一種自動粘片機三維運動焊頭的控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型屬于半導體封裝設備領域，涉及一種自動粘片機三維運動焊頭的控制系統(tǒng)。焊頭運動控制系統(tǒng)包括工控機、運動控制卡、信號輸入/輸出卡、分別驅(qū)動X軸、Y軸、Z軸運動平臺進行運動的伺服電機以及位置傳感器，各個伺服電機和位置傳感器與運動控制卡電連接，焊頭吸嘴控制系統(tǒng)包括真空控制電磁閥和壓縮空氣控制電磁閥，分別與信號輸入/輸出卡電連接。本實用新型自動粘片機的控制系統(tǒng)適應性強、操作方便、穩(wěn)定可靠，可以實現(xiàn)高速、精確地進行芯片的拾取和粘貼，有效降低成本，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。
【專利說明】一種自動粘片機三維運動焊頭的控制系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于半導體封裝設備領域，特別是半導體芯片的自動粘片機，具體涉及一種自動粘片機三維運動焊頭的控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]在半導體后工序封裝中，一般采用自動粘片機從晶圓芯片臺拾取芯片，然后將芯片粘貼到引線框架的載芯板上，目前，自動粘片機的拾取和粘貼芯片的焊頭的結(jié)構(gòu)主要存在三種形式，一是采用雙軸方式，由于X軸方向焊頭的運動距離較小，因此X方向運動機構(gòu)不用電機控制，只保留y、ζ兩個運動機構(gòu)采用電機控制，由于自動粘片機的焊頭在X方向是不運動的，因此要通過調(diào)整晶圓芯片臺的頂針的位置及在軌道內(nèi)運送引線框架的位置來達到，這種調(diào)整方法復雜，在一些國產(chǎn)設備中較常見。二是用旋轉(zhuǎn)臂來取代X、Y軸運動機構(gòu)，但由于旋轉(zhuǎn)臂長度是固定的，因此拾取芯片和粘貼芯片的位置也必須固定，因而也需要通過調(diào)整晶圓芯片臺的頂針位置及在軌道內(nèi)運送框架的位置來實現(xiàn)，調(diào)整相對復雜，并且由于在粘貼片式器件時，無法實現(xiàn)自動改變粘貼芯片的Y方向位置而受到限制，這種焊頭機構(gòu)在一些香港生產(chǎn)的設備中較為常見。三是采用可以三維運動拾取和粘貼芯片的焊頭，X、Υ、Ζ三個方向的位置獨立控制，但現(xiàn)有設備的采用專門的控制電路對機械運動進行控制，對電路元件和機械精度要求高，運行穩(wěn)定性差，不便維護，生產(chǎn)效率低。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型所要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的不足提供一種不需要配套專門的控制電路就可以有效實現(xiàn)自動粘片機焊頭的三維運動的控制系統(tǒng)。
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是通過如下技術方案實現(xiàn)的:
[0005]一種自動粘片機的三維運動焊頭控制系統(tǒng)，包括焊頭的運動控制系統(tǒng)，焊頭的吸嘴控制系統(tǒng)、焊頭吸嘴的檢測系統(tǒng)，其中焊頭的運動控制系統(tǒng)為X軸、Y軸、Z軸三個軸向運動的控制系統(tǒng)，所述的X軸向的運動機構(gòu)處于最低層，Y軸向運動機構(gòu)固定在X軸運動平臺上，Z軸向運動機構(gòu)固定在Y軸運動平臺上，焊頭的吸嘴固定在Z軸運動平臺上，所述的焊頭吸嘴在晶圓芯片臺吸取芯片然后將芯片粘貼在引線框架軌道上的引線框架的載芯板上；
[0006]所述的焊頭運動控制系統(tǒng)包括工控機、運動控制卡、信號輸入/輸出卡、分別驅(qū)動X軸、Y軸、Z軸運動平臺進行運動的X軸、Y軸、Z軸伺服電機以及限定X軸、Y軸、Z軸運動平臺的運動位置的位置傳感器；所述三維運動焊頭的各個伺服電機、各個位置傳感器與運動控制卡電連接，所述的運動控制卡插入工控機的PCI插槽中；
[0007]所述焊頭吸嘴控制系統(tǒng)包括真空控制電磁閥和壓縮空氣控制電磁閥，所述真空控制電磁閥與壓縮空氣控制電磁閥分別與所述的信號輸入/輸出卡電連接；所述的焊頭吸嘴檢測系統(tǒng)包括漏晶傳感器和漏晶檢測燈，所述的漏晶傳感器與所述的信號輸入/輸出卡電連接:所述的信號輸入/輸出卡插入工控機的PCI插槽中。
[0008]具體地，所述的位置傳感器為光敏傳感器，包括對X軸、Y軸、Z軸運動平臺分別設置的原點位置傳感器、正向極限位置傳感器和負向極限位置傳感器。
[0009]所述的真空控制電磁閥為兩位三通電磁閥，所述的壓縮空氣控制電磁閥為兩位三通電磁閥，分別設置在真空/壓縮氣管24上。
[0010]所述的漏晶傳感器為光敏傳感器，設置在焊頭吸嘴的上方，所述的漏晶檢測燈設置在焊頭吸嘴的原點位置與晶圓芯片臺的芯片粘貼位置之間焊頭吸嘴移動路徑的下方。
[0011]更好地，所述的焊頭吸嘴的原點位置與晶圓芯片臺的芯片拾取位置的三維距離為:X小于±2.5mm, Z等于45mm至55mm, Y等于8mm至12mm ;焊頭吸嘴的原點位置與引線框架軌道上的引線框架元件的待粘片位置的三維距離為:X小于2.5mm，Z等于15mm至25mm，Y等于35_至45mmη
[0012]本實用新型的自動粘片機的控制系統(tǒng)，適應性強、操作簡單、穩(wěn)定可靠，可以實現(xiàn)高速、精確地進行芯片的拾取和粘貼，有效降低成本，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本實用新型的控制系統(tǒng)示意圖；
[0016]圖3為吸嘴真空與壓縮空氣電磁閥控制示意圖； [0017]圖4為原點與拾取位置、粘片位置之間的相對位置關系示意圖；
【具體實施方式】
[0018]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，自動粘片機三維運動焊頭由Χ、Υ、Ζ三個運動方向互相垂直的運動機構(gòu)組成，X軸向的運動機構(gòu)處于最低層，Y軸向運動機構(gòu)固定在X軸向運動平臺上，Z軸向運動機構(gòu)固定在Y軸向運動平臺上。
[0019]X軸向滑軌6固定在機座上，滑軌6的上表面與X軸向運動平臺7滑動連接，滾珠絲桿2旋入X軸向運動平臺7的絲杠螺孔內(nèi)，當X軸伺服電機I帶動滾珠絲桿2轉(zhuǎn)動時，在X軸向滑軌6上面的X軸運動平臺7產(chǎn)生X方向的滑動。
[0020]Y軸向滑軌13固定在X軸運動平臺7上，滑軌13的上表面與Y軸向運動平臺14滑動連接，滾珠絲桿9旋入Y軸向運動平臺14的絲杠螺孔內(nèi)，當Y軸伺服電機8帶動滾珠絲桿9轉(zhuǎn)動時，在滑軌13上面的Y軸向運動平臺14產(chǎn)生Y軸向的滑動。
[0021]Z軸向滑軌20固定在Y軸運動平臺14上，滑軌20表面與Z軸向運動平臺21滑動連接，滾珠絲桿16旋入Z軸向運動平臺21的絲杠螺孔內(nèi)，當Z軸伺服電機15帶動滾珠絲桿16轉(zhuǎn)動時，在滑軌20上面的Z軸向運動平臺21產(chǎn)生Z軸向的滑動。
[0022]焊頭的吸嘴22與Z軸向運動平臺21固定連接，吸嘴22上端與真空/壓縮氣管24連接。焊頭吸嘴22在上述三軸運動機構(gòu)的帶動下進行向前和向后的往復運動，在晶圓芯片臺25拾取芯片后移動到引線框架軌道26，將芯片粘貼在引線框架元27上。
[0023]圖2為本實用新型的控制系統(tǒng)示意圖，如圖2結(jié)合圖1所示，焊頭運動控制系統(tǒng)包括工控機、運動控制卡、信號輸入/輸出卡、分別驅(qū)動X軸、Y軸、Z軸運動平臺進行運動的X軸伺服電機1、y軸伺服電機8、ζ軸伺服電機15，以及X軸運動平臺的原點位置傳感器4、正向極限位置傳感器5和負向極限位置傳感器3，Y軸運動平臺的原點位置傳感器11、正向極限位置傳感器12和負向極限位置傳感器10，Z軸運動平臺的原點位置傳感器18、正向極限位置傳感器19和負向極限位置傳感器17。其中正向和負向極限位置傳感器限定運動平臺的運動區(qū)間，原點位置傳感器決定運動平臺所處的初始位置。
[0024]所述的工控機是通用的工業(yè)用計算機，一般具有多個PCI總線插槽，運動控制卡、信號輸入/輸出卡是專業(yè)廠家提供的標準配置件。
[0025]所述的運動控制卡插入工控機的PCI插槽中，并將三維運動焊頭的各個伺服電機、位置傳感器與運動控制卡對應的控制信號連接起來。運動控制卡是基于工控機PCI總線的步進電機或數(shù)字式伺服電機的上位控制單元，它與工控機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu):工控機負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作，運動控制卡負責控制電機運動。
[0026]運動控制卡至少可控制3臺步進電機或數(shù)字式伺服電機，并支持多卡共用，以實現(xiàn)至少三個運動軸的控制；每軸均可向電機輸出脈沖和方向信號，以控制電機的運轉(zhuǎn)；同時，可外接原點、減速、限位等開關信號，以實現(xiàn)回原點、保護等功能，具有梯形升降速曲線，即勻加減速度，在速度一時間座標軸上，速度從一個起始速度開始，勻加速達到最高速度，運行一段時間后，再勻減速降到一個低速度，因而在座標上看形成一個梯形升降速曲線。
[0027]所述的信號輸入/輸出卡插入工控機的PCI插槽中，并將外部影響三維運動焊頭運動的信號如漏晶傳感器發(fā)出的信號與信號輸入/輸出卡的輸入信號連接起來，而將在三維運動焊頭運動時需要控制的開關信號如聲光報警、壓縮空氣控制電磁閥、真空控制電磁閥的開關動作與信號輸入/輸出卡的輸出信號連接起來；
[0028]所述焊頭的吸嘴控制系統(tǒng)包括真空控制電磁閥和壓縮空氣控制電磁閥，其與信號輸入/輸出卡電連接，即與信號輸入/輸出卡的輸出信號端連接；
[0029]所述的焊頭吸嘴的檢測系統(tǒng)包括漏晶傳感器和漏晶檢測燈，所述的漏晶傳感器與插接在工控機的PCI總線插槽中的信號輸入/輸出卡連接，即與信號輸入/輸出卡的輸入信號端連接。
[0030]漏晶傳感器為光敏傳感器23，設置在焊頭吸嘴22的上方，漏晶檢測燈28設置在焊頭吸嘴的原點位置與引線框架軌道26上的引線框架元件27的芯片粘貼位置之間焊頭吸嘴移動路徑的下方。
[0031]圖3為吸嘴真空與壓縮空氣電磁閥控制示意圖。如圖所示，真空控制電磁閥29為兩位三通電磁閥，壓縮空氣控制電磁閥31也是兩位三通電磁閥，分別設置在真空/壓縮氣管24上。該圖表示吸嘴處于常態(tài)，即未接通真空泵和空氣壓縮機時的狀態(tài)，此時真空控制電磁閥29不通電，吸嘴與真空控制電磁閥29工作出氣口 A相連，出氣口 A與放氣口 R相通，放氣口 R與外界空氣相通，此時吸嘴處于常態(tài)，即吸嘴與外界大氣相通，吸嘴沒有與真空泵連通，也沒有與壓縮空氣機連通，因此吸嘴拾取不了芯片，也不會進行吹氣清潔。
[0032]當吸嘴拾取芯片后，真空控制電磁閥29通電，出氣口 A與進氣口 P相通，進氣口 P與壓縮空氣控制電磁閥31的工作出氣口 a相連，此時壓縮空氣控制電磁閥31不通電，其工作出氣口 a與其放氣口 r相通，而壓縮空氣控制電磁閥31的放氣口 r與真空泵相通，因此吸嘴處于真空狀態(tài)以便吸住芯片。當吸嘴到達貼片位置進行貼片時，真空電磁閥29斷電，使吸嘴回到常態(tài)以便釋放芯片。
[0033]當對吸嘴進行清潔時，壓縮空氣控制電磁閥31通電，其出氣口 a接通壓縮空氣進氣口 P，對吸嘴進行吹氣清潔。
[0034]圖4為原點與拾取位置、貼片位置之間的相對位置關系示意圖。圖中橫向距離為Y軸，縱向距離為Z軸，X軸垂直于紙面，如圖所示，焊頭吸嘴的原點位置與晶圓芯片臺的芯片拾取位置的三維距離為:x小于±2.5mm (圖未示出)，Z等于45_55mm，圖3所示為50mm，Y等于8-12mm，圖3所示為10mm。焊頭吸嘴的原點位置與引線框架軌道上的引線框架元件的待粘片位置的三維距離為:X小于或等于±2.5mm，Z等于15_25mm，圖3所示為20mm，Y等于35_45mm,圖3所不為40mm。
[0035]即在X方向，拾取位置、粘片位置與吸嘴原點的距離要在±2.5mm的范圍內(nèi)，它既能保證當拾取位置、吸嘴原點、粘片位置在X方向不在一直線上時，能滿足通過軟件來校正拾取位置和粘片位置的需要，同時滿足焊頭高速運動的需要。如果距離大于上述范圍值，焊頭高速運動時，會使整個設備產(chǎn)生晃動。在Y方向，吸嘴到粘片位置在40_左右，吸嘴到取片位置在IOmm左右，拾取位置與粘片位置相距50mm左右。在Z方向，吸嘴到拾取位置為50mm左右，到粘片位置為20mm左右。上述的原點位置與拾取位置、粘片位置之間的相對位置關系數(shù)據(jù)是三維運動焊頭運動曲線的規(guī)劃的基礎。
[0036]本實用新型的控制方法包括如下步驟:
[0037]步驟一、焊頭吸嘴從原點位置向前移動到晶圓芯片臺的芯片待拾取位置；
[0038]步驟二、焊頭吸嘴的真空控制電磁閥和壓縮空氣電磁閥接通真空，從芯片待拾取位置吸取芯片；
[0039]步驟三、焊頭吸嘴向后移動，經(jīng)過吸嘴原點位置，到引線框架軌道上引線框架元件的待粘片位直；
[0040]步驟四、焊頭吸嘴的真空控制電磁閥和壓縮空氣電磁閥關閉真空，將芯片粘貼到引線框架元件的待粘片位置；
[0041]步驟五、焊頭吸嘴返回其原點位置；
[0042]然后，焊頭吸嘴按上述步驟一至五循環(huán)往復移動進行芯片吸取和粘貼。
[0043]此外，還包括開機步驟和停機步驟，此時焊頭吸嘴回歸原點位置。
[0044]在步驟三進行過程中還包括吸取芯片檢測步驟:
[0045]當焊頭吸嘴向后移動經(jīng)過漏晶檢測燈時，如果吸嘴上有芯片則檢測燈光束被芯片遮擋，使上方的漏晶傳感器接收不到光束時，則焊頭吸嘴會繼續(xù)向后移動至引線框架待粘片位置進行步驟四；如果吸嘴上無芯片，則上方的漏晶傳感器接收到光束時，則焊頭吸嘴停止繼續(xù)向后移動，然后轉(zhuǎn)而向前移動返回原點，再重復步驟一和二，然后再次經(jīng)過吸取芯片檢測步驟。
[0046]當所述的吸取芯片檢測步驟重復三次仍未檢測到吸嘴上有芯片時，則焊頭吸嘴回到原點位置停止運動，發(fā)出報警信號，等候人工處理。所述的重復次數(shù)也可以在人機界面上隨意設置，一般設置為三次。
[0047]在步驟五進行過程中還包括粘貼芯片檢測步驟:
[0048]當焊頭吸嘴從芯片粘貼位置向前移動經(jīng)過漏晶檢測燈時，如果吸嘴上無芯片或雜物，則上方的漏晶傳感器接收到檢測燈光束時，則焊頭吸嘴會繼續(xù)向前移動經(jīng)原點位置至芯片待吸取位置；如果吸嘴上有芯片或雜物阻塞，則光束被遮擋，使上方的漏晶傳感器接收不到光束時，則焊頭吸嘴會停止繼續(xù)向前移動，轉(zhuǎn)而向后移動到吹氣位置，然后壓縮空氣控制電磁閥通電打開，使壓縮空氣從吸嘴中吹出，以便將堵塞吸嘴的芯片或雜物吹離，然后再次向前移動經(jīng)漏晶檢測燈上方進行檢測步驟。
[0049]所述的吹氣位置位于焊頭吸嘴原點位置與引線框架軌道的貼片位置之間的路徑上，并且偏離漏晶檢測燈上方，是為了避免吹氣時污染引線框架元件和檢測燈。
[0050]當所述的粘貼芯片檢測步驟重復三次仍檢測到吸嘴上有芯片或雜物時，則焊頭吸嘴回到原點位置后停止運動，發(fā)出聲光報警，等待人工干預。
[0051]在三維運動焊頭按上述步驟進行運動的同時，與之相配合的晶圓芯片臺將芯片移動到芯片待拾取位置，同時引線框架軌道將引線框架元件移動到待粘片位置。
[0052]根據(jù)高速和穩(wěn)定運動的要求，本實用新型的焊頭吸嘴最高移動速度為60000脈沖/秒，最低移動速度為10000脈沖/秒，移動加速度為600000脈沖/秒平方，圓弧插補速度為3000脈沖/秒。通過采用上述的位置參數(shù)和速度參數(shù)，本實用新型焊頭吸嘴從步驟一至步驟五的周期時間小于或等于IOOms (毫秒)，即焊頭吸嘴完成一次拾片、貼片的周期可小于等于IOOms (毫秒)。
[0053]本實用新型通過工控機實現(xiàn)全自動控制，在工控機或PC機中輸入自行開發(fā)的三維運動焊頭運動控制程序，通過調(diào)用運動控制卡和信號輸入/輸出卡的底層軟件(如在工控機上安裝的Windows2000以上版本、Microsoft Visual Studio6.0、運動控制卡驅(qū)動程序、信號輸入/輸出卡驅(qū)動程序等軟件)，從而實現(xiàn)三維運動焊頭按程序要求運動。
[0054]本實用新型的自動粘片機三維運動焊頭運動速度高，準確可靠，通用性強，能夠有效實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。
[0055]最后所應說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型而非限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，在不脫離本實用新型的精神和范圍的前提下對本實用新型進行的修改或者等同替換，均應涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當中。
【權(quán)利要求】
1.一種自動粘片機的二維運動焊頭控制系統(tǒng)，包括焊頭的運動控制系統(tǒng)，焊頭的吸嘴控制系統(tǒng)、焊頭吸嘴的檢測系統(tǒng)，其中焊頭的運動控制系統(tǒng)為X軸、Y軸、Z軸三個軸向運動的控制系統(tǒng)，所述的X軸向的運動機構(gòu)處于最低層，Y軸向運動機構(gòu)固定在X軸運動平臺上，Z軸向運動機構(gòu)固定在Y軸運動平臺上，焊頭的吸嘴固定在Z軸運動平臺上，所述的焊頭吸嘴在晶圓芯片臺吸取芯片然后將芯片粘貼在引線框架軌道上的引線框架的載芯板上； 其特征是，所述的焊頭運動控制系統(tǒng)包括工控機、運動控制卡、信號輸入/輸出卡、分別驅(qū)動X軸、Y軸、Z軸運動平臺進行運動的X軸、Y軸、Z軸伺服電機以及限定X軸、Y軸、Z軸運動平臺的運動位置的位置傳感器；所述三維運動焊頭的各個伺服電機、各個位置傳感器與運動控制卡電連接，所述的運動控制卡插入工控機的PCI插槽中； 所述焊頭吸嘴控制系統(tǒng)包括真空控制電磁閥和壓縮空氣控制電磁閥，所述真空控制電磁閥與壓縮空氣控制電磁閥分別與所述的信號輸入/輸出卡電連接；所述的焊頭吸嘴檢測系統(tǒng)包括漏晶傳感器和漏晶檢測燈，所述的漏晶傳感器與所述的信號輸入/輸出卡電連接:所述的信號輸入/輸出卡插入工控機的PCI插槽中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動粘片機的三維運動焊頭控制系統(tǒng)，其特征是所述的位置傳感器為光敏傳感器，包括對X軸、Y軸、Z軸運動平臺分別設置的原點位置傳感器、正向極限位置傳感器和負向極限位置傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動粘片機的三維運動焊頭控制系統(tǒng)，其特征是所述的真空控制電磁閥為兩位三通電磁閥，所述的壓縮空氣控制電磁閥為兩位三通電磁閥，分別設置在真空/壓縮空氣管上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動粘片機的三維運動焊頭控制系統(tǒng)，其特征是所述的漏晶傳感器為光敏傳感器，設置在焊頭吸嘴的上方，所述的漏晶檢測燈設置在焊頭吸嘴的原點位置與晶圓芯片臺的芯片粘貼位置之間焊頭吸嘴移動路徑的下方。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動粘片機的三維運動焊頭控制系統(tǒng)，其特征是，所述的焊頭吸嘴的原點位置與晶圓芯片臺的芯片拾取位置的三維距離為:x小于±2.5mm，Z等于45mm至55mm, Y等于8mm至12mm ;焊頭吸嘴的原點位置與引線框架軌道上的引線框架元件的待粘片位置的三維距離為:X小于或等于2.5mm, Z等于15mm至25mm, Y等于35mm至45mm。
【文檔編號】H01L21/677GK203689096SQ201420051981
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月26日
【發(fā)明者】姚劍鋒, 張順, 肖峰, 胡永剛 申請人:佛山市藍箭電子股份有限公司