CN203689096U - 一种自动粘片机三维运动焊头的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于半导体封装设备领域，涉及一种自动粘片机三维运动焊头的控制系统。焊头运动控制系统包括工控机、运动控制卡、信号输入/输出卡、分别驱动X轴、Y轴、Z轴运动平台进行运动的伺服电机以及位置传感器，各个伺服电机和位置传感器与运动控制卡电连接，焊头吸嘴控制系统包括真空控制电磁阀和压缩空气控制电磁阀，分别与信号输入/输出卡电连接。本实用新型自动粘片机的控制系统适应性强、操作方便、稳定可靠，可以实现高速、精确地进行芯片的拾取和粘贴，有效降低成本，提高产品产量和质量。

Description

一种自动粘片机三维运动焊头的控制系统

技术领域

本实用新型属于半导体封装设备领域，特别是半导体芯片的自动粘片机，具体涉及一种自动粘片机三维运动焊头的控制系统。

背景技术

在半导体后工序封装中，一般采用自动粘片机从晶圆芯片台拾取芯片，然后将芯片粘贴到引线框架的载芯板上，目前，自动粘片机的拾取和粘贴芯片的焊头的结构主要存在三种形式，一是采用双轴方式，由于X轴方向焊头的运动距离较小，因此X方向运动机构不用电机控制，只保留Y、Z两个运动机构采用电机控制，由于自动粘片机的焊头在X方向是不运动的，因此要通过调整晶圆芯片台的顶针的位置及在轨道内运送引线框架的位置来达到，这种调整方法复杂，在一些国产设备中较常见。二是用旋转臂来取代X、Y轴运动机构，但由于旋转臂长度是固定的，因此拾取芯片和粘贴芯片的位置也必须固定，因而也需要通过调整晶圆芯片台的顶针位置及在轨道内运送框架的位置来实现，调整相对复杂，并且由于在粘贴片式器件时，无法实现自动改变粘贴芯片的Y方向位置而受到限制，这种焊头机构在一些香港生产的设备中较为常见。三是采用可以三维运动拾取和粘贴芯片的焊头，X、Y、Z三个方向的位置独立控制，但现有设备的采用专门的控制电路对机械运动进行控制，对电路元件和机械精度要求高，运行稳定性差，不便维护，生产效率低。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种不需要配套专门的控制电路就可以有效实现自动粘片机焊头的三维运动的控制系统。

本实用新型所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种自动粘片机的三维运动焊头控制系统，包括焊头的运动控制系统，焊头的吸嘴控制系统、焊头吸嘴的检测系统，其中焊头的运动控制系统为X轴、Y轴、Z轴三个轴向运动的控制系统，所述的X轴向的运动机构处于最低层，Y轴向运动机构固定在X轴运动平台上，Z轴向运动机构固定在Y轴运动平台上，焊头的吸嘴固定在Z轴运动平台上，所述的焊头吸嘴在晶圆芯片台吸取芯片然后将芯片粘贴在引线框架轨道上的引线框架的载芯板上；

所述的焊头运动控制系统包括工控机、运动控制卡、信号输入/输出卡、分别驱动X轴、Y轴、Z轴运动平台进行运动的X轴、Y轴、Z轴伺服电机以及限定X轴、Y轴、Z轴运动平台的运动位置的位置传感器；所述三维运动焊头的各个伺服电机、各个位置传感器与运动控制卡电连接，所述的运动控制卡插入工控机的PCI插槽中；

所述焊头吸嘴控制系统包括真空控制电磁阀和压缩空气控制电磁阀，所述真空控制电磁阀与压缩空气控制电磁阀分别与所述的信号输入/输出卡电连接；所述的焊头吸嘴检测系统包括漏晶传感器和漏晶检测灯，所述的漏晶传感器与所述的信号输入/输出卡电连接：所述的信号输入/输出卡插入工控机的PCI插槽中。

具体地，所述的位置传感器为光敏传感器，包括对X轴、Y轴、Z轴运动平台分别设置的原点位置传感器、正向极限位置传感器和负向极限位置传感器。

所述的真空控制电磁阀为两位三通电磁阀，所述的压缩空气控制电磁阀为两位三通电磁阀，分别设置在真空/压缩气管24上。

所述的漏晶传感器为光敏传感器，设置在焊头吸嘴的上方，所述的漏晶检测灯设置在焊头吸嘴的原点位置与晶圆芯片台的芯片粘贴位置之间焊头吸嘴移动路径的下方。

更好地，所述的焊头吸嘴的原点位置与晶圆芯片台的芯片拾取位置的三维距离为：X小于±2.5mm，Z等于45mm至55mm，Y等于8mm至12mm；焊头吸嘴的原点位置与引线框架轨道上的引线框架元件的待粘片位置的三维距离为：X小于2.5mm，Z等于15mm至25mm，Y等于35mm至45mm。

本实用新型的自动粘片机的控制系统，适应性强、操作简单、稳定可靠，可以实现高速、精确地进行芯片的拾取和粘贴，有效降低成本，提高产品产量和质量。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的控制系统示意图；

图3为吸嘴真空与压缩空气电磁阀控制示意图；

图4为原点与拾取位置、粘片位置之间的相对位置关系示意图；

具体实施方式

图1为本实用新型的结构示意图，如图所示，自动粘片机三维运动焊头由X、Y、Z三个运动方向互相垂直的运动机构组成，X轴向的运动机构处于最低层，Y轴向运动机构固定在X轴向运动平台上，Z轴向运动机构固定在Y轴向运动平台上。

X轴向滑轨6固定在机座上，滑轨6的上表面与X轴向运动平台7滑动连接，滚珠丝杆2旋入X轴向运动平台7的丝杠螺孔内，当X轴伺服电机1带动滚珠丝杆2转动时，在X轴向滑轨6上面的X轴运动平台7产生X方向的滑动。

Y轴向滑轨13固定在X轴运动平台7上，滑轨13的上表面与Y轴向运动平台14滑动连接，滚珠丝杆9旋入Y轴向运动平台14的丝杠螺孔内，当Y轴伺服电机8带动滚珠丝杆9转动时，在滑轨13上面的Y轴向运动平台14产生Y轴向的滑动。

Z轴向滑轨20固定在Y轴运动平台14上，滑轨20表面与Z轴向运动平台21滑动连接，滚珠丝杆16旋入Z轴向运动平台21的丝杠螺孔内，当Z轴伺服电机15带动滚珠丝杆16转动时，在滑轨20上面的Z轴向运动平台21产生Z轴向的滑动。

焊头的吸嘴22与Z轴向运动平台21固定连接，吸嘴22上端与真空/压缩气管24连接。焊头吸嘴22在上述三轴运动机构的带动下进行向前和向后的往复运动，在晶圆芯片台25拾取芯片后移动到引线框架轨道26，将芯片粘贴在引线框架元27上。

图2为本实用新型的控制系统示意图，如图2结合图1所示，焊头运动控制系统包括工控机、运动控制卡、信号输入/输出卡、分别驱动X轴、Y轴、Z轴运动平台进行运动的X轴伺服电机1、Y轴伺服电机8、Z轴伺服电机15，以及X轴运动平台的原点位置传感器4、正向极限位置传感器5和负向极限位置传感器3，Y轴运动平台的原点位置传感器11、正向极限位置传感器12和负向极限位置传感器10，Z轴运动平台的原点位置传感器18、正向极限位置传感器19和负向极限位置传感器17。其中正向和负向极限位置传感器限定运动平台的运动区间，原点位置传感器决定运动平台所处的初始位置。

所述的工控机是通用的工业用计算机，一般具有多个PCI总线插槽，运动控制卡、信号输入/输出卡是专业厂家提供的标准配置件。

所述的运动控制卡插入工控机的PCI插槽中，并将三维运动焊头的各个伺服电机、位置传感器与运动控制卡对应的控制信号连接起来。运动控制卡是基于工控机PCI总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元，它与工控机构成主从式控制结构：工控机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作，运动控制卡负责控制电机运动。

运动控制卡至少可控制3台步进电机或数字式伺服电机，并支持多卡共用，以实现至少三个运动轴的控制；每轴均可向电机输出脉冲和方向信号，以控制电机的运转；同时，可外接原点、减速、限位等开关信号，以实现回原点、保护等功能，具有梯形升降速曲线，即匀加减速度，在速度—时间座标轴上，速度从一个起始速度开始，匀加速达到最高速度，运行一段时间后，再匀减速降到一个低速度，因而在座标上看形成一个梯形升降速曲线。

所述的信号输入/输出卡插入工控机的PCI插槽中，并将外部影响三维运动焊头运动的信号如漏晶传感器发出的信号与信号输入/输出卡的输入信号连接起来，而将在三维运动焊头运动时需要控制的开关信号如声光报警、压缩空气控制电磁阀、真空控制电磁阀的开关动作与信号输入/输出卡的输出信号连接起来；

所述焊头的吸嘴控制系统包括真空控制电磁阀和压缩空气控制电磁阀，其与信号输入/输出卡电连接，即与信号输入/输出卡的输出信号端连接；

所述的焊头吸嘴的检测系统包括漏晶传感器和漏晶检测灯，所述的漏晶传感器与插接在工控机的PCI总线插槽中的信号输入/输出卡连接，即与信号输入/输出卡的输入信号端连接。

漏晶传感器为光敏传感器23，设置在焊头吸嘴22的上方，漏晶检测灯28设置在焊头吸嘴的原点位置与引线框架轨道26上的引线框架元件27的芯片粘贴位置之间焊头吸嘴移动路径的下方。

图3为吸嘴真空与压缩空气电磁阀控制示意图。如图所示，真空控制电磁阀29为两位三通电磁阀，压缩空气控制电磁阀31也是两位三通电磁阀，分别设置在真空/压缩气管24上。该图表示吸嘴处于常态，即未接通真空泵和空气压缩机时的状态，此时真空控制电磁阀29不通电，吸嘴与真空控制电磁阀29工作出气口A相连，出气口A与放气口R相通，放气口R与外界空气相通，此时吸嘴处于常态，即吸嘴与外界大气相通，吸嘴没有与真空泵连通，也没有与压缩空气机连通，因此吸嘴拾取不了芯片，也不会进行吹气清洁。

当吸嘴拾取芯片后，真空控制电磁阀29通电，出气口A与进气口P相通，进气口P与压缩空气控制电磁阀31的工作出气口a相连，此时压缩空气控制电磁阀31不通电，其工作出气口a与其放气口r相通，而压缩空气控制电磁阀31的放气口r与真空泵相通，因此吸嘴处于真空状态以便吸住芯片。当吸嘴到达贴片位置进行贴片时，真空电磁阀29断电，使吸嘴回到常态以便释放芯片。

当对吸嘴进行清洁时，压缩空气控制电磁阀31通电，其出气口a接通压缩空气进气口p，对吸嘴进行吹气清洁。

图4为原点与拾取位置、贴片位置之间的相对位置关系示意图。图中横向距离为Y轴，纵向距离为Z轴，X轴垂直于纸面，如图所示，焊头吸嘴的原点位置与晶圆芯片台的芯片拾取位置的三维距离为：X小于±2.5mm（图未示出），Z等于45-55mm，图3所示为50mm，Y等于8-12mm，图3所示为10mm。焊头吸嘴的原点位置与引线框架轨道上的引线框架元件的待粘片位置的三维距离为：X小于或等于±2.5mm，Z等于15-25mm，图3所示为20mm，Y等于35-45mm，图3所示为40mm。

即在X方向，拾取位置、粘片位置与吸嘴原点的距离要在±2.5mm的范围内，它既能保证当拾取位置、吸嘴原点、粘片位置在X方向不在一直线上时，能满足通过软件来校正拾取位置和粘片位置的需要，同时满足焊头高速运动的需要。如果距离大于上述范围值，焊头高速运动时，会使整个设备产生晃动。在Y方向，吸嘴到粘片位置在40mm左右，吸嘴到取片位置在10mm左右，拾取位置与粘片位置相距50mm左右。在Z方向，吸嘴到拾取位置为50mm左右，到粘片位置为20mm左右。上述的原点位置与拾取位置、粘片位置之间的相对位置关系数据是三维运动焊头运动曲线的规划的基础。

本实用新型的控制方法包括如下步骤：

步骤一、焊头吸嘴从原点位置向前移动到晶圆芯片台的芯片待拾取位置；

步骤二、焊头吸嘴的真空控制电磁阀和压缩空气电磁阀接通真空，从芯片待拾取位置吸取芯片；

步骤三、焊头吸嘴向后移动，经过吸嘴原点位置，到引线框架轨道上引线框架元件的待粘片位置；

步骤四、焊头吸嘴的真空控制电磁阀和压缩空气电磁阀关闭真空，将芯片粘贴到引线框架元件的待粘片位置；

步骤五、焊头吸嘴返回其原点位置；

然后，焊头吸嘴按上述步骤一至五循环往复移动进行芯片吸取和粘贴。

此外，还包括开机步骤和停机步骤，此时焊头吸嘴回归原点位置。

在步骤三进行过程中还包括吸取芯片检测步骤：

当焊头吸嘴向后移动经过漏晶检测灯时，如果吸嘴上有芯片则检测灯光束被芯片遮挡，使上方的漏晶传感器接收不到光束时，则焊头吸嘴会继续向后移动至引线框架待粘片位置进行步骤四；如果吸嘴上无芯片，则上方的漏晶传感器接收到光束时，则焊头吸嘴停止继续向后移动，然后转而向前移动返回原点，再重复步骤一和二，然后再次经过吸取芯片检测步骤。

当所述的吸取芯片检测步骤重复三次仍未检测到吸嘴上有芯片时，则焊头吸嘴回到原点位置停止运动，发出报警信号，等候人工处理。所述的重复次数也可以在人机界面上随意设置，一般设置为三次。

在步骤五进行过程中还包括粘贴芯片检测步骤：

当焊头吸嘴从芯片粘贴位置向前移动经过漏晶检测灯时，如果吸嘴上无芯片或杂物，则上方的漏晶传感器接收到检测灯光束时，则焊头吸嘴会继续向前移动经原点位置至芯片待吸取位置；如果吸嘴上有芯片或杂物阻塞，则光束被遮挡，使上方的漏晶传感器接收不到光束时，则焊头吸嘴会停止继续向前移动，转而向后移动到吹气位置，然后压缩空气控制电磁阀通电打开，使压缩空气从吸嘴中吹出，以便将堵塞吸嘴的芯片或杂物吹离，然后再次向前移动经漏晶检测灯上方进行检测步骤。

所述的吹气位置位于焊头吸嘴原点位置与引线框架轨道的贴片位置之间的路径上，并且偏离漏晶检测灯上方，是为了避免吹气时污染引线框架元件和检测灯。

当所述的粘贴芯片检测步骤重复三次仍检测到吸嘴上有芯片或杂物时，则焊头吸嘴回到原点位置后停止运动，发出声光报警，等待人工干预。

在三维运动焊头按上述步骤进行运动的同时，与之相配合的晶圆芯片台将芯片移动到芯片待拾取位置，同时引线框架轨道将引线框架元件移动到待粘片位置。

根据高速和稳定运动的要求，本实用新型的焊头吸嘴最高移动速度为60000脉冲/秒，最低移动速度为10000脉冲/秒，移动加速度为600000脉冲/秒平方，圆弧插补速度为3000脉冲/秒。通过采用上述的位置参数和速度参数，本实用新型焊头吸嘴从步骤一至步骤五的周期时间小于或等于100ms（毫秒），即焊头吸嘴完成一次拾片、贴片的周期可小于等于100ms（毫秒）。

本实用新型通过工控机实现全自动控制，在工控机或PC机中输入自行开发的三维运动焊头运动控制程序，通过调用运动控制卡和信号输入/输出卡的底层软件（如在工控机上安装的Windows2000以上版本、Microsoft Visual Studio6.0、运动控制卡驱动程序、信号输入/输出卡驱动程序等软件），从而实现三维运动焊头按程序要求运动。

本实用新型的自动粘片机三维运动焊头运动速度高，准确可靠，通用性强，能够有效实现高效、优质生产。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下对本实用新型进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种自动粘片机的三维运动焊头控制系统，包括焊头的运动控制系统，焊头的吸嘴控制系统、焊头吸嘴的检测系统，其中焊头的运动控制系统为X轴、Y轴、Z轴三个轴向运动的控制系统，所述的X轴向的运动机构处于最低层，Y轴向运动机构固定在X轴运动平台上，Z轴向运动机构固定在Y轴运动平台上，焊头的吸嘴固定在Z轴运动平台上，所述的焊头吸嘴在晶圆芯片台吸取芯片然后将芯片粘贴在引线框架轨道上的引线框架的载芯板上；

其特征是，所述的焊头运动控制系统包括工控机、运动控制卡、信号输入/输出卡、分别驱动X轴、Y轴、Z轴运动平台进行运动的X轴、Y轴、Z轴伺服电机以及限定X轴、Y轴、Z轴运动平台的运动位置的位置传感器；所述三维运动焊头的各个伺服电机、各个位置传感器与运动控制卡电连接，所述的运动控制卡插入工控机的PCI插槽中；

所述焊头吸嘴控制系统包括真空控制电磁阀和压缩空气控制电磁阀，所述真空控制电磁阀与压缩空气控制电磁阀分别与所述的信号输入/输出卡电连接；所述的焊头吸嘴检测系统包括漏晶传感器和漏晶检测灯，所述的漏晶传感器与所述的信号输入/输出卡电连接：所述的信号输入/输出卡插入工控机的PCI插槽中。

2.根据权利要求1所述的自动粘片机的三维运动焊头控制系统，其特征是所述的位置传感器为光敏传感器，包括对X轴、Y轴、Z轴运动平台分别设置的原点位置传感器、正向极限位置传感器和负向极限位置传感器。

3.根据权利要求1所述的自动粘片机的三维运动焊头控制系统，其特征是所述的真空控制电磁阀为两位三通电磁阀，所述的压缩空气控制电磁阀为两位三通电磁阀，分别设置在真空/压缩空气管上。

4.根据权利要求1所述的自动粘片机的三维运动焊头控制系统，其特征是所述的漏晶传感器为光敏传感器，设置在焊头吸嘴的上方，所述的漏晶检测灯设置在焊头吸嘴的原点位置与晶圆芯片台的芯片粘贴位置之间焊头吸嘴移动路径的下方。

5.根据权利要求1所述的自动粘片机的三维运动焊头控制系统，其特征是，所述的焊头吸嘴的原点位置与晶圆芯片台的芯片拾取位置的三维距离为：X小于±2.5mm，Z等于45mm至55mm，Y等于8mm至12mm；焊头吸嘴的原点位置与引线框架轨道上的引线框架元件的待粘片位置的三维距离为：X小于或等于2.5mm，Z等于15mm至25mm，Y等于35mm至45mm。

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