CN1296984C - 衬底定位的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于定位衬底的装置和方法。所述的装置包括：一个拾球头，用于在拾球过程中拾取多个焊球并将它们放置在衬底上；一个图像系统，用于观察和获得衬底的位置信息；此外，一个用于安装图像系统的支架，这种图像系统的操作是与拾球头的移动相分离的；驱动装置对所述的通过图像系统观察到的位置信息做出反应，从而至少定位衬底和用于将焊球放置到衬底上的拾球头。

Description

衬底定位的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于定位(aligning)半导体衬底(substrate)的方法和装置，尤其是一种在进行半导体组装加工时定位衬底的方法和装置，例如在将焊球(solderballs)安置在衬底的接触焊盘(contact pads)的过程中。
背景技术
球栅阵列(BGA：Ball Grid Array)技术被普遍地应用于生产高密度集成电路(IC)元件(components)。焊球的规则阵列被安置在IC元件上从而在其接触点上形成IC元件的电气接触。形成IC元件的电气接触的这些焊球然后可以与使用中的印刷电路板上的相应的接线(connections)紧密地配合。
在使用BGA技术进行生产期间，焊剂滴(droplets of flux)和焊球必须被转移到衬底上，它们在衬底上以预定的排列方式放置。常用的技术是使用一种焊剂转移头(flux transfer head)或者钉头(pin head)将焊剂转移到衬底上，并且使用一种拾球头(ball pick head)以如在衬底上所要求的相同的排列结构输送焊球，然后接着将焊球放置在包含有焊剂的衬底上。通常，至关重要的是所有的IC元件的电气接触点被焊球覆盖以确保元件没有缺陷。通常，拾球头形成多个用于接收焊球的位置，这些位置是以与在电路板上的焊球的所希望的结构相同的排列结构被放置的。相应的钉头必须也在衬底上以相同的排列结构放置焊剂滴。
目前，用于焊剂滴和焊球置放的快速和有效的装置的设计面临着许多挑战。装置必须被设计成使得钉头和拾球头被依次地安置在衬底上的精确的位置上，并且由于阵列的尺寸尤其是阵列上的焊球位置之间的间隙小，必须采用精确定位技术。通常，一种图像和模式识别系统(vision and pattern recognition system)诸如照相机被用于定位并捕捉在衬底上的至少两个基准标记(fiducial markers)以确定是否需要某种程度的移动来实现与衬底的对准定位。
在生产过程中在衬底上以高速度和高效率的方式精确定位钉头和拾球头的需求导致了两个照相机的使用，从而减少由于单个不得不在基准标记之间运动的照相机所产生的移动。一个例子是美国专利号6,070,783，关于“导电球固定装置和方法”。其介绍了一种装置，其中两个定位照相机(alignment camera)被相互对角安置并集成到一个主转换装置(main transfer means)中。问题是该主转换装置涉及许多处理工作元件(elements)，诸如拾球、焊剂移送、定位和在衬底上置放焊球。此外，此装置有一个巨大的转换装置设计，这种单个的转换装置需要移动相对较长的距离以完成一个循环，而导致较长的定位和焊球置放过程。此装置的另外一个特征是照相机被刚性地与转换装置集成在一起，而导致照相机的移动取决于转换装置的移动。这使得系统更加麻烦(cumbersome)和复杂。
使用两个照相机定位衬底的装置的另外一个例子是美国专利号6,355,298“置放系统装置和方法”。一个定位照相机被安装到钉头上，另外一个照相机被安装到拾球头上。拾球头涉及时间紧急(time-critical)的过程，并且与钉头相比较而言具有较高数目的处理工作元件(process work element)。由于与钉头比较而言，拾球头耗费非常长的时间来完成它的处理过程，结果是工作量的不均衡的分配。拾球头不能够同时执行拾球过程(其包括将焊球准备成预定的阵列以便拾取)和衬底定位。这是因为拾球头需要等待所处理的衬底退出焊球安装台以及一个新的衬底进入以进行定位。等待时间导致增加了过程循环时间。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的一些缺点而开发一种具有相对高效的用于衬底定位的方法和装置。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于衬底定位的装置，包括：一个拾球头，用于在拾球过程中拾取多个焊球并将它们放置在衬底上；一个图像系统(visionsystem)，用于观察和获得衬底的位置信息；一个用于安装图像系统的支架(carrier)，该支架包括焊剂转移头，以用于收集焊剂并在衬底上放置焊剂，这种图像系统的操作与拾球头的移动相分离(decoupled)；驱动装置(drivers)，其对所述的通过图像系统获取的位置信息作出反应，以至少定位该衬底和用于将焊球置放到衬底上的拾球头；其中该图像系统包含有第一照相机，该第一照相机沿着线性导轨移动，用于将其相对于该支架定位以观察在衬底表面的位置标记，该图像系统还包括第二照相机，该第二照相机沿着一个基本蚀立于所述第一照相机的线性导轨移动，使得该第一照相机和第二照相机配合观察衬底的表面的不同位置的位置标记。
根据本发明的另一方面，其提供了一种用于衬底定位的方法，包括以下步骤：提供一个拾球头，用于在拾球过程中拾取多个焊球并将它们放置在衬底上；采用一个安装在一个支架上的图像系统观察该衬底和获取衬底的位置信息，该支架包括焊剂转移头，以用于收集焊剂并在衬底上放置焊剂，从而将图像系统的操作与拾球头的移动相分离；根据所述的位置信息，至少定位该衬底和拾球头，以将焊球放置在衬底上；其中该图像系统包含有第一照相机，该第一照相机沿着线性导轨移动，用于将其相对于该支架定位以观察在衬底表面的位置标记，该图像系统还包括第二照相机，该第二照相机沿着一个基本独立于所述第一照相机的线性导轨移动，以便于该第一照相机和第二照相机配合观察衬底的表面的不同位置的位置标记。
通过附图及其所说明的一个实施例可以方便和详细地描述本发明。附图和有关的说明书的特性不应该被理解为代替权利要求所定义的本发明的宽特征的共性。
附图说明
根据本发明的方法和装置的实施例的说明请参见附图，其中：
图1是带有矩形排列(rectangular arrays)的导电焊盘(solder pads)的典型的BGA衬底的平面图；
图2是带有更加清楚地说明的基准标记的BGA衬底的平面图；
图3是根据本发明的较佳实施例的衬底定位和焊球置放装置的平面图；
图4是根据从图3的方向A看去的一个较佳实施例，在焊球置放装置的钉头上安装的双定位照相机的主视图；
图5是根据另一个较佳实施例的非处理头(non-process head)上安装的双定位照相机的主视图；
图6A至6F介绍了一个操作流程，其说明了根据本发明的较佳实施例的在钉头和拾球头之间的处理工作元件的分布。
具体实施方式
图1是带有矩形排列的导电焊盘2的典型的BGA衬底3的平面图。焊料和焊球必须被精确地安放在焊盘2的位置。
图2是带有更加清楚地说明的基准标记的BGA衬底的平面图。为了清楚地说明，将焊盘2删除。衬底3具有大量的对应于导电焊盘2的排列轮廓的限定网格4的线。这些网格4包括大量的基准标记5。图中显示了一个预定设计的基准标记5的放大的视图。在图2中，基准标记5的设计包括通常的L形方块，但是应该认识到还可能有其它的设计。
图3是根据本发明的较佳实施例的衬底定位和焊球置放装置22的平面图。焊球置放装置22一般包括一个支撑架(support frame)1用于支撑焊剂转移头或钉头18，和一个拾球头21。焊球置放装置22包括多个驱动装置或电机。一个安装在支撑架1上的钉头y-电机23沿着y轴方向驱动钉头18；而一个安装在支撑架1上的拾球头y-电机24沿着y轴方向驱动拾球头21。此外，一个钉头z-电机27和一个拾球头z-电机28分别在z-轴方向驱动钉头18和拾球头21(即垂直于x-和y-轴)。钉头电机23、27和拾球头电机24、28被安装在支撑架1上。还有一个设有带有焊球/焊料安装平台34的水平导轨的单独模块，被用于焊料和焊球的置放以及x-轴上的衬底输送。
关于钉头18，它包括一个钉头θ(theta)电机25以驱动钉头18的角度旋转(angular rotation)。钉头18还包括一个图像系统，其可以是双照相机定位模块29的形式。因此，钉头18用作安装图像系统的支架。图像系统或双照相机定位模块29被用于观察和获取衬底3的位置信息。在较佳实施例中，图像系统包括一个第一照相机32和一个第二照相机33。在双照相机排列模块29中，照相机电机30、31分别在x-轴向上沿着线性导轨42(见图4)驱动第一和第二照相机32、33。
关于拾球头21，它还包括一个拾球头θ(theta)电机26以驱动拾球头21的角度旋转。拾球头在焊球拾取过程中拾取多个焊球并将它们放置到位于水平轨道上的焊球/焊料安装平台34的衬底3上。衬底3通常包括位置标记(positional indicia)例如基准标记11、12、35和36。通常，基准标记是成对地水平或对角读取以决定衬底的定位，例如基准标记11可以和基准标记12同时读取；基准标记35可以和基准标记36同时读取。除了基准标记12，装置22可以被编程以识别其他的位置标记，诸如导电盘、焊盘或者其他的衬底3表面的独特的识别标记。
在轴的每个末端分别有一个焊料存储装置(flux reservoir)37和球模板固定装置(ball template holder)38。应该认识到虽然一个照相机足以执行本发明，但是，两个照相机一般是优选的，因为它们可以留在x-轴上的相对固定的位置用于观察连续的衬底(如果它们在模式识别期间没有相互的物理阻碍的话)。通过这样做，可以缩短定位时间。还应该认识到各种电机23-28、30-31用作驱动装置来控制焊球置放装置22的各种部件的相对位置，从而至少对衬底3和拾球头21进行定位，以及如所述的实施例中定位衬底3和钉头18，而将焊球48安放到衬底3上。
图4是根据从图3的方向A看去的一个较佳实施例，在焊球置放装置22的钉头18上安装的双照相机定位模块29的主视图。照相机模块29是一个安装有第一和第二照相机32、33的模块组件。钉头18被选择用于安装照相机模块29，这是因为它是一个相对非时间紧急(non time-critical process head)的处理头，即与拾球头21相比较，它操作较少的处理工作元件。
第一照相机32和第二照相机33可以在x-轴方向上独立地移动。每个照相机32、33设有LED模块44、45。一个线性导轨42用作允许照相机32、33的水平移动的轨道，并根据钉头18而将它们定位从而观察在衬底3的表面的基准标记11、12、35、36。对每个照相机32、33可以有一个线性导轨42或者可以共享一单个的线性导轨42。照相机32、33最好是相邻安放，虽然还可能将它们安放在支架或者钉头18的不同侧。由第一照相机电机30驱动的第一进给螺杆40控制第一照相机32的移动，而由第二照相机电机31驱动的第二进给螺杆41控制第二照相机32的移动。
还介绍了在钉头18下方的焊剂转换钉(flux transfer pins)43，其被用于收集焊剂，然后接触衬底3以在其上施加焊剂。
图5是根据另一个实施例在一个非处理头47上安装的双照相机定位模块29的主视图。非处理头47在此实施例中作为一个用于图像系统的支架。其结构与图4中相同，区别在于非处理头47不涉及任何时间紧急的处理或者除了支撑和定位照相机32、33的功能。第一和第二照相机的本质是图像系统或者双照相机定位模块29被用于在拾球头21进行拾球操作的基本同时获得衬底3的位置信息(拾球操作包括将焊球准备成用于拾取的预定的阵列)。这可以通过将图像系统的操作与拾球头21的移动相分离来操作。在此情况下，非处理头47可以被定位为这种情况，即衬底3的基准标记11、12、35、36可以被非处理头47在没有额外的移动的情况下进行观察。非处理头47的在y-轴方向的移动能力是所希望的。
图6A至6F介绍了一个操作流程，其说明了根据本发明的较佳实施例的在钉头18和拾球头21之间的处理工作元件的分布。所显示的是通常从图3的B方向上看去的结构。
图6A表示在一个备用(standby)位置的焊球置放装置22。衬底3被置放和容纳在水平轨道的焊球/焊剂安装平台34上。钉头18上设有焊剂转换钉43和在其上固定的照相机32、33，钉头18被定位在焊剂存储装置37的上方。设有一个拾头模板(pick head template)46的拾球头21被定位在球模板固定装置38和衬底3之间。
在图6B中，带有熔化焊剂的钉(fluxed pins)的钉头18被降低位置使得转换钉43适用于进入焊剂存储装置37的一个预定的深度从而收集焊剂。
在图6C中，钉头18被提升并移向衬底3，一个焊剂层49被收集在焊剂转换钉43上。同时，在球拾取过程的焊球准备阶段焊球48被引到球模板固定装置38上。球模板固定装置38上设有凹槽(recesses)，这些凹槽是以与在衬底3上的焊盘的相同的结构进行排列的。因此，被安排到凹槽上的焊球48作好被拾取的准备并被安放到衬底3的相应位置。拾球头21现在被定位在球模板固定装置38的上方以拾取焊球。
当钉头18以及安装在其上的照相机32、33移向衬底3时，照相机32、33将搜索并定位到衬底3的基准标记11、12、35、36上。如上所示，基准标记是成对地被读取。因此，以对角设置的基准标记11和12为例(见图3)，第二照相机33被定位在基准标记12上方以获得基准标记12的图像；第一照相机32被定位在基准标记11上方以获得基准标记11的图像。两个基准标记11、12的相对位置的结合允许焊球置放装置22确定钉头18的焊剂转换钉43和拾球头21的拾头模板46与衬底3的方向对准的偏离程度。钉头电机23、25以及钉头18和拾球头21的拾球头电机24、26分别能够相应地在y和θ(theta)轴上调整元件的方向，从而在当被定位在衬底3上方的时候与衬底3的方向相对应。通过在水平轨道上的焊球/焊剂安装平台34的移动可以提供x-轴的补偿，或者在另外一个实施例中(未显示)，如果钉头18和拾球头21被设计为可以沿x轴移动，通过钉头18和拾球头21的x-轴向的移动提供x-轴的补偿。
如果基准标记11、12、35、36足够的宽使得在模式识别期间两个照相机不会发生互相的物理阻碍，相对短的定位时间是必需的。照相机32、33甚至可以留在x轴上的相对固定的位置用于观察连续的衬底。但是，如果参考基准标记11、12、35、36之间的距离小，就可能需要照相机32、33在模式识别期间相互让路。
在图6D中，焊剂转换钉43与衬底3的焊盘对准定位，并被降低以传送在衬底3上的焊剂。同时，拾头模板46被降低以在拾球过程的下一个阶段拾取焊球48(通常采用吸真空装置)。
在图6E中，钉头18将焊剂层49安放到衬底3上，并且向后移动到备用位置。拾球头21被提起，它的y和θ(theta)电机24、26将它于衬底3的方向对准定位。
在图6F中，焊球48被安放到已放置了一层焊剂49的衬底3上。焊剂49帮助焊球48粘附到衬底3上。此时，钉头18被再次降低到焊剂存储装置37中以收集另外的焊剂层49。此后，拾球头21在释放焊球48以后提升，衬底3被从焊球置放装置22移下。开始另外的安放循环过程。
通过缩短定位时间，用于焊球置放的系统循环时间可以被缩短。由于照相机不需要经常移动或者只需要移动相对较短的距离，由于减少了移动，机械部件的潜在的磨损问题可以被最小化。如果在基准标记之间的距离足够的大，还有一个可能性，即双定位照相机保持在x轴上相对固定的位置。根据所述的实施例的设计，一个时间紧急处理头(time critical process head)例如拾球头可以集中它的任务并且分享照相机所收集的定位信息，所述的照相机是安装在一个不太紧急的处理头上的，例如钉头或者非处理头。结果各个头的更加平衡的工作负荷分布导致减少了定位时间。
在此所介绍的发明在所介绍的特性之外还很容易进行变化、修改和/或者添加。可以理解本发明包括所有的落入上述说明书的精神和范围之内的此类变化、修改和/或添加。

Claims (16)

1、一种用于衬底定位的装置，其包括：
拾球头，用于在拾球过程中拾取多个焊球并将它们放置到衬底上；
图像系统，适用于观察和获取衬底的位置信息；
支架，该支架包括焊剂转移头，以用于收集焊剂并在衬底上放置焊剂，所述的图像系统安装在该支架上，以便该图像系统的操作与拾球头的移动相分离；和
驱动装置，对所述图像系统所获取的位置信息进行反应，以至少定位该衬底和用于将焊球置放到衬底上的拾球头；
其中该图像系统包含有第一照相机，该第一照相机沿着线性导轨移动，用于将其相对于该支架定位以观察在衬底表面的位置标记，该图像系统还包括第二照相机，该第二照相机沿着一个基本独立于所述第一照相机的线性导轨移动，使得该第一照相机和第二照相机配合观察衬底的表面的不同位置的位置标记。
2、根据权利要求1所述的装置，其中所述的图像系统获取衬底的位置信息的动作和拾球头进行拾球的动作同时发生。
3、根据权利要求1所述的装置，其中所述的位置标记是从以下组群中选择的，该组群包括：基准标记、导电盘和焊盘。
4、根据权利要求1所述的装置，其中所述的第二照相机被设置为基本与所述的第一照相机相邻。
5、根据权利要求1所述的装置，其中所述的第一照相机和第二照相机被保留在相互相对固定的位置用于观察连续的衬底。
6、根据权利要求1所述的装置，其中驱动装置可以有效地沿着轴朝向和背离衬底的位置移动拾球头，并将拾球头移动到使其与衬底角度对准定位。
7、根据权利要求6所述的装置，其中驱动装置可以有效地沿着另外的轴移动衬底，该轴平行于衬底的平面并垂直于所述的轴。
8、根据权利要求6所述的装置，其中驱动装置用于沿着另外的轴移动拾球头和支架，该轴平行于衬底的平面并垂直于所述的轴。
9、一种用于衬底定位的方法，包括以下步骤：
提供一个拾球头，用于在拾球过程中拾取多个焊球并将该焊球放置在衬底上；
采用一个安装在一个支架上的图像系统观察该衬底和获取衬底的位置信息，该支架包括焊剂转移头，以用于收集焊剂并在衬底上放置焊剂，从而将图像系统的操作与拾球头的移动相分离；
根据该位置信息，至少定位该衬底和拾球头，以将焊球放置在衬底上；
其中该图像系统包含有第一照相机，该第一照相机沿着线性导轨移动，用于将其相对于该支架定位以观察在衬底表面的位置标记，该图像系统还包括第二照相机，该第二照相机沿着一个基本独立于所述第一照相机的线性导轨移动，以便于该第一照相机和第二照相机配合观察衬底的表面的不同位置的位置标记。
10、根据权利要求9所述的方法，其中所述的图像系统获取衬底的位置信息的动作和拾球头进行拾球的动作同时发生。
11、根据权利要求9所述的方法，其中所述的位置标记是从以下组群中选择的，该组群包括：基准标记、导电盘和焊盘。
12、根据权利要求9所述的方法，包括：将所述的第二照相机配置为与所述的第一照相机基本相邻。
13、根据权利要求9所述的方法，包括：将第一照相机和第二照相机保留在相互相对固定的位置用于观察连续的衬底。
14、根据权利要求9所述的方法，包括：沿着轴朝向和背离衬底的位置移动拾球头，并在定位过程中将拾球头移动到使其与衬底角度对准定位。
15、根据权利要求14所述的方法，包括：沿着另外的轴移动衬底，该轴平行于衬底的平面并垂直于所述的轴。
16、根据权利要求14所述的方法，包括：沿着另外的轴移动拾球头，该轴平行于衬底的平面并垂直于所述的轴。
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