TWI261535B - Substrate alignment method and apparatus - Google Patents

Description

1261535 五、發明說明（1) 一 【發明所屬之技術領域】 本^明涉及一種用於定位（al igning )半導體襯底 (substrate)的方法和裝置，尤其是一種在進行半導體 組裝加工時定位襯底的方法和裝置，例如在將焊球 (solder balls)安置在襯底的接觸焊盤（c〇ntact pads )的過程中。 【先前技術】 球栅陣列（BGA :BaU Grld Array )技術被普遍地應 用于生產高密度積體電路（IC)元件（c〇mp〇nents)。焊 球的規則陣列被安置在K元件上從而在其接觸點上形心 7L件的電氣接觸。形成1C元件的電氣接觸的這些焊球然後 可以與使用中的印刷電路板上的相應的接線 (connections)緊密地配合。 焊劑滴（d r ο p 1 e t s ο ’它們在襯底上以預： 用一種焊劑轉移頭 (pin head )將焊劑 j (ball pick head) j 構輸送焊球，然後接: 。通常，至關重要的； 覆盖以確保元件沒有4 收焊球的位置，這些y

在使用B G A技術進行生產期間 f 1 ux )和焊球必須被轉移到襯底上 的排列方式放置。常用的技術是使 (flux transfer head)或者釘頭 移到襯底上，，並且使用一種拾球頭 如在概底上所要求的相同的排列会士 將焊球放置在包含有焊劑的襯底上 所有的1C元件的電氣接觸點被焊球 陷。通常，拾球頭形成多個用於接

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五、發明說明（2) 置是以與在電路板上的焊球的所希望的結構相同的排列結 構被放置的。相應的釘頭必須也在襯底上以相同的排列結 目刖’用於干劑滴和焊球置放的快速和有效的誓置的 設計面臨著許多挑戰。裝置必須被設計成使得釘頭、和拾球 頭被依次地安置在襯底上的精確的位置上，並且由於陣列 的尺寸尤其是陣列上的焊球位置之間的間隙小，必須採用 精確定位技術。通常，一種圖像和模式識別系統⑽ and pattern rec〇gniti〇n system)諸如照相機被用於定 位並捕捉在襯底上的至少兩個基準標記（f丨duc丨a 1 、 markers )以確定是否需要某種程度的移動來 的對準定位。、興襯底 定位釘 減少由 的移動 球固定 照相機 個主轉 轉換裴 球、焊 有一個 生產過程中在襯底上以高速度和高效率的方 頭和拾球頭的需求導致了兩個照相機的使用二= 於單個不得不在基準標記之間運動的照相機= 。一個例子是美國專利號6，0 70，783，關於”導

裝置和方法’’。其介紹了一種裝置，直中 r】·衣直一肀兩個定位 I alignment camera )被相互對角安置並隹 姑壯班 , · 』'木成到 換衣置（main transfer means)中。問題3兮 置涉及許多處理工作元件（elements )，諸疋如 劑移送、定位和在襯底上置放焊球。此外，^ ^ 巨大的轉換裝置設計，這種單個的轉換裝置需要

!261535 、發明說明（3) 動相對較長的距離以完成一個迴圈，而導致較長的定位和 焊球置放過程。此裝置的另外一個特徵是照相機被剛性地 與轉換裝置集成在一起，而導致照相機的移動取決於轉換 裝置的移動。這使得系統更加麻煩（cumbersome )和複 雜0 使用兩個照 國專利號6，3 5 5 知相機被安裝到 上。拾球頭涉及 且與釘頭相比較 (process work 頭耗費非常長的 的不均衡的分配 括將焊球準備成 因為拾球頭需要 個新的襯底進人 圈時間。 相機定位 ，298"置 釘頭上， 時間緊急 而言具有 element 時間來完 。拾球頭 預定的陣 等待所處 以進行定 襯底的裝置 放系統裝置 另外一個照 (t i me-c r i 較高數目的 )。由於與 成它的處理 不能夠同時 列以便拾取 理的襯底退 位。等待時 的另外一個例子是美 和方法"。一個定位 相機被 t i ca 1〕 處理工 釘頭比 過程， 執行拾 )和襯 出焊球 間導致 女裝到拾球頭 的過程，並 作元件 較而言，拾球 結果是工作量 球過程（其包 底定位。這是 安裝台以及一 增加了過程迴 【發明内容】 本發明的目的是為了 發一種具有相對高效的用 克服現有技術中的一些缺點 於襯底定位的方法和震置二 而開 根據本發明的第一方面，提供了 一種用於觀 底定位的

第10頁 1261535 五、發明說明（4) i L卑ί Γ:—個拾球頭，用於在拾球過程中拾取多個焊 衣並將匕們放置在襯底上；一個圖像系統（vis丨⑽ 用於觀察和獲得襯底的位置資訊；-個用於安 拾球ΐίί:支架（career) ’這種圖像系統的操作與 口 ’ 、移動相分離（decoupled);驅動裝置 V ’其對所述的通過圖像系統觀察到的位置資 :的拾球;、：以至少定位該襯底和用於將焊球置放到襯底 根據本發明的另一方面，其提供了一 的方 /、攸仏丨檀用於襯底定位 Z ^包括以下步驟：提供一個拾球頭，用於在拾玻禍 ^:拾取多個焊球並將它們放置在襯底上；採用一個安裝 個支架上的圖像系統觀察和獲取襯底的位置資訊；從 而將=像系統的操作與拾球頭的移動相分離；根據所述ς 位置資戒’至少定位該襯底和拾球頭，以將焊球放置在 底上。 ’ ^通過附圖及其所說明的一個實施例可以方便和詳細地 描述本發明。附圖和有關的說明書的特性不應該被理解為 代替權利要求所定義的本發明的寬特徵的共性。 【實施方式】 、，圖1是帶有矩形排列的導電焊盤2的典型的BGA襯底3的 平面圖。焊料和焊球必須被精確地安放在焊盤2的位置。

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圖2疋帶有更加清楚地說明的基準標記的％ a襯底的平 面圖。清楚地說明，將焊盤2刪除。襯底3具有大量的 對應於¥電焊盤2的排列輪廓的限定網格4的線。這些網格 4包括大莖的基準標記5。圖中顯示了 一個預定設計的基準 標記5的放大的視圖。在圖2中，基準標記5的設計包括通 常的L形方塊’但是應該認識到還可能有其他的設計。 圖3疋根據本發明的較佳實施例的襯底定位和焊球置 放裝置22的平面圖。焊球置放裝置22 —般包括一個支樓架 (support frame ) 1用於支撐焊劑轉移頭或釘頭18，和一 個拾球頭21。焊球置放裝置22包括多個驅動裝置或電機。 一個安裝在支撐架1上的釘頭7〜電機23沿著y軸方向驅動 釘頭1 8，而一個安裝在支撐架}上的拾球頭y _電機2 4沿著 y軸方向驅動拾球頭21。此外，一個釘頭z—電機27和一個 拾球頭z-電機28分別在z -軸方向驅動釘頭18和拾球頭21 (即垂直於X-和y-軸）。釘頭電機23、27和拾球頭電機 、28被安裝在支撐架！上。還有一個設有帶有焊球/焊料 安I平臺3 4的水平導執的單獨模組，被用於焊料和焊球的 置放以及X-軸上的襯底輸送。 關於釘頭18，它包括一個釘頭0 (theta )電機託以驅 動釘頭18的角度旋轉（angular rotation)。釘頭18還包 括一個圖像系統，其可以是雙照相機定位模組2 9的形式。 1261535 五、發明說明（6) 因此，釘頭1 8用作安裝圖像系統的支架。圖像系統或雙照 相機定位模組2 9被用於觀察和獲取襯底3的位置資訊。在 較佳實施例中，圖像系統包括一個第一照相機32和一個第 二照相機33。在雙照相機排列模組29中，照相機電機3〇、 3 1分別在X —軸向上沿著線性導執4 2 (見圖4 )驅動第一和 第二照相機3 2、3 3。 關 26以驅 拾取多 料安裝 (pos i 通常， 位，例 記3 5可 22可以 或者其 於拾球頭2 1 動拾球 個焊球 平臺34 t i ona 1 基準標 如基準 以和基 被編程 他的襯 匕還包括一個拾球頭0 ( t h e t a 電機 頭2 1的角度旋轉。拾球頭在焊球拾取過程中 並將它們放置到位於水平軌道上的焊球/焊 的襯底3上。襯底3通常包括位置標記 lndicia )例如基準標記11、12、35和36。 =是成對地水平或對角讀取以決定襯底的定 m π ~ % η +丰私12同時讀取；基準標 準^§己36同犄讀取。除了基準標記12， 以識別其他的位署押# ^ ^ 位置才示冗，诸如導電盤、焊盤 底3表面的獨特的識別標記。 在軸的每個末端分別有 reservoir ) 37^ ^ ^ , 1固坪料存儲裝置（f 1 ux holder)38。癍吁π 峋不，l 、置（bal1 template 明，作是…然—個照相機足以執行本發 X-軸上的相對固定的位優k的，因為它們可以留^ 巧理阻礙的話）。通過這樣

1261535 五、發明說明（7) 做，可以縮短定位時間。還應該認識到各 30 — 31用作驅動裝置來控制焊球置放幾23 — 28、 相對位置，從而至少對敍置22的各種部件的 王v對襯底3和拾球頭2 1進扞宏办 如所述的實施例中定位襯底 j I广位，以及 到襯底3上。 釘頭18 ’而將焊球48安放 圖4是根據從圖3的方向A看去 焊球置放裝置22的釭顔u μ —壯& ^似竿乂仏只知例，在 員8上女j的雙照相機定 主視圖。照相機模組29是—個 =位換組29的 32、33的模組元件。釘頭^ =第一-相機 2Q ^ S A - ^ y丁貝18被選擇用於安裝照相機模組 29·仏疋因為匕疋一個相對非時間緊急（n〇n ^託一 critical process head)的處理頭，即與拾球頭2ι相比 較’它操作較少的處理工作元件。 相機3 3可以在X -軸方向上獨立 設有L E D模組4 4、4 5。一個線 、3 3的水平移動的執道，旅根 觀察在襯底3的表面的基準標 照相機3 2、3 3可以有一個線性 的線性導執42。照相機32、33 能將它們安放在支架或者釘頭 電機30驅動的第一進給螺扞4G 而由第二照相機電機3 1驅動的 相機32的移動。 第一 地移動。 性導執42 據釘頭1 8 記11、12 導執42或 最好是相 18的不同 控制第一 第二進給 照相機32 每個照相 用作允許 而將它們 ^35 >36 者可以共 鄰安放， 側。由第 照相機3 2 螺杆41控 和第二昭 機32 、 33 照相機3 2 定位從而 。對每個 用一單個 雖然還可 一照相機 的移動， 制第二日3 4 第14頁 1261535 五、發明說明（8) (flux 然後接觸襯底3 還介紹了在釘頭1 8下方的焊劑轉換釘 transfer pins ) 43，其被用於收集焊劑， 以在其上施加焊劑。 圖5是根據另一個實施例在一個非處理頭47上安裝的 雙照相機定位模組29的主視圖。非處理頭47在此實施例中 作為一個用於圖像系統的支架。其結構與圖4中相同，區 別在於非處理頭47不涉及任何時間緊急的處理或者除了支 f ::位知、相機32、33的功能。第一和第二照相機的本質 疋圖像糸統或者雙照相機定位模組29被用於在拾球頭21進 2球操作的基本同時獲得襯底3的位訊 成用於拾取的預定的陣列）。這可以通過 产桑作與拾球頭21的移動相分離來操作。在此 it况下，非處理頭47可以被定位為 行觀察。非處理錢在…向的移動 的較Γ實作流程，其說明了根據本發明 的分佈。所顯：：=:==間的處理工作元件 疋通吊攸圖3的B方向上看去的結構。 圖6A表示在—個 用（standby)位置的焊球置放裝

1261535 五、發明說明（9) 置2 2。襯底3被置放和容納在水平執道的焊球/焊劑安裝平 臺34上。釘頭18上設有焊劑轉換釘43和在其上固定的照相 機3 2、3 3，釘頭1 8被定位在焊劑存儲裝置3 7的上方。設有 一個拾頭模板（pick head template)46的拾球頭21被定 位在球模板固定裝置3 8和襯底3之間。 在圖6B中，帶有熔化焊劑的釘（fluxed pins)的釘 頭1 8被降低位置使得轉換釘4 3適用於進入焊劑存儲裝置3 7 的一個預定的深度從而收集焊劑。 在圖6 C中’釘頭1 8被提升並移向襯底3，一個焊劑層 4 9被收集在：fcf*劑轉換釘4 3上。同時，在球拾取過程的焊球 準備階段焊球4 8被引到球模板固定裝置3 8上。球模板固定 裝置38上設有凹槽（recesses) ’這些凹槽是以與在襯底 3上的焊盤的相同的結構進行排列的。因此，被安排到凹 槽上的焊球4 8作好被拾取的準備並被安放到襯底3的相應 位置。拾球頭2 1現在被定位在球模板固定裝置3 8的上方以 拾取焊球。 當釘頭18以及安裝在其上的照相機3 2、3 3移向襯底3 時’照相機3 2、3 3將搜索並定位到概底3的基準標記1 1、 12、35、36上。如上所示，基準標記是成對地被讀取。因 此，以對角設置的基準標記1 1和1 2 ?例（見圖3 )，第二照 相機3 3被疋位在基準標記1 2上方以獲得基準標記1 2的圖

第16頁 1261535 五、發明說明（10) 像；第一照相機32被定位在基準標記n上方 記U的圖 <象。兩個基準標記u、12的相 焊球置放裝置22確定釘頭18的焊劑轉換釘4 拾頭模板46與襯底3的方向對準的 ：未頭21的 23、25以及釘和拾球頭21的拾球頭電機^電八機另 夠相應地在乂和Θ (theta)軸上調整元件的方6 當被定位在襯底3上方的時候與襯底3的方攸 ==的焊球/焊劑安裝平臺34的移動可？提二過 /貝或者在另外一個實施例中（未顯示），如杲4 頭1 8和拾球頭2 1祐$斗么y VL ^必& 士果釘 於球頭21的/ 為 動，通過釘頭18和 σ衣貝21的Χ —軸向的移動提供X-軸的補償。 如果基準標記u、12、35、36足夠的寬使 :日::;？個照相機不會發生互相的'物理阻礙，才目對短“ i 對需的。照相機32、33甚至可以留在x轴上的相 標記11、1立置用於觀察連續的襯底。但是，如果參考基準 ^ j、35、36之間的距離小，就可能需要照相機 在模式識別期間相互讓路。 在圖6 D中 並被降低以傳 降低以在拾球 真空裝置）。

’焊劑轉換釘4 3與襯底3的焊盤對準定位， 送在襯底3上的焊劑。同時，拾頭模板4 6被 過程的下一個階段拾取焊球48 (通常採用吸

第17頁 1261535 五、發明說明（11) 在圖6E中，釘頭18將焊劑層49安放到襯底3上，並且 白後移動到備用位置。拾球頭2 1被提起，它的y和Θ (theta)電機24、26將它於襯底3的方向對準定位。 在圖6F中，焊球48被安放到已放置了一層焊劑49的襯 底3上。焊劑4 9幫助焊球4 8點附到襯底3上。此時，釘頭1 8 被再次降低到焊劑存儲裝置37中以收集另外的焊劑層49。 以後提升，襯底3被從焊球 安放迴圈過程。 焊球置放的系統迴圈時間可 經常移動或者只需要移動相 動，機械部件的潛在的磨損 準標記之間的距離足夠的 位知、相機保持在X軸上相對 例的設計，一個時間緊急處 s h e a d )例如拾球頭可以集 收集的定位資訊，所述的照 處理頭上的，例如釘頭或者 平衡的工作負荷分佈導致減 此後，拾球頭21在釋放焊球48 置放裝置2 2移下。開始另外的 通過縮短定位時間，用於 以被縮短。由於照相機不需要 對較短的距離，由於減少了移 問題可以被最小化。如果在基 大，還有一個可能性，即雙定 固定的位置。根據所述的實施 理頭（time critical proces 中它的任務並且分享照相機所 相機是安裝在一個不太緊急的 #處理頭。結果各個頭的更加 少了定位時間。 在此所介紹的發明在所介紹的特性之外 變化、修改和/或者添加。可以理解本發明包括所&有的落仃 1261535 五、發明說明（12) 入上述說明書的精神和範圍之内的此類變化、修改和/或 添加。

Ml 第19頁 1261535 圖式簡單說明 根據本發明的方法和裝置的實施例的說明請參見附 其中： 圖，其中 的導電焊 圖1疋帶有矩形排列（rectangUiar· arrayS) ^ e pads )的典型的BGA襯底的平面圖； 圖2疋帶有更加清楚地說明的基準標記的BG A襯底的平 面圖； 盤（S〇lder pads)的典型的BGA襯底的平面圖； 圖 2 是帶右 ρ 4 .. 、> ____ 根據本發明的較佳實的襯底定位和焊球置放 L的平面圖； 在焊 裝置的平面圖 圖4是根據從圖3的 球置放裝置的釘頭上安%看去的一個較佳實施例 圖5是根據另」個=雙定位照相機的主視圖； Process head )上安繁/施例的非處理頭（non一 圖6A至6F介紹了 一個的。雙定位照相機的主視圖； 的較佳實施例的在釘頭知作流程，其說明了根據本發明 佈。 ϋ拾球頭之間的處理工作元件的分 【主要部分之代表符銳 1支撐架 2導電焊盤 3概底 ‘ 4網格 5基準標記 11基準標記 1 2基準標記

第20頁 1261535 圖式簡單說明 1 8釘頭 2 1拾球頭 2 2焊球置放裝置 2 3釘頭y —電機 2 4拾球頭y —電機 25釘頭Θ (theta)電機 26拾球頭0 (theta)電機 2 7釘頭z -電機 2 8拾球頭z -電機 2 9雙照相機定位模組 3 0照相機電機 3 1照相機電機 32第一照相機 3 3第二照相機 34焊球/焊料安裝平臺 35基準標記 36基準標記 37焊料存儲裝置 38球模板固定裝置 4 0第一進給螺杆 41第二進給螺杆 4 2線性導執 4 3焊劑轉換釘 44LED模組

第21頁 1261535 圖式簡單說明 45LED模組 4 6拾頭模板 4 7非處理頭 48階段焊球 4 9焊劑層

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Claims (1)

1261535 六、申請專利範圍 1、：：『於襯底定位的裝置，其包括: 置到襯底項上’；用於在拾球過程中拾取多個焊球並將它們放 支架於觀察和獲取概底的位置資訊； 操作與柊^瓸二系統安裝在其上，以便這種圖像系統的 球碩的移動相分離；和 以至少所觀察的位置資錢行反應， & 1立5亥概底和用於脸 於將烊球置放到襯底上的拾球頭。 2、根據權利要求】所述 在拾球頭進行^衣置，其中所述的圖像系統用於 訊。 。'外理的基本同時獲取襯底的位置資 根據權利要求1所述 移頭，用於收隼焊：置，其中所述支架包括焊劑轉 /、干Μ並在襯底上放置焊劑。 根據權利要求1所述的 ^ 相機，其沿著線性導轨移”中s亥圖像糸統包含有照 定位以觀察在襯底ί^動’用於將其相對於該支架 视抵表面的位置標記。 根據權利要求4所述的奘 以下組群中選擇衣置，，其中所述的位置標記是從 和焊盤。 、，以組群包括：基準標記、導電盤 1261535 六、申請專利範圍 ----- 6、根據權利要求4所述的裝置，其中該圖像系統包括一個 第二照相機，其可以沿著/個基本獨立於所述照相機 的線性導軌移動，使得這歧照相機配合觀察襯底的表 面的不同位置的位置標記。 的述 —所求與 要本利基 權為 據置根設 置 裝 的述所 第 的述所 中 其 鄰 目 才 機 目 才 被 機 相 、根據權利要求6所述的裝置，其中所述的這些照相機被 保留在相互相對固定的位置用於觀察連續的襯底。 、=彳f權利要求1所述的裝置，其中驅動裝置可以有效地 沿著轴朝向和背離襯底的位置移動拾球頭，並將拾球 頭移動到使其與襯底角度對準定位。 σ 10、地根據著權Λ要求9所述的裝置’其中驅動震置可以有效 垂i於所、t ϋ!由移動视底，該抽平行於襯底的平面並 土直於所述的車由。 11 另外的m 置’其中動裝置用於沿著 另外的軸移動拾球頭和支架，該軸平行 並垂直於所述的軸。 於觀底的千面 12、_ 用於襯底定位的方法，包括以下步驟

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第24頁 1261535 六、申請專利範圍 供 個私^ ϊΦ'涵，TO 將它們放置在。襯底上；於在拾球過程中拾取多個垾球產 採用一個安裝在—/ 底的位置資訊；從而支采上的圖像系統觀察和擭取襯 分離； 、圖像糸統的操作與拾球頭的移動相 根據所述的位置資邙 ^ ^ 以 ^ 'J® ii' ^ ^ 、 至〉、疋位该概底和拾球頭 將知球放置在襯底上。 八負 3根據權利要求! 2所述的方法，其中所述的 拾球頭進行拾球處理的基本同時獲取誠的位象糸^在 訊。 且貝 1 4、根據權利要求1 2所述的方法，其中所述支架包括俨添 轉移頭，用於收集焊劑並在襯底上放置焊劑。 十劑 1 5、根據權利要求丨2所述的方法，其中圖像系統包括— 照相機’其可以沿著一線性導軌移動，用於將其相對 於支架定位以觀察在襯底表面的位置標記。 1 6、根據權利要求1 5所述的方法，其中所述的位置標 <己b 從以下組群中選擇的，該組群包括··基準標記、導^ 盤和焊盤。 1 7、根據權利要求1 5所述的方法，其中圖像系統包括—第

第25頁 1261535 六、申請專利範園 二照相機’其可以沿著一個基本獨立於所述的照相機的 一線性導執移動，使得這些照相機配合觀察襯底的表面 的不同位置的位置標記。 1 8、根據權利要求1 7所述的方法，包括：將所述的第二照 相機配置為與所述的照相機基本相鄰。 1 9、根據權利要求1 7所述的方法，包括：將這些照相機保 留在相互相對固定的位置用於觀察連續的襯底。 2 0、根據權利要求1 2所述的方法，包括：沿著軸朝向和背 離襯底的位置移動拾球頭’並在定位過程中將拾球頭移 動到使其與襯底角度對準定位。 ' 21 、根據權利要求2 0所述的方法，包括： 動襯底’該軸平行於襯底的平面並垂直 沿著另外的輛移 於所述的軸。 22、根據權利要求20所述的方法，白紅·，— 動拾球頭，該軸平行於#::平=士：著另外的轴移 视紙的十面並垂直於