專利名稱：校準焊頭的方法
技術領域：
本發明涉及一種校準安裝半導體芯片設備的焊頭的芯片夾的抓握軸線和旋轉軸線的方法。
背景技術：
在商業領域中，這種用于安裝半導體芯片的設備被稱為“DieBonder”。此種設備用于將芯片承載件上的晶片上鄰接設置的大量同一類芯片安裝到襯底上，例如金屬引線框。Die Bonder包括設置芯片承載件的晶片臺，用于遞送襯底的傳送系統以及將半導體芯片從芯片承載件取出并將其設置于襯底上的取放系統。取放系統包括帶芯片夾的焊頭，其在驅動系統作用下往復移動。該芯片夾可沿垂直軸線旋轉，以使半導體芯片的旋轉位置能在必要時改變。芯片夾包含能通過吸嘴抽真空的被稱為“取片器”或“裸片夾頭”的可替換抓爪。
對這一類型設備的要求很高。為進一步處理所安裝芯片，所述芯片必須被精確地定位在襯底上。因此必須非常精確地了解芯片夾旋轉軸線的位置和芯片夾抓握軸線的位置。在理想情況下，旋轉軸線與抓握軸線是一致的。目前，有用來確定芯片夾旋轉軸線的位置和抓握軸線的位置的各種方法a)芯片夾上設置有金屬尖頭替代吸嘴。把芯片夾設置到多個不同的旋轉位置，在每一旋轉位置，金屬尖頭在一軟質金屬上作出印記。根據所作印記的位置，可以確定金屬尖頭相對于旋轉軸線的偏心軸線。這一方法的缺點在于，金屬尖頭可能與隨后的制造中所使用的吸嘴具有不同的中心。
b)把芯片夾設置到多個不同的旋轉位置，在每一旋轉位置，吸嘴在一特氟龍帶上作出印記。根據所作印記的位置，可以確定吸嘴抓握軸線相對于旋轉軸線的偏心度。這一方法的缺點在于，這些印記常常難以辨識，因此，沒有操作者的輔助就無法進行此種測定。
c)吸嘴被有意識地污染，在待拾取的半導體芯片上作出印記。這一方法的缺點在于，污染物在半導體芯片上留下殘余，這些殘留物會導致其后用引線連接器對半導體芯片接線的問題。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種確定芯片夾旋轉軸線的位置和抓握軸線的位置的簡單可靠方法。
與其外部形狀和材料性質無關的是，芯片夾的吸嘴包含一個用于施加真空以拾取半導體芯片的空心桿。該空心桿的中心是該芯片夾的抓握軸線。一個光源，例如發光二極管，連接于該空心桿與吸嘴開口相對的一端。從吸嘴開口出射的光束在Die Bonder的平臺上形成一個光斑。制造過程中，芯片夾移動通過一個固定布置的光電探測器。當芯片夾夾持住半導體芯片時，沒有光線從吸嘴開口出射，因此沒有光斑經過光電探測器。然而，當芯片夾未夾持半導體芯片時，光線從吸嘴開口出射，光斑經過光電探測器，在光電探測器中產生短暫電流脈沖。因而，光電探測器輸出端的信號包含有芯片夾是否已拾取半導體芯片的信息。本發明提出，依靠固定布置的光電探測器確定芯片夾抓握軸線的位置。本發明進一步提出，在不同旋轉位置確定芯片夾抓握軸線的位置，并據此計算芯片夾的旋轉軸線和抓握軸線相對于旋轉軸線的位置。因此，依照本發明，芯片夾被設置到至少三個旋轉位置。在每一旋轉位置，芯片夾沿兩個相互正交的方向移動通過光電探測器，當光斑的中心定位于光電探測器的中心上時，依據從光電探測器給出的信號和焊頭的位置信號，可以確定焊頭的一對坐標。然后，依據所述至少三對坐標計算出芯片夾的旋轉軸線和旋轉軸線與抓握軸線之間的偏移量。
由此，一種校準安裝半導體芯片設備的焊頭的芯片夾的抓握軸線和旋轉軸線的方法，其中，該芯片夾具有帶縱向鉆孔的桿和帶吸嘴開口的吸嘴，所述縱向鉆孔可以被抽成真空，所述方法包括以下步驟——為芯片夾的桿的縱向鉆孔照明，使光束從吸嘴的吸嘴開口出射，——沿第一行進軌跡移動焊頭，使其越過固定布置的光電探測器的光敏感區域的第一邊緣，依據光電探測器的輸出信號和焊頭的第一位置信號確定第一坐標xa，沿第二行進軌跡移動焊頭，使其越過光電探測器的光敏感區域與第一邊緣相對的第二邊緣，依據光電探測器的輸出信號和焊頭的第一位置信號確定第二坐標xb，按照x1=xa+xb2]]>計算坐標x1，——沿第三行進軌跡移動焊頭，使其越過光電探測器的光敏感區域的第三邊緣，依據光電探測器的輸出信號和焊頭的第二位置信號確定第一坐標ya，沿第四行進軌跡移動焊頭，使其越過光電探測器的光敏感區域與第三邊緣相對的第四邊緣，依據光電探測器的輸出信號和焊頭的第二位置信號確定第二坐標yb，按照y1=ya+yb2]]>計算坐標y1，從而以坐標(x1，y1)表征抓握軸線的位置。
由此，一種校準安裝半導體芯片設備的焊頭的芯片夾的抓握軸線和旋轉軸線的方法，該芯片夾具有帶縱向鉆孔的桿和帶有吸嘴開口的吸嘴，所述縱向鉆孔可以抽成真空，且該芯片夾可沿旋轉軸線旋轉，包括以下步驟——為芯片夾的桿的縱向鉆孔照明，使光束從吸嘴的吸嘴開口出射，——確定芯片夾在n個不同旋轉位置處的坐標(xm，ym)，其中，參數m取值從1至n，按照——沿第一行進軌跡移動焊頭，使其越過固定布置的光電探測器的光敏感區域的第一邊緣，依據光電探測器的輸出信號和焊頭的第一位置信號確定第一坐標xa，沿第二行進軌跡移動焊頭，使其越過光電探測器的光敏感區域與第一邊緣相對的第二邊緣，依據光電探測器的輸出信號和焊頭的第一位置信號確定第二坐標xb，按照xm=xa+xb2]]>計算坐標xm，并且——沿第三行進軌跡移動焊頭，使其越過光電探測器的光敏感區域的第三邊緣，依據光電探測器的輸出信號和焊頭的第二位置信號確定第一坐標ya，沿第四行進軌跡移動焊頭，使其越過光電探測器的光敏感區域與第三邊緣相對的第四邊緣，依據光電探測器的輸出信號和焊頭的第二位置信號確定第二坐標yb，按照ym=ya+yb2]]>計算坐標ym，——用數學擬合的方式確定圓心(xc，yc)和圓的半徑，以使該圓接近于芯片夾的n個旋轉位置所確定的坐標(xm，ym)，從而，該圓的圓心就表征了旋轉軸線的位置，并確定一個矢量來表征相對于旋轉軸線位置的抓握軸線位置。
附圖與說明書結合并作為其組成部分，闡述本發明的一個或多個實施例，并與具體實施方式
部分共同解釋本發明的原理與具體實施。該附圖并非按比例繪制。
在附圖中圖1示出了用于安裝半導體芯片的設備，圖2示出了具有芯片夾和光電探測器的焊頭，圖3和圖4示出了芯片夾及其抓握軸線和旋轉軸線和光電探測器的側視圖、俯視圖，圖5示出了焊頭在芯片夾的不同旋轉位置處產生的橢圓形光斑在平面上的投影。
具體實施例方式
圖1是用于安裝半導體芯片的設備，即所謂的“Die Bonder”，的示意性俯視圖。Die Bonder包括其上設置有待安裝半導體芯片2的晶片臺1，待裝配襯底4由一未示出的傳送裝置設置于其上的平臺3，從晶片臺1取出半導體芯片2并將其放置在襯底4上的取放系統5。取放系統5包括帶有可更換芯片夾7的焊頭6(圖2)和用于在三個相互正交的方向x、y、z上移動焊頭6的驅動系統。z方向垂直于投影平面。這一取放系統5公開于例如中國專利ZL98123078.4中。
圖2示出了帶芯片夾7的焊頭6的剖面側視圖。芯片夾7包含帶有縱向鉆孔9的桿8，該鉆孔可以被抽成真空。芯片夾7的下端形成吸嘴或裝配有可夾持在桿8上的吸嘴10，桿8的縱向鉆孔9由所述吸嘴通向外部。芯片夾7的桿8以可拆卸的方式，例如借助磁耦合，安裝在焊頭6的空心桿13上，所述空心桿可依靠驅動器11沿旋轉軸線12旋轉。齒輪14設置于由驅動器11驅動的空心桿13上。空心桿13與吸嘴10相對的的端部緊鄰玻璃體15，并可在具有活塞17的壓力腔16中旋轉。壓力腔16在與空心桿13末端相對的壁上有鉆孔18，該鉆孔內插入有發光二極管19。焊頭6的空心桿13有真空接頭20，從側向提供真空。帶有芯片夾7的空心桿13可以在z方向上相對于焊頭6偏轉。
發光二極管19的作用在于為空心桿13內部照明，以使光束經由吸嘴10的吸嘴開口21到達外部。在本例中，發光二極管19出射的光經過焊頭6的壓力腔16、玻璃體15、空心桿13以及芯片夾7的桿8的縱向鉆孔9，并經由吸嘴10的吸嘴開口21到達外部。然而，發光二極管19也可以代替玻璃體15直接插入空心桿13。
取放系統5的驅動系統(圖1)設計為使焊頭6既可沿y方向和x方向移動，也可沿z方向上下移動。焊頭6的x、y、z坐標由適當的現有測量裝置獲得，并由控制器調節。因此，實際的x、y、z坐標表示焊頭6的三個位置信號。
圖3示出了設置有可附接的橡膠質吸嘴10的芯片夾7，即所謂的“橡膠工具”，以及設置于焊頭6移動軌跡上的光電探測器22。光電探測器22有光敏感區域23，在本例中，其面積由具有正方形開口的平板24限定。吸嘴10的吸嘴開口21的中心定于在其表面拾取半導體芯片2(圖1)的點。也就是說，吸嘴10的吸嘴開口21的中心限定了芯片夾7的抓握軸線25。當驅動器11(圖2)轉動焊頭6固定于空心桿13的齒輪14時，于是芯片夾7沿旋轉軸線12轉動。在本例中，抓握軸線25和旋轉軸線12偏移一個矢量v。矢量v在投影平面上的分量記為vx。為了清楚起見，對旋轉軸線12描繪了比實際操作中的預期值更大的偏移量。由于加工的原因，以矢量v表征的抓握軸線25對旋轉軸線12的偏移可以達到超過所需公差值的顯著值。為使半導體芯片2(圖1)盡管如此也能夠以所需位置精度設置于襯底4(圖1)上，旋轉軸線12的位置和矢量v必須是已知的。
圖4是在芯片夾7的一個旋轉角設為θ＝0°的預定旋轉位置下光電探測器22以及旋轉軸線12和抓握軸線25的位置、矢量v的俯視圖。同時示出了吸嘴開口(圖3)中出射的光在平板24上形成的光斑26。繪出了兩組光斑26、抓握軸線25和旋轉軸線12，也即下文將詳述的焊頭6位于第一位置和第二位置的情形。在本例中，吸嘴開口21的形狀為橢圓形。因此，光斑26的形狀也是橢圓形的。抓握軸線25定義為設置在由其兩主軸線限定的橢圓形中心。光電探測器22的光敏感區域23的四個邊緣27至30分別平行于取放系統5的x或y方向，也就是焊頭6的移動方向。
依照下述步驟來確定旋轉軸線12的位置和矢量v——將焊頭6設置到一個位置，在該位置處，吸嘴10的吸嘴開口21設置得從在x方向上看與光電探測器22側向相鄰，并處于光電探測器22上方一個特定距離Δz處，以使光斑26不落在光電探測器22的光敏感區域23上。光敏感區域23以四個邊緣27至30為邊界。距離Δz優選在10微米量級取值。
——焊頭6沿x方向從光電探測器22的一邊移動到其相對的一邊。此時，光斑26掃過光電探測器22。起初，光電探測器22未被照射，其輸出信號為一確定的電平P。光斑26一到達光電探測器22光敏感區域23的邊緣27，輸出信號就增大，達到一最大值，而一旦光斑26已通過光電探測器22的光敏感區域23的相對的邊緣28，該信號就減小，并再次回復至電平P。在此過程中，依據焊頭6的第一位置信號確定兩x坐標xa和xb。坐標xa相應于當光電探測器22的輸出信號超過一預定電平P+ΔP時，即是光斑26到達光電探測器22的第一邊緣27、且光斑26的一小部分落在光電探測器22上時，焊頭6所在的x坐標。圖4中左側的光斑26相應于這一位置。第二坐標xb相應于當光電探測器22的輸出信號再次低于預定電平P+ΔP時，即光斑26幾乎已經通過光電探測器22的第二邊緣28、僅光斑26的一小部分還落在光電探測器22的光敏感區域23上時，焊頭6所在的x坐標。這一位置相應于圖4中右側的光斑26’。
——把焊頭6設置到一個位置，在該位置處，吸嘴10的吸嘴開口21在y方向上看與光電探測器22側向相鄰，以使光斑26不照射光敏感區域23。
——焊頭6沿y方向從光電探測器22的一邊移動到另一邊。此時，光斑26沿y方向掃過光電探測器22。在此過程中，依據焊頭6的第二位置信號確定兩y坐標ya和yb。第一坐標ya相應于當光電探測器22的輸出信號超過電平P+ΔP時，即光斑26到達光電探測器22的第三邊緣29時，焊頭6所在的y坐標。第二坐標yb相應于當光電探測器22的輸出信號再次低于電平P+ΔP時，即光斑26離開光電探測器22的第四邊緣30時，焊頭6所在的y坐標。
——現在，計算坐標(x1，y1)x1=xa+xb2]]>y1=ya+yb2]]>坐標(x1，y1)相應于當芯片夾7的抓握軸線25穿過光電探測器22的中心時的焊頭6所在的坐標。
只要光電探測器22沒有顯示出滯后行為，也即只要光電探測器22在同一電平上接通和關斷，這一過程就是合適的。然而實際上，光電探測器22可能會顯示出滯后效應，也即在不同的電平上接通和關斷。為此，如下改變受該效應影響的過程是有利的，當確定邊緣27和28的坐標xa和xb時，從外向內或從內向外地通過光電探測器22的光敏感區域23，從而當光電探測器22的輸出信號或者在行進方向從外向內時超過預定電平P+ΔP時，或者在行進方向從內向外時落到該電平之下時確定坐標xa和xb。該方法同樣適用于確定ya和yb。
沿一選定的從外向內的行進方向，以箭頭31、32、33和34所示的四條行進軌跡使得焊頭6(圖2)從外向內依次經過光電探測器22的光敏感區域23的第一邊緣27、與第一邊緣27相對的第二邊緣28、第三邊緣29和與第三邊緣29相對的第四邊緣30，以確定坐標xa、xb、ya和yb。行進路徑的順序并不重要。
上述方法的優選實施方式為，對芯片夾7給出n個預定的不同旋轉位置，以便能確定旋轉軸線12和抓握軸線25之間的任何偏移。旋轉位置的數量至少為n＝3。對每一旋轉位置m給定一旋轉角θm。根據上面描述的過程步驟，在每一旋轉位置確定坐標(xm，ym)。從而，坐標(xm，ym)描述了當芯片夾7的抓握軸線25穿過處于旋轉角θm表征的旋轉位置的光電探測器22的中心時焊頭6所在的坐標。
坐標(xm，ym)位于其圓心由旋轉軸線12的位置限定的圓35(圖5)上。圓35的半徑相應于矢量v的大小。為了盡可能準確地確定該圓的半徑，旋轉角θm優選地在360°上均分，即，例如旋轉位置的數量為n＝3時，θ1＝0°，θ2＝120°，θ3＝240°。
圖5示出了不同旋轉位置的數量為n＝6，且旋轉角為θ1＝0°，θ2＝60°，θ3＝120°，θ4=180°，θ5＝240°，θ6＝300°時，橢圓形光斑26在光電探測器22的光敏感區域23(圖3)限定的平面上的投影，以及給定旋轉角θm下抓握軸線25和已確定的旋轉軸線12的位置。由各橢圓的中心以及依照上述方法在i＝1...n時確定的它們的坐標(xm，ym)所限定的抓握軸線25的六個位置位于半徑為r的圓35上，旋轉軸線12在坐標(xc，yc)處穿過該圓的圓心。
由參數m取值從1至n的n個確定的坐標(xm，ym)，以如下擬合確定半徑為r的圓35的圓心坐標(xc，yc)按照公認的數學準則(例如，最小二乘法擬合)，圓35為最接近確定的坐標(xm，ym)的圓。矢量v，表征抓握軸線25相對于旋轉軸線12位置的位置，優選為旋轉角θ1＝0°所限定，也即，矢量v由α角和圓35的半徑r給出，所述α角由旋轉角θ1＝0°時的抓握軸線25與x軸線所夾角。例如，α角可以由坐標(x1，y1)和(xc，yc)計算出。
為使半導體芯片2(圖1)能夠設置于襯底4(圖1)上的其正確位置處，光電探測器22的位置必須相對于取放系統5校準。然后，焊頭6可得到控制，以使被拾取的半導體芯片2距其理想旋轉方位的可能旋轉偏離能得以校正，并且，芯片夾7的抓握軸線25在拾取半導體芯片2時指向期望的拾取點，或者在放置半導體芯片2時指向期望的放置點。
以上已說明了本發明的實施方式和應用，但本領域的技術人員很容易發現，在不脫離本發明原理的范圍內，除了上述內容之外還可以有許多改進。因此，除了所附的權利要求書及其等效限定的內涵之外，上述實施例并不構成對本發明的限制。
權利要求
1.一種校準安裝半導體芯片的設備的焊頭(6)的芯片夾(7)的夾持軸線(25)的方法，其中，該芯片夾(7)包括帶有能夠抽成真空的縱向鉆孔(9)的軸(8)和帶有吸嘴開口(21)的吸嘴(10)，該方法包括下述步驟——照射芯片夾(7)的軸(8)的縱向鉆孔(9)，使光束從吸嘴(10)的吸嘴開口(21)出射，——沿第一行進軌跡移動焊頭(6)，越過一個固定布置的光電探測器(22)的光敏感區域(23)的第一邊緣(27)，依據光電探測器(22)的輸出信號和焊頭(6)的第一位置信號確定第一坐標xa，沿第二行進軌跡移動焊頭(6)，越過光電探測器(22)的光敏感區域(23)的、與第一邊緣(27)相對的第二邊緣(28)，并依據光電探測器(22)的輸出信號和焊頭(6)的第一位置信號確定第二坐標xb，并按照x1=xa+xb2]]>計算坐標x1，——沿第三行進軌跡移動焊頭(6)，越過光電探測器(22)的光敏感區域(23)的第三邊緣(29)，依據光電探測器(22)的輸出信號和焊頭(6)的第二位置信號確定第一坐標ya，沿第四行進軌跡移動焊頭(6)，越過光電探測器(22)的光敏感區域(23)的、與第三邊緣(29)相對的第四邊緣(30)，依據光電探測器(22)的輸出信號和焊頭(6)的第二位置信號確定第二坐標yb，按照y1=ya+yb2]]>計算坐標y1，從而以坐標(x1，y1)表示夾持軸線(25)的位置。
2.一種校準安裝半導體芯片的設備的焊頭(6)的芯片夾(7)的夾持軸線(25)和旋轉軸線(12)的方法，其中，該芯片夾(7)包括帶有能夠抽成真空的縱向鉆孔(9)的軸(8)和帶有吸嘴開口(21)的吸嘴(10)，且該芯片夾(7)可沿旋轉軸線(12)旋轉，該方法包括下述步驟——照射芯片夾(7)的軸(8)的縱向鉆孔(9)，以使得光束從吸嘴(10)的吸嘴開口(21)出射，——確定芯片夾(7)在n個不同旋轉位置處的坐標(xm，ym)，其中，參數m取值從1至n，按照——沿第一行進軌跡移動焊頭(6)，越過固定布置的光電探測器(22)的光敏感區域(23)的第一邊緣(27)，依據光電探測器(22)的輸出信號和焊頭(6)的第一位置信號確定第一坐標xa，沿第二行進軌跡移動焊頭(6)，越過光電探測器(22)的光敏感區域(23)的、與第一邊緣(27)相對的第二邊緣(28)，依據光電探測器(22)的輸出信號和焊頭(6)的第一位置信號確定第二坐標xb，并按照xm=xa+xb2]]>計算坐標xm，并且——沿第三行進軌跡移動焊頭(6)，越過光電探測器(22)的光敏感區域(23)的第三邊緣(29)，依據光電探測器(22)的輸出信號和焊頭(6)的第二位置信號確定第一坐標ya，沿第四行進軌跡移動焊頭(6)，越過光電探測器(22)的光敏感區域(23)的、與第三邊緣(29)相對的第四邊緣(30)，依據光電探測器(22)的輸出信號和焊頭(6)的第二位置信號確定第二坐標ya，按照ym=ya+yb2]]>計算坐標ym；——用數學擬合的方式確定一個圓(35)的圓心(xc，yc)和半徑，以使該圓(35)接近于為芯片夾(7)的n個旋轉位置確定的坐標(xm，ym)，從而以該圓(35)的圓心(xc，yc)表示旋轉軸線(12)的位置，并確定一個矢量，該矢量用于表示夾持軸線(25)相對于旋轉軸線(12)的位置。
全文摘要
依靠固定布置的光電探測器，確定安裝半導體芯片的設備的焊頭(6)的芯片夾(7)的抓握軸線位置。芯片夾(7)包含吸嘴(10)，所述吸嘴具有限定了抓握軸線(25)位置的吸嘴開口(21)。芯片夾(7)包含帶有能夠抽成真空的縱向鉆孔(9)的桿(8)，發光二極管對其照射以使光由吸嘴(10)的吸嘴開口(21)出射。焊頭(6)沿不同方向移動并越過光電探測器的邊緣，并根據光電探測器的輸出信號和焊頭(6)的位置信號確定表示抓握軸線位置的坐標。如果在芯片夾(7)的不同旋轉位置上實施這一方法，那么就能夠確定焊頭(6)的抓握軸線(25)相對于旋轉軸線(12)的任何偏移。
文檔編號H01L21/60GK1794439SQ200410104570
公開日2006年6月28日 申請日期2004年12月22日 優先權日2003年12月22日
發明者丹尼爾·博利格爾 申請人:優利訊國際貿易有限責任公司