專利名稱：一種四自由度倒裝鍵合頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體封裝裝備制造領(lǐng)域，涉及一種以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的混合機(jī)構(gòu)四自由度倒裝鍵合頭，實(shí)現(xiàn)了芯片倒裝貼片過程中調(diào)平、對準(zhǔn)和鍵合所需的空間運(yùn)動(dòng)。
背景技術(shù)：
倒裝芯片技術(shù)(Flip Chip)是芯片以凸點(diǎn)陣列結(jié)構(gòu)與基板直接安裝互連的一種方法。與引線鍵合等芯片互連技術(shù)相比較，倒裝技術(shù)在尺寸、外觀、柔性、可靠性、精度、以及成本等方面有很大的優(yōu)勢。目前，倒裝芯片廣泛用于電子表、手機(jī)、電腦、磁盤、隨身聽、LCD以及大型機(jī)等各種電子產(chǎn)品上。
為實(shí)現(xiàn)高密度(多達(dá)1600個(gè)凸點(diǎn))、高精度(凸點(diǎn)最小間距200um)的倒裝互連，必須在鍵合工藝(熱聲、熱壓焊等)之前依次對芯片和基板進(jìn)行平行調(diào)整(簡稱調(diào)平)、垂向?qū)?zhǔn)(簡稱對準(zhǔn))。如果焊接前芯片和基板不平行，將導(dǎo)致芯片和基板因受力不均而產(chǎn)生變形，從而影響焊接的質(zhì)量。同樣，若焊接前芯片和基板沒有對準(zhǔn)或?qū)?zhǔn)精度太低，將會(huì)極大地影響焊接后的電氣特性。因此，具有快速、高精調(diào)平(如繞X、Y方向轉(zhuǎn)動(dòng)，行程±0.5°，精度0.7微弧)和對準(zhǔn)(如繞Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)，行程±6°，精度1微弧)功能的鍵合頭是自動(dòng)倒裝貼片機(jī)的關(guān)鍵部件之一，也是其研發(fā)難點(diǎn)之一。
自動(dòng)倒裝貼片機(jī)是一個(gè)典型的集機(jī)、電、液、氣、光等為一體的復(fù)雜高科技產(chǎn)品。目前世界上只有少數(shù)幾個(gè)國家中不多的幾個(gè)大公司可以生產(chǎn)自動(dòng)貼片機(jī)整機(jī)，如德國Karl Suss公司、日本Toray公司、日本NEC公司等，而我國的高性能自動(dòng)貼片機(jī)全部依賴進(jìn)口。這些貼片機(jī)的單臺(tái)價(jià)格高達(dá)上百萬美元，國內(nèi)大部分公司難以承受?，F(xiàn)有的貼片機(jī)在原理上大多屬于串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)鏈長、體積較大、制造成本高。在熱聲或熱壓焊過程中，鍵合頭各部分受熱、力變形不均勻，從而導(dǎo)致貼片精度下降。目前，國外有關(guān)倒裝鍵合頭方面的專利大多集中于高速貼片頭的研究，包括轉(zhuǎn)盤式多頭(如專利WO 03/058708 A1，WO 97/3246等)；而國內(nèi)在這方面的報(bào)道很少。
與倒裝鍵合頭類似，機(jī)器人手腕也能實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整。通常，機(jī)器人手腕由三個(gè)在空間垂直交錯(cuò)的轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)而成，以實(shí)現(xiàn)手爪相對被抓取物體的姿態(tài)。這種串聯(lián)手腕操作范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)容易，但是運(yùn)動(dòng)精度不高，承載能力較差，不能滿足專用精密裝配對姿態(tài)調(diào)整精度和剛度的要求。
基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的并聯(lián)手腕克服了以上不足，一般具有剛度高、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，得到了機(jī)器人領(lǐng)域研究人員的廣泛注意與重視，陸續(xù)提出3-RRR、3-UPS、3-UPU等球面三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)采用三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)的三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，所有旋轉(zhuǎn)副中心軸線都相交于一個(gè)固定點(diǎn)，可嚴(yán)格保證動(dòng)平臺(tái)的三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，但該機(jī)構(gòu)為一過約束系統(tǒng)，若裝配制造精度不高，容易產(chǎn)生機(jī)構(gòu)卡死；3-UPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)以移動(dòng)副作為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，動(dòng)平臺(tái)通過被動(dòng)球鉸與定平臺(tái)相連，可保證動(dòng)平臺(tái)三自由度的球面運(yùn)動(dòng)，但由于被動(dòng)球鉸的存在，又大大減小了工作空間；3-UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)同樣以移動(dòng)副作為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，通過不同的幾何裝配條件可實(shí)現(xiàn)純轉(zhuǎn)動(dòng)、純移動(dòng)、或兩者兼而有之，當(dāng)實(shí)現(xiàn)純轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所有與上下平臺(tái)相連的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線相交于一點(diǎn)，裝配困難，易產(chǎn)生奇異形位。上述球面三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)普遍存在工作空間小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制困難等不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服以上不足，提供一種基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的混合機(jī)構(gòu)四自由度倒裝鍵合頭，該鍵合頭結(jié)構(gòu)緊湊，便于控制，具有高剛度和高精度的特點(diǎn)。
本發(fā)明提供的一種四自由度倒裝鍵合頭，包括基于滾珠花鍵副的兩自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)、兩自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)和吸嘴。其中，滾珠花鍵軸的一端通過第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副與滑塊相連，另一端與并聯(lián)機(jī)構(gòu)的上平臺(tái)固連，通過滑塊移動(dòng)實(shí)現(xiàn)倒裝鍵合頭沿Z方向的平移。滾珠花鍵副的套筒通過第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副與機(jī)架固連，撥叉安裝在套筒上，通過驅(qū)動(dòng)撥叉實(shí)現(xiàn)倒裝鍵合頭繞Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)由上平臺(tái)、下平臺(tái)，以及連接兩者的一條固定支鏈和兩條運(yùn)動(dòng)支鏈、組成，實(shí)現(xiàn)倒裝鍵合頭繞X、Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。上平臺(tái)與滾珠花鍵軸固定連接，下平臺(tái)安裝拾取/貼放裸芯的吸嘴。固定支鏈一端與上平臺(tái)剛性連接，另一端通過第二個(gè)萬向節(jié)與下平臺(tái)相連。第一條運(yùn)動(dòng)支鏈由第一個(gè)萬向節(jié)、移動(dòng)副和球面副組成，其中移動(dòng)副為輸入關(guān)節(jié)，移動(dòng)副一端通過第一個(gè)萬向節(jié)與下平臺(tái)相連，另一端通過球面副與上平臺(tái)相連。第二條運(yùn)動(dòng)支鏈與第一條運(yùn)動(dòng)支鏈結(jié)構(gòu)相同。
本發(fā)明是針對倒裝貼片中調(diào)平、對準(zhǔn)、鍵合所需的運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)計(jì)一個(gè)兩自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)調(diào)平所需的繞X、Y方向微小轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足鍵合頭結(jié)構(gòu)緊湊、高剛度和高精度要求。應(yīng)用一個(gè)基于滾珠花鍵副的兩自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)提供對準(zhǔn)、鍵合所需的Z方向大行程轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)控制解耦。研制一臺(tái)專用的倒裝鍵合頭，與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的兩自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組合成一臺(tái)六自由度自動(dòng)貼片機(jī)。具體而言，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明利用兩自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)倒裝芯片調(diào)平所需的繞X、Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，具有系統(tǒng)剛度高、負(fù)載能力強(qiáng)、微動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)。
(2)本發(fā)明利用兩自由度的滾珠花鍵副提供倒裝芯片對準(zhǔn)、鍵合所需的Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，將繞Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)從三自由度的串聯(lián)或并聯(lián)調(diào)姿機(jī)構(gòu)分離出來，不僅拓展了系統(tǒng)的工作空間，滿足了對準(zhǔn)所需的大行程轉(zhuǎn)動(dòng)要求，而且使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制解耦。
(3)本發(fā)明所采用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)上下平臺(tái)之間的中空部分為倒裝鍵合工藝所需的加熱爐等提供了理想的安裝空間，并有利于隔熱以及減小鍵合頭體積。


圖1為本發(fā)明的機(jī)構(gòu)原理示意圖。
圖2為本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖2中兩自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為圖2中滾珠花鍵副另一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為安裝本發(fā)明的六自由度倒裝鍵合機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明的作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
如圖1所示，包括基于滾珠花鍵副的兩自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)、兩自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)和吸嘴。
在兩自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)中，滾珠花鍵軸13的一端通過第一轉(zhuǎn)動(dòng)副12與滑塊11相連，另一端與并聯(lián)機(jī)構(gòu)的上平臺(tái)17固連，通過滑塊11移動(dòng)實(shí)現(xiàn)倒裝鍵合頭沿Z方向的移動(dòng)；滾珠花鍵副的套筒14通過第二轉(zhuǎn)動(dòng)副16與機(jī)架固連，通過驅(qū)動(dòng)與套筒固連的撥叉15實(shí)現(xiàn)倒裝鍵合頭繞Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。
上述并聯(lián)機(jī)構(gòu)由上平臺(tái)17、下平臺(tái)23，以及連接兩者的一條固定支鏈26和兩條運(yùn)動(dòng)支鏈20、24組成，實(shí)現(xiàn)倒裝鍵合頭繞X、Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。上平臺(tái)17固定連接在滾珠花鍵軸13上，下平臺(tái)23上安裝有拾取/貼放裸芯的吸嘴22。固定支鏈26一端與上平臺(tái)17剛性連接，另一端通過第二萬向節(jié)25與下平臺(tái)23相連；第一運(yùn)動(dòng)支鏈20由第一萬向節(jié)21、移動(dòng)副19和球面副18組成，其中移動(dòng)副19為輸入關(guān)節(jié)。移動(dòng)副19一端通過第一萬向節(jié)21與下平臺(tái)23相連，另一端通過球面副18與上平臺(tái)17相連。第二運(yùn)動(dòng)支鏈24的組成結(jié)構(gòu)和連接方式與第一運(yùn)動(dòng)支鏈結(jié)構(gòu)相同。
滿足下述條件可取得更好的技術(shù)效果三條支鏈與上、下平臺(tái)的連接點(diǎn)分別位于直角三角形△ABC、△abc的三個(gè)頂點(diǎn)處，每個(gè)三角形的直角頂點(diǎn)B、b(即固定支鏈與上、下平臺(tái)的連接點(diǎn))分別與上、下平臺(tái)中心重合。
如圖2所示，在該實(shí)施方案中，滾珠花鍵軸13的一端通過深溝球軸承29內(nèi)置在滾珠絲桿27的螺母28中，另一端通過法蘭盤32與并聯(lián)機(jī)構(gòu)的上平臺(tái)17固連，通過滾珠絲桿27的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)倒裝頭沿Z方向的移動(dòng)。滾珠花鍵副的套筒14通過深溝球軸承31與機(jī)架30固連，通過驅(qū)動(dòng)與套筒14相連的撥叉15實(shí)現(xiàn)倒裝頭繞Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖3所示，所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)由上平臺(tái)17、下平臺(tái)23，以及連接兩者的一條固定支鏈26和兩條運(yùn)動(dòng)支鏈20、24組成。上平臺(tái)17通過法蘭盤32與滾珠花鍵軸13固定連接，下平臺(tái)23安裝拾取/貼放裸芯的吸嘴22。在固定支鏈26中，固定桿33一端與上平臺(tái)17剛性連接，另一端通過第二萬向節(jié)25與下平臺(tái)23相連。運(yùn)動(dòng)支鏈20、24的移動(dòng)副采用滾珠絲桿-螺母驅(qū)動(dòng)方式，滾珠絲桿37的頭部通過聯(lián)軸器35與伺服電機(jī)34相連，同時(shí)通過調(diào)心球軸承36(起到球鉸的作用，內(nèi)外圈相對傾斜度在3°以內(nèi))與上平臺(tái)17相連；支鏈螺母38與連接套筒39固連，連接套筒39通過第一萬向節(jié)21與下平臺(tái)23相連。
在制造用于實(shí)際生產(chǎn)的專用倒裝鍵合頭時(shí)，可以做以下結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，具體實(shí)施方式
如下(1)本發(fā)明移動(dòng)副輸入關(guān)節(jié)采用伺服電機(jī)、滾珠絲桿螺母驅(qū)動(dòng)方式，也可以采用直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式；轉(zhuǎn)動(dòng)副輸入關(guān)節(jié)可以通過一對與撥叉相接觸的剛性球推拉作用實(shí)現(xiàn)小幅度的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，其中每個(gè)剛性球分別通過彈簧與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸相連，由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)作往返運(yùn)動(dòng)。
(2)如圖4所示，本發(fā)明中滾珠花鍵軸13與滾珠絲桿螺母28的連接也可以采用懸臂梁40實(shí)現(xiàn)方式，花鍵軸13通過角接觸軸承或推力軸承41與螺母28相連，絲桿27與滾珠花鍵13不同軸。采用該方案可以減少主軸長度，但花鍵軸承受彎矩，直接影響底部倒裝貼片精度。
(3)本發(fā)明中的球面副和萬向節(jié)采用標(biāo)準(zhǔn)球鉸和標(biāo)準(zhǔn)萬向節(jié)，也可以采用超彈性材料加工的柔性鉸替代標(biāo)準(zhǔn)球鉸和標(biāo)準(zhǔn)萬向節(jié)；本發(fā)明中的吸嘴采用標(biāo)準(zhǔn)吸嘴，市場上已有成熟產(chǎn)品可供選用。
工作原理圖5為安裝本發(fā)明的六自由度倒裝鍵合機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖，主要由本發(fā)明的四自由度倒裝鍵合頭1、龍門框架2、安裝在床身5上的兩自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4組成。其中，倒裝鍵合頭1垂直安裝在龍門框架2上，其具體實(shí)施方式
參見圖2；所述運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4為一標(biāo)準(zhǔn)的兩自由度工作臺(tái)，可以相對床身5作X、Y方向的移動(dòng)；真空吸座3安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4上，用來固定基板；倒裝鍵合頭1和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)4相互配合實(shí)現(xiàn)倒裝貼片所需的六自由度運(yùn)動(dòng)。
應(yīng)用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)倒裝貼片時(shí)，主要包括以下幾個(gè)步驟(1)通過自動(dòng)上下料系統(tǒng)將裸芯、基板分別送至真空吸嘴、吸座上；(2)通過視覺系統(tǒng)獲取裸芯、基板上的定位標(biāo)志(如十字標(biāo)叉等)并計(jì)算出兩者之間的位姿偏差；(3)應(yīng)用兩自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)對裸芯、基板進(jìn)行調(diào)平。根據(jù)計(jì)算出的位姿偏差信息，分別驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)支鏈20或/和運(yùn)動(dòng)支鏈24的滾珠絲桿37，通過螺母38、套筒39帶動(dòng)下平臺(tái)23繞X軸或/和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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、基板上的定位標(biāo)志保持平行)；(4)通過倒裝鍵合頭Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和/或工作臺(tái)X、Y方向的移動(dòng)對裸芯、基板進(jìn)行對準(zhǔn)。根據(jù)計(jì)算出的位姿偏差信息，通過撥叉15驅(qū)動(dòng)滾珠花鍵軸13帶動(dòng)倒裝鍵合頭作Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，和/或在X、Y方向的移動(dòng)工作臺(tái)4，使裸芯、基板上的定位標(biāo)志在XY平面的投影重合；(5)通過倒裝鍵合頭Z方向的移動(dòng)將裸芯鍵合到基板上。驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿27使倒裝鍵合頭作Z方向的移動(dòng)，在一定的溫度、壓力條件下，將裸芯鍵合到基板上，實(shí)現(xiàn)倒裝貼片；(6)通過自動(dòng)上下料系統(tǒng)將鍵合好的芯片從真空吸座3上卸下來，裝夾需鍵合的裸芯和基板進(jìn)行下一次倒裝貼片。
權(quán)利要求1.一種四自由度倒裝鍵合頭，包括吸嘴，其特征在于該鍵合頭還包括基于滾珠花鍵副的兩自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)和兩自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其中，滾珠花鍵軸(13)的一端通過第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(12)與滑塊(11)相連，另一端與并聯(lián)機(jī)構(gòu)的上平臺(tái)(17)固連，通過滑塊移動(dòng)實(shí)現(xiàn)倒裝鍵合頭沿Z方向的平移；滾珠花鍵副的套筒(14)通過第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(16)與機(jī)架固連，撥叉(15)安裝在套筒(14)上，通過驅(qū)動(dòng)撥叉(15)實(shí)現(xiàn)倒裝鍵合頭繞Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)由上平臺(tái)(17)、下平臺(tái)(23)，以及連接兩者的一條固定支鏈(26)和兩條運(yùn)動(dòng)支鏈(20)、(24)組成，實(shí)現(xiàn)倒裝鍵合頭繞X、Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；上平臺(tái)(17)與滾珠花鍵軸(13)固定連接，下平臺(tái)(23)安裝拾取/貼放裸芯的吸嘴(22)；固定支鏈(26)一端與上平臺(tái)(17)剛性連接，另一端通過第二個(gè)萬向節(jié)(25)與下平臺(tái)(23)相連；第一條運(yùn)動(dòng)支鏈(20)由第一個(gè)萬向節(jié)(21)、移動(dòng)副(19)和球面副(18)組成，其中移動(dòng)副(19)為輸入關(guān)節(jié)，移動(dòng)副(19)一端通過第一個(gè)萬向節(jié)(21)與下平臺(tái)(23)相連，另一端通過球面副(18)與上平臺(tái)(17)相連；第二條運(yùn)動(dòng)支鏈(24)與第一條運(yùn)動(dòng)支鏈結(jié)構(gòu)相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍵合頭，其特征在于，所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)的三條支鏈(24)、(26)、(20)與上平臺(tái)(17)、下平臺(tái)(23)的連接點(diǎn)分別位于直角三角形△ABC、△abc的三個(gè)頂點(diǎn)處，固定支鏈與上、下平臺(tái)的連接點(diǎn)(B、b)分別與上平臺(tái)(17)、下平臺(tái)(23)的中心重合。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種四自由度倒裝鍵合頭，包括一個(gè)基于滾珠花鍵副的兩自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)、一個(gè)兩自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)和吸嘴。在串聯(lián)機(jī)構(gòu)中，滾珠花鍵軸通過轉(zhuǎn)動(dòng)副與滑塊相連，驅(qū)動(dòng)滑塊實(shí)現(xiàn)倒裝鍵合頭Z方向的移動(dòng)；其套筒通過另一轉(zhuǎn)動(dòng)副固定在機(jī)架上，驅(qū)動(dòng)與套筒固連的撥叉實(shí)現(xiàn)倒裝鍵合頭Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；并聯(lián)機(jī)構(gòu)由上、下平臺(tái)，以及連接兩者的一條固定支鏈和兩條運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)支鏈組成，驅(qū)動(dòng)兩條運(yùn)動(dòng)支鏈中的移動(dòng)副實(shí)現(xiàn)倒裝鍵合頭X、Y方向的微小轉(zhuǎn)動(dòng)；并聯(lián)機(jī)構(gòu)的上平臺(tái)與滾珠花鍵軸固定連接，下平臺(tái)安裝拾取/貼放裸芯的吸嘴。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了倒裝貼片中調(diào)平、對準(zhǔn)和鍵合所需的空間自由度，具有實(shí)時(shí)快速解析解、剛度高、精度高和結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L21/68GK2747708SQ20042011150
公開日2005年12月21日 申請日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月19日
發(fā)明者尹周平, 李學(xué)榮, 吳金波, 熊有倫 申請人:華中科技大學(xué)