用于安裝電子元件的裝置和方法

專利名稱：用于安裝電子元件的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種用于將電子元件安裝到電路基片上的裝置和方法。更具體地說，本發明涉及一種在將包含突起部分(突起型電極)的稱為倒扣焊芯片的IC芯片安裝到電路基片上時適用的安裝裝置和安裝方法。
背景技術：
近年來，隨著電子設備的小型化，需要將電子元件較密集地安裝到電路基片上。為了滿足這一要求，在減少元件之間的間距和在安裝時提高位置精確度方面已經有所發展。此外，作為一種新方式，通常采用將電子元件安裝到多層基片內的腔體中的技術。
在這種安裝電子元件的過程中，一般使用圖像處理技術作為將電子元件安裝到電路基片上時提高位置精確度的方法。更具體地說，對利用照相機等預先拍攝的電路基片的圖片進行圖像處理從而確定將安裝電子元件的位置。同時，還可以通過相同的操作確定將布置位于裝載位置的電子元件的位置。然后，相互比較這些位置以獲得相對位置偏差。利用一個拾取嘴單個拾取位于裝載位置的電子元件以將該電子元件放置到一個中間平臺上。接著，由安裝嘴單個吸持電子元件。在考慮了位置偏差之后利用安裝嘴進行電子元件的安裝操作。
在將，例如IC等芯片安裝到電路基片上時，吸持芯片的安裝頭使芯片與電路基片上的預定位置接觸。然后，通過安裝頭將超聲波振動適用于相關芯片以使芯片連接(接合)到電路基片上。因為如上所述較窄的間距已有所發展，所以還要求安裝嘴不要和芯片的待安裝位置的周圍空間發生干涉。因此，優選地，安裝嘴的芯片吸持部分的形狀與芯片的形狀相適應，并且芯片吸持部分的尺寸小于芯片的尺寸。
而且，即使芯片吸持部分的尺寸小于芯片的尺寸并且芯片吸持部分的形狀與芯片的形狀相適應，也可以想象得到，拾取嘴不能準確地從元件裝載位置接收芯片。例如，如圖4A所示，假設拾取嘴在這樣一種狀態下吸持芯片，即嘴的中心位置相對于芯片的中心位置沿X軸方向和Y軸方向偏移ΔX和ΔY，并且嘴的中心軸線相對于芯片的中心軸線偏移角度Δθ。當如現有技術中那樣只注意到芯片和電路基片之間的位置關系時，即使將芯片從拾取嘴傳送到安裝嘴(用于安裝的吸附嘴)，仍然有較大的機會保留這些位置偏差。
如果打算在這種狀態下安裝芯片，當待安裝的芯片和周圍的電子元件之間的空間較窄時，安裝嘴的端部可能和這些電子元件干涉或接觸。而且，作為在近來的安裝中所采用的方式，有這樣一種情況，即將芯片安裝到電路基片上以使芯片和電路基片內的腔體相配合。然而，在這種情況下，嘴的端部可能從芯片的端部突出從而不能進行配合操作。此外，當利用超聲波振動使芯片接合到電路基片上時，在將重量作用于芯片時也有可能發生偏離等，并且這對接合狀態有不良影響。這種位置偏差在現有芯片尺寸或現有安裝情況的允許水平內。但是，在發展增加較窄間距等方面，希望改善這種位置偏差。

發明內容
本發明就是根據上述情況作出的，因而，本發明的一個目的是提供一種用于安裝芯片的裝置和方法，其中，安裝嘴可以吸持芯片而不會引起任何位置偏差。
為了達到上述目的，根據本發明，提供了一種安裝電子元件的方法，該方法包括由拾取嘴拾取放在平臺上的電子元件；將電子元件從吸持電子元件的拾取嘴傳送到安裝嘴；比較安裝嘴吸持的電子元件的位置和電子元件安裝在電路基片上的位置，從而校正安裝嘴安裝電子元件的安裝位置；并且通過安裝嘴將電子元件安裝到電路基片上，在該方法中，檢測由拾取裝置吸持的電子元件相對于參考位置的偏差，該偏差的形式為沿相互垂直的X和Y方向的偏差及旋轉角度θ，并且，當將電子元件傳送到安裝嘴時，校正沿X和Y方向的偏差及旋轉角度θ以進行控制使電子元件具有相對于安裝嘴的預定空間方位。
根據上述安裝方法，優選地，通過拾取嘴的運動校正沿X和Y方向的偏差中的任一個，并且通過安裝嘴的操作校正沿X和Y方向的偏差中的另一個及旋轉角度θ。
此外，為了實現上述目的，提供一種用于將電子元件安裝到電路基片上的裝置，該裝置包括一個用于放置和支承電子元件的平臺，該平臺可以沿相互垂直的X和Y方向移動；一個用于拾取放置在平臺上的電子元件的拾取嘴，該拾取嘴可以沿X和Y方向移動；用于獲取拾取嘴吸持的電子元件的圖像以檢測電子元件相對于參考空間方位的偏差的偏差量檢測機構，該偏差的形式為沿相互垂直的X和Y方向的偏差及角度θ；一個用于將電子元件安裝到電路基片上的安裝嘴，電子元件從拾取嘴被傳送到該安裝嘴，并且該安裝嘴可以沿Y方向移動并可以繞與X和Y方向中的任一方向垂直的軸線旋轉；以及一個用于支承電路基片的基片平臺，在該裝置中，當電子元件從拾取嘴被傳送到安裝嘴時，校正沿X和Y方向的偏差及角度θ以進行控制使電子元件具有相對于安裝嘴的預定空間方位。


圖1示出了簡化型的根據本發明的安裝裝置的主要部分的結構；圖2示出了根據本發明的安裝裝置的示意性結構；圖3是有助于說明根據本發明的安裝方法的流程圖；圖4A示出了傳統的安裝裝置中的芯片、拾取嘴和安裝嘴之間的位置關系；圖4B示出了根據本發明的安裝裝置中的芯片、拾取嘴和安裝嘴之間的位置關系；圖5是一立體圖，示出了完成對本發明中的X、Y和θ偏差的校正之后芯片在拾取嘴和安裝嘴之間的傳送狀態。
優選實施例的說明下面將參考附圖詳細說明本發明的一個實施例。圖1示出了根據本發明的安裝裝置的主要部分的示意性結構，而圖2示出了簡化型的該安裝裝置的示意性結構。如圖2所示，該安裝裝置由一個用于支承電路基片等的基片工作臺10，一個用于支承電子元件的元件裝載工作臺20，一個用于支承拾取嘴的元件拾取部分30，和一個用于支承安裝嘴的安裝部分50。
基片工作臺10包括一個利用真空吸附等實際支承基片的基片平臺11，一個用于沿(圖中一箭頭所表示的)X軸方向驅動基片平臺11的X軸驅動馬達，一個用于沿(圖中一箭頭所表示的)Y軸方向驅動基片平臺11的Y軸驅動馬達15，以及一個用于測定安裝嘴(將在后文對該嘴進行說明)吸持的電子元件的空間方位等的元件測定照相機17。元件測定照相機17固定在基片平臺11上并且相對于基片平臺11總是具有固定的位置關系。
元件裝載工作臺20包括一個其上待放置元件的平臺21，一個用于沿X軸和Y軸方向驅動平臺21的驅動馬達(未示出)，以及一個用于在X-Y平面上驅動和旋轉平臺21的旋轉驅動馬達23。一個形狀類似晶片且布滿了如倒扣焊芯片等電子元件的元件放置基片利用例如真空吸附等固定在平臺21上。這些電子元件僅僅是被放在元件放置基片上，因此，可以從元件放置基片上容易地拾取它們。
元件拾取部分30包括一個用于在上下方向翻轉芯片的由旋轉軸31旋轉支撐的拾取嘴33，和一個用于驅動旋轉軸31和拾取嘴33以使旋轉軸31和拾取嘴33上升和下降的上升/下降馬達35。這些構成部件相互成一體形成拾取部分單元39，并且由拾取部分基座平臺37支撐以通過驅動馬達(未示出)沿X軸方向被驅動。拾此外，取部分30還包括一個用于確定已裝載元件的測定照相機41和一個預對準照相機43。這些構成部件固定在基座平臺37上并由基座平臺37支撐，同時獨立于具有拾取嘴33等的單元39。
預對準照相機43獲取拾取嘴33吸持的電子元件的圖像。對通過圖像獲取得到的照片進行圖像處理以獲得吸持芯片時相對于參考位置或參考空間方位的偏差量。獲得的偏差量的形式為X軸方向的偏差量、Y軸方向的偏差量和角度θ。這些偏差量由與預對準照相機43共同構成用于檢測偏差量的單元的控制器(未示出)計算。
安裝部分50包括一個能夠利用，例如超聲波振動將電子元件安裝到電路基片上的安裝嘴51，一個用于驅動安裝嘴51并使其繞垂直于X-Y平面的軸線旋轉的θ旋轉馬達53，和一個用于使嘴51和馬達53上升/下降的安裝嘴上升/下降馬達55。這些構成部件相互成一體形成安裝單元57并且由安裝部分基座臺59支撐以使得能夠通過驅動馬達(未示出)沿Y軸方向被驅動。應該注意，一個基片標識測定照相機61固定在安裝單元57上并由安裝單元57支撐，同時獨立于安裝嘴51、θ旋轉馬達53和安裝嘴上升/下降馬達55。
應該注意，使構成部件沿X軸和Y軸方向移動的驅動由分別直接連接到驅動馬達上的球螺紋軸、導輪等組合進行成。因此，為了簡化起見，省略了這些構成部件的說明。此外，這些結構是已知的，并且希望可以根據所需的限位精度和驅動速度以任何其它已知的構成部件適合地替代這些構成部件。而且，在該實施例中，元件拾取嘴適合沿X軸方向移動，安裝嘴適合沿Y軸方向移動。然而，也可以采取這樣一種結構，即元件拾取嘴適合沿Y軸方向移動，安裝嘴適合沿X軸方向移動。
接著，下面將參考圖1和示出有助于說明實際安裝電子元件的步驟的流程圖的圖3詳細說明安裝電子元件的方法。首先，在一開始安裝電子元件的步驟1中，由用于確定已裝載元件的測定照相機41確定放在基片平臺11上的，例如芯片等待安裝電子元件的位置。然后，在步驟2中，驅動基片平臺11在X軸和Y軸方向移動，進行校正以使待安裝芯片在X-Y平面上的布置位置與元件拾取嘴33將拾取待安裝芯片的位置一致。之后，在步驟3中，使拾取嘴下降以吸附和保持待安裝芯片。
在步驟4中，吸持待安裝芯片的元件拾取嘴33繞軸31旋轉使芯片在上下方向翻轉以使芯片向上。而且，在步驟5中，驅動元件拾取嘴33并使其沿X軸方向移動到預對準照相機43之下的一個位置。然后，在該位置獲取芯片的圖像。在步驟6中，在圖像獲取結果的基礎上獲得相對于該芯片的預定參考空間方位的X，Y和θ偏差量。在檢測了偏差量之后，在步驟7中，使芯片在上下方向翻轉的吸持芯片的元件拾取嘴33移動到靠近芯片傳送位置的安裝嘴51之下的一位置。
然后，在步驟9中，使安裝嘴51下降以與芯片接觸并利用真空吸附等吸附芯片。之后，釋放由元件拾取嘴33真空吸附的芯片等以完成芯片從元件拾取嘴33到安裝嘴51的傳送。應該注意，在安裝嘴51與芯片接觸之前，在步驟8中，已根據步驟5中獲得的偏差量預先校正了安裝嘴相對于芯片的布置(空間方位)。更具體地說，以元件拾取嘴33沿X軸方向的驅動為基礎而校正X軸方向的偏差量ΔX。而且，分別以安裝嘴51在Y軸方向的和θ方向的驅動為基礎而校正Y軸方向的偏差量ΔY和芯片旋轉偏差量Δθ。結果，安裝嘴51總是可以以預定空間方位吸持芯片。
圖5是一放大立體圖，它示意性地表示了安裝嘴51、芯片2和元件拾取嘴33之間的位置關系的具體示例。在該圖中，芯片2大致上為長方體形，并且嘴口51a利用真空吸附吸住并保持芯片2的上表面。此外，芯片2的下表面具有將與電路基片接合的突起部分，并且嘴口33a利用真空吸附吸住并保持該下表面以便完全通過元件拾取嘴33伸展。正如將在下文中參考圖4A和4B進行的說明一樣，安裝嘴51的芯片吸附表面的形狀與芯片2的上表面的形狀幾乎相同或比后者稍微小一些。本發明的實施使安裝嘴51的芯片吸附表面可能具有圖中所示的形狀。
將芯片傳送到安裝嘴51之后，在步驟10中，驅動安裝嘴51沿Y軸方向朝電路基片運動。應當注意，在步驟11中，芯片在驅動期間的空間方位是由元件測定照相機17確定的。在目前為止的操作中，由基片標識測定照相機61獲取電路基片的圖像并在圖像獲取結果的基礎上檢測芯片安裝位置。在步驟11中，測定被吸持芯片的空間方位，并獲得芯片安裝位置和芯片吸持空間方位之間的位置關系以再次得到芯片吸持狀態相對于基片安裝位置的位置偏差。
在后續步驟12中，沿X軸和Y軸方向驅動基片平臺11以校正步驟11中獲得的電路基片在X軸和Y軸方向的偏差量。應當注意到，雖然θ方向的偏差量很有可能已經落入步驟8的允許范圍內，但是可以再次校正該方向的偏差量。然而，如果有必要，還可以再校正。之后，在步驟13中，使安裝頭51下降到電路基片處，并進行壓緊接合和將芯片安裝到電路基片上以完成一個安裝操作。
簡言之，上述流程被大概分為兩個過程，即將在下文說明的第一過程和第二過程。第一過程為這樣一個過程布置在由測定已裝載元件的測定照相機測定的位置的芯片被元件拾取嘴拾取，預對準照相機檢測元件拾取嘴吸持的芯片的空間方位，然后安裝嘴根據檢測結果以預定空間方位吸持芯片。下面將參考圖4A和4B說明該過程的效果。圖4A示出沒有進行預對準的傳統情況，而圖4B示出了進行本發明中的預對準的情況。兩圖都示出了從芯片2一側看過去時芯片2被吸持在元件拾取嘴33的嘴頭口33a的情況，和從芯片2一側看過去時芯片2被吸持在元件拾取嘴51的嘴頭口55a的情況。此外，在這些圖中，嘴頭部分33a和51a分別具有用于真空吸附的氣口33b和51b。由于安裝嘴將芯片2壓緊接合到電路基片上(未示出)，所以希望安裝嘴的形狀與芯片的吸附表面的形狀幾乎相同或比后者稍微小一些。然而，根據傳統的過程，可能發生如圖4A中所示的情況，即安裝嘴51的側緣部分從芯片2的側緣部分伸出。通過完成進行預對準的第一過程，如圖4B所示，安裝嘴在與芯片的X軸方向、Y軸方向和旋轉角度θ均一致的狀態下吸持芯片。因此，當以遠小于先技術的間距將芯片布置在電路基片上時，或甚至將芯片安裝到腔體里時，安裝嘴也不會和其它任何芯片發生干涉，并且還可以使芯片牢固地接合到基片上。
第二過程是這樣一個過程再次確定安裝嘴吸持的芯片的位置和空間方位，獲得安裝嘴吸持的芯片的位置及空間方位和將要安裝芯片的電路基片上的位置之間的位置關系，然后在考慮了這些關系之后將芯片接合到電路基片上。再次相對于接合位置校正由安裝嘴51準確吸持的芯片2以允許芯片更精確地被安裝到電路基片上。
應當注意，在傳統的安裝裝置中，當將芯片從元件拾取嘴傳送到安裝嘴時，也可以采用這樣一種結構以縮短安裝操作時間，即通過一個中間平臺一次完成傳送操作。在本發明中也采用中間平臺等結構，并且在中間平臺上檢測芯片的空間方位等，由此獲得安裝效果。
然而，為了獲得該效果，必須使中間平臺可以沿X軸和Y軸方向被驅動，因而使裝置的結構變得復雜。此外，放入中間平臺也可能會增加芯片的傳送次數。隨著傳送次數的增加，芯片的空間方位等的偏差量和芯片被拾取時的偏差量相比會進一步增加。如果增加校正量或校正參數的數目，并且考慮中間平臺沿X軸和Y軸方向的移動，當打算使安裝嘴和芯片之間的位置關系總是保持不變時，還可以料想到，不能獲得很好的縮短操作時間的效果。
根據前述內容，在本發明中，具有較簡單的結構的安裝裝置并沒有設置中間平臺。因此，通過最少次數的軸線數校正來進行安裝嘴吸持芯片時的位置校正和安裝嘴將芯片安裝到電路基片上時的位置校正。因此，安裝裝置具有較高可靠性，并且容易進行第一階段操作中的調整等。因而，可以提供較便利的安裝裝置。
而且，根據本發明，除了額外增加了用預對準照相機檢測Δθ的操作和在將芯片傳送到安裝嘴時校正Δθ的操作外，傳統安裝過程和本發明的安裝過程之間的差異不大。因此，通過僅在傳統使用的安裝裝置中增加檢測操作和校正操作，具有不同的運載系統的安裝裝置便可以獲得同樣的效果。也就是說，即使在改裝傳統安裝裝置以實施本發明的情況下，也可以完成較窄間距安裝、腔體安裝等而不需要較高的成本。
此外，雖然該實施例假設了以較高密度安裝較微型的芯片等情況，但是本發明并不限于該實施例。具體地，例如，當安裝較大的電子元件時，可以由其端面的形狀與相關電子元件的端面形狀幾乎相同或比后者稍微小一些的安裝嘴確定地吸持處于預期狀態的相關電子元件。因此，可以在電子元件的整個端面施加均勻的重量以安裝電子元件，并因而可以獲得芯片和電路基片之間的優良的接合狀態。
實施本發明可以使得即使使用其吸附端部分的形狀與芯片的吸附端部分的形狀幾乎相同或比后者稍微小一些的安裝嘴，當安裝嘴吸持芯片時，安裝嘴的端部分也不會從芯片的側緣部分伸出，并且總是可以以一固定的空間方位吸持芯片。因此，即使在高密度安裝的情況下，也可以進行較窄間距安裝或腔體安裝，并且可以進行高精確度安裝而安裝嘴不會與其它任何芯片、電路基片等產生干涉。
此外，實施本發明可以使得當安裝嘴將一重物應用到芯片上以將芯片安裝到電路基片上時，安裝嘴的吸附端部分的中心總是與芯片的中心一致。因此，安裝嘴施加到芯片上的重量在整個接合表面上總是均勻的，并因而穩定地獲得具有高可靠性和優良精確度的接合狀態。
而且，可以通過增加用預對準照相機檢測Δθ的操作和在將芯片傳送到安裝嘴時校正Δθ的操作實施本發明。因此，可以按照本發明改裝具有傳統使用的簡單運載系統的安裝裝置，并因而可以以低成本實施本發明。
權利要求
1.一種安裝電子元件的方法，該方法包括由拾取嘴拾取放在平臺上的電子元件；將電子元件從保持電子元件的拾取嘴傳送到安裝嘴；比較安裝嘴保持的電子元件的位置和電子元件安裝在電路基片上的位置，從而校正安裝嘴安裝電子元件的安裝位置；并且通過安裝嘴將電子元件安裝到電路基片上，所述安裝方法包括以下步驟檢測由拾取裝置保持的電子元件相對于參考位置的偏差，該偏差的形式為沿相互垂直的X和Y方向的偏差及旋轉角度θ；以及當將電子元件傳送到安裝嘴時，校正沿X和Y方向的偏差及旋轉角度θ以進行控制使電子元件具有相對于安裝嘴的預定空間方位。
2.根據權利要求1所述的安裝方法，其特征在于，通過拾取嘴的運動校正沿X和Y方向的偏差中的任一個，并且通過安裝嘴的操作校正沿X和Y方向的偏差中的另一個及旋轉角度θ。
3.一種用于將電子元件安裝到電路基片上的裝置，該裝置包括一個用于放置和支承電子元件的平臺，該平臺可以沿相互垂直的X和Y方向移動；一個用于拾取放置在平臺上的電子元件的拾取嘴，該拾取嘴可以沿X方向移動；用于獲取拾取嘴保持的電子元件的圖像以檢測電子元件相對于參考空間方位的偏差的偏差量檢測裝置，該偏差的形式為沿相互垂直的X和Y方向的偏差及角度θ；一個用于將電子元件安裝到電路基片上的安裝嘴，電子元件從拾取嘴被傳送到該安裝嘴，并且該安裝嘴可以沿Y方向移動和可以繞與X和Y方向中的任一方向垂直的軸線為中心旋轉；以及一個用于支承電路基片的基片平臺，其中，當電子元件從拾取嘴被傳送到安裝嘴時，校正沿X和Y方向的偏差及角度θ以進行控制使電子元件具有相對于安裝嘴的預定空間方位。
全文摘要
本發明提供一種可以處理高密度安裝、較窄間距安裝、腔體安裝等的安裝方法。在該安裝方法中，獲得拾取嘴從晶片上拾取并吸持的芯片相對于參考空間方位的偏差量，并且當將芯片傳送到安裝嘴以實際將芯片安裝到基片上時，考慮偏差量并進行偏差量校正，以使安裝嘴以一固定的空間方位吸持芯片。
文檔編號H05K3/30GK1615077SQ20031010345
公開日2005年5月11日 申請日期2003年11月3日 優先權日2003年11月3日
發明者水野亨, 淺倉伴視, 伊藤正利, 金子正明, 宮腰敏暢 申請人:Tdk株式會社