动致动器代替同向步进转动马达81也可以驱动替换器卡盘64。
现在将详细介绍本发明的芯片焊接装配中筒夹替换器的操作。
参见图8和图9，筒夹随芯片的大小不同而不同，它们和替换器卡盘64连接，替换器卡盘64按一定的间隔沿着电感线圈82b呈辐射状排列。参见图6和图7，筒夹61的一侧的凸缘61a并没有贴紧配合在卡盘64的槽66中，其下部由片簧73支撑。
为了利用焊头托架63将图6所示的预定筒夹61固定到焊头卡盘65上，电感线圈81b转动，从而将卡盘64定位于柱体68前面的一预定位置，前述预定的筒夹61就保持在这里。接着，柱体68的杆69通过该预定卡盘64上的孔70向前移动，从而把筒夹61的凸缘61a压紧在槽66上，并将筒夹61定位于一个固定的位置。装在替换器卡盘64上的筒夹61的位置是这样确定的，当焊头托架63垂直下移时，筒夹61的另一凸缘61b能插到焊头卡盘65的槽67中。
当柱体71的杆72继续往后运动时，托取筒夹61的焊头托架63下降。当焊头托架63下降到筒夹61的凸缘61b插入焊头卡盘65的槽67中时，柱体的杆72向前运动，从而把筒夹61的凸缘61b压紧在焊头卡盘65的槽67中。接着，当替换器62的柱体的杆69往后运动时，筒头61的凸缘61a从替换器卡盘64中放松开来。当焊头托架63提升时，筒夹61的替换就完成了。
另外，当使用固定在焊头卡盘65上的筒夹61时，筒夹61可以通过与上述方法类似的方法进行替换。为了将不和筒夹61连接的卡盘64移到柱体68的前面，图9所示的电感线圈81b转动。接着，焊头托架63下降，使装在其上的筒夹61的凸缘61a能插到卡盘64的槽66中。当替换器的柱体的杆69向前运动时，筒夹61就压紧装配在槽66中；而当焊头托架63的柱体的杆72向后运动并提起焊头托架63时，筒夹61从焊头托架63中释放出来。然后，当电感线圈81b转动，使与其它筒夹61连接的卡盘64定位于替换器62的卡盘64前面时，筒夹可以通过上述操作顺序进行替换。
参见图10，它显示了采用如图2所示的筒夹替换器的芯片焊接装置，筒夹24可更换地装于焊头11(12)前面的一侧。当使用图8所示的筒夹替换器时，一个托架(未示出)和一个与其连接的卡盘23安装在焊头11(12)前面的另一侧。卡盘23通过支撑于支架22上的音圈马达29上、下运动。图6所示的柱体71安装在卡盘23上。图8和图9所示的筒夹替换器80安装在框架13的下部一侧。在芯片焊接装置中，焊头11和12在线性步进马达的驱动下水平移动到筒夹替换器80的上部。而焊头11(12)的卡盘23在音圈马达29的驱动下上下垂直移动。同时，筒夹可以通过筒夹替换器80进行更换。最好，筒夹替换器80可以位于框架13下部焊头11和12可以达到的任意位置。例如，如图1所示，筒夹替换器80可以排列在预调准系统19的附近。
在本发明的芯片焊接装置中，在进行直接或间接焊时，两个焊头通过马达水平移动，每个焊头上安装的筒夹通过音圈马达垂直移动。也就是说，根据本发明，不必像传统技术那样根据半导体器件的类型和生产线的特性来选择一种特定的焊接装置，所以，可以提高生产率及降低生产成本。本发明涉及的是一种在引线框架上焊接半导体芯片的装置。然而，本发明的具体结构也可以用于在托盘上运载晶片的芯片的芯片传送装置，以及将晶片或托盘上的芯片焊到印刷电路板上的COB焊接装置；或将带式进料器或托盘上的或封装的芯片焊到印刷电路板上的焊接装置。另外，使用芯片焊接装置的筒夹替换器，可以根据芯片的大小，准确而迅速地更换筒夹，而不需要手工操作，从而提高了芯片焊接效率。
应当理解，本发明不仅限于上面描述的实施例，它将覆盖由本领域的普通技术人员在本发明范畴内进行的许多变化和修改。

Claims (11)

1、一种芯片焊接装置，包括：
一个框架元件；
一个第一焊头，其可沿上述框架元件受控作水平直线运动；
晶片支撑装置，它用于支撑在其上形成有半导体芯片的晶片；
第一半导体芯片吸取装置，它安装在上述第一焊头上，用于通过真空吸力从上述晶片上拾取半导体芯片；
引线框架传送装置，用于将引线框架传送到半导体芯片焊接位置；
一个第二焊头，其沿上述框架元件受控作水平直线运动；
一个预调准系统，它从上述第一半导体芯片吸取装置上调准半导体芯片；和
第二半导体芯片吸取装置，它安装在上述第二焊头里，用于拾取用上述预调准系统调准的半导体芯片。
2、如权利要求1所述的芯片焊接装置，其中，上述的第一和第二半导体芯片吸取装置分别是可更换地安装在上述第一和第二焊头上的第一和第二筒夹，上述筒夹通过音圈马达作上升和下降运动。
3、如权利要求1所述的芯片焊接装置，其中，上述第一和第二焊头在作水平运动时是由线性步进马达来驱动的。
4、如权利要求1所述的芯片焊接装置，其中，上述第一和第二焊头在作水平运动时每个位置是由安装在每个焊头上的线性编译器和在上述框架元件上安装的线性刻度尺来测定的。
5、如权利要求2所述的芯片焊接装置，其中，上述每个筒夹的位置由感应板和接近度检测器来测定。
6、如权利要求1所述的芯片焊接装置，其中，上述第一焊头受控在上述晶件支撑装置和上述引线框架传送装置之间作往返运动，从而使第一半导体芯片吸取装置从由上述晶片支撑装置支撑的晶片上拆下半导体芯片，并将半导体芯片焊接到由上述引线框架传送装置支撑的引线框架上。
7、如权利要求1所述的芯片焊接装置，其中，上述第一焊头受控在上述晶片支撑装置和上述预调准系统之间作往返运动，从而使上述第一筒夹从由上述晶片支撑装置支撑的晶片上拆下半导体芯片，并且，在上述预调准系统中将其调准，而上述第二焊头受控在上述预调准系统和上述引线框架传送装置之间作往返运动，从而使上述第二筒夹将在上述预调准系统中调准的半导体芯片焊接到由上述引线框架传送装置支撑的引线框架上。
8、如权利要求1所述的芯片焊接装置，其中，每个第一和第二半导体芯片吸取装置包括：
一个第一卡盘，它包括一个燕尾槽和一个孔；
一个第一柱体，它包括一个可通过上述第一卡盘的孔在燕尾槽里受控作往返运动的杆；
一个筒夹，在它的一侧有一个和上述卡盘上的槽相对应的燕尾槽形凸缘，其另一侧是第二燕尾形槽凸缘。
9、如权利要求8所述的芯片焊接装置，还包括一个用于更换上述筒夹的筒夹替换器，其中，上述筒夹替换器包括：
多个第二卡盘，其中形成有一个和上述筒夹的第二凸缘相对应的燕尾槽和一个孔，
一个第二柱体，它包括一个经过上述第二卡盘的孔受控作往返运动的杆。
10、如权利要求9所述的芯片焊接装置，其中，上述第二卡盘按预定的间隔在上述筒夹替换器上呈辐射状排列。其中还包括用于可控制地转动上述第二卡盘的装置，从而使上述第二柱体的杆可以通过第二卡盘之一上的小孔作往返运动。
11、如权利要求9所述的芯片焊接装置，还包括一个弹性元件，它安装在上述第二卡盘之一的一端，用来支撑容放在上述第二卡盘中的筒夹。
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