CN213437686U - 芯片上料及共晶焊头系统 - Google Patents
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Abstract
本新型涉及一种芯片上料及共晶焊头系统，包括X向机架，其上两侧分别设有一共晶焊机构，每个共晶焊机构包括一组固定安装顶部相机和一个沿XZ向直线运动的共晶焊头，X向机架前侧对应两共晶焊机构位置处，分别设有一芯片上料区，每个芯片上料区包括一芯片取放焊头机构、与芯片取放焊头机构配合的芯片上料治具和带底部相机的预置平台。本实用新型结构设计合理，自动化程度高，配合本申请人设计的一款共晶设备中基板上料和成品下料，采用两工位芯片上料机构方案，实现两侧芯片的同时上料，提高了效率。共晶焊头通过实时检测和反馈调节，对共晶过程中芯片合理施力，确保其受力稳定提高共晶精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体芯片共晶加工技术领域，尤其是一种芯片上料及共晶焊头系统。
背景技术
共晶焊接又称低熔点合金焊接，其基本特性是，两种不同的金属可以在远低于各自的熔点温度下按一定重量比例形成合金。共晶焊接技术在电子封装行业具有广泛的应用，与传统的环氧导电胶粘接相比，共晶焊接具有热导率高、热阻低、传热快、可靠性强、粘接后强度大的优点，适用于高频、大功率器件中晶片与基板、基板与管壳的互联。因发热，元器件尺寸较小以及逸出气体等方面的约束要求，光通信领域COS器件一般采用共晶焊接工艺。
在共晶焊接过程中，由于底部片材表层的镀焊层会随着温度的变化发生体积变化，由固态变成液融态，在此过程中，两个芯片之间务必会发生轻微的错位，若不在焊接过程中矫正这个错位或者避免这个错位发生，则会严重影响最终的焊接质量，产生不良。COS元件，如激光二极管(LD)、光电探测器(PD)、电容器或者热敏电阻等，通常小至200平方微米以内，且由易碎的III-V族化合物半导体材料制成，如GaAs和InP等材料。因此，这类小、薄且易碎芯片在共晶焊接过程中，必须要有实时的精密的微力控制，保障共晶焊接过程中芯片与基板之间的压力恒定，既要避免芯片损伤又要保证共晶精度。
目前国外共晶设备主流供应商有德国FINETECH、法国SET、美国 MRSI、美国PALOMAR以及日本涩谷。德国Finetech和法国SET均采用双面对准方案。Finetech采用旋转式双面对准，用同一个固定焦距的摄像头同时观察芯片和基板图像，可实现最高0.5μm的高精度共晶。SET采用双面对准相机，在共晶前，将双面对准相机移动到焊头和共晶台之间，确保焊头芯片与共晶台基板同时处在上下视相机的焦面，共晶精度可达0.51μm。SET与Finetech共晶设备对位调整及补偿耗时，产率偏低，无法满足量产需求。美国MRSI和美国PALOMAR共晶设备类似，采用上料和共晶分离，双共晶台方案。左边独立的焊头上料，右边独立的焊头共晶，但均采用单共晶焊头配置，不能有效提升产率。日本涩谷，其采用的是传统的单共晶台，单共晶焊头的设计方案，产率较低。
国内共晶设备，如CN201922433688.3公开了一种高精度共晶键合设备，采用上料和共晶分离，双共晶台，双共晶焊头方案，通过并行双头方案实现设备产率提高。但此设备的芯片拾取头、基板拾取头和成品拾取头安装在同一个龙门X轴悬臂式滑台模组上，芯片上料、基板上料和成品下料不可同时进行。且其无法保障共晶焊接过程中芯片与基板之间的压力恒定。
实用新型内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种芯片上料及共晶焊头系统，配合共晶系统中的基本上料和成品取料设备，设计了左右芯片上料机构，分别由左右两侧的芯片取放焊头机构完成，芯片上料，先转移至预置平台上，预置平台移动至固定相机底部，从而节省设备循环时间；设计了分别与左右芯片上料机构对应的左右两组共晶焊机构，提高共晶焊头的力控精度，保护芯片避免压坏损伤。
本实用新型所采用的技术方案如下：
一种芯片上料及共晶焊头系统，包括X向机架，其上两侧分别设有一共晶焊机构，每个共晶焊机构包括两个固定安装顶部相机和一个沿XZ向直线运动的共晶焊头，X向机架前侧对应于两共晶焊机构位置处，分别设有一芯片上料区，每个芯片上料区包括一芯片取放焊头机构、与芯片取放焊头机构配合的芯片上料治具和带底部相机的预置平台，预置平台位于芯片取放焊头机构靠近共晶焊机构的一侧；X向机架前表面两侧各设有一XZ向直线运动的气浮平台，每个气浮平台底部连接一个所述共晶焊头，X向机架的顶部两侧分别通过固定安装件，连接两个所述顶部相机；所述共晶焊头的安装结构为：包括与气浮平台固连的长臂连板，其底部连接有压力传感器，压力传感器底部连接有L形连接块，L形连接块底面设有钨钢吸嘴；长臂连板一侧通过滑组安装板安装有Z 向导轨三，Z向导轨三上安装有沿其滑动的L形连接板，L形连接板一端背面与Z向导轨三滑动连接，另一端底部与所述L形连接块的上表面连接。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述芯片取放焊头机构连接于XY向移动模组一上，芯片取放焊头机构的结构为：包括支架板一，所述支架板一前表面上固定连接电机一、丝杆组件和 Z向导轨一，所述电机一的输出轴与丝杆组件连接，丝杆组件的丝杆轴沿Z向设置，且丝杆轴上传动连接一滑动连接座，其上安装有通过旋转驱动件驱动的取料焊头，所述取料焊头上还连接有力控组件；
所述力控组件包括音圈电机，所述音圈电机安装在与所述滑动连接座固连的调整连接板的内侧，调整连接板外侧连接有焊头固定座，所述取料焊头穿设于焊头固定座内并通过轴承装置与其转动连接，音圈电机顶部通过一音圈连接板与所述焊头固定座连接，音圈连接板顶部通过弹簧件与弹簧上板连接，弹簧上板两端分别固连于调整连接板的顶部；
调整连接板的外侧壁面上设有Z向导轨二，Z向导轨二上设有沿其滑动、与焊头固定座固连的上触点安装块，其端部底面设有向下延伸的上触点，调整连接板的外端壁面上设有下触点安装块，所述下触点安装块的端部上表面设有向上延伸、与所述上触点配合的下触点；
所述取料焊头一侧还设有取料相机，取料相机通过取料相机固定座与一取料相机连接板固连，所述取料相机连接板与所述支架板一固定连接。
所述旋转驱动件的结构包括电机二，其输出轴通过带传动机构与取料焊头传动连接，电机二也固定安装在调整连接板内侧；取料焊头的结构包括吸嘴管，其通过转动轴承安装于所述焊头固定座中，顶部与所述带传动机构连接，底部设有吸嘴；所述吸嘴管顶部伸出焊头固定座外，通过气管与负压装置连接。
所述预置平台连接在底部Y向移动模组上，预置平台的结构包括与底部Y 向移动模组连接的平台底板一，其上沿高度方向由下至上依次安装有X向滑台一、Y向滑台一、Z向滑台一和旋转平台一，所述旋转平台一上通过垫块组件一安装有芯片放置台，芯片放置台顶面中部开有中心气孔，上述各滑台内开有气腔，并与所述中心气孔连通，气腔通过管路与负压装置连接；还包括安装斜板，其底部与平台底板一连接，顶部通过锁紧块安装底部相机，所述底部相机水平设置，其一侧设有点光源，底部相机镜头位置处，通过设置斜边直角反射棱镜形成向上识别的光路。
所述固定安装件采用纵梁结构，其前端伸出X向机架前表面，并跨于气浮平台上方，纵梁结构的前端面上固定有安装支架，安装支架的位于气浮平台前表面，所述顶部相机沿Z向固连于所述安装支架上。
芯片上料治具的结构包括多个芯片上料载具盒。
本实用新型的有益效果如下：
本实用新型结构设计合理，自动化程度高，配合本申请人设计的一款共晶设备中基板上料和成品下料，采用两工位芯片上料机构方案，实现芯片从两侧同时上料，提高了生产效率。
在共晶反应过程中，本实用新型的共晶焊头通过实时检测和反馈调节，根据芯片位置随反应过程的变化而提供相应的抵压力，实时地给芯片提供合理的压力，确保其受力稳定且不被损坏。共晶焊头、取料焊头具有多自由度，自动化程度高。
本实用新型音圈电机通过电流产生反作用力，确保吸嘴在取放过程中施力稳定，力控精度高，避免破坏芯片。
本实用新型芯片上料，先转移至预置平台上，预置平台移动至固定相机底部，节省设备循环时间。此外，预置平台带底部相机，与顶部相机配合完成校准工作，提高校准精度。
附图说明
图1为本实用新型的立体结构示意图(省略右侧的芯片上料区和右侧的顶部相机)。
图2为本实用新型共晶焊头的结构示意图。
图3为本实用新型芯片取放焊头机构的安装结构示意图。
图4为图3的局部放大图。
图5为本实用新型预置平台的结构示意图。
其中：1、预置平台；2、共晶焊头；3、X向机架；4、芯片取放焊头机构； 7、芯片上料治具；9、气浮平台；12、顶部相机；13、XY向移动模组一；14、底部Y向移动模组；17、纵梁结构；101、X向滑台一；
102、Y向滑台一；103、Z向滑台一；104、旋转平台一；105、垫块组件一；106、芯片放置台；107、斜边直角反射棱镜；108、底部相机；109、点光源；110、平台底板一；111、安装斜板；1061、中心气孔；
201、长臂连板；204、滑组安装板；205、Z向导轨三；206、L形连接板； 207、钨钢吸嘴；208、L形连接块；209、压力传感器；
401、取料相机；402、取料焊头；403、焊头固定座；404、Z向导轨一； 405、滑动连接座；406、电机一；407、电机二；408、丝杆轴；409、音圈电机；410、支架板一；411、调整连接板；412、音圈连接板；413、弹簧件；414、弹簧上板；415、Z向导轨二；416、上触点安装块；417、上触点；418、下触点安装块；419、下触点；420、气管；422、带传动机构；423、取料相机连接板；424、取料相机固定座；701、上料载具盒。
具体实施方式
下面结合附图，说明本新型的具体实施方式。
如图1、图2所示，本实施例的芯片上料及共晶焊头系统，为本申请人设计的高精度智能共晶贴装设备中用于芯片上料和实施共晶焊的部分。具体结构包括X向机架3，其上两侧分别设有一共晶焊机构，每个共晶焊机构包括两个固定安装顶部相机12和一个沿XZ向直线运动的共晶焊头2，X向机架3前侧对应于两共晶焊机构位置处，分别设有一芯片上料区，每个芯片上料区包括一芯片取放焊头机构4、与芯片取放焊头机构4配合的芯片上料治具7和带底部相机108的预置平台1，预置平台1位于芯片取放焊头机构4靠近共晶焊机构的一侧；X向机架3前表面两侧各设有一XZ向直线运动的气浮平台9，每个气浮平台9底部连接一个共晶焊头2，X向机架3的顶部两侧分别通过固定安装件，连接所述两个顶部相机12；
共晶焊头2的安装结构为：包括与气浮平台9固连的长臂连板201，其底部连接有压力传感器209，压力传感器209底部连接有L形连接块208，L形连接块208底面设有钨钢吸嘴207；长臂连板201一侧通过滑组安装板204安装有Z向导轨三205，Z向导轨三205上安装有沿其滑动的L形连接板206，L形连接板206一端背面与Z向导轨三205滑动连接，另一端底部与L形连接块208 的上表面连接。
共晶焊头2的工作原理：共晶焊头2安装在气浮平台9(采用市售的气浮运动模组)上，具体实施时，可采用电桥式压力传感器(LSB200)，输出形式为电压，具有反馈功能。由于芯片属于极易碎品，共晶焊头2的实时力控功能，既确保了焊接的精度又保护小芯片，其工作原理如下：
压力传感器209(具体实施时可采用标准件型号为LSB200)预设一个标准值，共晶过程中，压力传感器209实时检测钨钢吸嘴207的受力值，该力值在共晶反应过程中发生变化，使L形连接块208、L形连接板206沿Z向导轨三 205微微浮动，压力传感器209顶部与长臂连板201底部之间产生形变，压力传感器209受感应，其感应到的力值与预设值之间存在误差时会提供一个补偿力，当误差值为正(检测值大于预设值)，即需要调整使钨钢吸嘴207抬起，通过压力传感器209闭合控制气浮平台沿Z轴向上运动实现压力补偿，当误差值为负(检测值小于预设值)，即需要调整使钨钢吸嘴207下压，通过压力传感器 209闭合控制气浮平台沿Z轴向下运动实现压力补偿，从而使钨钢吸嘴207对芯片进行实时力控，确保芯片与基板受力恒定，从而大大提高了共晶焊接精度与焊接质量。
如图1、图4和图5所示，芯片取放焊头机构4连接于XY向移动模组一 13上，芯片取放焊头机构4的结构为：包括支架板一410，支架板一410前表面上固定连接电机一406、丝杆组件和Z向导轨一404，电机一406的输出轴与丝杆组件连接，丝杆组件的丝杆轴408沿Z向设置，且丝杆轴408上传动连接一滑动连接座405，其上安装有通过旋转驱动件驱动的取料焊头402，取料焊头402上还连接有力控组件；力控组件包括音圈电机409，音圈电机409安装在与滑动连接座405固连的调整连接板411的内侧，调整连接板411外侧连接有焊头固定座403，取料焊头402穿设于焊头固定座403内并通过轴承装置与其转动连接，音圈电机409顶部通过一音圈连接板412与焊头固定座403连接，音圈连接板412顶部通过弹簧件413与弹簧上板414连接，弹簧上板414两端分别固连于调整连接板411的顶部；调整连接板411的外侧壁面上设有Z向导轨二415，Z向导轨二415上设有沿其滑动、与焊头固定座403固连的上触点安装块416，其端部底面设有向下延伸的上触点417，调整连接板411的外端壁面上设有下触点安装块418，下触点安装块418的端部上表面设有向上延伸、与上触点417配合的下触点419；取料焊头402一侧还设有取料相机401，取料相机401通过取料相机固定座424与一取料相机连接板423固连，取料相机连接板423与支架板一410固定连接。
旋转驱动件的结构包括电机二407，其输出轴通过带传动机构422与取料焊头402传动连接，电机二407也固定安装在调整连接板411内侧；取料焊头 402的结构包括吸嘴管，其通过转动轴承安装于焊头固定座403中，顶部与带传动机构422连接，底部设有吸嘴；吸嘴管顶部伸出焊头固定座403外，通过气管420与负压装置连接。
芯片取放焊头机构4中的取料相机401识别芯片后，利用取料焊头402拾取芯片上料治具7上的芯片，识别预置平台1芯片的放置位置后，将芯片放置到预置平台1顶部的芯片放置台106上表面的中心气孔1061，通过负压将芯片吸附在芯片放置台106上，芯片再由预置平台1移动到顶部相机12下方。
两侧的共四只顶部相机12位于共晶加热区(前述高精度智能共晶贴装设备中，用于给芯片和基板提供共晶加热条件的加热设备)上方的两侧，顶部相机 12为高分辨率视觉检测相机，识别对位精度高、实时对位，提高了共晶精度，其工作原理为：
每组的两个顶部相机12的其中一个，识别预置平台1上芯片的位置为预置平台1上芯片位置调整提供信息，以及确保共晶焊头2从预置平台1上拾取芯片时进行实时准确对位，另一个用于识别基板(图中未示出)上焊接位置，确保在共晶焊时芯片与基板的实时对位精度，实现高精度共晶。
顶部相机12将光源、镜头与相机三者相集成起来，并在外壳内使用气流传导热量，实现加速散热的功能。
芯片取放焊头机构4的工作原理：初始状态下，上触点417和下触点419 相互接触。取料时，电机一406通过第一带传动机构421带动丝杆组件运动，使滑动连接座405沿Z向导轨一404向下移动，当焊头碰到基板或成品时，取料焊头402连同焊头固定座403受力向上，上触点安装块416带动上触点571 向上移动，上触点417和下触点419分开，此时音圈电机409开始工作，通电线圈与永磁体作用，产生反作用力，并通过音圈连接板412带动焊头固定座403 及取料焊头402向下运动，从而给基板或成品施加作用力。取料时，取料焊头 402由电机二407通过第二带传动机构422驱动旋转。
预置平台1连接在底部Y向移动模组14上，预置平台1的结构包括与底部Y向移动模组14连接的平台底板一110，其上沿高度方向由下至上依次安装有X向滑台一101、Y向滑台一102、Z向滑台一103和旋转平台一104，旋转平台一104上通过垫块组件一105安装有芯片放置台106，芯片放置台106顶面中部开有中心气孔1061，上述各滑台内开有气腔，并与中心气孔1061连通，气腔通过管路与负压装置连接；还包括安装斜板111，其底部与平台底板一110 连接，顶部通过锁紧块安装底部相机108，底部相机108水平设置，其一侧设有点光源109，底部相机108镜头位置处，通过设置斜边直角反射棱镜107形成向上识别的光路。
如图1所示，固定安装件采用纵梁结构17，其前端伸出X向机架3前表面，并跨于气浮平台9上方，纵梁结构17的前端面上固定有安装支架，安装支架的位于气浮平台9前表面，顶部相机12沿Z向固连于安装支架上。芯片上料治具7的结构包括多个芯片上料载具盒701。
本实用新型在工作时，芯片取放焊头机构4将芯片拾取至预置平台1，预置平台1将芯片移载至共晶焊头2下方，其中一个顶部相机12识别芯片位置后，共晶焊头2拾取芯片，与此同时，预置平台1退回原位置(进行下一次芯片上料)，另一个顶部相机12识别共晶加热平台上基板上的焊接位置，共晶焊头2 (随气浮平台9沿Z向X向移动)将芯片按压在基板的预定位置，此时共晶加热平台6并完成焊接过程，焊接完成后共晶焊头2的钨钢吸嘴207抬起，返回至原位置进行下一次芯片拾取。
以上描述是对本新型的解释，不是对新型的限定，本新型所限定的范围参见权利要求，在本新型的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
Claims (6)
1.一种芯片上料及共晶焊头系统，其特征在于：包括X向机架(3)，其上两侧分别设有一共晶焊机构，每个共晶焊机构包括两个固定安装顶部相机(12)和一个沿XZ向直线运动的共晶焊头(2)，X向机架(3)前侧对应于两共晶焊机构位置处，分别设有一芯片上料区，每个芯片上料区包括一芯片取放焊头机构(4)、与芯片取放焊头机构(4)配合的芯片上料治具(7)和带底部相机(108)的预置平台(1)，预置平台(1)位于芯片取放焊头机构(4)靠近共晶焊机构的一侧；
X向机架(3)前表面两侧各设有一XZ向直线运动的气浮平台(9)，每个气浮平台(9)底部连接一个所述共晶焊头(2)，X向机架(3)的顶部两侧分别通过固定安装件，连接两个所述顶部相机(12)；
所述共晶焊头(2)的安装结构为：包括与气浮平台(9)固连的长臂连板(201)，其底部连接有压力传感器(209)，压力传感器(209)底部连接有L形连接块(208)，L形连接块(208)底面设有钨钢吸嘴(207)；长臂连板(201)一侧通过滑组安装板(204)安装有Z向导轨三(205)，Z向导轨三(205)上安装有沿其滑动的L形连接板(206)，L形连接板(206)一端背面与Z向导轨三(205)滑动连接，另一端底部与所述L形连接块(208)的上表面连接。
2.如权利要求1所述的芯片上料及共晶焊头系统，其特征在于：所述芯片取放焊头机构(4)连接于XY向移动模组一(13)上，芯片取放焊头机构(4)的结构为：包括支架板一(410)，所述支架板一(410)前表面上固定连接电机一(406)、丝杆组件和Z向导轨一(404)，所述电机一(406)的输出轴与丝杆组件连接，丝杆组件的丝杆轴(408)沿Z向设置，且丝杆轴(408)上传动连接一滑动连接座(405)，滑动连接座(405)上安装有通过旋转驱动件驱动的取料焊头(402)，所述取料焊头(402)上还连接有力控组件；
所述力控组件包括音圈电机(409)，所述音圈电机(409)安装在与所述滑动连接座(405)固连的调整连接板(411)的内侧，调整连接板(411)外侧连接有焊头固定座(403)，所述取料焊头(402)穿设于焊头固定座(403)内并通过轴承装置与其转动连接，音圈电机(409) 顶部通过一音圈连接板(412)与所述焊头固定座(403)连接，音圈连接板(412)顶部通过弹簧件(413)与弹簧上板(414)连接，弹簧上板(414)两端分别固连于调整连接板(411)的顶部；
调整连接板(411)的外侧壁面上设有Z向导轨二(415)，Z向导轨二(415)上设有沿其滑动、与焊头固定座(403)固连的上触点安装块(416)，其端部底面设有向下延伸的上触点(417)，调整连接板(411)的外端壁面上设有下触点安装块(418)，所述下触点安装块(418)的端部上表面设有向上延伸、与所述上触点(417)配合的下触点(419)；
所述取料焊头(402)一侧还设有取料相机(401)，取料相机(401)通过取料相机固定座(424)与一取料相机连接板(423)固连，所述取料相机连接板(423)与所述支架板一(410)固定连接。
3.如权利要求2所述的芯片上料及共晶焊头系统，其特征在于：所述旋转驱动件的结构包括电机二(407)，其输出轴通过带传动机构(422)与取料焊头(402)传动连接，电机二(407)也固定安装在调整连接板(411)内侧；取料焊头(402)的结构包括吸嘴管，其通过转动轴承安装于所述焊头固定座(403)中，顶部与所述带传动机构(422)连接，底部设有吸嘴；所述吸嘴管顶部伸出焊头固定座(403)外，通过气管(420)与负压装置连接。
4.如权利要求1所述的芯片上料及共晶焊头系统，其特征在于：所述预置平台(1)连接在底部Y向移动模组(14)上，预置平台(1)的结构包括与底部Y向移动模组(14)连接的平台底板一(110)，其上沿高度方向由下至上依次安装有X向滑台一(101)、Y向滑台一(102)、Z向滑台一(103)和旋转平台一(104)，所述旋转平台一(104)上通过垫块组件一(105)安装有芯片放置台(106)，芯片放置台(106)顶面中部开有中心气孔(1061)，上述各滑台内开有气腔，并与所述中心气孔(1061)连通，气腔通过管路与负压装置连接；
还包括安装斜板(111)，其底部与平台底板一(110)连接，顶部通过锁紧块安装底部相机(108)，所述底部相机(108)水平设置，其一侧设有点光源(109)，底部相机(108)镜头位置处，通过设置斜边直角反射棱镜(107)形成向上识别的光路。
5.如权利要求1所述的芯片上料及共晶焊头系统，其特征在于：所述固定安装件采用纵梁结构(17)，其前端伸出X向机架(3)前表面，并跨于气浮平台(9)上方，纵梁结构(17)的前端面上固定有安装支架，安装支架的位于气浮平台(9)前表面，所述顶部相机(12)沿Z向固连于所述安装支架上。
6.如权利要求1所述的芯片上料及共晶焊头系统，其特征在于：芯片上料治具(7)的结构包括多个芯片上料载具盒(701)。
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2020
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