CN2747708Y - 一种四自由度倒装键合头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种四自由度倒装键合头，包括一个基于滚珠花键副的两自由度串联机构、一个两自由度的并联机构和吸嘴。在串联机构中，滚珠花键轴通过转动副与滑块相连，驱动滑块实现倒装键合头Z方向的移动；其套筒通过另一转动副固定在机架上，驱动与套筒固连的拨叉实现倒装键合头Z方向的转动；并联机构由上、下平台，以及连接两者的一条固定支链和两条运动运动支链组成，驱动两条运动支链中的移动副实现倒装键合头X、Y方向的微小转动；并联机构的上平台与滚珠花键轴固定连接，下平台安装拾取/贴放裸芯的吸嘴。本实用新型实现了倒装贴片中调平、对准和键合所需的空间自由度，具有实时快速解析解、刚度高、精度高和结构紧凑等特点。

Description

一种四自由度倒装键合头

技术领域

本发明属于半导体封装装备制造领域，涉及一种以并联机构为基础的混合机构四自由度倒装键合头，实现了芯片倒装贴片过程中调平、对准和键合所需的空间运动。

背景技术

倒装芯片技术(Flip Chip)是芯片以凸点阵列结构与基板直接安装互连的一种方法。与引线键合等芯片互连技术相比较，倒装技术在尺寸、外观、柔性、可靠性、精度、以及成本等方面有很大的优势。目前，倒装芯片广泛用于电子表、手机、电脑、磁盘、随身听、LCD以及大型机等各种电子产品上。

为实现高密度(多达1600个凸点)、高精度(凸点最小间距200um)的倒装互连，必须在键合工艺(热声、热压焊等)之前依次对芯片和基板进行平行调整(简称调平)、垂向对准(简称对准)。如果焊接前芯片和基板不平行，将导致芯片和基板因受力不均而产生变形，从而影响焊接的质量。同样，若焊接前芯片和基板没有对准或对准精度太低，将会极大地影响焊接后的电气特性。因此，具有快速、高精调平(如绕X、Y方向转动，行程±0.5°，精度0.7微弧)和对准(如绕Z方向转动，行程±6°，精度1微弧)功能的键合头是自动倒装贴片机的关键部件之一，也是其研发难点之一。

自动倒装贴片机是一个典型的集机、电、液、气、光等为一体的复杂高科技产品。目前世界上只有少数几个国家中不多的几个大公司可以生产自动贴片机整机，如德国Karl Suss公司、日本Toray公司、日本NEC公司等，而我国的高性能自动贴片机全部依赖进口。这些贴片机的单台价格高达上百万美元，国内大部分公司难以承受。现有的贴片机在原理上大多属于串联式结构，传动链长、体积较大、制造成本高。在热声或热压焊过程中，键合头各部分受热、力变形不均匀，从而导致贴片精度下降。目前，国外有关倒装键合头方面的专利大多集中于高速贴片头的研究，包括转盘式多头(如专利WO 03/058708 A1，WO 97/3246等)；而国内在这方面的报道很少。

与倒装键合头类似，机器人手腕也能实现姿态调整。通常，机器人手腕由三个在空间垂直交错的转动副串联而成，以实现手爪相对被抓取物体的姿态。这种串联手腕操作范围大，结构简单，实现容易，但是运动精度不高，承载能力较差，不能满足专用精密装配对姿态调整精度和刚度的要求。

基于并联机构的并联手腕克服了以上不足，一般具有刚度高、定位精度高等优点，得到了机器人领域研究人员的广泛注意与重视，陆续提出3-RRR、3-UPS、3-UPU等球面三自由度并联机构。3-RRR并联机构采用三个转动副实现动平台的三自由度转动，所有旋转副中心轴线都相交于一个固定点，可严格保证动平台的三自由度转动，但该机构为一过约束系统，若装配制造精度不高，容易产生机构卡死；3-UPS并联机构以移动副作为驱动关节，动平台通过被动球铰与定平台相连，可保证动平台三自由度的球面运动，但由于被动球铰的存在，又大大减小了工作空间；3-UPU并联机构同样以移动副作为驱动关节，通过不同的几何装配条件可实现纯转动、纯移动、或两者兼而有之，当实现纯转动时，所有与上下平台相连的转动副轴线相交于一点，装配困难，易产生奇异形位。上述球面三自由度并联机构普遍存在工作空间小、结构复杂、控制困难等不足。

发明内容

本发明的目的在于克服以上不足，提供一种基于并联机构的混合机构四自由度倒装键合头，该键合头结构紧凑，便于控制，具有高刚度和高精度的特点。

本发明提供的一种四自由度倒装键合头，包括基于滚珠花键副的两自由度串联机构、两自由度并联机构和吸嘴。其中，滚珠花键轴的一端通过第一个转动副与滑块相连，另一端与并联机构的上平台固连，通过滑块移动实现倒装键合头沿Z方向的平移。滚珠花键副的套筒通过第二个转动副与机架固连，拨叉安装在套筒上，通过驱动拨叉实现倒装键合头绕Z方向的转动。所述并联机构由上平台、下平台，以及连接两者的一条固定支链和两条运动支链、组成，实现倒装键合头绕X、Y方向的转动。上平台与滚珠花键轴固定连接，下平台安装拾取/贴放裸芯的吸嘴。固定支链一端与上平台刚性连接，另一端通过第二个万向节与下平台相连。第一条运动支链由第一个万向节、移动副和球面副组成，其中移动副为输入关节，移动副一端通过第一个万向节与下平台相连，另一端通过球面副与上平台相连。第二条运动支链与第一条运动支链结构相同。

本发明是针对倒装贴片中调平、对准、键合所需的运动要求，设计一个两自由度的并联机构实现调平所需的绕X、Y方向微小转动，满足键合头结构紧凑、高刚度和高精度要求。应用一个基于滚珠花键副的两自由度串联机构提供对准、键合所需的Z方向大行程转动和移动，实现控制解耦。研制一台专用的倒装键合头，与现有标准的两自由度运动平台组合成一台六自由度自动贴片机。具体而言，本发明具有以下优点：

(1)本发明利用两自由度并联机构实现倒装芯片调平所需的绕X、Y方向的转动，具有系统刚度高、负载能力强、微动精度高等优点。

(2)本发明利用两自由度的滚珠花键副提供倒装芯片对准、键合所需的Z方向转动和移动，将绕Z方向的转动从三自由度的串联或并联调姿机构分离出来，不仅拓展了系统的工作空间，满足了对准所需的大行程转动要求，而且使整个系统结构简单，实现了运动控制解耦。

(3)本发明所采用的并联机构上下平台之间的中空部分为倒装键合工艺所需的加热炉等提供了理想的安装空间，并有利于隔热以及减小键合头体积。

附图说明

图1为本发明的机构原理示意图。

图2为本发明的一种具体实施方式的结构示意图。

图3为图2中两自由度并联机构的结构示意图。

图4为图2中滚珠花键副另一实施方式的结构示意图。

图5为安装本发明的六自由度倒装键合机整体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的作进一步详细的描述。

如图1所示，包括基于滚珠花键副的两自由度串联机构、两自由度并联机构和吸嘴。

在两自由度串联机构中，滚珠花键轴13的一端通过第一转动副12与滑块11相连，另一端与并联机构的上平台17固连，通过滑块11移动实现倒装键合头沿Z方向的移动；滚珠花键副的套筒14通过第二转动副16与机架固连，通过驱动与套筒固连的拨叉15实现倒装键合头绕Z方向的转动。

上述并联机构由上平台17、下平台23，以及连接两者的一条固定支链26和两条运动支链20、24组成，实现倒装键合头绕X、Y方向的转动。上平台17固定连接在滚珠花键轴13上，下平台23上安装有拾取/贴放裸芯的吸嘴22。固定支链26一端与上平台17刚性连接，另一端通过第二万向节25与下平台23相连；第一运动支链20由第一万向节21、移动副19和球面副18组成，其中移动副19为输入关节。移动副19一端通过第一万向节21与下平台23相连，另一端通过球面副18与上平台17相连。第二运动支链24的组成结构和连接方式与第一运动支链结构相同。

满足下述条件可取得更好的技术效果：三条支链与上、下平台的连接点分别位于直角三角形△ABC、△abc的三个顶点处，每个三角形的直角顶点B、b(即固定支链与上、下平台的连接点)分别与上、下平台中心重合。

如图2所示，在该实施方案中，滚珠花键轴13的一端通过深沟球轴承29内置在滚珠丝杆27的螺母28中，另一端通过法兰盘32与并联机构的上平台17固连，通过滚珠丝杆27的转动实现倒装头沿Z方向的移动。滚珠花键副的套筒14通过深沟球轴承31与机架30固连，通过驱动与套筒14相连的拨叉15实现倒装头绕Z方向的转动。如图3所示，所述并联机构由上平台17、下平台23，以及连接两者的一条固定支链26和两条运动支链20、24组成。上平台17通过法兰盘32与滚珠花键轴13固定连接，下平台23安装拾取/贴放裸芯的吸嘴22。在固定支链26中，固定杆33一端与上平台17刚性连接，另一端通过第二万向节25与下平台23相连。运动支链20、24的移动副采用滚珠丝杆-螺母驱动方式，滚珠丝杆37的头部通过联轴器35与伺服电机34相连，同时通过调心球轴承36(起到球铰的作用，内外圈相对倾斜度在3°以内)与上平台17相连；支链螺母38与连接套筒39固连，连接套筒39通过第一万向节21与下平台23相连。

在制造用于实际生产的专用倒装键合头时，可以做以下结构转换，具体实施方式如下：

(1)本发明移动副输入关节采用伺服电机、滚珠丝杆螺母驱动方式，也可以采用直线步进电机驱动方式；转动副输入关节可以通过一对与拨叉相接触的刚性球推拉作用实现小幅度的双向转动，其中每个刚性球分别通过弹簧与直线电机驱动轴相连，由直线电机驱动作往返运动。

(2)如图4所示，本发明中滚珠花键轴13与滚珠丝杆螺母28的连接也可以采用悬臂梁40实现方式，花键轴13通过角接触轴承或推力轴承41与螺母28相连，丝杆27与滚珠花键13不同轴。采用该方案可以减少主轴长度，但花键轴承受弯矩，直接影响底部倒装贴片精度。

(3)本发明中的球面副和万向节采用标准球铰和标准万向节，也可以采用超弹性材料加工的柔性铰替代标准球铰和标准万向节；本发明中的吸嘴采用标准吸嘴，市场上已有成熟产品可供选用。

工作原理

图5为安装本发明的六自由度倒装键合机整体结构示意图，主要由本发明的四自由度倒装键合头1、龙门框架2、安装在床身5上的两自由度运动平台4组成。其中，倒装键合头1垂直安装在龙门框架2上，其具体实施方式参见图2；所述运动平台4为一标准的两自由度工作台，可以相对床身5作X、Y方向的移动；真空吸座3安装在运动平台4上，用来固定基板；倒装键合头1和运动平台4相互配合实现倒装贴片所需的六自由度运动。

应用本发明实现倒装贴片时，主要包括以下几个步骤：

(1)通过自动上下料系统将裸芯、基板分别送至真空吸嘴、吸座上；

(2)通过视觉系统获取裸芯、基板上的定位标志(如十字标叉等)并计算出两者之间的位姿偏差；

(3)应用两自由度并联机构对裸芯、基板进行调平。根据计算出的位姿偏差信息，分别驱动运动支链20或/和运动支链24的滚珠丝杆37，通过螺母38、套筒39带动下平台23绕X轴或/和Y轴转动，使吸嘴22上的裸芯和吸座3上的基板的工作面相互平行(即使裸芯、基板上的定位标志保持平行)；

(4)通过倒装键合头Z方向的转动和/或工作台X、Y方向的移动对裸芯、基板进行对准。根据计算出的位姿偏差信息，通过拨叉15驱动滚珠花键轴13带动倒装键合头作Z方向的转动，和/或在X、Y方向的移动工作台4，使裸芯、基板上的定位标志在XY平面的投影重合；

(5)通过倒装键合头Z方向的移动将裸芯键合到基板上。驱动滚珠丝杆27使倒装键合头作Z方向的移动，在一定的温度、压力条件下，将裸芯键合到基板上，实现倒装贴片；

(6)通过自动上下料系统将键合好的芯片从真空吸座3上卸下来，装夹需键合的裸芯和基板进行下一次倒装贴片。

Claims (2)

1、一种四自由度倒装键合头，包括吸嘴，其特征在于：该键合头还包括基于滚珠花键副的两自由度串联机构和两自由度并联机构，其中，滚珠花键轴(13)的一端通过第一个转动副(12)与滑块(11)相连，另一端与并联机构的上平台(17)固连，通过滑块移动实现倒装键合头沿Z方向的平移；滚珠花键副的套筒(14)通过第二个转动副(16)与机架固连，拨叉(15)安装在套筒(14)上，通过驱动拨叉(15)实现倒装键合头绕Z方向的转动；所述并联机构由上平台(17)、下平台(23)，以及连接两者的一条固定支链(26)和两条运动支链(20)、(24)组成，实现倒装键合头绕X、Y方向的转动；上平台(17)与滚珠花键轴(13)固定连接，下平台(23)安装拾取/贴放裸芯的吸嘴(22)；固定支链(26)一端与上平台(17)刚性连接，另一端通过第二个万向节(25)与下平台(23)相连；第一条运动支链(20)由第一个万向节(21)、移动副(19)和球面副(18)组成，其中移动副(19)为输入关节，移动副(19)一端通过第一个万向节(21)与下平台(23)相连，另一端通过球面副(18)与上平台(17)相连；第二条运动支链(24)与第一条运动支链结构相同。

2、根据权利要求1所述的键合头，其特征在于，所述并联机构的三条支链(24)、(26)、(20)与上平台(17)、下平台(23)的连接点分别位于直角三角形△ABC、△abc的三个顶点处，固定支链与上、下平台的连接点(B、b)分别与上平台(17)、下平台(23)的中心重合。

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