TWI700515B - 用於將部件安裝在基板上的裝置 - Google Patents

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諾伯特 比利維茲
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Abstract

用於在基板(3)上安裝部件(1)的裝置，包括具有接合頭(6)的拾取和放置系統(5)，攝像機(7)和兩個光學偏轉系統(8、9)。第一光學偏轉系統(8)和攝像機(7)構成第一圖像檢測系統，用於記錄部件被安裝到的基板定點(2)圖像。第一光學偏轉系統(8)、第二光學偏轉系統(9)和攝像機(7)構成第二圖像檢測系統，用於記錄部件(1)底側的圖像。拾取和放置系統(5)以預定的高度H1，在第二光學偏轉系統(9)上方將托架(13)從部件(1)的拾取定點移動至基板定點(2)，使得部件(1)的底側位於攝像機(7)的焦平面，並且提升托架(13)至相應的預定高度H2，使得基板定點(2)位於攝像機(7)的焦平面。

Description

用於將部件安裝在基板上的裝置
本發明涉及用於把部件--通常是電子或光學部件、特別是電半導體晶片和倒裝晶片--安裝在基板上的裝置。這種安裝在本領域稱為接合工藝或貼裝工藝。
這類裝置尤其用在半導體工業中。該種裝置的一個實例是晶粒接合機或拾取和放置機，半導體晶片、微機械和微光學部件等等形式的部件採用該裝置放置並接合在基板上，例如，引線框架、印刷電路板、陶瓷等等。部件由接合頭在拾起定點拾起，特別是吸起，移動至基板定點並放置在基板上精確限定的位置。接合頭是拾取和放置系統的一部分，能夠使接合頭在至少三個空間方向上移動。為確保在基板上放置部件關於位置能夠精確地進行，必須同時確定由接合頭抓取的部件相對於接合頭定位軸的精確位置和基板定點的精確位置。
在EP449481、US5878484、WO 2004064472和EP 1916887中已知這種裝置，其中使用兩個反射鏡，相對於垂向約45°扭轉佈置，使得把部件的底側突出至 攝像機，從而部件的位置隨後能夠相對於接合頭的定位軸確定。根據EP 2373145還可知使用反射鏡和五角稜鏡突出部件的底側至攝像機的裝置。在這些裝置中，攝像機的光軸平行於接合頭的定位軸延伸。在EP 2373145的裝置中，僅有部件的位置確定，基板定點的位置不能確定。
在近來設計的工業使用的裝置中，一般使用兩個攝像機，即佈置在基板平面中或下方並指向上方用於確定部件位置的一個攝像機和佈置在基板平面上方並且指向下方用來確定基板定點位置的一個攝像機。這些裝置的相關缺陷在於接合頭需要首先從拾取位置向佈置在基板平面中或下方的攝像機行進，並且隨後進一步行進至基板定點，其經常需要迂回。
本發明基於開發僅需要一個攝像機來確定部件位置和基板定點位置的裝置，並且簡化了光學結構，只需要小空間。
1‧‧‧部件
2‧‧‧基板定點
3‧‧‧基板
4‧‧‧支撐部
5‧‧‧拾取和放置系統
6‧‧‧接合頭
7‧‧‧攝像機
8‧‧‧第一光學偏轉系統
9‧‧‧第二光學偏轉系統
10‧‧‧第一光源
11‧‧‧第二光源
12‧‧‧第三光源
13‧‧‧托架
14‧‧‧基板平面
15‧‧‧抓取軸
16‧‧‧攝像機的光軸
17‧‧‧第一圖像檢測系統的光軸
18‧‧‧偏轉稜鏡
19‧‧‧反射鏡
20‧‧‧光束
21‧‧‧表面
22‧‧‧表面
23‧‧‧反射鏡
24‧‧‧對稱偏轉稜鏡
25‧‧‧光束
26‧‧‧表面
27‧‧‧表面
28‧‧‧表面
29‧‧‧三角體
30‧‧‧分束器立方體
31:五角稜鏡
32:透光體
D:距離
附圖併入本說明書並且作為說明書的一部分，連同詳細的描述示出了本發明的一個或者多個實施例，用於闡述本發明的原理和實現。附圖是示意性的，而非按照比例繪製。圖中：圖1和2示出了依照本發明用於安裝部件的裝置的兩張快照。
圖3和4示出了單獨的光學偏轉系統的替換實施例。
圖1和2示意性示出了依照本發明用於把部件1安裝在基板3的基板定點2上的裝置的兩張快照的側視圖。該部件通常是電子、微機械或(微)光學部件，特別是半導體晶片和倒裝晶片。該裝置包括用於基板3的支撐部4、帶有接合頭6的拾取和放置系統5、單個攝像機7、第一光學偏轉系統8、第二光學偏轉系統9、第一光源10、第二光源11和第三光源12。接合頭6、第一光學偏轉系統8、攝像機7和第二光源11緊固至共同的托架13。第二光學偏轉系統9固定佈置在該裝置上。基板3一般具有多個基板定點(location)。術語「基板定點2」在下文中一般地理解為位於攝像機7視野中的基板定點，其中從基板定點2至攝像機7的射束路徑延伸穿過第一光學偏轉系統8並在其中偏轉至少一次。
用於基板3的支撐部4的表面限定了基板平面14。拾取和放置系統5包含至少三個驅動器，用來沿三個空間方向移動托架13，即沿平行於基板平面14延伸的兩個方向和垂直於基板平面14延伸的在此稱作Z方向的方向。接合頭6包括在Z方向延伸的抓取軸15。
攝像機7和第一光學偏轉系統8共同構成第一圖像檢測系統，用於記錄部件1被安裝到的基板定點2的圖像。攝像機7、第一光學偏轉系統8和第二光學偏轉系統9共同構成第二圖像檢測系統，用於記錄由接合頭6保持的部件1的底側的圖像。
拾取和放置系統5被設置用來借助接合頭6在拾取定點拾取相應的部件1並把該部件放置在基板定點2。為了高精度地定位，攝像機7一方面記錄部件1的底側的圖像並且另一方面記錄部件1被安裝到的基板定點2的圖像。
第一光學偏轉系統8用於把攝像機7的光軸16變換為更加靠近接合頭6的抓取軸15的光軸17，光軸16按照相對於接合頭6的抓取軸15橫向偏移的方式沿Z方向延伸。由於第一光學偏轉系統8，第一圖像檢測系統的物側光軸17從接合頭6的抓取軸15延伸距離D，該距離D顯著地小於接合頭6的抓取軸15與攝像機7的光軸16之間的距離。
只要接合頭6位於第二光學偏轉系統9上方預定的工作區域內，第二光學偏轉系統9和第一光學偏轉系統8協作並把接合頭6保持的部件1的底側帶入攝像機7的視野中。
為了讓攝像機7記錄部件1的底側以及部件1被放置的基板定點2的清晰圖像，第一圖像檢測系統和第二圖像檢測系統的射束路徑的光路必須最大可能程度地等長。通過在Z方向上移動拾取和放置系統5的托架13來調整射束路徑的長度。因此，程式設計該裝置，為記錄部件1的圖像，使托架13在第二光學偏轉系統9上沿Z方向移動至基板平面14上方的預定高度H1，使得至少部件1在第二光學偏轉系統9之上行進期間，部件1的底側位於攝像機7的焦平面中，從而在部件1的 移動期間，攝像機7能夠記錄部件1底側的清晰圖像，並且為記錄基板定點2的圖像，使托架13提升至基板平面14上方的預定高度H2，使得基板定點2位於攝像機7的焦平面中，從而攝像機7能夠記錄基板定點2的清晰圖像。設定兩個高度H1和H2的尺寸，使得部件1的底側與攝像機7之間的射束路徑的光學長度和基板定點2與攝像機7之間的射束路徑的光學長度同樣大，從而部件1的底側或基板定點2當中任一個都位於攝像機7的焦平面中。這適用於H2>H1，如圖1和2中所示。
程式設計該裝置，使得首先記錄基板3的每個基板定點2的圖像，然後在基板3的各基板定點2上一個接一個地安裝部件1。但還能夠程式設計該裝置，使得在每一安裝處理期間，記錄部件1的底側圖像，並且然後記錄相關聯的基板定點2的圖像。
圖1示出該裝置處於一種狀態，在該狀態下托架13位於預定高度H2，在使得預定基板定點2處於攝像機7的視野內的位置，從而攝像機7能夠記錄該基板定點2足夠清晰的圖像。
圖2示出該裝置處於一種狀態，該狀態下托架13位於預定高度H1，並且在第二光學偏轉系統9的工作區域內，使得部件1的底側位於攝像機7的視野中，從而攝像機7能夠記錄部件1的底側足夠清晰的圖像。
根據第一實施例，第一光學偏轉系統8包括偏轉稜鏡18和反射鏡19。偏轉稜鏡18是橫截面為三角形的物體，並且在兩個表面21和22上反射源自基板平 面沿Z方向的光束20。三角形偏轉稜鏡18的底面22平行於基板平面14延伸，光束20在該底面22上經受第二次反射。第二表面21是鏡面的，並且與底面22夾預定角度α，光束20在該第二表面21上經受第一次反射。確定該角度α，使得光束20在底面22上全反射。為確保發生全反射，角度α必須滿足斯涅爾(Snell)折射定律：α<90°-arcsin(n(空氣)/n(偏轉稜鏡18))，其中n(空氣)表示空氣折射率，並且n(偏轉稜鏡18)表示偏轉稜鏡18組成材料的折射率。
根據第一實施例，第二光學偏轉系統9包含對稱偏轉稜鏡24，用於反射源自部件1底側沿抓取軸15的方向的光束25三次，直至其平行於抓取軸15再次離開偏轉稜鏡24，並投射在第一光學偏轉系統8上。光源10佈置在偏轉稜鏡24的一側，在偏轉稜鏡24的下方。偏轉稜鏡24在截面上呈等腰三角形，具有三個表面26、27、28，選擇它們的夾角β使得光束25在上表面26上全反射。角度β因此必須滿足條件：β<90°-arcsin(n(空氣)/n(偏轉稜鏡24))。
由於全反射，上表面26不需要鍍銀，使得部件1上反射的光能夠進入偏轉稜鏡24，在全部三個表面26、27、28上內部反射，能夠再次離開偏轉稜鏡24，並且能夠隨後借助第一光學偏轉系統8導引至攝像機7。
表面27有益地以鍍銀的方式形成。如果存在由接合頭6保持的用於部件1的底側照明的光源10，則表面28未曝光，但另外的三角體29與偏轉稜鏡24的一 部分構成分束器。分束髮生在表面28上，例如一般經由受抑全反射。充當分束器層的表面28還能夠形成為波爾卡圓點(polkadot)。波爾卡圓點是以矩陣方式佈置的反射點組成的圖樣。
根據第二實施例，如圖3和4所示，第一光學偏轉系統8包括取代偏轉稜鏡18的反射鏡23，該反射鏡與垂直方向呈一角度。該實施例比第一實施例需要更多的空間，其導致的後果是接合頭6的抓取軸15與光軸17之間的距離D比第一實施例中的大，因為反射鏡22的所需材料的厚度增大了該距離D。反射鏡19和23能夠相對於垂直方向傾斜45°，但也可以大於45°或小於45°。然而，這導致了反射鏡19在基板平面14向下的方向上或反射鏡23在接合頭6的方向上需要更大的空間。
如圖3和4所示，根據第二實施例的第二光學偏轉系統9還包括分束器立方體30、五角稜鏡31和可選擇的透光體32，該透光體32較佳地係無縫佈置在分束器立方體30與五角稜鏡31之間。源自部件1的底側的光束25在分束器立方體30中偏轉90°，在五角稜鏡31中的兩個表面上反射，並且由此總計偏轉又一個90°，使得從五角稜鏡31發射的光束平行於接合頭6的抓取軸15並且平行於攝像機7的光軸16延伸。當透光體32無縫插入在這兩個元件之間並且由相同材料組成時，在從分束器立方體30穿出期間以及在進入五角稜鏡31期間，透光體32減小了光學路徑並且防止了光束25反射。
兩個偏轉系統8和9的光學部件由透光材料組成，較佳地為玻璃或具有相對高折射率的透明塑膠。
光源10和12用於照明部件1的底側。光源10較佳地係佈置在分束器立方體30下方。分束器立方體30因此用於射入由光源10發射的光，並且用於解耦合在部件1的底側上反射的光。光源10按照與光軸16共軸的方式照明部件1的底側，使得以光滑的反射底側最佳地專門照明部件1，而光源12構成為橫向光，使得以粗糙的漫反射底側最佳地照明部件1。
光源11用於照明基板定點2。光源11較佳地包含照明裝置，其較佳地環繞第一圖像檢測系統的光軸17的所有側面上佈置，並且其以橫向光的方式照射要照明的基板定點。它可以另外包括共軸照明。
在接合頭6在第二光學偏轉系統9上行進期間，攝像機7能夠記錄部件1的底側的圖像，即無需停止，或裝置能夠在第二光學偏轉系統9上方停止接合頭6，使得記錄圖像。
在全部的實施例中，反射鏡19能夠省略，並且能夠佈置攝像機7(以扭轉方式)，使得其光軸16與在偏轉稜鏡18或反射鏡23上反射之後光束20的方向一致。
本發明至少提供以下的有益效果：
- 僅需要單一的攝像機用來確定由接合頭抓取的部件的精確位置和基板定點的精確位置。
- 第一光學偏轉系統移動攝像機的光軸更加靠近接合頭的抓取軸，並且因此增大了機器的工作範圍。
- 第一光學偏轉系統導致從部件底側至攝像機的光學路徑長度的減小，並且因此減小了調節攝像機焦平面所需的高度H1與H2之間的差。
- 第二光學偏轉系統允許在行進期間記錄部件的底側，無需為此必須停止接合頭。這是因為部件的底側的圖像看上去仍然是靜止的，只要部件位於第二光學偏轉系統的預定工作區域中。
- 第一光學偏轉系統剛性連接至接合頭，並且第二光學偏轉系統固定佈置在機器上。因此在接合工藝期間一個或者另一個偏轉系統或其部件的移動是不必要的。
- 高度H1和H2能夠經由選擇元件24或元件30、31和32的幾何形狀和材料調節至安裝裝置的特定需求。
儘管示出和描述了本發明的實施例和應用，很顯然，較之上述，受益於本公開的本領域技術人員能夠做出更多的修改，而不脫離本發明的構思。因此，本發明除了權利要求和其等價物精神之外不受限制。
1‧‧‧部件
2‧‧‧基板定點
3‧‧‧基板
4‧‧‧支撐部
5‧‧‧拾取和放置系統
6‧‧‧接合頭
7‧‧‧攝像機
8‧‧‧第一光學偏轉系統
9‧‧‧第二光學偏轉系統
10‧‧‧第一光源
11‧‧‧第二光源
12‧‧‧第三光源
13‧‧‧托架
14‧‧‧基板平面
15‧‧‧抓取軸
16‧‧‧攝像機的光軸
17‧‧‧第一圖像檢測系統的光軸
18‧‧‧偏轉稜鏡
19‧‧‧反射鏡
20‧‧‧光束
21‧‧‧表面
22‧‧‧表面
24‧‧‧對稱偏轉稜鏡
26‧‧‧表面
27‧‧‧表面
28‧‧‧表面
29‧‧‧三角體
D‧‧‧距離
H2‧‧‧高度
Z‧‧‧方向
α‧‧‧角度
β‧‧‧角度

Claims (5)

  1. 一種用於在基板(3)上安裝部件(1)的裝置，包括：用於該基板(3)的支撐部(4)，其中該支撐部(4)的表面限定了基板平面(14)，具有接合頭(6)的拾取和放置系統(5)，其中該拾取和放置系統(5)被設置成用該接合頭(6)在拾取定點拾取部件(1)並把該部件放置在基板定點(2)上，攝像機(7)，用於檢測由該接合頭(6)保持的部件(1)的位置並且檢測該部件(1)要被安裝到的基板定點(2)的位置，第一光學偏轉系統(8)，和第二光學偏轉系統(9)，其中該攝像機(7)具有光軸(16)，該拾取和放置系統(5)包含可位移的托架(13)，該第一光學偏轉系統(8)、該攝像機(7)和該接合頭(6)緊固在該托架(13)上，該第二光學偏轉系統(9)固定佈置在該裝置上，該第一光學偏轉系統(8)和該攝像機(7)構成第一圖像檢測系統，該第一圖像檢測系統用於記錄該基板定點(2)的圖像，其中該第一圖像檢測系統的物側的光軸(17)平行於該接合頭(6)的抓取軸(15)且與該接合頭(6)的該抓取軸(15)相距一段距離(D)而延伸，該距離(D)小於該接合頭(6)的抓取軸(15)與該攝像機(7)的光軸 (16)之間的距離，該第一光學偏轉系統(8)、該第二光學偏轉系統(9)和該攝像機(7)構成第二圖像檢測系統，用於記錄該部件(1)的底側的圖像，以及該裝置被程式設計，為了記錄該部件(1)的圖像，在該部件(1)從該拾取定點轉移至該基板定點(2)期間，以該基板平面(14)上方的預定的高度H1，在該第二光學偏轉系統(9)上移動該托架(13)，使得在該第二光學偏轉系統(9)上行進期間，該部件(1)的底側位於該攝像機(7)的焦平面，並且為了記錄該基板定點(2)的圖像，在該基板平面(14)上方，提升該托架(13)至預定高度H2，使得該基板定點(2)位於該攝像機(7)的焦平面，其中，兩個高度H1和H2的尺寸被設定成使得該部件(1)的底側與該攝像機(7)之間的射束路徑的光學長度與該基板定點(2)與該攝像機(7)之間的射束路徑的光學長度相等。
  2. 如請求項1的裝置，其中該第一光學偏轉系統(8)包括偏轉稜鏡(18)和反射鏡(19)。
  3. 如請求項1的裝置，其中該第一光學偏轉系統(8)包括兩個反射鏡(19、23)。
  4. 如請求項1至3中任一項的裝置，其中該第二光學偏轉系統(9)包括對稱偏轉稜鏡(24)。
  5. 如請求項1至3中任一項的裝置，其中該第二光學偏轉系統(9)包括分束器立方體(30)、五角稜鏡(31)和無縫佈置在該分束器立方體(30)和五角稜鏡(31)之間的透光體(32)。
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