TW202131786A - 包含可變力分佈的鍵合設備 - Google Patents

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Abstract

鍵合設備包括固持元件、固持元件致動器、感測器、控制器以及鍵合力調節致動器。使用時，所述固持元件固持電子元件，並且所述固持元件由所述固持元件致動器沿一個或多個致動方向移動，以使所述電子元件與基底構件相接觸。回應於所述電子元件與所述基底構件之間的接觸，所述感測器測量施加在所述固持元件上的反作用力。所述控制器根據所測量的反作用力確定在鍵合過程中要施加在所述固持元件的致動區域上的鍵合力，並且所述鍵合力調節致動器在鍵合過程中將這些鍵合力施加在所述固持元件的所述致動區域上，以調節所述電子元件相對於所述基底構件的傾斜。

Description

包含可變力分佈的鍵合設備
本發明總體上涉及一種鍵合設備，其具有用於在鍵合電子元件(例如，晶片)時調節力的分佈或電子元件相對於基底構件(例如，襯底)的傾斜的機構。
半導體器件的製造通常涉及鍵合技術，在該技術中，使用鍵合材料將電子元件附接於基底構件。例如，電子元件可以為晶片，基底構件可以為襯底，鍵合材料可以為諸如環氧樹脂的膠黏劑。鍵合技術通常使用包括拾取工具(例如，鍵合頭)的鍵合設備來執行。鍵合頭從元件固持器(例如，晶片或晶片託盤)中拾取電子元件，然後使電子元件與已分配有鍵合材料的基底構件相接觸。之後，在電子元件上施加鍵合力，以將電子元件推向基底構件進行鍵合。鍵合力通常在一定時間段內施加。在這個時間段中，可以對鍵合材料進行熱處理以改變其狀態，使得鍵合材料能夠將電子元件和基底構件固持在一起。
在電子元件與基底構件相接觸時，鍵合頭偶爾可能會傾斜。這就可能使得電子元件在鍵合技術中相對於基底構件傾斜。其結果是，電子元件和基底構件之間可能發生錯位，進而影響最終形成的半導體器件的品質。
解決上述問題的常規方法包括檢測鍵合頭中的傾斜、測量該傾斜的程度以及調節鍵合頭以校正該傾斜。可以通過各種方式檢測鍵合頭中的傾斜。例如，接觸感測器可用於檢查電子元件的任一部分是否與基底構件接觸不當。可選地，位移感測器可用於測量電子元件的各個部分相對於基底構件的位移。可以採用壓力檢測器(例如，壓敏紙)來確定電子元件施加在基底構件上的壓力的分佈，並且壓力分佈不均勻可能表明鍵合頭的傾斜。在檢測到鍵合頭中存在傾斜之後，通常使用校準工具來測量該傾斜的程度，並基於該測量相應地調節鍵合頭。
儘管上述傳統方法可以在鍵合技術中減小電子元件相對於基底構件的傾斜，但這些方法非常耗時且分別離線執行。尤其是，在鍵合過程開始之前，需要大量時間來檢測、測量並校正鍵合頭的傾斜。這影響了製造每個半導體器件所需的時間，並因此導致產量的降低。此外，由於不同電子元件和基底構件厚度的變化，該方法中使用的校準工具可能不能準確地測量電子元件相對於基底構件的傾斜程度。因此，對於鍵合頭的傾斜可能往往矯正過度或是矯正不足。
本發明旨在提供一種新穎有用的鍵合設備。
概括來說，本發明提出了一種鍵合設備，其具有用於調節電子元件相對於基底構件的傾斜的機構，其中該機構回應於所述電子元件與所述基底構件之間的接觸，利用感測器測量反作用力，並且利用致動器在鍵合過程中對所述電子元件施加鍵合力(根據所測量的反作用力而確定)。
具體地，根據本發明的第一態樣，提供了一種鍵合設備，包括：固持元件，其構造為固持電子元件；多個固持元件致動器，其構造為沿一個或多個致動方向移動所述固持元件以使所述電子元件與基底構件相接觸，其中，所述一個或多個致動方向佈置為大體上平行於所述固持元件的中心軸，所述中心軸延伸穿過所述電子元件及所述基底構件；多個感測器，響應於所述電子元件與所述基底構件之間的接觸，每個感測器配置為在所述固持元件的相應位置處測量施加在所述固持元件上的反作用力；控制器，其配置為基於在所述相應位置處測量的反作用力來確定在鍵合過程中要施加在所述固持元件的兩個以上致動區域上的鍵合力，以將所述電子元件鍵合到所述基底構件上；以及多個鍵合力調節致動器，其在所述鍵合過程中能操作以將所確定的鍵合力施加在所述固持元件的相應的致動區域上。
利用上述鍵合設備，首先可以使用所述固持元件致動器來實現所述電子元件與所述基底構件之間的初步接觸，然後利用所述感測器以及所述鍵合力調節致動器即時地對所述電子元件相對於所述基底構件的傾斜進行更加細微的調節。所述感測器測量表明所述電子元件相對於所述基底構件傾斜的反作用力，所述鍵合力調節致動器在鍵合過程中施加鍵合力(基於所測量的反作用力確定)，其中所述鍵合力有助於調節所述電子元件相對於所述基底構件的傾斜。因此，與現有技術不同，所述鍵合設備在鍵合過程中即時地對所述電子元件進行傾斜調節。此外，不同的電子元件和基底構件可能具有不同的特性，例如，厚度不同。由於在上述鍵合設備中，響應於特定電子元件與其要鍵合至的特定基底構件之間的接觸獲得所述感測器的輸出，基於該輸出對每個電子元件進行傾斜調節，因此，該傾斜調節可以更好地匹配所述電子元件和所述基底構件。所以，能夠提高每個電子元件與相應基底構件之間的連接處的品質。
所述固持元件和所述多個鍵合力調節致動器可操作地連接以一起沿所述一個或多個致動方向移動。所述鍵合力調節致動器和所述固持元件的相對位置因此可以保持相對一致並足夠接近，使得可以通過所述鍵合力調節致動器對所述電子元件的傾斜調節更加精准。
致動構件可以連接在所述多個鍵合力調節致動器與所述固持元件之間。所述鍵合力調節致動器能夠經由所述致動構件在所述固持元件上施加鍵合力。還可以將附加致動器與所述致動構件相連以移動所述固持元件，並因此，使用所述致動構件可以使得所述固持元件具有更大的移動自由度。
所述致動構件可以包括分別具有平行於所述中心軸定向的第一細長孔和第二細長孔的第一致動構件部和第二致動構件部。所述第一致動構件部可以比所述第二致動構件部更靠近所述固持元件，且所述第一細長孔的直徑可以小於所述第二細長孔的直徑。使用中空的致動構件能夠有助於減輕所述鍵合設備的重量並減少移動所述致動構件所需的力。所述第一細長孔和所述第二細長孔的直徑差能夠增加更靠近所述固持元件的所述致動構件的重量，並允許所述致動構件以較小的力和更高的穩定性來移動所述固持元件。
所述鍵合設備可以進一步包括耦合到所述致動構件的柔性元件。通過使所述致動構件繞垂直於所述中心軸的一個或多個軸進行旋轉可以壓縮所述柔性元件。這有助於減少為阻礙所述致動構件沿所述中心軸移動而施加的摩擦，並允許所述致動構件旋轉。
所述鍵合力調節致動器可以圍繞所述中心軸等距佈置。這有助於施加在所述固持元件上的鍵合力分佈更加均衡。
例如，所述多個鍵合力調節致動器可以包括第一鍵合力調節致動器、第二鍵合力調節致動器、第三鍵合力調節致動器以及第四鍵合力調節致動器。所述第一鍵合力調節致動器可以相對於所述中心軸佈置為與所述第三鍵合力調節致動器徑向相對，所述第二鍵合力調節致動器可以相對於所述中心軸佈置為與第四鍵合力調節致動器徑向相對。這有助於實現鍵合力的二維施加，以更好地調節所述電子元件相對於所述基底構件的傾斜。
所述多個鍵合力調節致動器中的至少一個可以在與所述多個感測器的至少一個的軸相同或平行的軸上對準。這便於基於所述感測器所測量的反作用力來確定所述鍵合力調節致動器要施加的鍵合力。
在所述鍵合過程中，所述多個鍵合力調節致動器可以操作以在所述固持元件的不同相應致動區域處施加不同鍵合力。這能夠有助於調節所述電子元件相對於所述基底構件的傾斜。
所述多個固持元件致動器可以操作以使所述固持元件繞垂直於所述中心軸的一個或多個軸傾斜。這允許所述電子元件以一定角度接觸所述基底構件，以便通過所述固持元件隨後的受控移動來去除所述電子元件與所述基底構件之間的空隙。
所述鍵合設備可進一步包括多個連接器，並且所述多個固持元件致動器中的每個配置為沿平行於所述中心軸的一個或多個方向推動所述多個連接器中的相應的一個連接器，以沿所述一個或多個致動方向移動所述固持元件。這允許所述固持元件致動器沿所述一個或多個致動方向與所述鍵合力調節致動器一起移動所述固持元件，並將所述固持元件傾斜。
所述鍵合設備還可包括配置為使所述固持元件圍繞所述中心軸旋轉的旋轉致動器。這使得所述固持元件具有更大的移動自由度。
所述控制器配置為基於所述多個感測器中最接近所述鍵合力調節致動器的一個感測器所測量的反作用力來確定所述多個鍵合力調節致動器中的每個要施加的鍵合力。這有助於簡化基於所測量的作用力確定鍵合力。
所述鍵合力調節致動器的數量可以等於所述感測器的數量。這有助於簡化基於所測量的作用力確定鍵合力。備選地，所述感測器的數量可以大於所述鍵合力調節致動器的數量。這有助於減少所述鍵合設備中元件的數量，從而有助於減少所述鍵合設備的製造成本。
根據本發明的第二態樣，提供一種用於將電子元件鍵合到基底構件的方法，包括：沿一個或多個致動方向移動固持所述電子元件的固持元件以使所述電子元件與所述基底構件相接觸，其中，所述一個或多個致動方向大體上平行於所述固持元件的中心軸，所述中心軸延伸穿過所述電子元件及所述基底構件；回應於所述電子元件與所述基底構件之間的接觸，利用感測器在所述固持元件的相應位置處測量施加在所述固持元件上的反作用力；確定在鍵合過程中要施加在所述固持元件的兩個或兩個以上致動區域上的鍵合力，以將所述電子元件鍵合到所述基底構件上，其中，所述鍵合力是基於所測量的反作用力確定的；在所述鍵合過程中，將所確定的鍵合力施加在所述固持元件的所述致動區域上。
上述移動所述固持元件可以進一步包括：使所述固持元件繞垂直於所述中心軸的軸傾斜；在所述固持元件保持傾斜的同時使所述電子元件與所述基底構件相接觸；使所述固持元件圍繞垂直於所述中心軸的軸旋轉，以使所述電子元件與所述基底構件進一步接觸，直到所述電子元件基本平行於所述基底構件。這有助於去除所述電子元件和所述基底構件之間的任何空隙（例如，氣泡）。進而，可以提高所述電子元件與所述基底構件之間的連接處的品質，並提高設備製造工藝的成品率。
上述使所述固持元件圍繞垂直於所述中心軸的軸旋轉還可以包括：沿遠離所述基底構件的方向在所述固持元件的第一側上施加第一力；沿朝向所述基底構件的方向在所述固持元件的第二側上施加第二力，其中所述第二力大於所述第一力。這樣的力控制有助於平衡鍵合負載，並且還有助於以一種更為循序漸進的方式去除所述電子元件和所述基底構件之間的空隙，從而能夠更加徹底地去除任何空隙。
所述反作用力可以包括施加在所述固持元件第一位置上的第一反作用力和施加在所述固持元件第二位置上的第二反作用力，並且所述方法還可以包括：重複測量所述反作用力，基於所測量的反作用力確定所述鍵合力，並將所確定的鍵合力施加在所述固持元件的所述致動區域上，直到所述第一反作用力和所述第二反作用力之間的差低於預定閾值。如此，能夠重複調節和微調所述電子元件相對於所述基底構件的傾斜，直到所述電子元件充分平行於所述基底構件，以進行具體鍵合過程。
圖1A和圖1B分別示出了根據本發明實施例的鍵合設備100的立體圖和俯視圖。圖1C示出了鍵合設備100的局部剖面正視圖(沿XZ平面)。
鍵合設備100包括框架102。框架102具有坐落於與XZ平面平行的平面中的大體上呈矩形的基底構件102a。彎曲凹部102b沿著基底構件102a內表面的中間部分平行於中心軸(Z軸)延伸。框架102還包括從基底構件102a內表面突出的第一細長框架延伸部102c和第二細長框架延伸部102d。框架延伸部102c、102d大體上平行於彎曲凹部102b，並沿基底構件102a的相對寬度彼此平行地延伸。
鍵合設備100還包括構造為固持電子元件(例如但不局限於晶片)的鍵合頭結構104。鍵合頭結構104可移動地連接於框架102。如圖1A至圖1C所示，鍵合設備100具有多個連接器，包括分別連接於鍵合頭結構104彼此相對的第一側和第二側的第一鍵合頭連接器106以及第二鍵合頭連接器108。第一鍵合頭連接器106連接於第一引導元件110，第二鍵合頭連接器108連接於第二引導元件112。第一引導元件110和第二引導元件112分別連接於框架102的第一框架延伸部102c和第二框架延伸部102d。
鍵合設備100還包括第一編碼器元件114和第二編碼器元件116。引導元件110、112呈Z線性引導器的形式，編碼器元件114、116呈Z線性編碼器的形式。第一編碼器元件114配置為與第一引導元件110配合以確定相對於框架102(特別是第一框架延伸部102c)平行於第一鍵合頭連接器106的Z軸的位移。第二編碼器元件116配置為與第二引導元件112配合以確定相對於框架102(特別是第二框架延伸部102d)平行於第二鍵合頭連接器108的Z軸的位移。
鍵合設備100還包括多個固持元件致動器，其包括第一固持元件致動器118和第二固持元件致動器120。固持元件致動器118、120呈電機的形式。每個固持元件致動器118、120被固持在各自的致動器固持器122、124內，該致動器固持器122、124繼而連接於框架102的相應框架延伸部102c、102d。固持元件致動器118、120配置為沿平行於Z軸的一個或多個致動方向移動鍵合頭結構104，以使由鍵合頭結構104固持的電子元件與基底構件相接觸。更具體地，第一固持元件致動器118和第二固持元件致動器120分別連接於第一鍵合頭連接器106和第二鍵合頭連接器108。每個固持元件致動器118、120配置為沿與Z軸平行的一個或多個方向相對於框架102推動相應的鍵合頭連接器106、108，以沿致動方向移動鍵合頭結構104。此外，固持元件致動器118、120還可操作以使鍵合頭結構104繞垂直於Z軸的X軸和Y軸傾斜。
如圖1A至圖1C所示，鍵合設備100還包括經由連接元件128連接於鍵合頭結構104的成像單元126。成像單元126配置為捕獲由鍵合頭結構104固持的電子元件的圖像。
現在將更詳細地描述鍵合頭結構104。
參照圖1A至圖1C，鍵合頭結構104包括呈固定支架形式的致動器外殼130。致動器外殼130具有帶中心孔的圓柱形結構，並如圖1C所示，在致動器外殼130的內表面周圍設有凹槽130a。
如圖1C所示，呈軸形式的致動構件132穿過致動器外殼130的中心孔佈置。特別地，致動構件132包括第一致動構件部132a和佈置在第一致動構件部132a上方的第二致動構件部132b。參考圖1B和圖1C，第一致動構件部132a和第二致動構件部132b中的每個均具有中空的圓柱形結構。特別地，第一致動構件部132a具有第一細長孔，第二致動構件部132b具有第二細長孔。每個細長孔大體上延伸穿過相應圓柱形結構的中部，並平行於Z軸定向。第一致動構件部132a的第一細長孔具有X形橫截面，而第二致動構件部132b的第二細長孔具有圓形橫截面。第一細長孔和第二細長孔的中心大致對準，第一細長孔的X形橫截面的直徑(換言之，在橫截面的最遠兩端之間的尺寸)小於第二細長孔的圓形橫截面的直徑。致動構件132還包括圍繞第一致動構件部132a外表面的凹槽132c。如圖1C所示，致動構件132的凹槽132c佈置為面向致動器外殼130的凹槽130a，凹槽130a、132c的頂部對齊。另外，致動構件132還包括延伸部132d，其從第二致動構件部132b的外表面圍繞該致動構件部132b的頂部突出。
如圖1B和圖1C所示，鍵合設備100還包括支撐元件134，該支撐元件134具有延伸穿過第一致動構件部132a的第一細長孔的X形橫截面。特別地，支撐元件134包括四個臂134a-134d，其中每對相鄰的臂134a-134d限定錐形細長凹槽。
鍵合頭結構104還包括呈拾取工具/鍵合頭形式的固持元件136，該固持元件構造為固持諸如晶片的電子元件。固持元件136耦合於致動構件132，感測器單元138設置於固持元件136和致動構件132之間。特別地，致動構件132相對於固持元件136佈置，使得第一致動構件部132a比第二致動構件部132b更靠近固持元件136。
鍵合頭結構104還包括旋轉致動器140，該旋轉致動器140具有呈固定θ磁鐵形式的固定元件140a和呈可移動θ線圈形式的可移動元件140b。旋轉致動器140的固定元件140a和可移動元件140b具有帶中心孔的空心圓柱形結構。可移動元件140b設置在固定元件140a的中心孔內，固定元件140a又設置在致動器外殼130上。如圖1C所示，致動構件132延伸超出致動器外殼130的中心孔，進入旋轉致動器140的可移動元件140a的中心孔。旋轉致動器140配置為使致動構件132(並因此使固持元件136)繞中心軸(Z軸)旋轉。特別地，旋轉致動器140的可移動元件140b連接於致動構件132，更具體地，連接於第二致動構件部132b和延伸部132d。可以驅動旋轉致動器140以使可移動元件140b(連同與其相連的致動構件132一起)相對於固定元件140a繞Z軸旋轉。
如圖1A至圖1C所示，蓋子142設置在致動構件132上方。如圖1C所示，蓋子142佈置為位於致動構件132的延伸部132d上。該蓋子142包括下部內表面142a和上部內表面142b。上部內表面142b限定圓柱形孔，而下部內表面142a朝向上部內表面142b漸縮並形成截頭圓錐形孔。該截頭圓錐形孔的頂部與上部內表面142b所限定的圓柱形孔對準。如圖1A和圖1B所示，蓋子142包括多個圓形凹槽142c，以及設置在其中的相應第一接合元件142d。如圖1C所示，多個第二接合元件142e延伸穿過蓋子142。圓形凹槽142c和第二接合元件142e圍繞蓋子142的頂表面交替佈置。
圖1D示出了鍵合設備100的一部分的俯視圖，特別是省去了致動構件132、旋轉致動器140以及蓋子142的部分。
參考圖1C和圖1D，鍵合設備100包括柔性元件144，該柔性元件144具有佈置在致動構件132周圍的環形結構。圖1E示出了柔性元件144以及致動構件132的一部分的放大正視圖。如圖1E所示，柔性元件144呈柔性空氣軸承的形式，其具有外殼144a、柔性隔室144b以及柔性隔室144b內的空氣薄膜144c。空氣薄膜144c包括壓縮空氣並用作柔性層。如圖1C所示，柔性元件144佈置在致動器外殼130和致動構件132之間。特別地，柔性元件144佈置在致動構件132的凹槽132c與致動器外殼130的位於凹槽130a下方的一部分之間。致動構件132可相對於柔性元件144沿Z軸移動(如圖1E中箭頭143所示)，柔性元件144用於減小阻礙該移動的摩擦力。此外，可通過使致動構件132繞垂直於Z軸的一個或多個軸進行旋轉來壓縮柔性元件144。例如，當力矩施加在致動構件132上時，致動構件132可以通過壓縮柔性元件144而繞Y軸旋轉(如箭頭145所示)。然而，由於柔性隔室144b也具有一定剛度，因此只可以壓縮其有限部分。相應地，限制了致動構件132繞垂直於Z軸的軸進行旋轉的程度。
參考圖1C和圖1D，鍵合頭結構104還包括多個鍵合力調節致動器，即呈電機形式的第一鍵合力調節致動器146、第二鍵合力調節致動器148、第三鍵合力調節致動器150以及第四鍵合力調節致動器152。致動構件132連接在多個鍵合力調節致動器146-152和固持元件136之間。特別地，每個鍵合力調節致動器146-152分別連接於致動構件132的相應側，致動構件132又通過感測器單元138連接於固持元件136。固持元件136和多個鍵合力調節致動器146-152因此可操作地連接，以通過固持元件致動器118、120一起沿一個或多個致動方向移動。
如圖1D所示，鍵合力調節致動器146-152繞Z軸，或更具體地，繞致動構件132等距佈置。鍵合力調節致動器146-152繞X軸和Y軸對稱地佈置，第一鍵合力調節致動器146與第三鍵合力調節致動器150在X軸上對齊，第二鍵合力調節致動器148與第四鍵合力調節致動器152在Y軸上對齊。第一鍵合力調節致動器146相對於Z軸佈置為與第三鍵合力調節致動器150徑向相對，第二鍵合力調節致動器148相對於Z軸設置為與第四鍵合力調節致動器152徑向相對。
每個鍵合力調節致動器146-152包括呈磁鐵形式的固定元件146a、148a、150a、152a和呈線圈單元形式的可移動元件146b、148b、150b、152b，該線圈單元具有多個相互間隔的線圈段。如圖1C所示，每個鍵合力調節致動器146-152的固定元件146a-152a佈置在致動器外殼130的凹槽130a內，而每個可移動元件146b-152b設置在柔性元件144上方，並且在其間設置有間隙。另外，旋轉致動器140的可移動元件140b佈置在鍵合力調節致動器146-152的可移動元件146b-152b上方，並且在其間設置有另一間隙。
鍵合力調節致動器146-152與固持元件136的兩個或兩個以上致動區域相關聯，並且配置為在鍵合過程中將鍵合力施加在固持元件136的這些相關聯致動區域上。特別地，每個鍵合力調節致動器146-152進行致動以相對於固定元件146a-152a推動致動器146-152的可移動元件146b-152b。每個鍵合力調節致動器146-152的可移動元件146b-152b連接於致動構件132的相應側，並且配置為與致動構件132的該側一起平行於Z軸移動。因此，鍵合力調節致動器146-152的致動引起致動構件132的相應側移動，並繼而在固持元件136的相關聯致動區域處推動固持元件136。因為鍵合力調節致動器146-152是獨立可控的，所以其在鍵合過程中可操作以在固持元件136的不同相關聯致動區域處施加不同的鍵合力。
鍵合設備100還包括具有多個感測器的感測器陣列，該多個感測器包括呈力感測器形式的第一感測器154、第二感測器156、第三感測器158以及第四感測器160，回應於固持元件136所固持的電子元件與基底構件之間的接觸，這些感測器配置為測量施加於固持元件136上的反作用力。感測器154-160佈置在位於固持元件136和致動構件132之間的感測器單元138之內。感測器154-160佈置為回應於電子元件與基底構件之間的接觸來檢測不同方向上的反作用力和力矩。每個感測器154-160都與固持元件136的相應位置相關。如圖1D中更清楚地所示，感測器154-160繞Z軸等距佈置。特別地，感測器154-160繞Z軸對稱佈置，其中第一感測器154和第三感測器158與第一鍵合力調節致動器146和第三鍵合力調節致動器150在同一軸(X軸)上對齊，而第二感測器156和第四感測器160與第二鍵合力調節致動器148和第四鍵合力調節致動器152在同一軸(Y軸)上對齊。參考圖1C和圖1D，每個感測器154-160佈置為位於由支撐元件134的相鄰臂134a-134d所限定的相應錐形細長凹槽的下方。
儘管未在圖中示出，但是鍵合設備100還包括控制器，該控制器配置為確定在鍵合過程中要施加在所述固持元件136的兩個或兩個以上致動區域上的鍵合力，以將固持元件136所固持的電子元件鍵合到基底構件上。控制器可操作以基於感測器154-160所測量的反作用力確定鍵合力。
圖2A至圖2C示出了使用中的鍵合設備100。圖3示出了使用鍵合設備100將電子元件鍵合到基底構件的方法的流程圖。現在將參考2A至圖2C更詳細地描述該方法300。
在步驟302中，鍵合設備100的固持元件136拾取電子元件202，並將電子元件202帶至基底構件204上方的位置。在該位置處，Z軸延伸穿過電子元件202和基底構件204(例如，將在其上鍵合電子元件202的襯底)。
在步驟304中，固持元件致動器118、120移動固持元件136(其固持有電子元件202)以使電子元件202與基底構件204相接觸。
如圖2A所示，鍵合設備100繞Y軸傾斜鍵合頭結構104(並因此使固持元件136傾斜)以使電子元件202與基底構件204相接觸。特別地，驅動第一固持元件致動器118以在連接於鍵合頭結構104的第一側的第一鍵合頭連接器106上施加向下的力(即，朝向基底構件204的力)，並驅動第二固持元件致動器120以在連接於鍵合頭結構104的第二側的第二鍵合頭連接器108上施加向上的力(即，遠離基底構件204的力)。因此，第一鍵合頭連接器106(與鍵合頭結構104的第一側一起)沿第一致動方向206移動；相反，第二鍵合頭連接器108(與鍵合頭結構104的第二側一起)沿第二致動方向208移動。致動方向206、208通常平行於Z軸，並且彼此相反。這使得固持元件136繞Y軸傾斜。如圖2A所示，在固持元件136保持傾斜的同時，電子元件202與基底構件204相接觸。電子元件202與基底構件204之間的這種初步接觸發生在接觸區域204a處。
通過反饋回路控制鍵合頭結構104繞Y軸的傾斜。特別地，當鍵合頭結構104的第一側和第二側分別沿第一致動方向206和第二致動方向208相應地移動時，通過引導元件110、112和編碼器元件114、116確定第一鍵合頭連接器106和第二鍵合頭連接器108相對於框架102的位移，並回饋給控制器。控制器確定要對第一鍵合頭連接器106和第二鍵合頭連接器108進行的進一步的位移量，以實現鍵合頭結構104的預期傾斜。然後，驅動固持元件致動器118、120以實現進一步位移。
圖2B和圖2C示出了當電子元件202在接觸區域204a處初步接觸基底構件204時圖2A的固持元件136的放大圖。如圖2B和圖2C所示，當電子元件202初步接觸基底構件204時，在電子元件202和基底構件204之間可能存在多個空隙212(例如，氣泡)。在初步接觸之後，使固持元件136繞Y軸旋轉以使電子元件202進一步與基底構件204相接觸，直到電子元件202基本上平行於基底構件204。特別地，通過移動第一鍵合頭連接器106，驅動第一固持元件致動器118以沿遠離基底構件204的方向在固持元件136的第一側上施加第一力(向上的力)，通過移動第二鍵合頭連接器108，驅動第二固持元件致動器120以沿朝向基底構件204的方向在固持元件136的第二側上施加第二力(向下的力)。固持元件136上的向下的力大於固持元件136上的向上的力。因此，在將固持元件136的第二側向下推動(如箭頭216所示，朝向基底構件204)的同時，將固持元件136的第一側向上(如箭頭214所示)提起。這逐漸擠壓了電子元件202和基底構件204之間的空隙212，並且沿遠離接觸區域204a的方向將空氣從間隙中推出(如箭頭218所示)。
在步驟306中，感測器154-160回應於步驟304中電子元件302與基底構件204之間的接觸來測量施加在電子元件202上(並因此在固持元件136上)的反作用力。這些反作用力是在與各個感測器154-160相關聯的固持元件136的相應位置處測量的。該反作用力，或者說基底構件204施加在電子元件202上的力分佈，表明固持元件136圍繞垂直於Z軸的一個或多個軸的傾斜。例如，與第三感測器156檢測到的反作用力相比，第一感測器154所檢測到的反作用力更大，這表明固持元件136圍繞Y軸的傾斜，其中與沿著第三感測器156所處軸相比，固持元件136沿著第一感測器154所處軸更靠近基底構件204。
在步驟308中，鍵合設備100的控制器確定在鍵合過程中要施加在固持元件136的兩個或兩個以上致動區域上的鍵合力，以將電子元件202與基底構件204相鍵合。基於感測器154-160所測量的反作用力確定鍵合力。特別地，確定鍵合力，以便在固持元件136上施加該鍵合力使固持元件136繞垂直於Z軸的一個或多個軸旋轉，從而使得固持元件 136大致平行於這些軸中的每個。進一步地或可選地，控制器配置為確定在與較小反作用力相關聯的致動區域處將較大的鍵合力施加在固持元件136上。
在步驟310中，進行鍵合技術，並且在鍵合過程中，多個鍵合力調節致動器146-152將所需的鍵合力施加到固持元件136的相關聯致動區域上。特別地，控制器將控制信號發送到鍵合力調節致動器146-152以施加這些鍵合力。
方法300包括在步驟306至步驟310中，反復測量反作用力，基於所測量的反作用力確定鍵合力並將所確定的鍵合力施加到固持元件136的相關聯致動區域上，直到感測器146-152測量到電子元件304上反作用力的分佈足夠平衡為止。特別地，步驟310中，在固持元件136上施加鍵合力之後，在步驟306中，再次由感測器154-160檢測固持元件136上的反作用力，並且在步驟308中，控制器基於最新檢測到的反作用力來確定更正後的要施加在固持元件136上的鍵合力。在步驟310中，將更新後的鍵合力施加在固持元件136上，並且再次重複步驟306至310。直到感測器154-160在步驟306中檢測到的反作用力大致相同，或更確切地說，直到施加在固持元件136的第一位置上的第一反作用力與施加在固持元件136的第二位置上的第二反作用力之間的差小於預定閾值。
因此，使用鍵合設備100可以使鍵合技術中施加在電子元件202上的力分佈更加平衡。更具體地說，控制器與感測器154-160和鍵合力調節致動器146-152一起形成閉環伺服控制系統，其在鍵合技術中能夠實現電子元件202上均衡的力分佈。
可以對上述實施例進行各種改進。
例如，可以提供與上述不同數量的鍵合力調節致動器和/或感測器，並且可以以不同方式設置鍵合力調節致動器和/或感測器。在一些實施例中，鍵合力調節致動器的數量可以等於感測器的數量，然而，在其他實施例中，鍵合力調節致動器的數量可以少於感測器的數量。在一些實施例中，鍵合力調節致動器中的至少一個與感測器中的至少一個在同一軸上對齊。
圖4至圖7分別示出了根據本發明可選實施例的鍵合設備400、500、600、700的俯視圖。因為鍵合設備400、500、600、700與鍵合設備100相似，所以，共同特徵標記有相同的附圖標記並無需再次討論。圖4至圖7的俯視圖示出了省去致動構件132、旋轉致動器140和蓋子142的每個鍵合設備400、500、600、700。
參考圖4，與鍵合設備100相比，鍵合設備400僅包括三個鍵合力調節致動器402、404、406。鍵合力調節致動器402-406繞Z軸等距佈置。當第一鍵合力調節致動器402在X軸上與第一感測器154及第三感測器158對準時，第二鍵合力調節致動器404和第三鍵合力調節致動器406位於Y軸的外部，第二感測器156和第四感測器160位於Y軸上。
參考圖5，與鍵合設備100相比，鍵合設備500僅包括三個鍵合力調節致動器502、504、506。此外，與鍵合設備100、400不同，鍵合設備500僅包括三個感測器508、510、512。如圖5所示，鍵合力調節致動器502、504、506繞Z軸等距佈置。同樣地，感測器508、510、512繞Z軸等距佈置。每個鍵合力調節致動器502、504、506與感測器508、510、512中相應的一個在同一軸上對齊。
如圖6所示，與鍵合設備100、400、500不同，鍵合設備600僅包括兩個鍵合力調節致動器602、604以及兩個感測器606、608。 如圖6所示，鍵合力調節致動器602、604繞Z軸等距佈置並繞X軸對稱佈置。同樣地，感測器606、608繞Z軸等距佈置並繞X軸對稱佈置。鍵合力調節致動器602、604分別與感測器606、608在同一軸(Y軸)上對齊。
參考圖7，與鍵合設備600相同，鍵合設備700僅包括兩個鍵合力調節致動器702、704以及兩個感測器706、708。除了在X軸而非Y軸上對齊之外，鍵合設備700的鍵合力調節致動器702、704以及感測器706、708的佈置方式與鍵合設備600中的鍵合力調節致動器和感測器的佈置方式相同。
可以對上述實施例作出的進一步變化是省略旋轉執行器140和/或致動構件132。例如，鍵合力調節致動器146-152可以與固持元件136直接耦合以在固持元件136的相關聯致動區域上施加鍵合力。
而且，致動構件132可以具有與圖1C所示結構不同的結構。特別地，致動構件132無需具備帶有不同類型橫截面的細長孔的第一致動構件部132a和第二致動構件部132b。相反，致動構件132可以具備帶有相同類型橫截面的細長孔，例如圓形橫截面，並且第一致動構件部132a的第一細長孔的直徑小於第二致動構件部132b的第二細長孔的直徑。在一些變型中，致動構件132可具有直徑恒定的單個細長孔。在一些變型中，致動構件132甚至可以不具備中空結構。
另外，柔性元件144不必呈柔性空氣軸承的形式。例如，圖8示出了呈柔性滾珠軸承形式的柔性元件144。滾珠軸承144包括外殼144a、柔性隔室144b以及設置在柔性隔室144b內的多個滾珠144c。由於每個滾珠144c均由彈性材料製成，因此其可變形。相應地，類似於空氣軸承，可以通過使致動構件132繞垂直於Z軸的一個或多個軸進行旋轉來壓縮滾珠軸承144的柔性隔室144b。因此，致動元件132不僅可以沿著Z軸相對於柔性元件144移動(如箭頭143所示)，而且還可以通過壓縮柔性元件144而繞Y軸旋轉(如箭頭145所示)。然而，旋轉程度受限於柔性隔室144b的剛度。
而且，控制器可配置為以各種方式確定鍵合力。例如，控制器可配置為基於多個感測器154-160中最靠近鍵合力調節致動器146-152的一個感測器所測量的反作用力來確定多個鍵合力調節致動器146-152中的每個要施加的鍵合力。
另外，如圖2A所示，當電子元件202與基底構件204相接觸時，鍵合頭結構104可以繞Y軸以各種角度傾斜。例如，如圖2A所示，電子元件202與基底構件204之間的角度210的範圍可以為5度至10度之間。在圖2A中，鍵合頭結構104被示為繞Y軸逆時針傾斜。然而，在一些實施例中，鍵合頭結構104可以繞Y軸順時針傾斜。換言之，第一固持元件致動器118可以沿第二致動方向208(向上)推動鍵合頭結構104，第二固持元件致動器120可以沿第一致動方向206(向下)推動鍵合頭結構104。
在一些實施例中，鍵合頭結構104不圍繞Y軸傾斜以使電子元件202與基底構件204相接觸。相反地，固持元件致動器118、120可配置為沿相同方向(第一致動方向206)在相應鍵合頭連接器106、108上施加基本相等的力，使得固持元件136在朝基底構件204移動的整個過程中，固持元件136基本上與基底構件204保持平行。換言之，固持元件136可僅沿與Z軸平行的單個致動方向移動。
進一步地，在上述實施例中，可以將各種工具與鍵合設備一起使用。例如，可以使用校準工具或夾頭來測量電子元件202的傾斜，並且，由鍵合力調節致動器146-152施加的鍵合力可以基於校準工具或夾頭的輸出以及感測器154-160的輸出。
雖然，以上已對本發明進行了具體描述，但是，還可以對本發明輕易地做出各種變化、修改和/或添加。應當理解，對本發明做出的所述變化、修改和/或添加落入上述說明書的精神和保護範圍之內。
100:鍵合設備 102:框架 102a:基底構件 102b:彎曲凹部 102c:框架延伸部 102d:框架延伸部 104:鍵合頭結構 106:第一鍵合頭連接器 108:第二鍵合頭連接器 110:第一引導元件 112:第二引導元件 114:第一編碼器元件 116:第二編碼器元件 118:第一固持元件致動器 120:第二固持元件致動器 122:致動器固持器 124:致動器固持器 126:成像單元 128:連接元件 130:致動器外殼 130a:凹槽 132:致動構件 132a:第一致動構件部 132b:第二致動構件部 132c:凹槽 132d:延伸部 134:支撐元件 134a:臂 134b:臂 134c:臂 134d:臂 136:固持元件 138:感測器單元 140:旋轉致動器 140a:固定元件 140b:可移動元件 142:蓋子 142a:下部內表面 142b:上部內表面 142c:圓形凹槽 142d:第一接合元件 142e:第二接合元件 143:箭頭 144:柔性元件 144a:外殼 144b:柔性隔室 144c:空氣薄膜 145:箭頭 146:第一鍵合力調節致動器 146a:固定元件 146b:可移動元件 148:第二鍵合力調節致動器 148b:可移動元件 150:第三鍵合力調節致動器 150a:固定元件 150b:可移動元件 152:第四鍵合力調節致動器 152b:可移動元件 154:第一感測器 156:第二感測器 158:第三感測器 160:第四感測器 202:拾取電子元件 204:基底構件 204a:接觸區域 206:第一致動方向 208:第二致動方向 210:角度 212:空隙 214:箭頭 216:箭頭 218:箭頭 300:方法 302:步驟 304:步驟 306:步驟 308:步驟 310:步驟 400:鍵合設備 402:第一鍵合力調節致動器 404:第二鍵合力調節致動器 406:第三鍵合力調節致動器 500:鍵合設備 502:鍵合力調節致動器 504:鍵合力調節致動器 506:鍵合力調節致動器 508:感測器 510:感測器 512:感測器 600:鍵合設備 602:鍵合力調節致動器 604:鍵合力調節致動器 606:感測器 608:感測器 700:鍵合設備 702:鍵合力調節致動器 704:鍵合力調節致動器 706:感測器 708:感測器
圖1A、圖1B及圖1C分別示出了根據本發明實施例的鍵合設備的立體圖、俯視圖和局部剖面正視圖。 圖1D示出了圖1A至圖1C中移除了某些部分的鍵合設備的俯視圖。 圖1E示出了圖1A至圖1C中鍵合設備的柔性元件。 圖2A至圖2C示出了使用中的圖1A至1C的鍵合設備。 圖3示出了根據本發明實施例的使用圖1A至圖1C中鍵合設備將電子元件鍵合到基底構件的方法的流程圖。 圖4示出了根據本發明可選實施例的鍵合設備的一部分的俯視圖。 圖5示出了根據本發明另一可選實施例的鍵合設備的一部分的俯視圖。 圖6示出了根據本發明另一可選實施例的鍵合設備的一部分的俯視圖。 圖7示出了根據本發明另一可選實施例的鍵合設備的俯視圖。 圖8示出了可用於圖1A至圖1C的鍵合設備中的可選柔性元件。
100:鍵合設備
102:框架
102a:基底構件
102b:彎曲凹部
102c:框架延伸部
102d:框架延伸部
104:鍵合頭結構
106:第一鍵合頭連接器
108:第二鍵合頭連接器
110:第一引導元件
112:第二引導元件
114:第一編碼器元件
116:第二編碼器元件
118:第一固持元件致動器
120:第二固持元件致動器
122:致動器固持器
124:致動器固持器
126:成像單元
128:連接元件
130:致動器外殼
132:致動構件
132b:第二致動構件部
136:固持元件
138:感測器單元
140:旋轉致動器
140a:固定元件
140b:可移動元件
142:蓋子
142a:下部內表面
142b:上部內表面

Claims (19)

  1. 一種鍵合設備，包括： 固持元件，其構造為固持電子元件； 多個固持元件致動器，其構造為沿一個或多個致動方向移動所述固持元件以使所述電子元件與基底構件相接觸，其中，所述一個或多個致動方向佈置為大體上平行於所述固持元件的中心軸，該中心軸延伸穿過所述電子元件以及所述基底構件； 多個感測器，每個所述感測器配置為響應於所述電子元件與所述基底構件之間的接觸，而在所述固持元件的相應位置處測量施加在所述固持元件上的反作用力； 控制器，其配置為基於在所述相應位置處測量的反作用力，來確定在鍵合過程中要施加在所述固持元件的兩個或兩個以上致動區域的鍵合力，以將所述電子元件鍵合到所述基底構件上；以及 多個鍵合力調節致動器，其在所述鍵合過程中能操作以將所確定的鍵合力施加在所述固持元件的相應的所述致動區域上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合設備，其中，所述固持元件和所述多個鍵合力調節致動器能操作地連接以一起沿所述一個或多個致動方向移動。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合設備，還包括連接在所述多個鍵合力調節致動器與所述固持元件之間的致動構件。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之鍵合設備，其中，所述致動構件包括具有第一細長孔的第一致動構件部和具有第二細長孔的第二致動構件部，所述第一細長孔和第二細長孔平行於所述中心軸定向，並且其中，所述第一致動構件部比所述第二致動構件部更靠近所述固持元件，所述第一細長孔的直徑小於所述第二細長孔的直徑。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之鍵合設備，還包括耦合到所述致動構件的柔性元件，其中，能夠通過使所述致動構件繞垂直於所述中心軸的一個或多個軸進行旋轉而壓縮所述柔性元件。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合設備，其中，所述鍵合力調節致動器圍繞所述中心軸等距佈置。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合設備，其中，所述多個鍵合力調節致動器包括第一鍵合力調節致動器、第二鍵合力調節致動器、第三鍵合力調節致動器以及第四鍵合力調節致動器，其中，所述第一鍵合力調節致動器相對於所述中心軸佈置為與所述第三鍵合力調節致動器徑向相對，所述第二鍵合力調節致動器相對於所述中心軸佈置為與所述第四鍵合力調節致動器徑向相對。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合設備，其中，所述多個鍵合力調節致動器中的至少一個在與所述多個感測器中的至少一個的軸相同或平行的軸上對齊。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合設備，其中，在所述鍵合過程中，所述多個鍵合力調節致動器能操作以在所述固持元件的不同相應致動區域處施加不同鍵合力。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合設備，其中，所述多個固持元件致動器能操作以使所述固持元件繞垂直於所述中心軸的一個或多個軸傾斜。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合設備，還包括多個連接器，並且所述多個固持元件致動器中的每個配置為沿平行於所述中心軸的一個或多個方向推動所述多個連接器中的相應的一個連接器，以沿所述一個或多個致動方向移動所述固持元件。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合設備，還包括配置為使所述固持元件圍繞所述中心軸旋轉的旋轉致動器。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合設備，其中，所述控制器配置為基於所述多個感測器中最接近所述鍵合力調節致動器的一個感測器所測量的反作用力來確定所述多個鍵合力調節致動器中的每個要施加的鍵合力。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合設備，其中，所述鍵合力調節致動器的數量等於所述感測器的數量。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合設備，其中，所述感測器的數量大於所述鍵合力調節致動器的數量。
  16. 一種用於將電子元件鍵合到基底構件之方法，包括： 沿一個或多個致動方向移動固持所述電子元件的固持元件以使所述電子元件與所述基底構件相接觸，其中，所述一個或多個致動方向大體上平行於所述固持元件的中心軸，所述中心軸延伸穿過所述電子元件及所述基底構件； 回應於所述電子元件與所述基底構件之間的接觸，利用感測器在所述固持元件的相應位置處測量施加在所述固持元件上的反作用力； 確定在鍵合過程中要施加在所述固持元件的兩個或兩個以上致動區域上的鍵合力，以將所述電子元件鍵合到所述基底構件上，其中，所述鍵合力是基於所測量的反作用力確定的； 在所述鍵合過程中，將所確定的鍵合力施加在所述固持元件的所述致動區域上。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中，移動所述固持元件還包括： 使所述固持元件繞垂直於所述中心軸的軸傾斜； 在所述固持元件保持傾斜的同時使所述電子元件與所述基底構件相接觸； 使所述固持元件圍繞垂直於所述中心軸的軸旋轉，以使所述電子元件與所述基底構件進一步接觸，直到所述電子元件基本平行於所述基底構件。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中，使所述固持元件圍繞垂直於所述中心軸的軸旋轉還包括： 沿遠離所述基底構件的方向在所述固持元件的第一側上施加第一力；以及 沿朝向所述基底構件的方向在所述固持元件的第二側上施加第二力，其中所述第二力大於所述第一力。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中，所述反作用力包括施加在所述固持元件第一位置上的第一反作用力和施加在所述固持元件第二位置上的第二反作用力，並且其中，所述方法還包括：重複測量所述反作用力；基於所測量的反作用力確定所述鍵合力；並將所確定的鍵合力施加在所述固持元件的所述致動區域上，直到所述第一反作用力和所述第二反作用力之間的差低於預定閾值。
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