CN1318005A - 焊球放置装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于将一列焊球放置一基体上的装置，包括一具有从中穿过的一列孔的承载板。每个孔能够固定一焊球。一具有一列销的球放置头与由该承载板固定的焊球的所需点阵对齐。该列销推动该焊球点阵穿过该承载板中的孔到达该基体上。本发明还涉及一种焊球分配器，用于将焊球分配到一板上，该板具有一在其中形成一列孔的上表面。该焊球分配器包括一板支承件，该板支承件支承该板，使该上表面倾斜到与水平面成一角度，一用于向该板提供焊球的球输送装置，及一焊球固定器。该焊球固定器可在该板的上表面上移动，用于控制焊球在该板上的移动速度。

Description

焊球放置装置
相关申请
本申请是美国申请No.08/795,543的部分延续，该申请在这里通过引证被并入本文。
发明背景
在半导体器件的生产中，通常将小焊球以球格栅排列放置在半导体器件的基体上，然后将焊球回流到一炉中，从而在基体上提供一系列电连接触点。目前，有多种不同的方法用于放置焊球，从而在半导体和其它电子器件上形成球格栅排列。
在一种方法中，用一真空头将一列焊球拣起。每个焊球由真空头中一单独的真空喷嘴固定。该真空头然后将焊球放置到半导体基体上并释放焊球到其上面。
在另一种方法中，在半导体基体上放置一面层。该面层具有一列与基体上所需电输出端的图案相对应的贯穿形成的孔。然后用一空气刀或刮刀将大量焊球分散到基体上。一些焊球落入面板上的孔中并被捕捉，从而将焊球定位在基体上所需点阵中。
在另一个方法中，形成一转移基体，该基体上有一列与所需点阵电输出端相对应的凹槽。该列凹槽然后填充焊球。半导体基体转成面向下与放置在该转移基体上的该列焊球接触。焊球然后回流到半导体基体上并与之冶金粘结。
发明概述
在某些应用中，多达2000个直径为.012英寸至.030英寸的焊球被放置在半导体基体上约4平方英寸的区域内。因此，大量小尺寸的焊球使得用现有的设备有时很难前后一致地将一完整列的焊球放置在半导体基体上。
本发明提供了一种用于将一列焊球放置在一半导体基体上的装置，与前述方法相比，该装置在焊球的放置上更可靠。本发明的装置包括一承载板，该承载板具有一系列从中穿过的孔。每个孔能够固定一个焊球。球放置头上第一点阵突起的至少一部分与由承载板固定的第一点阵焊球对正。该突起推动第一点阵焊球穿过基体上承载板中的孔。
在优选实施方案中，焊球输送器用焊球填充承载板。该输送器包括一柔顺的清除元件，用于从承载板上清除多余的焊球。点阵头上第二点阵的突起与由承载板固定的一些焊球对齐，将第二点阵的焊球从承载板上推下，使得只有第一点阵的焊球保持由承载板固定。位于球放置和点阵头上的每个突起是一销，该销可与承载板中相应的孔自定位。
第一传感系统对承载板中全部所需的孔在由焊球输送器填充后是否都装有一焊球进行传感。该第一传感系统包括一观察装置和一位于承载板后面用于从背面照亮承载板的光源。第二传感系统对点阵头将第二点阵焊球从承载板上推下后承载板是否装有仅在第一点阵中的焊球进行传感。该第二传感系统包括一观察装置，光源，该光源设置在承载板后面用于从背面照亮承载板，从而检测是否承载板固定有仅在第一点阵中的焊球，及另一光源，该光源设置在承载板前面，用于从前面照亮承载板，从而检测承载板顶部的任何杂散焊球。
在一优选实施方案中，承载板包括一夹在第一板部和第二板部之间的薄膜。承载板中的该系列孔穿过该第一板部、该薄膜及该第二板部。第一和第二板部中的孔的尺寸确定为允许焊球从中穿过，而穿过薄膜的孔的尺寸确定为防止焊球由于重力作用而穿过，同时允许在被球放置头推动时穿过该薄膜。
在另一优选实施方案中，承载板中的孔的尺寸确定为防止焊球穿过，但允许设置在承载板下方的球放置头上的销推动焊球穿过承载板顶部中的孔。该实施方案中，将接收焊球的半导体基体倒置设置在承载板上，使焊球能够被推出该孔并压靠在半导体基体的上表面上。
第一传感系统，点阵头，第二传感系统和球放置头以一环形路径分别设置在第一传感工位、点阵头工位、第二传感工位和球放置工位中。具有支承该承载板的支承指的可旋转圆盘传送器将承载板传送到各工位。该圆盘传送器在每个工位提供了同时操作，从而提高了生产率。
本发明另一实施方案涉及一种用于将焊球分配到一板上的焊球分配器，该板具有一其中形成有一列孔的上表面。该焊球分配器包括一板支承件，该板支承件构造和设置成支承该板，从而使该上表面与水平面成一角度倾斜，一设置在该板支承件上方的球输送装置，用于向板提供焊球，及一设置在该板支承件上方的焊球固定器。该焊球固定器可在该板的上表面上移动，以控制焊球在该板上的移动速度。
该焊球分配器可包括球清除器，用于从板上清除杂散的焊球。焊球固定器可以是一无底封闭物，当焊球在板上移动时该无底封闭物容纳焊球。该焊球固定器可具有一倾斜的导向壁，及一后部，该球清除器设置在该后部。该焊球分配器还可包括一将焊球分散到板上的分散装置，该分散装置可包括一用于分散球的成角度的表面。该板支承件可构造和设置成使与水平面的角度为18°至25°。该焊球分配器还可包括一再循环托盘，该再循环托盘捕捉未使用的焊球并将未使用的焊球倒回球输送器中。该焊球输送器可包括一盒式可移动容器。
附图简介
从下面对附图的优选实施方案的更特别的描述中，可以明白本发明的前述和其它目的、特征和优点，其中在全部不同视图中相同的参考数字表示相同的部件。除了表示本发明的原理之外，附图对于比例和侧重点来讲并不是必须的。
图1是本发明焊球放置装置的平面图。
图2是本发明装置中使用的承载板的平面图。
图3是承载板的端部视图。
图4是承载板一部分的侧面剖视图，表示穿过承载板的一单独孔。
图5是装有一完整列焊球的承载板的平面图。
图6是承载板的平面图，该承载板在由点阵头去除未使用的焊球后装有一局部列的所需点阵焊球。
图7是设置在承载板上方的球输送器的局部剖视图。
图8是球输送器将焊球输送到承载板上的局部剖视图。
图9是第一传感系统的示意性侧视图。
图10是设置在承载板上方的点阵头的局部侧视图。
图11是点阵头/球放置头销的侧视图。
图12是点阵头部件的端面视图，其中承载板由承载板侧边缘上的点阵头抓手固定。
图13是由点阵头抓手固定在侧边缘上的承载板的平面图。
图14、15和16表示推动焊球穿过板的单独点阵头销。
图17是第二传感系统的示意性侧视图。
图18是设置在承载板上方的球放置头部件的局部侧视图。
图19是球放置头部件的端面视图，其中承载板位于侧边缘上的球放置头抓手固定，一半导体基体被定位，用一真空夹盘放置球。
图20、21、22和23表示将焊球从承载板推到半导体基体上的球放置头销。
图24是另一优选承载板的一部分的侧部剖视图。
图25是图24中承载板一部分的底视图。
图26是又一优选承载板的一部分的底视图。
图27表示根据本发明一优选实施方案的放置装置，该放置装置用于将焊球从承载板中的孔中推到一半导体基体上。
图28是处于第一操作位置的根据本发明一实施方案的球输送分配器的局部侧视剖面图。
图29是处于第二操作位置的图28中球输送分配器的局部侧视剖面图。
图30是处于第三操作位置的图28中球输送分配器的局部侧视剖面图。
图31是用于图28中球输送分配器的焊球固定装置的透视图。
图32是处于第一操作位置的图31中焊球固定装置的顶视图。
图33是处于第二操作位置的图31中焊球固定装置的顶视图。
图34是处于第三操作位置的图31中焊球固定装置的顶视图。
图35是图31中焊球固定装置的局部剖视侧视图。
图36是图35中局部区域的放大视图。
图37是沿图35中B-B的视图。
图38是本发明一个实施方案中分配板的顶视图。
图39是沿图38中线39-39所取的剖视图。
图40是处于第四操作位置的图28中球输送分配器的局部侧视剖面图。
图41是与图28中球分配器联接的承载板倾斜机构和球循环装置的局部侧视图。
优选实施方案的详细描述
如图1所示，在本发明的第一实施方案中，焊球放置装置10包括一放置在桌面12上的分度圆盘传送器14。圆盘传送器14包括十个臂14a，该十个臂14a从绕一旋转点11a旋转的中心轮毂11向外延伸。臂14a支承着十对弹簧加载的支承指16a和16b，该十对支承指16a和16b用销17支承十个承载板18。每个承载板18包括一列80从中贯穿形成的孔82，该孔82支承焊球102(图5)以放置到一半导体基体部件72上。圆盘传送器14通过沿箭头8(顺时针)方向的递进旋转而在设置成圆形的十个不同的工位之间传送该十个承载板18。
装置10包括一加载/卸载工位20，承载板18在该工位20被加载或卸载。在加载/卸载工位20后面设置了五个球输送工位22、24、26、28和30，用于递进地用焊球102填充承载板18上孔82的列80。第一传感工位32设置在球输送工位30后面，用于确定是否承载板18上列80中的所有所需孔82都已填充了焊球102。点阵头工位34设置在第一传感工位32后面，用于通过从孔82的列80中去掉不需要的焊球102而形成一所需的点阵81(图6)。第二传感工位36设置在点阵头工位34后面，用于确定是否已经获得了所需的焊球102点阵81。球放置工位38设置在第二传感工位34后面，用于将焊球102点阵81从承载板18放置到部件72上。X-Y工作台66靠近球放置工位38设置，用于将固定在一JEDEC配合托盘70中的一列部件72传递到球放置工位38。
操作中，装置10首先必须加载至少一个和至多十个承载板18(图2)。这是通过将一承载板18放置在支承指16a/16b之间和销17上面的工位20上而完成的。圆盘传送器14以一个增量换位，且该过程优选重复九次。
下面的论述描述了当承载板18由圆盘传送器14换位时从一个承载板18上填充和分配焊球102的操作顺序。承载板18由支承指16a/16b支承在加载/卸载工位20上并通过圆盘传送器14换位到球输送工位22。球输送器40将大量焊球20下落在承载板18上，从而用焊球102填充孔82的列80。球输送工位22填充了列80中的大部分孔82。承载板18然后被换位到球输送工位24。当承载板18被换位时，清除元件44将承载板18上没有落入孔82中的焊球102从承载板18上清除。球输送工位24、26、28和30重复由球输送工位22进行的球输送过程，如果要求的话，以逐渐填充列80中未填充的孔82。圆盘传送器14将承载板18换位到每个工位。
承载板18从球输送工位30换位到优选是完全填充了焊球102的第一传感工位32(图5)。承载板18由一光源46从下面照亮。摄像机50通过反射镜48观察承载板18上的列80。如果孔82的列80没有按照要求用焊球102完全填充，承载板18就向前换位而越过剩余操作，并返回球输送工位22。如果列80按照要求完全填充了焊球102，承载板18将换位到点阵头工位34。列80可以有未填充焊球102但也不是所需点阵81的一部分的孔82(下面描述)。
点阵头工位34包括一点阵头组件52，该点阵头组件52具有一点阵头104和点阵头抓手74a/74b。在点阵头工位34，点阵头抓手74a/74b抓住承载板18。然后点阵头抓手74a/74b将承载板18从支承指16a/16b的销17上抬起，将承载板18向上压在点阵头104上。点阵头104用一系列销108(图10和11)从承载板18的列80上推下不需要焊球102的一预定点阵83，如图6所示，留下一所需的点阵81。承载板18下落回到支承指16a/16b的销17上。
点阵头抓手74a/74b然后释放承载板18，而圆盘传送器14将承载板18换位到第二传感工位36。承载板18从下面由一光源46照亮，从上面由一光源54照亮。当位于第一传感工位32中时，承载板18上的列80由一摄像机50通过反射镜48观察。光源46使摄像机50能够观察到列80中的焊球102是否位于所需的点阵81中。光源54使摄像机50能够观察到在承载板18上是否有任何杂散的焊球102，该焊球102然后可以由一空气喷嘴或一清除器清除。如果列80中焊球102的点阵81是正确的，承载板18就会被换位到球放置工位38。光传感器78a和78b确保承载板18被正确换位到了球放置工位38。
球放置工位38包括一球放置头部件56，该球放置头部件56具有一球放置头126和球放置抓手127a/127b。在球放置工位38，承载板18由球放置抓手127a/127b抓住。用抓手68夹持一托盘70的部件72的X-Y工作台66将一部件72定位在承载板18的列80下面。位于部件72下面的真空夹盘76向上移动并由一真空喷嘴76a将部件72固定到其上。真空夹盘76将部件72抬起到略微高于其在托盘70上的位置。指驱动器62将支承指16a/16b打开。球放置抓手127a/127b将承载板向下移动到一刚好位于部件72上方的位置(部件72上方约0.020英寸)。球放置头126然后相对于承载板18向下移动并用一列销108将焊球102的所需点阵81(图6)从承载板18推到部件72上(图18)。焊球102被放置到成滴的焊剂72a上(图20)，该焊剂72a或者通过一销传送工艺或者通过一屏蔽工艺沉积到部件72上。球放置头126然后向上移动。球放置抓手127a/127b还将承载板18向上移动，而支承指16a/16b由指驱动器62关闭，以支承承载板18。真空夹盘76向下移动而将部件72返回到托盘70上。球放置抓手127a/127b释放承载板18，承载板18然后被换位到加载/卸载工位20，该循环重复进行。
当圆盘传送器14递进旋转时由每个工位22、24、26、28、30、32、34、36和38执行的工序同时进行。X-Y工作台66将托盘70中的每个部件72移动到球放置头126下面，直到焊球102所需的点阵81被放置到所有部件上。该工序一旦完成，一新托盘70的部件72被加载到X-Y工作台66上。
如果一个承载板18或者在第一传感工位32或者在第二传感工位36被多于一次地排除，装置10可设定程序来通知设备操作者。在这种情况下，承载板18被认为有缺陷并在加载/卸载工位20由一新的承载板18代替。
现在对装置10的部件进行更详细的描述。圆盘传送器14上的每个臂14a支承以剪刀结构安装在圆盘传送器臂14a上面的两个指16a和16b。该剪刀结构由一弹簧部件13弹簧加载。位于一个圆盘传送器臂14a上的指16a通过一凸轮15与安装在相邻圆盘传送器臂14a上的一相对指16b联接，因而相对的指16a/16b可通过指形驱动器62打开和关闭。每个相对指16a/16b包括两个水平销17，该两个水平销17相互面对而与承载板18中的槽88配合(图2和3)，从而将承载板18支承在适当位置。圆盘传送器14由一与齿轮减速器相联的伺服电机换位。球隔层9设置在圆盘传送器14下面，将球输送工位22、23、26、28和30与工位32、34、36、38和20分开。这有助于防止松散的焊球102污染工位32、34、36、38和20。
参照图2、3和4，承载板18是通过将一由弹性材料，如KaptonTM制成的薄膜98夹在两个由印刷电路板材料制成的板92和100之间而制造的。优选地，上板92厚度约为0.020英寸，薄膜98的厚度约为0.0005英寸，下板100厚度约为0.125英寸。上板92、薄膜98和下板100通过厚度约为0.0005英寸的两胶粘层96夹在一起。板92和100的外表面镀金，以使承载板18接地，从而防止静电因而防止部件72受损。该金镀层还使表面容易清洁。承载板18优选是大约5英寸长和2.5英寸宽。
列80中的每个孔82包括上板92中的第一部分82a，该第一部分82a直径约为0.036英寸，以固定直径约为0.030英寸的焊球。每个孔82还包括位于下板100中的通道部分，该通道部分具有较宽的入口82b和直径约为0.032英寸的较窄的出口82c，用于精确地放置焊球。孔82最好以约0.050英寸的距离彼此间隔开。薄膜98具有一孔98a，该孔98a通过对薄膜98开槽而形成，两个槽相互成直角交叉。薄膜98具有足够的刚度来防止焊球102以其自身重量通过孔98a，而又具有足够的柔性而允许焊球102由点阵头104和球放置头126的销108(图11)推过。
承载板18在相对端包括两个直径约为0.125英寸的定位孔90。对正孔90与定位销90a配合(图10和18)而将承载板18与点阵头104和球放置头126定位。四个孔86位于承载板18的角部，并具有约0.191英寸的直径。孔86为从点阵头104和球放置头126伸出的突起螺栓头部提供了间隙。位于承载板18端部的槽88接收来自支承指16a和16b的销17。沿承载板18侧部设置的槽84接收来自点阵头抓手74a/74b和球放置抓手127a/127b的突起71(图13)。尽管薄膜98最好由KaptonTM制成，但也可以使用其它适合的刚性塑料薄膜，如MylarTM。另外，可以使用金属箔或薄膜。此外，上板92可由金属代替印刷电路板材料来制造。在这种情况下，可对穿过金属上板92的孔82进行蚀刻。同样，列80的尺寸可随需要放置在部件72上的焊球的最大数量变化。例如，图2中所示列具有441个孔，而另一个普通列包括1089个孔。实际上，列80可覆盖承载板18的大部分。还可在承载板18中形成多个列80用于多个部件72。最后，承载板18的尺寸可随现有的应用而变化，例如，在用于多个部件时增大尺寸。
参照图1、7和8，每个球输送器40包括一向球输送器40供应焊球102的供应管42。焊球102通过重力向下运行到送给件41的内部腔室49中。环绕内部腔室49的壁45a具有孔45b，该孔45b允许焊球102进入外部腔室47中。环绕外部腔室47的壁43a具有一与孔45b成90度设置的孔43b。当旋转输送件41而将孔43b移动到面向承载板18时，保持在外部腔室47中的大量焊球102散落到承载板18的孔82的列80上。同时，孔45b被旋转到侧面，使焊球102收集在内部腔室49中。每个球输送器40包括一环绕球输送器40的封闭件58，该封闭件58设置成距承载板18足够近，以容纳孔82的列80上的大部分焊球102。以45度角靠近球输送器40设置的一清理元件44然后在承载板18由圆盘传送器14换位时将多余的焊球102从承载板18上清理掉。优选地，清理元件44由柔顺透明塑料制成，但可替换地，也可由橡胶或金属，如铝、铜、钢等制成。轮44a在清理元件44与承载板18之间提供了适当的间隙。在可替换实施方案中，或者可使用空气喷嘴来清理多余焊球102，或者承载板18可以倾斜。虽然在承载板18到达球输送工位30之前已经填充了焊球102的情况下球输送工位最好渐进地用焊球102填充承载板18，但可以对装置10设定程序，以在承载板18离开每个球输送工位时对其进行检测，从而如果承载板18已经正确地填充了焊球102，那么承载板18可以越过其余的球输送工位。
参照图9，第一传感工位32包括一平面光源46，该光源46设置在承载板18下面用于从背后照明承载板18。光源46安装在位于桌面12上的平面方块47上。摄像机50最好是一CCD摄像机并水平安装在承载板18上面。反射镜48与承载板18成45度角安装在承载板18上方的支架49上，使摄像机50能够观察承载板18上孔82的列80。光源46提供一足够长的光脉冲，使摄像机50能够观察列80。尽管摄像机50优选水平设置，但可替换地摄像机50也可垂直设置在承载板18上方。在这种情况下，反射镜48可以省略。
参照图10、11、12和13，点阵头部件52包括一安装在点阵头部件52底端124的点阵头104。如图6所示，点阵头104具有一个点阵的垂直定位的销108，用于从承载板18上推动不需要的焊球102的点阵83。点阵头104中销108的点阵设置成与点阵83对应。销108被定向成使端部108a和圆梢107面向下。销108通过由镀金印刷电路板材料制成的板110、112和114固定到位。板110、112和114安装在端板116之间并包括贯穿其中与承载板18上的孔82的列80相对应的孔82的列80。板110和112通过两个隔板113与板114间隔开。销108上的台肩105设置在板112上方隔板113之间的空腔中，并限制了销108能够上下移动的量。销108的端部108b压靠在由硬橡胶118、垫片层120和泡沫122构成的夹层上。该夹层为每个销108提供了足够的运动，以使销108与承载板18中的对应孔82自定位。一弹簧加载的挤压板106设置在销108的末端107上，用于保护销108并使它们保持正确定位。挤压板106还包括与承载板18上的相对应的孔82的列80。当承载板18被点阵头抓手74a/74b向上推动靠住挤压板106时，挤压板106沿箭头103方向向上移动靠在板110上。挤压板106保持承载板18垂直于销108，以防止销108在承载板18中卡住。板106、110、112和114被镀金，从而使它们接地而减少静电并防止部件72受损。板116、110、112和114沿两个定位销90a安装，使板上孔82的列80彼此对正。
抓手74a/74b分别绕转动点75a和75b转动，以使抓手74a/74b如箭头77所示抓住和释放承载板18。抓手74a/74b具有突起71(图13)，该突起71与槽84配合而将承载板18定位在抓手74a/74b中。底部73a和73b从下面支承承载板18。抓手74a/74b相对于点阵头104上下滑动，并由一曲柄滑块机构驱动，该曲柄滑块机构由一通过一齿轮减速箱联接的无刷伺服电机驱动。
为了从承载板18中孔82的列80上去除不需要的焊球102的点阵，承载板18沿箭头101方向由抓手74a/74b向上带动。承载板18与挤压板106配合并沿箭头103方向向上推动挤压板106，使销108延伸穿过挤压板106。销108的点阵推动相应于不需要的焊球102的点83穿过挤压板106。如图6所示，这仅将所需的焊球102的列81留在列80中。
图14、15和16示出一被推动穿过承载板18的单独焊球102。参照图14，焊球102由薄膜98支承在孔82的第一部分82a中。销108的末端107开始与焊球102接触。图15中，销108将焊球102推入孔82的第二部分82b中。销108的力使薄膜98向下弯曲，推动焊球102穿过孔98a。图16中，焊球102由销108推动穿过孔82的第三部分82c，并从承载板18中出来。
通过使点阵头104的板110、112和114中包括孔82的一完整的列80，点阵头104中销108的结构可改变到适于不同的部件72。这样做的优点是，手头不需要大量专用工具就可以加工各种部件72。如果需要快速改变部件72，手头可保持第二点阵头104，从而加工一不同部件仅需要卸下和更换点阵头组件52上的点阵头104。
参照图17，第二传感工位36包括一设置在承载板18下方用于从背后照亮承载板18的平面光源46。光源46安装在方块47上。摄像机50水平安装在承载板18上方。一反射镜48与支架49成45度角安装在承载板18上方。一具有发光元件54a的第二光源54安装在承载板18侧部上下方的块47a上，用于从前面照亮承载板18。用光源46从背后照亮承载板18使摄像机50可以观察承载板18上孔82的列80中的焊球102是否位于所需点阵81中(图6)。用光源54从前面照亮承载板18使摄像机50可以观察是否有一些杂散的焊球102放置在承载板18顶部，从而可通过空气喷嘴或清理器清理该层焊球102。光源54和46提供了一足够长的光脉冲，以使摄像机50观察承载板18。
参照图18和19，球放置头126安装在球放置头部件56的底部128上。球放置头126包括与承载板18上孔82的列80对应的一列销108。销的端部108b和末端109向下设置。末端109(图11)为杯形，以更精确地放置焊球102。销108由与点阵头104的板110、112和114相似的板132、134和138固定到位。硬橡胶118、垫片层120和泡沫122形成的夹层设置在销108上方，以使销自定位并在垂直方向可变形。两隔板136将板138与板132和134间隔开。板132、134和138安装在端板140之间。定位销90a使承载板18与球放置头126正确定位。一弹簧加载的挤压板130保护销108的末端109并对其进行定位。挤压板130与挤压板106相似(图10)。球放置头部件56包括抓手127a/127b，该抓手127a/127b用于抓住承载板18并将承载板18下降到部件72上。抓手127a/127b分别绕转动点75a和75b转动。球放置头126和抓手127a/127b相对于球放置头部件56上下滑动并分别由与点阵头部件56上的相似的曲柄滑块机构驱动。另外，设置在球放置头部件56下方的真空夹盘76同样由一曲柄滑块机构驱动。
操作中，抓手127a/127b将承载板18下降到部件72上后，球放置头126然后相对于承载板18向下移动。当挤压板130与承载板18接触时，挤压板130被向上推动从而露出销108。销108的末端109与焊球102的点阵81接触，将它们向下推动穿过承载板18到达部件72上。由于销108在垂直方向是可变形的，销108可补偿部件72的不平或略微倾斜的表面。当焊球102到位后，承载板18和球放置头126向上移动。
图20、21、22和23示出被推动穿过承载板18到达部件72上的一单独的焊球102。参照图20，板18位于部件72上方。焊剂块72a位于孔82下方。焊球102由薄膜98支承在孔82的第一部分82a中。销108的末端109开始与焊球102接触。图21中，销108推动焊球102穿过薄膜98中的孔98进入孔82的第二部分82b中。图22中，焊球102被推动穿过孔82的第三部分82c到达部件72上的焊剂块72a上。焊剂72a将焊球102粘结到部件72上。图23中，销108和承载板18向上移动离开部件72。在不需要焊剂的情况下，可使用惰性材料块将焊球102粘结到部件72上。
尽管承载板18和球放置头126优选都包括需要使用点阵头104来产生焊球102的所需列81的孔82的普通列80和销108，但可替换地，承载板18和球放置头126可以具有与将放置在部件72上的焊球102的确切所需点阵相对应的孔82的列和销108。在这种情况下，可省略传感工位32和点阵头工位34。但为了装载不同的部件，手头必须保持具有不同部件的精确结构的承载板和球放置头。
参照图24和25，承载板142是另一优选的承载板。承载板142与承载板18的不同之处在于，它是由一种材料制成的。穿过承载板142形成了一列孔144。每个孔144具有用于捕捉焊球的第一部分144a。直径小于第一部分144a的第二部分144b能够在焊球102被销108推入第二部分144b中后弹性固定该焊球102。这使承载板142在该球放置设备之外的另一台设备上用焊球102对承载板142进行预加载，因为承载板142能够在不丢失焊球102的情况下运输甚至倒置。将装置10的操作分到两个不同的设备上将提高焊球102放置到部件72上的速度。位于承载板142底部的同心槽146形成了环绕第二部分144b和第三部分144c的一薄壁148。这使焊球102被推入时第二部分144b膨胀。第三部分144c的直径小于第二部分144b的直径，并且当焊球102由销108推入时允许焊球穿过。承载板142优选由塑料制成，但可替换地，也可由金属或叠层制成。
参照图26，承载板150是另一优选的承载板，与承载板142的区别在于，承载板150底部具有十字交叉的槽152，该槽152形成一环绕孔144的第二144b和第三部分144c的薄壁部分154。槽152优选是模制到承载板150中，但可替换地，也可以锯开。在另一优选实施方案中，可省略孔144的第二部分144b，焊球通过静电固定在承载板150中。
参照图27，承载板160是用于本发明另一实施方案的另一优选承载板。图27是表示承载板160的一个孔的剖面图。所示承载板160中的孔装有一焊球102。该孔具有一上部162和一下部164。孔上部的直径大于焊球102的直径，而孔下部的直径小于焊球102的直径，以防止焊球进入孔的下部。承载板160设计用于根据本发明一实施方案的焊球放置装置，其中将安装焊球的半导体基体倒置放置在承载板上，从而焊球可从孔中推出并靠在半导体基体的上表面上。图27示出一放置装置的销126，用于将焊球从孔中推到半导体基体上。
在本发明另一方面中，提供了用焊球填充承载板的一种改进的方法和装置。图28中示出了用焊球填充承载板18的焊球分配器200的一个实施方案。焊球分配器200可代替图1中所示五个球输送工位22、24、26、28和30而用于焊球放置装置10中。由于焊球分配器200所提供的填充精度，在焊球放置装置中一般可使用一个焊球分配器。但为了某些应用，可能期望在一个放置装置中使用多于一个焊球分配器200。
现在参照图28-37进一步描述焊球分配器200。图28示出处于预分配操作状态下的焊球分配器的剖视侧视图。该焊球分配器200包括三个基本元件，包括：焊球固定装置202；用于沿承载板18移动该焊球固定装置的驱动机构204；及一用焊球填充该焊球固定装置的球输送装置206。
焊球分配器200以下述方式操作。将预定量的焊球从球输送装置206分配到球固定装置202中。然后将承载板倾斜一个角度(见图29)，在驱动机构的控制下沿承载板将该焊球固定装置移动到图30中所示的后分配位置。焊球固定装置沿承载板的运动使焊球沿承载板上表面以一受控制的速度下落，用焊球填充承载板18中的每个孔。如在前述实施方案中那样，当承载板被加载到位于焊球分配器下方的位置时，以及当承载板从焊球分配器上卸载时，可使用一清除器从承载板上表面清除任何杂散的焊球。同样，在本发明的实施方案中，在将焊球分配到承载板上之前和之后，可使用一检测系统来检测该承载板。
图31中是焊球固定装置202的一透视图，图32-34是焊球固定装置202和承载板18的顶视图，其中焊球固定装置位于预分配位置，分配位置，和一后分配位置。如下面更详细描述的，在本发明某些实施方案中，焊球固定装置包括一联接到焊球固定装置后部的清除器208，用于从承载板上清除杂散的焊球。
现在参照图28-37对焊球固定装置202作进一步描述。该焊球固定装置包括一无底料桶210，一前托架218，两个侧托架216a和216b及两个安装板220a和220b。安装板用于将固定装置联接到驱动机构的皮带上。无底料桶210用于盛放焊球，并由一对侧壁212a和212b，一前板214，和一作为清除部件209一部分的清除器208组成。如图35所示，一杆222设置在前板的底部边缘上。该杆设计成当焊球固定装置移动时与承载板上表面接触，以控制焊球226经过承载板上表面的速度。在一个实施方案中，杆222的直径为0.250英寸并由不锈钢制成。侧壁212a和212b设计成放置在承载板上面，因而在侧壁底部与承载板之间出现一狭缝226。在一个实施方案中，该狭缝约为0.005英寸。如图35所示，前板214设置成与承载板上表面成一角度A。在本发明的一个实施方案中，角度A约为120°。
图35-37中详细示出了清除器209。该清除器部件包括一前部横梁支承件228和一联接两清除器转动臂232a和232b的后部横梁支承件。安装到后部横梁支承件上的是清除器208，清除器转动臂232a和232b分别与位于侧壁212a和212b上的转动点234a和234b联接，该转动点234a和234b使该清除器部件能够绕一穿过前部横梁支承件228的旋转轴线转动。当焊球固定装置在上表面上移动时，清除器部件的该旋转运动使清除器板保持与承载板的接触。该清除器板用两个圆头螺钉236a和236b联接到后部横梁支承件上。在图36和37所示的一实施方案中，该清除器板上补充了两个垫片238和240。垫片238为U形且厚度大于形状为矩形的垫片240。垫片240设计成与承载板的上表面接触，以清除杂散焊球。垫片238不与承载板的上表面接触，而是用于支承垫片240并向垫片240提供刚度。在一个实施方案中，垫片238由聚氯乙烯(PVC)制造，垫片240由聚对苯二甲酸乙酯(PET)制造，垫片238厚度为0.020英寸，而垫片240厚度为0.004英寸。
驱动机构包括一对由两套滑轮支承的皮带。图28-30中示出了一个皮带242和一套滑轮244a、244b和244c。其它皮带和滑轮与图中所示基本相同。滑轮244a具有一链轮246，以联接到电机(未示出)驱动轴上。在一个实施方案中，一与电机控制系统相联的伺服电机与该驱动机构一起向焊球固定装置提供光滑连续的运动。该焊球固定装置通过两个安装板220a和220b联接到该对皮带上。
在本发明一个实施方案中，焊球输送装置206与前面参照图7和8所述的球输送器40相似，并以基本相同的方式操作。但与球输送器40不同，焊球输送装置206并不直接将焊球分配到承载板14上，而是将焊球分配到焊球固定装置中。在一个实施方案中，在该焊球输送装置的底部基座上设置一分散装置248，用于将焊球均匀分散在焊球固定装置中。图38是该分散装置248的顶视图，图39是该分散装置的剖视侧视图。该分散装置具有一通道250，焊球从输送装置穿过该通道250到达固定装置。该分散装置还具有两个倾斜的表面252a和252b及一三角形部分254。该倾斜表面将焊球导引到该通道部分，而该三角形部分将焊球分散在该通道中。可使用其它能够将预定量的焊球沉积在固定装置中的装置来补充其它实施方案中的焊球输送装置。
同样设置在球输送装置底座上的是一底板260和一对角形臂262a和262b。图41中示出角形臂262a，图29中示出角形臂262b。角形臂联接到底板260上。当焊球固定装置处于预分配位置时，底板260向料桶210提供了一底表面。底板260使料桶能够在承载板处于完全倾斜位置之前被填充，以减少球输送操作的循环时间。该角形臂用作承载板的倾斜止动件，以确保承载板处于球输送装置中的正确位置。当固定装置处于预分配位置时，在焊球固定装置的每一侧设置一个角形臂。
在本发明的一个实施方案中，如图40所示，驱动机构204设计成绕穿过滑轮244a中心的一旋转轴线转动，将焊球固定装置202升到一抬起位置。在该抬起位置，在承载板从焊球分配装置中移出之前或之中，固定装置能够移动回到预分配位置，从而减少分配的循环时间。如果固定装置没有抬起，它会与承载板接触，并干扰承载板从焊球分配器的运动。在一个实施方案中，下面将详细描述，承载板绕穿过板上的点256的一旋转轴线转动。对于该实施方案，当承载板下降到水平位置时承载板的前部边缘258被抬起。如果固定装置没有被抬起，当返回预分配位置时它会撞击承载板的前角258。
图41中示出本发明实施方案中使用的承载板倾斜机构264和球循环装置266及球输送装置200。球循环装置用于从焊球固定装置中捕捉未使用的球，由球输送装置再利用。该球循环装置包括一托盘268和一托盘支承件269。托盘268可在一底部填充位置与一抬起倒空位置之间沿该托盘支承件移动。为了示意的目的，图41中所示托盘位于两个位置。该托盘包括一具有底表面272的套管270，还包括一凸缘274，该凸缘274下降而从位于抬起倒空位置的托盘中倒空焊球。在最下端位置，当固定装置位于后分配位置时托盘设置在固定装置下面。
在球输送操作过程中固定装置运动时，一旦焊球固定装置移动经过承载板，固定装置料桶中的任何剩余焊球都将落入托盘的套管中。当固定装置已经从后分配位置移动回到预分配位置时，托盘可升到抬起的倒空位置，将未使用的焊球移回球输送装置中。在本发明一个实施方案中，球输送装置具有一球容器，该球容器带有一漏斗装置以便于从托盘接收焊球。
托盘可手动地或用电机自动地从最底部位置移动到抬起位置。托盘可在填充每个承载板后倒空，或者优选地，套管270设计成具有足够的容量，从而在填充几个承载板后倒空托盘。
承载板倾斜机构264包括一倾斜臂274，该倾斜臂274在一电机(未示出)的控制下绕一转动点276旋转。图41中，所示倾斜臂处于三个旋转位置，以表示倾斜臂倾斜承载板的运动。联接到该倾斜臂一端的是用于抬升承载板的一个接触板和两个接触销。图41中示出了一个接触销278和接触板280。另一接触销与所示的基本相同。在本发明一个实施方案中，承载板只在前部两槽88处固定到球输送装置上(见图2)，以使承载板在与承载倾斜板机构接触时绕转动点256旋转。
承载倾斜板机构以下述方式操作。当承载板放置在球输送装置中时，倾斜臂从图41所示最底部位置旋转到最上部位置以抬起承载板。在接触销在图41中所示中间旋转位置与承载板接触之前，接触板280与承载板后部接触。接触销然后插入承载板的孔90中(见图2)，将承载板固定在球输送装置中的正确位置。承载板倾斜到与位于球输送装置底座上的角形臂262a和262b接触。
在本发明一个实施方案中，焊球输送装置补充了一个可移动的盒。在该实施方案中，当需要改变正在分配的焊球的尺寸时，由一装有所需尺寸焊球的新盒代替该球输送盒。可更换盒的使用减少了不同尺寸焊球的混合，并可很快改变所使用焊球的尺寸，因为焊球输送装置不必清理。
已经发现，对与焊球输送装置的操作相关的几个参数进行优化可以大大提高其性能。这些参数包括：球固定装置沿承载板的速度，承载板中孔的尺寸和形状，承载板的倾斜角度。一般，对于一个实施方案，已经发现：承载板倾斜角的最优范围是18°至25°，球固定装置速度的最优范围是1至5英寸每秒。还发现：分配到承载板上的焊球的数量应该是承载板上将填充的孔的数量的至少3至5倍数量级。
在本发明一个实施方案中，对于具有0.030英寸直径的焊球，孔尺寸为0.036英寸的承载板，速度约为1英寸每秒的固定装置，以及约21°的倾斜角来讲，已经发现，承载板中的孔可在焊球固定装置一次经过时填充。已经发现在该实施方案中，带有或不带有清除器其性能大致相同。在另一实施方案中，对于直径为0.030英寸的焊球和21°的倾斜角来讲，通过将孔的直径增加到0.038英寸，可将速度提高到4.3英寸每秒。对于该实施方案，期望用清除器来防止杂散球部分落在孔中。
在另一实施方案中，直径为0.012英寸的焊球所用的孔尺寸为0.016英寸，固定装置速度大约为1英寸每秒，倾斜角在21°至24°之间。该实施方案中，期望使用清除器。用该实施方案，发明人已经成功地填充了设置成101×101列的承载板中的10201个孔。
在上述的本发明实施方案中，所述焊球分配器与用于盛装焊球而放置到半导体器件上的承载板一起使用，但如本领域技术人员知道的，根据本发明实施方案的焊球分配器可直接用于将焊球放置到半导体器件上，该半导体器件具有型板、障板或一些类似装置用于将焊球定位在半导体器件上。另外，本发明实施方案中可用一柔性基体代替承载板。
上述关于焊球分配器的本发明的实施方案并不限于与焊球放置装置10的实施方案一起使用。如本领域技术人员知道的，焊球分配器还可用于其它焊球放置装置中。等同物
尽管参照其优选实施方案对本发明进行了特别表示和描述，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由附属权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以对形式和细节进行各种改变。
例如，装置10的其它优选实施方案可具有少于五个球输送工位。在这种情况下，省略的球输送工位可由另外的点阵头工位代替，从而不需要任何技术变化，就可以在不同的半导体基体上放置不同点阵的焊球102。支承指16a/16b还可由一孔固定并相互间隔开，该孔足够大，使球放置头126可穿过它向下移动。在这种设置中，仅使用了五个承载板18。另外，尽管所示的装置10中的工位设置成圆形，但也可以设置成一直线。在这种情况下，一线性起动器会移动承载板18。另外，尽管所述装置10用于将焊球102沉积到单独部件72上，但装置10也可用于将焊球102沉积到条带或板上。可使用其它容器用于固定部件72，如AuerTMBoat。最后，尺寸与上述不同的焊球也可沉积到部件72上。在这种情况下，装置10的部件的尺寸应该相应改变。

Claims (37)

1．一种用于将焊球分配到板上的焊球分配器，该板具有在其中成型的带有一列孔的上表面，该焊球分配器包括：
板支承件，该板支承件构造和设置成支承该板，使该上表面倾斜到与水平面成一角度；
球输送装置，该球输送装置设置在该板支承件上方，用于向该板提供焊球；及
设置在该板支承件上方的焊球固定器，该焊球固定器可在该板的上表面移动，以控制焊球在该板上的移动速度。
2．如权利要求1所述的焊球分配器，还包括从该板上清除杂散焊球的球清除器。
3．如权利要求2所述的焊球分配器，其中该焊球固定器是一当焊球在该板上移动时容纳焊球的无底封闭物。
4．如权利要求3所述的焊球分配器，其中该焊球固定器具有倾斜的导向壁。
5．如权利要求4所述的焊球分配器，其中该焊球固定器具有一后部，该球清除器位于该后部。
6．如权利要求1所述的焊球分配器，还包括一设置在球输送器与该承载板之间的分散装置，用于将焊球分散到该板上。
7．如权利要求6所述的焊球分配器，其中该分散装置包括一分散焊球的成角度表面。
8．如权利要求1所述的焊球分配器，其中该板支承件构造和设置成与水平面成18°至25°的角度。
9．如权利要求8所述的焊球分配器，其中该板支承件构造和设置成与水平面成约21°±1°的角度。
10．如权利要求3所述的焊球分配器，还包括临时固定器底部，其中该焊球固定器能够设置在该临时固定器底部上，以允许在将该板移动到该板支承件上之前用焊球填充该焊球固定器。
11．如权利要求1所述的焊球分配器，还包括再循环托盘，该再循环托盘捕捉未使用的焊球并将上述未使用的焊球倒回该球输送器中。
12．如权利要求1所述的焊球分配器，其中该焊球输送器包括可移动的盒式滑架。
13．如权利要求2所述的焊球分配器与该板的组合，其中该板中的孔的直径比所分配的焊球直径大20％以上。
14．如权利要求2所述的焊球分配器与该板的组合，其中该板中的孔具有一倒角的顶部。
15．一种用于将焊球分配到一板上的焊球分配器，该板具有一在其中形成带有一列孔的上表面，该焊球分配器包括：
向该板提供焊球的球输送器；
设置在该板上方的焊球固定器，该焊球固定器构造和设置成用于在孔的列中容纳焊球，该焊球固定器可在该板的上表面上移动；及
从该承载板上清除杂散焊球的球清除器。
16．一种焊球分配系统，包括：
具有一上表面的板，在该上表面中形成一列孔以接收焊球；
板支承件，该板支承件构造和设置成支承该板，从而使该上表面相对水平面倾斜；
设置在该板上方的球输送器，用于向该板提供焊球；及
设置在该板上方的焊球固定器，该焊球固定器可在该板的上表面上移动，以控制焊球在该板上的移动速度，该板中的孔具有一倒角的上部。
17．如权利要求16所述的焊球分配系统，还包括：
设置在该分配系统中的再循环托盘，用于收集分配到该板上的未使用的焊球；及
联接到该板托盘上的驱动机构，用于向上抬起该托盘并将未使用的焊球倒入该焊球分配系统中。
18．如权利要求17所述的焊球分配系统，其中该驱动机构的构造和设置可以在一弧度内移动该托盘。
19．一种用于将焊球加载到形成于一板的上表面中的一列孔中的方法，该方法包括下列步骤：
将该板的上表面倾斜到与水平面成一角度；
将焊球分配到该板上，从而使焊球在重力作用下在该板上移动；及
控制焊球在该板上的移动速度。
20．如权利要求19所述的方法，还包括在分配焊球之前用一第一传感系统检测该板的步骤。
21．如权利要求20所述的方法，还包括在分配焊球之前预清除该板，以从该板上清除任何杂散物体的步骤。
22．如权利要求21所述的方法，还包括在将焊球分配到该板上之后从该板上清除任何杂散焊球的步骤。
23．如权利要求22所述的方法，还包括对该板上任何杂散物体的后清除步骤。
24．如权利要求23所述的方法，还包括在后清除步骤之后检测该承载板的步骤。
25．如权利要求24所述的方法，其中分配步骤包括将焊球分配到该板上的步骤。
26．如权利要求25所述的方法，还包括捕捉未装入孔中的被分配焊球的步骤。
27．如权利要求26所述的方法，其中倾斜步骤包括以与水平面成18°至25°角倾斜该上表面的步骤。
28．如权利要求27所述的方法，其中该角度约为21°。
29．如权利要求19所述的方法，其中分配步骤包括将焊球分配在该板上的步骤。
30．如权利要求19所述的方法，还包括捕捉未容纳在孔中的焊球的步骤。
31．如权利要求30所述的方法，还包括将捕捉的焊球倒入容器中用于再利用的步骤。
32．如权利要求19所述的方法，其中倾斜步骤包括将该上表面倾斜到与水平面成18°至25°角的步骤。
33．如权利要求31所述的方法，其中该角度约为21°。
34．如权利要求19所述的方法，其中控制速度的步骤包括用焊球固定器控制速度的步骤。
35．如权利要求34所述的方法，其中焊球固定器是一无底容器。
36．如权利要求19所述的方法，其中分配步骤包括将焊球分配到该板上的步骤。
37．一种用于将焊球分配到基体上的焊球分配器，该基体具有在其中形成一列孔的上表面，该焊球分配器包括：
基体支承件，该基体支承件构造和设置成支承该基体，从而使该上表面倾斜到与水平面成一角度；
设置在该基体支承件上方的球输送装置，用于向该基体提供焊球；及
设置在该基体支承件上方的焊球固定器，该焊球固定器可在该基体的上表面上移动，用于控制焊球在该基体上的移动速度。
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