CN116387227B - 四边定位抓取机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及封装定位技术领域，公开了四边定位抓取机构，包括机架和可竖向运动的吸盘，机架上安装有定位架，定位架的下方安装有第一夹爪和第二夹爪，用于夹持引线框架的四边，引线框架的内部放置有晶圆，引线框架包括倒置框架和下框架，倒置框架和下框架公母配合，晶圆包括上层晶圆和底层晶圆，且上层晶圆和底层晶圆分别设于倒置框架和下框架的内部，上层晶圆和底层晶圆相靠近的表面均涂覆有粘附剂；本发明通过先将引线框架定位对齐后，再对底层晶圆和上层晶圆进行预键合，能够有效地保证底层晶圆和上层晶圆之间的TSV通道对齐，从而提高底层晶圆和上层晶圆之间的封装的定位精度，保证TSV电互连畅通。

Description

四边定位抓取机构

技术领域

本发明涉及封装定位领域，更具体地说，它涉及四边定位抓取机构。

背景技术

2.5D封装和3D封装是两种常用的晶圆级多层堆叠技术。

热学管理是2.5D/3D封装中的重要问题之一，其原因在于：多功能芯片的堆叠使单位面积上的总功耗增大，产生的热量增高，且无有效的散热通道；晶圆减薄后会导致芯片发生热量聚集，产生过热点。2.5D/3D封装的散热可以从封装级热设计和外部散热措施两方面来考虑。

外部散热措施会增加系统的复杂性，但是可以极大地提高系统的散热能力。目前工业上采取的方法是在芯片或晶圆上增加热管理微通道，可以使流体在微通道中流通，提高散热效率。并在流体通道周围设置密封环，将流体与电互连隔绝开来。在刻蚀TSV通孔后，会刻蚀出比TSV浅的流体微通道，晶圆减薄后，TSV中的金属会露出，但流体微通道仍保持密闭。

但对于晶圆级多层堆叠技术，现有的定位抓取机构在抓取过程中只能通过多次夹持单层芯片框架相互配合，由于定位精度和移动精度有偏差，多层TSV的通孔常常对应不上，容易对后续多层晶圆键合产生影响。

发明内容

本发明提供四边定位抓取机构，解决相关技术中定位抓取机构在抓取过程中，由于移动精度的影响，多层TSV的通孔常常对应不上的技术问题。

本发明提供了四边定位抓取机构，包括机架和可竖向运动的吸盘，机架上安装有定位架，定位架的下方安装有第一夹爪和第二夹爪，第一夹爪和第二夹爪均设有相对的两个，用于夹持引线框架的四边，引线框架的内部放置有晶圆，引线框架包括倒置框架和下框架，倒置框架和下框架公母配合，晶圆包括上层晶圆和底层晶圆，且上层晶圆和底层晶圆分别设于倒置框架和下框架的内部，上层晶圆和底层晶圆相靠近的表面均涂覆有粘附剂，倒置框架和下框架的内部均设有限位机构，用于限制上层晶圆和底层晶圆在倒置框架和下框架内的位置，限位机构的一侧设有触发机构，用于解除限位机构底层晶圆的限制，吸盘上移顶动底层晶圆，使底层晶圆与上层晶圆预键合。

在一个优选的实施方式中，倒置框架和下框架的内部均设有阶梯槽，阶梯槽与限位机构配合将晶圆的上下两侧夹住，限制晶圆在引线框架内的位置。

在一个优选的实施方式中，限位机构包括轴体，轴体嵌装于阶梯槽内，轴体的轴壁上通过扭簧转动连接有竖杆，竖杆远离阶梯槽的一端安装有横杆，且横杆用于限制晶圆远离阶梯槽的一侧。

在一个优选的实施方式中，轴体的轴壁上安装有齿轮，齿轮与竖杆固定连接，触发机构包括可上下往复移动的触发齿条，触发齿条与齿轮啮合传动，触发齿条驱动齿轮旋转，带动竖杆和横杆绕轴体转动，解除横杆对晶圆的限制。

在一个优选的实施方式中，竖杆远离横杆的端部转动连接有导轮，当横杆解除对晶圆的限制后，横杆的端部和导轮之间的连线竖直，且横杆的端部和导轮与晶圆左右侧接触。

在一个优选的实施方式中，定位架上安装有四个导杆，导杆通过弹簧上套装有滑套，四个滑套分别与两个第一夹爪以及两个第二夹爪连接，定位架上还安装有伸缩缸，伸缩缸的输出端连接有凸台，第一夹爪和第二夹爪的内侧均安装有滚轮，滚轮与凸台的外侧接触，当凸台竖向运动时，滚轮受到挤压，带动第一夹爪和第二夹爪向内收缩或向外展开。

在一个优选的实施方式中，滑套上安装有限位柱，当凸台位于极限高位时，限位柱与定位架抵触，限制第一夹爪和第二夹爪合拢的距离。

在一个优选的实施方式中，机架上安装有z轴驱动单元，z轴驱动单元的输出端与定位架连接，用于驱动定位架沿z轴运动。

在一个优选的实施方式中，四边定位抓取机构还包括y轴驱动单元，y轴驱动单元的输出端与机架连接，用于驱动机架沿y轴运动。

在一个优选的实施方式中，四边定位抓取机构还包括x轴驱动单元，x轴驱动单元的输出端与y轴驱动单元连接，用于驱动y轴驱动单元和机架沿x轴运动。

本发明的有益效果在于：

本发明通过先将引线框架定位对齐后，再对底层晶圆和上层晶圆进行预键合，能够有效地保证底层晶圆和上层晶圆之间的TSV通道对齐，从而提高底层晶圆和上层晶圆之间的封装的定位精度，保证TSV电互连畅通。

本发明的限位机构通过切换状态，使底层晶圆在上移的过程中，能够一直对晶圆的四边进行定位限制，从而解决了底层晶圆在涂覆流体粘附剂后，底层晶圆和上层晶圆在键合过程中会水平滑动，造成TSV偏移的技术问题，进一步提高了在预键合过程中两个晶圆的定位精度。

附图说明

图1是本发明整体的立体结构示意图。

图2是本发明夹爪的立体结构示意图。

图3是本发明图2的另一视角的结构示意图。

图4是本发明图2的正视结构示意图。

图5是本发明图4中A-A视角的结构示意图。

图6是本发明抓取倒置框架与下框架的配合结构示意图。

图7是本发明倒置框架与下框架的配合结构示意图。

图8是本发明图7另一状态的结构示意图。

图9是本发明图8中A处结构的放大示意图。

图中：1、机架；11、z轴驱动单元；2、定位架；21、伸缩缸；211、凸台；22、导杆；23、第一夹爪；24、第二夹爪；25、滚轮；26、滑套；27、限位柱；3、倒置框架；4、下框架；41、阶梯槽；5、气缸；51、吸盘；6、限位机构；61、轴体；62、竖杆；63、横杆；64、齿轮；65、导轮；7、触发齿条；8、x轴驱动单元；9、y轴驱动单元。

具体实施方式

现在将参考示例实施方式讨论本文描述的主题。应该理解，讨论这些实施方式只是为了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本文描述的主题，可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，对所讨论的元素的功能和排列进行改变。各个示例可以根据需要，省略、替代或者添加各种过程或组件。另外，相对一些示例所描述的特征在其他例子中也可以进行组合。

如图1-图9所示，四边定位抓取机构，包括机架1和可竖向运动的吸盘51，机架1上安装有定位架2，定位架2的下方安装有第一夹爪23和第二夹爪24，第一夹爪23和第二夹爪24均设有相对的两个，用于夹持引线框架的四边，引线框架的内部放置有晶圆，引线框架包括倒置框架3和下框架4，倒置框架3和下框架4公母配合，晶圆包括上层晶圆和底层晶圆，且上层晶圆和底层晶圆分别设于倒置框架3和下框架4的内部，上层晶圆和底层晶圆相靠近的表面均涂覆有粘附剂，倒置框架3和下框架4的内部均设有限位机构6，用于限制上层晶圆和底层晶圆在倒置框架3和下框架4内的位置，限位机构6的一侧设有触发机构，用于解除限位机构6底层晶圆的限制，吸盘51上移顶动底层晶圆，使底层晶圆与上层晶圆预键合。

需要说明的是，吸盘51的底部安装有气缸5，气缸5的输出端与吸盘51连接；上层晶圆也倒置地设于倒置框架3中；倒置框架3上开设有孔，下框架4上设有凸起，凸起与孔相适配。

在本实施例中，实施场景具体为：下框架4内放置有底层晶圆，下框架4在载板上，第一夹爪23和第二夹爪24夹住倒置框架3的四边，并带动倒置框架3和上层晶圆运动到下框架4的上方，通过倒置框架3与下框架4的公母配合，使多层晶圆实现预定位；接着，在下框架4内的底层晶圆上表面涂覆粘附剂（具体地，将底层晶圆和上层晶圆的正面抛光并用表面活性剂处理后，再将上层晶圆倒装与底层晶圆贴合，在室温下进行预键合）；然后控制吸盘51上移，并吸附住底层晶圆的底面，直至吸盘51与底层晶圆吸附为一体后，再控制限位机构6打开，使底层晶圆同步上移与上方的上层晶圆配合，在粘附剂的粘结作用下，使底层晶圆与上层晶圆贴合连接；当底层晶圆与上层晶圆预键合完成后，定位抓取机构再夹持引线框架，将其输送到后续工位中。

本发明通过上述先将引线框架定位对齐后，能够有效地保证底层晶圆和上层晶圆之间的TSV通道对齐，从而提高底层晶圆和上层晶圆之间的封装的定位精度，保证TSV电互连畅通。

倒置框架3和下框架4的内部均设有阶梯槽41，阶梯槽41与限位机构6配合将晶圆的上下两侧夹住，限制晶圆在引线框架内的位置。

限位机构6包括轴体61，轴体61嵌装于阶梯槽41内，轴体61的轴壁上通过扭簧转动连接有竖杆62，竖杆62远离阶梯槽41的一端安装有横杆63，且横杆63用于限制晶圆远离阶梯槽41的一侧。

轴体61的轴壁上安装有齿轮64，齿轮64与竖杆62固定连接，触发机构包括可上下往复移动的触发齿条7，触发齿条7可由气缸5一起带动上移也可采用单独的驱动实现上下移动，触发齿条7与齿轮64啮合传动，触发齿条7驱动齿轮64旋转，带动竖杆62和横杆63绕轴体61转动，解除横杆63对晶圆的限制。

竖杆62远离横杆63的端部转动连接有导轮65，当横杆63解除对晶圆的限制后，横杆63的端部和导轮65之间的连线竖直，且横杆63的端部和导轮65与晶圆左右侧接触。

需要说明的是，限位机构6存在限位状态和导向状态，其中限位状态如图7所示，横杆63与晶圆远离阶梯槽41底部的一面接触，将晶圆限制在阶梯槽41内；导向状态如图8和图9所示，横杆63的端部和导轮65的轮面连线竖直，且横杆63的倒角面与导轮65的轮面均与底层晶圆的侧壁接触，对吸盘51上移推动底层晶圆与上层晶圆预键合进行限位导向，避免底层晶圆与上层晶圆在接触时，由于流体的粘附剂存在两者之间，流体的粘附剂受到压力使底层晶圆水平偏移。

在本实施例中，实施场景具体为：吸盘51上移，吸附住底层晶圆，当吸盘51与底层晶圆吸附为一体后，触发齿条7上移，与齿轮64啮合，带动竖杆62和横杆63向外旋转，使限位机构6由限位状态转换为导向状态；然后继续控制吸盘51上移，带动底层晶圆与上方的上层晶圆，在粘附剂的粘结作用下，使底层晶圆与上层晶圆预键合；由于限位机构6的导向状态，使底层晶圆在上移的过程中，能够一直对晶圆的四边进行定位限制，从而解决了底层晶圆在涂覆流体粘附剂后，底层晶圆和上层晶圆在键合过程中会水平滑动，造成TSV偏移的技术问题，提高了在预键合过程中两个晶圆的定位精度。

定位架2上安装有八个导杆22，八个导杆22分为四组，每组两个，四组导杆22分别与两个第一夹爪23和两个第二夹爪24一一对应，导杆22上通过弹簧套装有滑套26，四个滑套26分别与两个第一夹爪23以及两个第二夹爪24连接，定位架2上还安装有伸缩缸21，伸缩缸21的输出端连接有凸台211，第一夹爪23和第二夹爪24的内侧均安装有滚轮25，滚轮25与凸台211的外侧接触，当凸台211竖向运动时，滚轮25受到挤压，带动第一夹爪23和第二夹爪24向内收缩或向外展开。

需要说明的是，弹簧的两端分别与滑套26和定位架2连接，且弹簧套装于导杆22上。

滑套26上安装有限位柱27，当凸台211位于极限高位时，限位柱27与定位架2抵触，限制第一夹爪23和第二夹爪24合拢的距离。

在本实施例中，实施场景具体为：伸缩缸21的伸长端伸长，带动凸台211下移，凸台211挤压滚轮25，使四个滚轮25向外张开，带动两个第一夹爪23和两个第二夹爪24向外张开，此时滑套26上的弹簧被拉长，反之，当伸缩缸21的伸长端缩短时，凸台211上移，四个滚轮25始终与凸台211表面接触，随着滑套26在弹簧的复位作用下，带动与滑套26对应的两个第一夹爪23相向运动以及带动两个第二夹爪24也相向运动，从而使第一夹爪23和第二夹爪24合拢，由于引线框架的长宽大于两个第一夹爪23间和两个第二夹爪24间初始状态下的间距，引线框架的长宽小于两个第一夹爪23间和两个第二夹爪24间在凸台211下移最低位置时的间距，因此，当第一夹爪23和第二夹爪24随着滑套26的弹簧复位回收时，将引线框架夹紧。

机架1上安装有z轴驱动单元11，z轴驱动单元11的输出端与定位架2连接，用于驱动定位架2沿z轴运动。

四边定位抓取机构还包括y轴驱动单元9，y轴驱动单元9的输出端与机架1连接，用于驱动机架1沿y轴运动。

四边定位抓取机构还包括x轴驱动单元8，x轴驱动单元8的输出端与y轴驱动单元9连接，用于驱动y轴驱动单元9和机架1沿x轴运动。

本结构还可应用于半导体自动化封装设备中的框架摆盘机构中，主要结构由气缸、推块、导杆等组成，动力方面主要依靠夹爪气缸带动四方向夹爪进行定位，且取料部分具备缓冲适应功能，主要由直线轴承和弹簧组成。主要用于框架从上料轨道搬运至预热平台，使得放在预热平台上面的框架偏移量不会过大，保证了在搬运过程中框架不能发生移动，并且保证了取放料的精度。

上面对本实施例的实施例进行了描述，但是本实施例并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实施例的启示下，还可做出很多形式，均属于本实施例的保护之内。

Claims (7)

1.四边定位抓取机构，其特征在于，包括机架（1）和可竖向运动的吸盘（51），所述机架（1）上安装有定位架（2），所述定位架（2）的下方安装有第一夹爪（23）和第二夹爪（24），引线框架的内部放置有晶圆，引线框架包括倒置框架（3）和下框架（4），所述第一夹爪（23）和第二夹爪（24）均设有相对的两个，用于夹持倒置框架（3）的四边，所述倒置框架（3）和下框架（4）公母配合，晶圆包括上层晶圆和底层晶圆，且上层晶圆和底层晶圆分别设于所述倒置框架（3）和下框架（4）的内部，上层晶圆和底层晶圆相靠近的表面均涂覆有粘附剂，所述倒置框架（3）和下框架（4）的内部均设有限位机构（6），用于限制上层晶圆和底层晶圆在所述倒置框架（3）和下框架（4）内的位置，所述限位机构（6）的一侧设有触发机构，用于解除所述限位机构（6）对底层晶圆的限制，所述吸盘（51）上移顶动底层晶圆，使底层晶圆与上层晶圆预键合；

所述倒置框架（3）和下框架（4）的内部均设有阶梯槽（41），阶梯槽（41）与限位机构（6）配合将晶圆的上下两侧夹住，限制晶圆在引线框架内的位置；

所述限位机构（6）包括轴体（61），所述轴体（61）嵌装于阶梯槽（41）内，所述轴体（61）的轴壁上通过扭簧转动连接有竖杆（62），所述竖杆（62）远离阶梯槽（41）的一端安装有横杆（63），且所述横杆（63）用于限制晶圆远离阶梯槽（41）的一侧；

所述轴体（61）的轴壁上安装有齿轮（64），所述齿轮（64）与竖杆（62）固定连接，所述触发机构包括可上下往复移动的触发齿条（7），所述触发齿条（7）与齿轮（64）啮合传动，所述触发齿条（7）驱动齿轮（64）旋转，带动所述竖杆（62）和横杆（63）绕轴体（61）转动，解除所述横杆（63）对晶圆的限制。

2.根据权利要求1所述的四边定位抓取机构，其特征在于，所述竖杆（62）远离横杆（63）的端部转动连接有导轮（65），当所述横杆（63）解除对晶圆的限制后，所述横杆（63）的端部和所述导轮（65）之间的连线竖直，且所述横杆（63）的端部和所述导轮（65）与晶圆左右侧接触。

3.根据权利要求2所述的四边定位抓取机构，其特征在于，所述定位架（2）上安装有四个导杆（22），所述导杆（22）上通过弹簧套装有滑套（26），四个所述滑套（26）分别与两个第一夹爪（23）以及两个第二夹爪（24）连接，所述定位架（2）上还安装有伸缩缸（21），所述伸缩缸（21）的输出端连接有凸台（211），所述第一夹爪（23）和第二夹爪（24）的内侧均安装有滚轮（25），所述滚轮（25）与凸台（211）的外侧接触，当所述凸台（211）竖向运动时，所述滚轮（25）受到挤压，带动第一夹爪（23）和第二夹爪（24）向内收缩或向外展开。

4.根据权利要求3所述的四边定位抓取机构，其特征在于，所述滑套（26）上安装有限位柱（27），当所述凸台（211）位于极限高位时，所述限位柱（27）与定位架（2）抵触，限制第一夹爪（23）和第二夹爪（24）合拢的距离。

5.根据权利要求4所述的四边定位抓取机构，其特征在于，所述机架（1）上安装有z轴驱动单元（11），所述z轴驱动单元（11）的输出端与定位架（2）连接，用于驱动定位架（2）沿z轴运动。

6.根据权利要求5所述的四边定位抓取机构，其特征在于，四边定位抓取机构还包括y轴驱动单元（9），所述y轴驱动单元（9）的输出端与机架（1）连接，用于驱动机架（1）沿y轴运动。

7.根据权利要求6所述的四边定位抓取机构，其特征在于，四边定位抓取机构还包括x轴驱动单元（8），所述x轴驱动单元（8）的输出端与y轴驱动单元（9）连接，用于驱动y轴驱动单元（9）和机架（1）沿x轴运动。