TW201923940A - 用於安裝組件的接合頭及具有此種接合頭的晶粒接合機 - Google Patents

用於安裝組件的接合頭及具有此種接合頭的晶粒接合機 Download PDF

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Abstract

本發明涉及用於安裝組件的接合頭和具有這種接合頭的接合機，該接合頭(1)包括軸(2)和該軸(2)被支撐在其中的殼體部(3)。軸(2)的軸承使得軸(2)繞軸線(6)旋轉並且使軸(2)在軸線(6)的縱向方向上位移預定的行程(H)。接合頭進一步包括：電動馬達，其具有被附接到殼體部(3)的定子和被附接到軸(2)的轉子；編碼器，其用於測量軸(2)的旋轉位置；和力產生器，其用於施加力至該軸(2)上。定子包括能夠被施加電流的線圈(7)，轉子包括複數個永久磁鐵(8)。在軸線(6)的縱向方向上測量的永久磁鐵(8)的長度比在軸線(6)的縱向方向上測量的線圈(7)的有效長度短至少行程(H)或長至少行程(H)。

Description

用於安裝組件的接合頭及具有此種接合頭的晶粒接合機
本發明涉及一種用於將組件(通常是電子組件或光學組件，特別地是半導體晶片和倒裝晶片)安裝在基板上的接合頭。安裝過程也稱為接合過程或裝配過程。本發明還涉及一種具有這種接合頭的、在工業上被周知為晶粒接合機的半導體安裝設備。
具有這種類型的接合頭的自動裝配機特別地被用於半導體工業中。這種自動裝配機的示例是晶粒接合機或拾取和放置機，這些機器被用於將半導體晶片、微型機械和微型光學組件等形式的組件放置和接合到基板(諸如引線架、印刷電路板、陶瓷等)上。由接合頭將在拾取位置處拾取，特別是吸入的組件，移動到基板的位置並且在精確地限定的位置處放置在基板上。該接合頭是拾取和放置系統的一部分，該拾取和放置系統允許接合頭在至少三個空間方向上的移動。
該接合頭包括：軸，該軸能夠繞軸線旋轉並且能夠在該軸線的縱向方向上移動；驅動器，該驅動器 用於旋轉該軸；編碼器，該編碼器用於測量該軸的旋轉位置，和力產生器，該力產生器用於在該軸線的縱向方向上施加力至該軸上。該軸直接地拾取組件或被構造成用於拾取被構造成用於拾取組件的晶片夾持器，例如“晶片夾頭”。
由申請人使用的接合頭包括驅動器，該驅動器包括電動馬達和由兩個齒輪形成的齒輪組，該兩個齒輪中的一個齒輪被附接到該電動馬達的軸，並且另一個齒輪被附接到該接合頭的軸。
本發明的目的是開發一種接合頭，利用該接合頭，該軸的旋轉位置能夠以更高的角度精度定位，並且利用該接合頭，該軸能夠以盡可能小的力在該軸線的縱向方向上移動。
1‧‧‧接合頭
2‧‧‧軸
3‧‧‧殼體部
4‧‧‧孔
5‧‧‧軸的末端
6‧‧‧軸線
7‧‧‧線圈
8‧‧‧永久磁鐵
9‧‧‧圓盤
10‧‧‧讀取頭
11‧‧‧蓋
12‧‧‧腔
13‧‧‧穿孔
14‧‧‧第一鑽孔
15‧‧‧第二鑽孔
16‧‧‧管
H‧‧‧行程
在併入本說明書中並構成本說明書的一部分的附圖例示出了本發明的一個以上的實施例，並且與詳細說明一起用於解釋本發明的原理和實施方式。該附圖不是按比例繪製的。
在附圖中：圖1示意性地並且在截面中示出了接合頭的第一實施例，圖2示出了用於該接合頭中的電動馬達的轉子的磁體佈置，圖3和圖4例示出了長度比， 圖5示意性地並且在截面中示出了具有氣動力產生器的接合頭，圖6示意性地並且在截面中示出了具有氣動力產生器和空氣軸承的接合頭，圖7示意性地並且在截面中示出了具有集成溫度控制裝置的接合頭，並且圖8示意性地示出了用於接合頭的驅動器。
[實施例]
圖1示意性地示出了該接合頭1的截面。該接合頭1包括軸2和殼體部3，該軸2被支撐在該殼體部3中。該軸2包含孔4，該孔4通向該軸2的末端5並且能夠被供應真空。該軸2的末端5被構造成接收組件或用於組件的晶片夾持器。該軸2的軸承允許軸2繞軸線6旋轉以及允許軸2在該軸線6的縱向方向上位移預定行程H(圖3)。該軸2的直徑在其長度上能夠具有不同的等級，如在圖1、圖5和圖6中所示。該接合頭1進一步包括：驅動器，該驅動器被構造成使該軸2繞該軸線6旋轉；編碼器，該編碼器被構造成測量該軸2的旋轉位置；和力產生器，該力產生器被構造成在該軸線6的縱向方向上施加力至該軸2上。該力例如是當拾取元件時的預定拾取力或當將組件安裝在基板上時預定的接合力。
該驅動器是包括定子和轉子的電動馬達，該定子被附接到該殼體部3，並且該轉子被附接到該軸2。 該定子包括能夠被供應電流的線圈7，並且該轉子包括複數個永久磁鐵8。
原則上，該電動馬達是市售的電動馬達，該市售的電動馬達為了本發明的目的而被改進，使得該等永久磁鐵8的長度縮短至少行程H。這一改進減小了扭矩，但是技術上是簡單的，並且具有這樣的優點，即同時轉子的質量變得更小，或能夠以扭矩為代價來減小甚至最小化。將該等線圈7的長度延長至少行程H的替代方案也是可能的，但是不是較佳的。如在圖2中所示，該等永久磁鐵8是扁平的平行六面體磁體，其中該等永久磁鐵8的兩個相對的最大表面被磁化為北極N和南極S。該等永久磁鐵8被佈置在圓上。該等永久磁鐵8的面向圓心的最大區域交替地是北極N和南極S。該等永久磁鐵8的背對圓心的最大區域則交替地是南極S和北極N。
該電動馬達用於使該軸2繞該軸線6旋轉。由於該軸2必須能夠在軸線6的縱向方向上位移，所以該等永久磁鐵8的長度L1(圖3)比該等線圈7的有效長度L2短至少行程H或比該等線圈7的有效長度L2長行程H，使得由該等線圈7施加在該等永久磁鐵8上的力獨立於由該軸2沿著該軸線6的縱向方向佔據的位置。該線圈7在該軸線6的縱向方向上具有預定的機械長度L3。該有效長度L2表示在由流過線圈7的整體並使該等永久磁鐵8繞該軸線6旋轉的電流產生的磁場內的長度提供了作用在該等永久磁鐵8上的力的主要部分。因 此，該有效長度L2比該機械長度L3短。圖3例示出了該等永久磁鐵8的長度L1比該等線圈7的有效長度L2短行程H的情況，並且圖4例示出了該等永久磁鐵8的長度L1比線圈7的有效長度L2長行程H的情況。因此L1 L2-H或L1 L2+H
在第一種情況中，即使在該軸2沿著該軸線6軸向位移期間，該等永久磁鐵8(並且因此該轉子)仍保留在該等線圈7的磁場中；在第二種情況中，該等永久磁鐵8在整個軸向位移期間延伸超過該等線圈7。在該軸2的軸向位移期間，在兩種情況中，最多出現沿著軸線6作用的非常小的力或力的變化。
該編碼器被構造成測量該軸2的旋轉位置。該編碼器較佳地由圓盤9和編碼器讀取頭10形成，該圓盤9被附接到該軸2並且具有被附接到該圓盤9的邊緣的編碼器標尺，該編碼器讀取頭10被附接到該接合頭1，較佳地，被附接到該接合頭1的殼體部3。該編碼器標尺具有在該軸線6的縱向方向上延伸的短線。在該軸線6的縱向方向上測量的短線的長度和在軸線6的縱向方向上延伸的該編碼器讀取頭10的測量範圍相匹配，使得該短線在該軸2的整個行程H上位於該編碼器讀取頭10的測量範圍內。
角度感測器也能夠用作編碼器，例如磁角度感測器，該磁角度感測器基於由該等永久磁鐵8或光學角度感測器或任何其他角度感測器產生的磁場判定旋轉位置。
力產生器被用於產生拾取力和接合力。例如，機械力產生器能夠被用作力產生器，特別是其中使用彈簧的力產生器，該彈簧作用在軸2上以產生作用在該軸線6的縱向方向上的力。氣動力產生器也能夠被用作力產生器，如在圖5和圖6中示意性並且在截面中示出的接合頭1的情況。這裏，該殼體部3和被放置在殼體部3上的蓋11與該軸2一起形成封閉的腔12，該封閉的腔12的體積在該軸2的縱向移動動期間改變。該蓋11包含穿孔13，該腔12能夠通過該穿孔13利用壓縮空氣被加壓。因此，該腔12形成壓力室，並且在該壓力室中占主導地位的壓力產生作用在該軸2上的力。該軸2在軸線6的縱向方向上的移動(即行程H)例如由止擋來限制。一方面，在空載狀態下，由該力產生器產生的力將軸2壓靠在該止擋上。另一方面，因為在拾取和接合期間該軸2被推離該止擋，所以當拾取組件時，該力作為拾取力作用在該組件上，並且當放下組件時，該力作為接合力。在這些處理步驟期間該軸2的移動是被動移動，這是由於當該軸2落在組件上時以及當組件落在基板上時，該軸2成為靜止的事實，而由驅動器17(圖8)驅動的該接合頭1進一步被降低，直到檢測到觸地，並且該驅動器17停止。
在該殼體部3中該軸2的軸承可以例如是滑動軸承、滾珠軸承、空氣軸承或其他合適的軸承。在圖5中所示的示例性實施例中，該軸2由滑動軸承支撐在殼體部3中，在圖6中所示的示例性實施例中，該軸2 由空氣軸承支撐。在該空氣軸承的情況下，該殼體部3具有用於供應壓縮空氣的空氣進口。在該空氣軸承的較佳設計中，該殼體部3還具有用於從該空氣軸承中移除空氣的空氣出口。例如，該等空氣進口是第一鑽孔14，並且例如，該等空氣出口是第二鑽孔15。如果存在空氣進口和空氣出口，則該等空氣進口在該軸線6的縱向方向上位於出口中的一些出口之間。該等空氣出口能夠與環境相連接，使得該環境壓力被施加在該等空氣出口上，或真空能夠被施加到該等空氣出口，以便吸出通過該等空氣進口被迫進入空氣軸承的空氣。在該等空氣進口和該等空氣出口中的空氣的流動方向在圖6中由(橫向地偏移)箭頭示出。利用這種空氣進口被空氣出口圍繞的配置，防止了通過該等空氣進口壓入該軸2和該殼體部3之間的間隙的空氣的一部分到達該腔12，並且因此改變了在該軸線6的縱向方向上作用在軸2上的力。
圖7示意性地並且在截面中示出了具有溫度控制裝置的接合頭。該溫度控制裝置用於將接合頭1的預定部件的溫度維持在預定值。該溫度控制裝置例如包括管16，該管16有利地集成到如圖所示的殼體部3中，並且該管16是閉合熱回路的一部分，流體通過該閉合熱回路流動，該流體的溫度在外部加熱或冷卻或加熱和冷卻裝置中被控制到預定值。該流體能夠是氣態的或液態的。在特定情況下，該溫度控制裝置是集成在該殼體部3中的電加熱電阻。該溫度控制裝置能夠與所有接合頭1一起使用。例如，在具有氣動力產生器的接合頭1上， 該溫度控制裝置能夠被用於將在壓力室中的溫度控制到預定值，使得由該力產生器產生的力獨立於環境溫度的變化。
根據本發明的接合頭通常被用於在工業上被周知為晶粒接合機的半導體安裝設備中。這種半導體安裝設備包括驅動器17，該驅動器17被構造成使該接合頭1在該軸線6的縱向方向上移動。當拾取組件時和當接合組件時，該接合頭1由該驅動器17降低，由此該軸2被被動地攜帶。
該接合頭提供了幾個優點，即：
- 根據本發明之用於轉動該軸的驅動器是直接驅動器，並且因此是無遊隙驅動器，在該驅動器中，轉子被直接地附接到該軸，這使得能夠無游隙並且因此高精度地移動到軸的旋轉位置。這與已知之齒輪介於該驅動器和該軸之間的接合頭形成對比。
- 該軸的旋轉位置的測量是直接的並且無遊隙的測量，因為該編碼器標尺被安裝在且被附接到該軸的圓盤上。
- 在沒有齒輪和沒有齒形帶等的情況下，該軸的直接驅動是無磨損的並且不會產生任何磨耗。這在無塵室環境中是特別有利的，在該無塵室環境中，磨耗可能損壞積體電路(IC)，導致半導體晶片被顆粒污染。
- 該軸的軸向位移，即該軸沿著其縱向軸線的位移基本上是沒有力的。這意味著在該拾取力或接合力的建立期間，該軸沿著縱向軸線的位移不會產生任何使由力產生 器產生的力增加或減小的附加力。這與已知的將齒輪或齒形帶插入在該驅動器和該軸之間的接合頭形成對比。
- 該設計是節省空間的、緊密的，並且允許在較小的空間中和在較小的重量的情況下產生半導體組件的安裝所需的相對大的接合力。
- 該包括轉子的軸之質量非常小。當該軸撞擊組件時，施加在該組件上的臨時力與動量成正比，即該軸的質量和速度的乘積，並且不得超過預定值，否則該組件可能被損壞。較小的質量允許更高的速度，並且因此導致更短的循環時間。
- 具有空氣軸承的接合頭的設計允許了該軸的幾乎無摩擦的旋轉和位移。
- 具有溫度控制裝置的接合頭的設計使得能夠最小化或消除環境的溫度波動對該接合頭的影響以及因此對接合過程的影響。
雖然已經示出並且描述了此發明的實施例和應用，但是對於那些受益於本公開的本領域技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本文的發明構思的情況下，可以進行比上述更多的修改。因此，除了所附申請專利範圍及其均等物的精神之外，本發明不受限制。

Claims (10)

  1. 一種用於將組件安裝在基板上的接合頭(1)，包括：軸(2)，殼體部(3)，該殼體部(3)包括用於該軸(2)的軸承，該軸承允許該軸(2)繞軸線(6)旋轉以及該軸(2)在該軸線(6)的縱向方向上移動大約預定的行程(H)，驅動器，該驅動器被構造成使該軸(2)繞該軸線(6)旋轉，編碼器，該編碼器被構造成測量該軸(2)的旋轉位置，和力產生器，該力產生器被構造成在該軸線(6)的縱向方向上向該軸(2)施加力，其中，該驅動器是包括定子和轉子的電動馬達，其中該定子被附接到該殼體部(3)，並且該轉子被附接到該軸(2)，該轉子包括複數個永久磁鐵(8)，該定子包括線圈(7)，電流能夠被施加到該線圈(7)，其中由流過該線圈(7)的整體的電流產生的磁場引起該永久磁鐵(8)繞該軸線(6)的旋轉，並且在該軸線(6)的縱向方向上測量的該永久磁鐵(8)的長度(L1)比在該軸線(6)的縱向方向上測量的該線圈(7)的有效長度(L2)短至少該行程(H)或長至少該行程(H)。
  2. 如請求項1之接合頭，其中該編碼器包括圓盤(9)和編 碼器讀取頭(10)，該圓盤(9)被固定到該軸(2)並且具有被附接到該圓盤(9)的邊緣的編碼器標尺，其中該編碼器標尺具有在該軸線(6)的縱向方向上延伸的短線，並且在該軸線(6)的縱向方向上測量的該短線的長度和在該軸線(6)的縱向方向上延伸的該編碼器讀取頭(10)的測量區域彼此匹配，使得該短線在該軸(2)的整個行程(H)上位於該編碼器讀取頭(10)的測量區域中。
  3. 如請求項1之接合頭，其中該力產生器是氣動力產生器，該氣動力產生器具有壓力室，壓縮空氣能夠被供應到該壓力室，其中在該壓力室中占主導地位的壓力作用在該軸(2)的端部上。
  4. 如請求項2之接合頭，其中該力產生器是氣動力產生器，該氣動力產生器具有壓力室，壓縮空氣能夠被供應到該壓力室，其中在該壓力室中占主導地位的壓力作用在該軸(2)的端部上。
  5. 如請求項1之接合頭，其中該軸承是空氣軸承，其中該殼體部(3)具有用於供應壓縮空氣的空氣進口和用於從該空氣軸承移除空氣的空氣出口，其中該等空氣進口被佈置在該軸線(6)的縱向方向上在該等空氣出口中的一些空氣出口之間。
  6. 如請求項2之接合頭，其中該軸承是空氣軸承，其中該殼體部(3)具有用於供應壓縮空氣的空氣進口和用於從該空氣軸承移除空氣的空氣出口，其中該等空氣進口被佈置在該軸線(6)的縱向方向上在該等空氣出口中 的一些空氣出口之間。
  7. 如請求項3之接合頭，其中該軸承是空氣軸承，其中該殼體部(3)具有用於供應壓縮空氣的空氣進口和用於從該空氣軸承移除空氣的空氣出口，其中等該空氣進口被佈置在該軸線(6)的縱向方向上在該等空氣出口中的一些空氣出口之間。
  8. 如請求項4之接合頭，其中該軸承是空氣軸承，其中該殼體部(3)具有用於供應壓縮空氣的空氣進口和用於從該空氣軸承移除空氣的空氣出口，其中該等空氣進口被佈置在該軸線(6)的縱向方向上在該等空氣出口中的一些空氣出口之間。
  9. 如請求項2之接合頭，進一步包括溫度控制裝置，該溫度控制裝置用於將該接合頭(1)的預定部件的溫度維持在預定值。
  10. 一種具有如請求項1至9中任一項之接合頭的晶粒接合機，該晶粒接合機具有驅動器(17)，該驅動器(17)被構造成使該接合頭(1)在該軸線(6)的縱向方向上移動。
TW107139446A 2017-11-17 2018-11-07 用於安裝組件的接合頭及具有此種接合頭的晶粒接合機 TWI848919B (zh)

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