CN115117228A - 一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体致冷器生产自动化技术，具体涉及一种微型半导体致冷晶粒贴装系统及方法，包括机台，所述机台上横向设置有Y0轴模组，所述Y0轴模组的滑座上竖向安装有Z轴模组，所述Z轴模组的滑座上安装有晶粒的吸放组件及位于吸放组件侧面的识别定位相机组件，所述机台上设置有位于吸放组件下方的晶粒方位调整相机机构，位于晶粒方位调整相机机构的两侧设置有晶粒载具模组和导流片载具模组。该系统有助于在保证微型半导体致冷晶粒的摆模、贴装精度的基础上，提高了晶粒贴装速度。

Description

一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统及方法

技术领域

本发明涉及半导体致冷器生产自动化技术，具体涉及一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统及方法。

背景技术

目前，国内半导体致冷片的生产工艺中，点锡过程已由点胶机实现机器自动化，点胶机通过将压缩空气送入注射器或者是胶瓶中，将胶压进与活塞室相连的进给管中，利用压力进行点胶作业。当活塞处于上冲程时，活塞室中就会填满胶；当活塞向下推进滴胶针头时，胶受到压力便会从针嘴压出。滴出的胶量由活塞下冲的距离决定，可以手工调节，也可以通过编程进行控制。然而，点胶过程完成后，在点有锡胶的导流片上进行半导体致冷晶粒的摆模贴装则主要由人工完成。对于微型产品，晶粒的尺寸更加细小。以目前常用的微型器件为例，晶粒尺寸的长、宽、高一般都在0.5mm以内。生产过程，对产品的晶粒之间的距离精度要求一般在晶粒宽度的10%以内，即50微米以内甚至更高，使人工操作难度大大增加，需要配合显微镜才能完成。这种工艺方法不仅工作效率低，而且精度很难保证，从而影响产品的产量和性能。在代替人工的自动化摆模贴装过程中：半导体致冷晶粒的贴装精度影响因素主要有三个方面：①机械手的重复定位精度；②晶粒吸取时发生的旋转偏移；③晶粒放置时发生的旋转偏移。

在自动化领域，工业上基于机器视觉对微小元器件的贴装系统相比于单一操作的点胶系统需要对产品进行吸取与贴装两个环节，这就要求在吸取工位识别定位将目标元件抓取后，移动至放置工位再次定位进行位置匹配和放置，在精度的把控上难度大大增加，目前为提高贴装的精度，在两动作之间增添有视觉校正工位，其作用是可以消除吸取环节造成的旋转偏移误差。

由于微型晶粒尺寸很小，重量轻：长、宽、高尺寸在0.5mm左右，重量大约3mg。现有的自动化贴装技术局限于：①在吸取环节中，针对于微型晶粒，能否成功吸取的关键在于在实施吸取动作时，吸嘴中心如何对准晶粒几何中心。两个“中心”如果没有对准，在吸嘴吸进行取动作后，晶粒不仅会发生平面上的偏移，在空间上的位姿还有可能旋转。这就要求更精确的图像识别算法和更高精度的位移控制，也就意味着更高的成本投入。②在贴装放置环节，对这么小的尺寸的微型晶粒，负压停止吸气后仍有可能因为静电原因使晶粒吸附在吸嘴上，当吸嘴移开时会对晶粒产生移动干扰，同样会使晶粒产生随机的空间误差。③在已提出申请的专利技术“微型半导体致冷晶粒贴装装置，专利申请号：202221189130.0”中，吸嘴的移动由三轴模组按时间顺序进行控制，晶粒从吸取到放置过程，每一个时刻只有某一轴向的移动控制，导致贴装速度有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统及方法，该系统有助于在保证微型半导体致冷晶粒的摆模、贴装精度的基础上，提高了晶粒贴装速度。

本发明的技术方案在于：一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统，包括机台，所述机台上横向设置有Y0轴模组，所述Y0轴模组的滑座上竖向安装有Z轴模组，所述Z轴模组的滑座上安装有晶粒的吸放组件及位于吸放组件侧面的识别定位相机组件，所述机台上设置有位于吸放组件下方的晶粒方位调整相机机构，位于晶粒方位调整相机机构的两侧设置有晶粒载具模组和导流片载具模组。

进一步地，所述吸放组件包括立式设置并经安装座与Z轴模组的滑座固定连接的中空轴步进电机，所述中空轴步进电机的中空轴上端安装有气管可旋转接头，中空轴步进电机的中空轴下端安装有连接座，所述连接座的下方弹性连接有吸嘴。

进一步地，所述识别定位相机组件包括识别定位相机及安装在识别定位相机上的镜头，位于镜头的下方安装有第一同轴光源，所述吸嘴位于第一同轴光源的下表面以下，吸嘴的中心与识别定位相机的光心连线和Y轴平行。

进一步地，所述晶粒方位调整相机机构包括纵向安装在机台上的燕尾型滑台，所述燕尾型滑台上安装有立板，所述立板安装有能够升降调节的固定板，所述固定板的下侧安装有晶粒方位调整相机，所述晶粒方位调整相机的远心镜头上安装有镜头转向器，所述固定板的悬臂端上安装有位于镜头转向器上侧的第二同轴光源。

进一步地，所述立板上竖向设置有燕尾滑轨，所述固定板经滑块与燕尾滑轨相连接，所述滑块上设置有手紧螺栓。

进一步地，所述晶粒载具模组包括纵向设置有的X1轴模组，所述X1轴模组的滑座上横向安装有Y1轴模组，所述Y1轴模组的滑座上安装有用于载放晶粒的R轴旋转台。

进一步地，所述导流片载具模组包括纵向设置有的X2轴模组，所述X2轴模组的滑座上横向安装有Y2轴模组，所述Y2轴模组的滑座上安装有导流片载具平台。

一种微型半导体致冷晶粒快速贴装方法，包括一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统，步骤如下：

（1）以吸放两个工位的Mark标识点为准设置拍照检测位置，即晶粒载具O1点、放置工位拍照O2点；

（2）分别对待吸取的微型晶粒和待贴装导流基片进行识别定位；

（3）通过安装在Z轴模块上的激光位移测距传感器调整合适高度进行吸取高度和放置高度调整，两个高度相同；

（4）Y0轴模组移动到晶粒载具O1点，晶粒载具同时移动到工作区，其初始位置是使第一个待吸取晶粒处于O1点，识别定位相机识别晶粒和定位，吸放组件运动使吸嘴运动至晶粒正上方进行晶粒吸取，完成吸取环节；

（5）晶粒吸取后，Y0轴模组往导流片载具方向移动，经过晶粒方位调整相机机构进行校正；

（6）校正后，Y0轴模组到达放置工位拍照O2点，导流载具也同时移动，并使即将贴装的图案中心点到达放置工位拍照O2点，识别定位相机对导流基片进行识别定位后，在正上方对吸放组件微控制吹气并完全释放，完成贴装环节，自此完成了一个晶粒的摆模；

（7）重复步骤（4）~（6），完成整个导流基片上的微型晶粒的自动摆模贴装。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1. 本发明是在已提出申请的专利技术“微型半导体致冷晶粒贴装装置”（专利申请号：202221189130.0）的贴装技术基础上，对原来的晶粒吸取、方位校正和贴装作业流程进行改进，改进了晶粒源坐标控制、贴装坐标控制和视觉校正环节，在保证微型半导体致冷晶粒的摆模、贴装精度的基础上，提高了晶粒贴装速度。

2. 贴装过程，晶粒载具的移动控制和导流片载具的移动控制与Y轴移动控制可以同步进行，以此提高贴装速度。

3. 通过安装晶粒方位调整相机机构，可对单个晶粒进行旋转调节，提高晶粒位姿调节动作的灵活性，便于校正晶粒方位并快速贴装。

附图说明

图1为本发明的晶粒贴装系统结构图；

图2为本发明的吸放组件结构图；

图3为本发明的晶粒载具结构图；

图4为本发明的导流片载具结构图；

图5为本发明的晶粒方位调整相机机构结构图；

图6为本发明的晶粒贴装过程示意图；

图7为本发明的晶粒贴装、以及焊接好上下导流基片后的致冷片效果；

图中：1-Y0轴模组；2、Z轴模组；3、识别定位相机组件；31、第一同轴光源；4、吸放组件；41、吸嘴；42、弹簧；43、连接座；44、中空轴步进电机；45、气管可旋转接头；46、安装座；5、导流片载具模组；51、X2轴模组；52、Y2轴模组；53、限位开关；54、导流片载具平台；6、燕尾型滑台；61、立板；62、固定板；63、燕尾滑轨；64、滑块；65、手紧螺栓；7、晶粒方位调整相机机构；71、晶粒方位调整相机；72、远心镜头；73、镜头转向器；74、第二同轴光源8、晶粒载具模组； 81、X1轴模组；82、Y1轴模组；83、R轴旋转台；84、R轴旋转台驱动器；9、晶粒；10、导流基片。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。

参考图1至图7

一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统，包括机台，所述机台上横向设置有Y0轴模组1，所述Y0轴模组的滑座上竖向安装有Z轴模组2，所述Z轴模组的滑座上安装有晶粒的吸放组件4及位于吸放组件侧面的识别定位相机组件3，所述机台上设置有位于吸放组件下方的晶粒方位调整相机机构7，位于晶粒方位调整相机机构的两侧设置有晶粒载具模组8和导流片载具模组5。

本实施例中，所述吸放组件包括立式设置并经安装座46与Z轴模组的滑座固定连接的中空轴步进电机44，所述中空轴步进电机的中空轴上端安装有气管可旋转接头45，中空轴步进电机的中空轴下端安装有连接座43，所述连接座的下方弹性连接有吸嘴41。所述吸嘴上设置有环形凸缘，吸嘴上套置有下端抵接在环形凸缘上且上端与连接座相抵接的弹簧42，以便实现吸嘴与连接座弹性连接。吸嘴再给工作时通过Y0轴模组进行Y轴方向移动，往返于晶粒载具模组和导流片载具模组，并通过Z轴模组实现升降。可通过控制电磁阀，配合调压阀控制吸嘴正压大小，在放置动作时添加合适的吹气动作，保证晶粒完全被释放，避免吸嘴移开时对其产生带动干扰。

本实施例中，以吸取0.5mm*0.5mm*1.5mm的半导体致冷晶粒为例，使用直径0.30mm的吸嘴，晶粒吸取高度和释放高度选取弹簧状态压紧0.10mm的位置。

本实施例中，所述识别定位相机组件包括识别定位相机及安装在识别定位相机上的镜头，位于镜头的下方安装有第一同轴光源31，所述吸嘴位于第一同轴光源的下表面以下，吸嘴的中心与识别定位相机的光心连线和Y轴平行。

识别晶粒载具上的晶粒和识别导流片载具上的导流图案都使用识别定位相机组件的镜头。开始作业时，识别晶粒工位和导流片贴装工位分别微调，使晶粒吸取点和导流片放置点至各自相机视野中心，即为两固定点（暂且称其为即晶粒载具O1点、放置工位拍照O2点），吸嘴只在这两个固定点之间往复运动实现吸取和贴装动作。

本实施例中，所述晶粒方位调整相机机构包括纵向安装在机台上的燕尾型滑台6，为了实现纵向位置的调整，所述燕尾型滑台上设置有手紧螺栓，从而限定其滑台的位置。所述燕尾型滑台上安装有立板61，所述立板安装有能够升降调节的固定板62，所述固定板的下侧安装有晶粒方位调整相机71，所述晶粒方位调整相机的远心镜头72上安装有镜头转向器73，所述固定板的悬臂端上安装有位于镜头转向器上侧的第二同轴光源74。

本实施例中，为了实现固定板的升降调节，所述立板上竖向设置有燕尾滑轨63，所述固定板经滑块64与燕尾滑轨相连接，所述滑块上设置有手紧螺栓65。

本实施例中，所述晶粒方位调整相机机构设置在晶粒的移动线上、晶粒的下方（在O1和O2点之间），利用镜头转向器73进行90º光路方向转换，使水平安装的相机能够从晶粒下方拍到吸嘴上晶粒的方位，以便图像识别和进行晶粒方位调整，使之能顺利贴装。

本实施例中，为了提供需要吸取的晶粒，所述晶粒载具模组包括纵向设置有的X1轴模组81，所述X1轴模组的滑座上横向安装有Y1轴模组82，所述Y1轴模组的滑座上安装有用于载放晶粒的R轴旋转台83，R轴旋转台的台面形成晶粒载具平台。每当吸放组件吸取和贴装完一个晶粒后，X1轴模组、Y1轴模组可以按照预先设定的路径方向和移动参数，在视觉识别算法的支持下，把下一个晶粒的中心点移动到O1点，R轴旋转台可以在视觉识别算法的支持下，微调旋转晶粒载具，使晶粒边沿方向调整到与X、Y轴基本平行，便于贴装。

本实施例中，作为实现晶粒放置和贴装的目标板，所述导流片载具模组包括纵向设置有的X2轴模组51，所述X2轴模组的滑座上横向安装有Y2轴模组52，所述Y2轴模组的滑座上安装有导流片载具平台54。所述导流片载具模组还设置有限位开关53，从而限定X2轴模组的滑座以及Y2轴模组的滑座移动位置。晶粒贴装坐标位置可以按照导流片的PCB图案和焊盘尺寸事先定义好，每当吸放组件吸取和贴装完一个晶粒后，X2轴模组、Y2轴模组的移动控制可以把下一个贴装位置坐标自动移动到O2点。

本实施例中，所述Y0轴模组、Z轴模组、X1轴模组、X2轴模组、Y1轴模组、Y2轴模组可分别为线性模组。

本实施例中，该系统还包括吸放组件的吸放控制单元、运动控制模块。运动控制模块包括上述各模组的坐标位置控制和贴装过程各动作的连接控制。

本实施例中，在吸嘴的吸取晶粒和贴装的过程中，晶粒载具模组和导流片载具模组可以同步移位控制，使下一个待吸取晶粒总是处于O1位置、下一处待贴装晶粒的导流板位置总是处于O2位置，可以明显提高贴装速度。

一种微型半导体致冷晶粒快速贴装方法，包括一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统，步骤如下：

（1）以吸放两个工位的Mark标识点为准设置拍照检测位置，即晶粒载具O1点、放置工位拍照O2点；

（2）分别对待吸取的微型晶粒和待贴装导流基片进行识别定位；

（3）通过安装在Z轴模块上的激光位移测距传感器调整合适高度进行吸取高度和放置高度调整，两个高度相同；

（4）Y0轴模组移动到晶粒载具O1点，晶粒载具同时移动到工作区，其初始位置是使第一个待吸取晶粒处于O1点，识别定位相机识别晶粒和定位，吸放组件通过各模组的配合运动使吸嘴运动至晶粒正上方将图6（a）中已扩膜的晶粒吸取，完成吸取环节；

（5）晶粒吸取后，Y0轴模组往导流片载具方向移动，经过晶粒方位调整相机机构进行校正，校正的目的是使吸嘴上的晶粒方位能与即将要贴装的导流图案匹配，便于贴装；

（6）校正后，Y0轴模组到达放置工位拍照O2点，导流载具也同时移动，并使即将贴装的图案中心点到达放置工位拍照O2点，识别定位相机对导流基片进行识别定位后，在正上方对吸放组件微控制吹气并完全释放，使晶粒放置到图6（b）中点好锡胶的导流基片上，完成贴装环节，自此完成了一个晶粒的摆模；

（7）重复步骤（4）~（6），完成整个导流基片上的微型晶粒的自动摆模贴装，贴装效果如图6（c）所示。下一个晶粒的贴装重复上述过程，可以通过上位机界面初始化设置之后，整个过程完全自动化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的微型半导体致冷晶粒快速贴装方法及其装置并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统，包括机台，其特征在于，所述机台上横向设置有Y0轴模组，所述Y0轴模组的滑座上竖向安装有Z轴模组，所述Z轴模组的滑座上安装有晶粒的吸放组件及位于吸放组件侧面的识别定位相机组件，所述机台上设置有位于吸放组件下方的晶粒方位调整相机机构，位于晶粒方位调整相机机构的两侧设置有晶粒载具模组和导流片载具模组。

2.根据权利要求1所述的一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统，其特征在于，所述吸放组件包括立式设置并经安装座与Z轴模组的滑座固定连接的中空轴步进电机，所述中空轴步进电机的中空轴上端安装有气管可旋转接头，中空轴步进电机的中空轴下端安装有连接座，所述连接座的下方弹性连接有吸嘴。

3.根据权利要求2所述的一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统，其特征在于，所述识别定位相机组件包括识别定位相机及安装在识别定位相机上的镜头，位于镜头的下方安装有第一同轴光源，所述吸嘴位于第一同轴光源的下表面以下，吸嘴的中心与识别定位相机的光心连线和Y轴平行。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统，其特征在于，所述晶粒方位调整相机机构包括纵向安装在机台上的燕尾型滑台，所述燕尾型滑台上安装有立板，所述立板安装有能够升降调节的固定板，所述固定板的下侧安装有晶粒方位调整相机，所述晶粒方位调整相机的远心镜头上安装有镜头转向器，所述固定板的悬臂端上安装有位于镜头转向器上侧的第二同轴光源。

5.根据权利要求4所述的一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统，其特征在于，所述立板上竖向设置有燕尾滑轨，所述固定板经滑块与燕尾滑轨相连接，所述滑块上设置有手紧螺栓。

6.根据权利要求1所述的一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统，其特征在于，所述晶粒载具模组包括纵向设置有的X1轴模组，所述X1轴模组的滑座上横向安装有Y1轴模组，所述Y1轴模组的滑座上安装有用于载放晶粒的R轴旋转台。

7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统，其特征在于，所述导流片载具模组包括纵向设置有的X2轴模组，所述X2轴模组的滑座上横向安装有Y2轴模组，所述Y2轴模组的滑座上安装有导流片载具平台。

8.一种微型半导体致冷晶粒快速贴装方法，包括权利要求要求2所述的一种微型半导体致冷晶粒快速贴装系统，其特征在于，步骤如下：

（1）以吸放两个工位的Mark标识点为准设置拍照检测位置，即晶粒载具O1点、放置工位拍照O2点；

（2）分别对待吸取的微型晶粒和待贴装导流基片进行识别定位；

（3）通过安装在Z轴模块上的激光位移测距传感器调整合适高度进行吸取高度和放置高度调整，两个高度相同；

（4）Y0轴模组移动到晶粒载具O1点，晶粒载具同时移动到工作区，其初始位置是使第一个待吸取晶粒处于O1点，识别定位相机识别晶粒和定位，吸放组件运动使吸嘴运动至晶粒正上方进行晶粒吸取，完成吸取环节；

（5）晶粒吸取后，Y0轴模组往导流片载具方向移动，经过晶粒方位调整相机机构进行校正；

（6）校正后，Y0轴模组到达放置工位拍照O2点，导流载具也同时移动，并使即将贴装的图案中心点到达放置工位拍照O2点，识别定位相机对导流基片进行识别定位后，在正上方对吸放组件微控制吹气并完全释放，完成贴装环节，自此完成了一个晶粒的摆模；

（7）重复步骤（4）~（6），完成整个导流基片上的微型晶粒的自动摆模贴装。

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