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CN1179405C - 用于结合力控制的装置和方法 - Google Patents

用于结合力控制的装置和方法 Download PDF

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CN1179405C CNB021263361A CN02126336A CN1179405C CN 1179405 C CN1179405 C CN 1179405C CN B021263361 A CNB021263361 A CN B021263361A CN 02126336 A CN02126336 A CN 02126336A CN 1179405 C CN1179405 C CN 1179405C
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Abstract

本发明涉及一种提供结合力控制的装置和方法。包括产生初步结合力的装置，产生与该初步结合力相同或相反方向的补偿结合力的装置，由此，可以控制包括该初步结合力和该补偿结合力之和的结合力。

Description

用于结合力控制的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种装置和方法，用于结合力控制(bond forcecontrol)，更具体而言是管芯结合操作(die bonding operation)中的控制。
背景技术
在半导体组装和制造工艺的管芯结合操作中，结合头可在第一位置拾取管芯(可能是如半导体集成电路装置之类的电子装置)，且将管芯移动到第二位置，在该第二位置，管芯将被结合到诸如线路板之类的基层。然后，结合头向下移动(如已知的Z向)，直到管芯接触到基层为止。为在结合操作中施加需要的结合力，结合头可被驱动向下，进一步在管芯上施加所需要的力。
控制结合力的装置和方法需要满足许多互相冲突的要求。例如，它们最好应能够在宽范围上施加结合力，应易于反馈和控制，并且，应能够快速响应所需结合力的变化。
至今为止的现有技术不能令人满意地满足理想的结合力控制的所有要求。传统的结合力控制是使用压缩弹簧、或气动致动器、或螺线管来达到的，在此，将示出一些传统的结合力控制技术。
图1示出压缩弹簧类型的系统。在该系统中，压缩弹簧1安装在结合头3中，并且在与支撑管芯的夹头相连接的移动组件2上施加力。在管芯结合操作中，管芯被保持(如用真空)在作为移动组件2组成部分的夹头上。结合头沿Z向向下移动，直到管芯与基层相接触。结合头3为了施加结合力继续沿Z向移动，以便压缩弹簧1抵靠移动组件2，并且，通过夹头在管芯上施加结合力。
为避免移动组件2在结合头3的移动过程中的过度震动，弹簧1通常预加负载，并且预加负载量直接影响可施加的最小结合力。预加负载越大，可施加的最小结合力就越大。这是因为，当夹头和管芯与基层(其是刚性表面)相接触时，抵抗弹簧推动夹头和管芯的反作用力将大于弹簧的预加负载。这意味着，如果需要非常小的结合力，则弹簧也必须非常小，但这反过来产生移动中结合头震动较大的不利结果，因此在结合操作中需要较长的稳定时间。
仅减小弹簧预加负载，以能够施加小的结合力产生的另一问题是，弹簧与移动组件2和结合头3的接触可能很差，且结合力可能是非线性的。可以通过减小弹簧常数k，以便能够同时获得较大的压缩长度、良好的接触和小的预加负载来缓和该情况。然而，代价是弹簧产生的输出力范围减小，并且，该方法实际仅能用在小结合力的应用场合。
美国专利5950903公开了一种类似于使用压缩弹簧的系统，但使用片簧，而不是压缩弹簧。
图2示出使用气动致动器代替压缩弹簧的现有技术实施例的示意图。压力腔4配备在结合头的壳体6中，并且向上作用移动夹头组件5。在该方案中，通过控制压力腔4中的压力，能够施加可变的结合力。然而，该设计的问题在于，响应时间缓慢。如果使用压力调节器控制腔4中的压力，对于实时闭环控制系统，响应时间非常缓慢，而代以使用开环控制。一个相关的缺点是其具有相对较大的冲击力。在管芯接触基层表面时，产生向上作用在管芯的冲出力。如果冲击力太大，就能毁坏管芯，但是，气动系统缓慢的响应时间使得控制冲击力非常困难。非常精确地控制结合力也很困难。在如美国专利3,727,822，4,603,802，5,230,458和5,696,329实施例所公开的螺线管系统中，螺线管被用于代替压缩弹簧或气动致动器，以提供结合力。螺线管系统有许多优点，包括响应时间快，具有结合闭环控制的能力，和便于精确控制。然而，主要缺点是输出的结合力相对较小，并且，为了当其需要时产生大的结合力，就必须使用大而且相应重的螺线管。螺线管系统一般仅适于使用在需要小结合力的应用场合。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种装置和方法，可提供结合力(bondforce)控制，以利于在很宽的取值范围内形成结合力，允许快速反应和封闭环控制，且设计和制造都很简单。
因而，按照本发明，提供一种在管芯结合操作中提供结合力的装置，其包含形成初步结合力的装置，形成补偿结合力的装置，以及控制该补偿结合力的装置，藉此，可以控制包含有该初步结合力和该补偿结合力的结合力总和。
按照本发明的第二个方面，提供一种在管芯结合操作中形成所需的结合力的方法，其包含：提供初步结合力，在与该初步结合力相同或相反的方向形成补偿结合力，总计(summing)该初步结合力和该补偿结合力形成所述结合力，以及控制该补偿结合力的量值(magnitude)和符号(sign)以控制所述形成的结合力。
按照本发明的第三个方面，提供一种控制管芯结合操作中的冲击力的方法，包含移动一个在基层上的第一方向支承一个管芯的结合头，以及提供一种装置，其在该管芯在该基层上冲击时，在与所述第一方向相反的方向形成补偿力。
按照本发明的第四个方面，提供一种在所述结合头平移移动过程中防止管芯结合头中的夹头组件震动的方法，包含在所述被移动后，形成一个力，以相对于一个止动装置(a stop means)移动所述夹头组件。
附图说明
现采用实施例并结合附图来描述本发明的一个技术方案，其中：
图1为现有技术实例1的剖视图；
图2为现有技术实例2的剖视图；
图3为本发明的一个实施方案的剖视图，示出了一个小结合力的应用，以及
图4为图3中的实施例的剖视图，示出了一个大的结合力的应用。
具体实施方式
现参照图3和图4描述本发明的一个实施方案。如将在下列叙述中所详细了解到的，本发明一个重要的方面是：该装置和方法涉及到供给一个第一初步结合力发生装置，诸如压缩弹簧，以及一个第二补偿结合力发生装置，其能够快速准确地产生一个补偿力，该补偿力可以是正的，也可以是负的，以供良好地控制该初步结合力。这个补偿结合力可以由诸如马达来产生。
参照图3和图4，按照本发明的一个实施方案的一个结合头包含—个支承该结合力发生装置的支架10。第一结合力发生装置包括一个压缩弹簧11，该弹簧11固定在轴12和下文将要描述的供结合力马达置放的座25之间，压缩弹簧11上设有预负载P，且能通过滑动座16在夹头组件14及管芯15上动作。力传感器17设置于滑动座16和夹头组件14之间。夹头组件14固定于滑动座16上，滑动座16和轴承18一起形成，允许滑动座16相对于滑动器(slider)19滑动，滑动器的其中两个形成为平行于弹簧11、滑动座16、力传感器17和夹头组件14的轴(该轴位于Z向)。因而可以理解，夹头组件14可以在Z向上相对于支架10而滑动。夹头组件14适于通过抽吸来拾取和抓持半导体管芯15。
以结合力马达的型式提供一个补偿结合力发生装置，其包括一个环形磁体21，其环绕于弹簧11，且介于铁磁芯体22和铁磁盘23之间。结合力马达线圈24由线圈座25支承，且置于在盘23和芯体22向下延伸的环形法兰部分之间围成的环形空间内。可以理解的是，通过向马达线圈24施加电流，可以在Z向产生一个力，其向上作用夹头组件14。依照线圈24内的电流方向，该力可以是正的(亦即，在Z向朝下向着基层)，也可以是负的(亦即，在Z向朝上背离基层)，且将作用于压缩弹簧。如在下述中可见的，施加于线圈24的电流可以感应力传感器的输出而被控制，以提供该结合力的闭环控制。
现在按下列情形来描述本发明的实施方案的操作：(a)需要小结合力(b)需要大结合力。
可以理解，结合头开始时被移动到一个拾取半导体管芯的位置。使用常规的真空技术，管芯可以被夹头组件14抓持，且被携带到一个预备位置(boding location)，在该处管芯将被与基层结合。然后结合头被沿Z向向下移动，直到管芯接触到基层。该点可以被力传感器探知。
可以认为第一种情形(a)能由公式F＜Fmmax+P来描述，其中F为所需要的结合力，P为压缩弹簧的预负载，且Fmmax为由结合力马达产生的最大力。在该情形下，结合力可以通过单独改变施加在马达线圈上的电流，改变结合力马达的输出，来加以控制。特别地，如果所需要的结合力大于压缩弹簧的预负载，通过结合力马达对弹簧的预负载P的额外作用，能够产生一个正力Fm，以通过所需的结合力。力传感器可以被用于提供一个施加于线圈上的电流反馈控制，以使结合马达力被精确地控制，其反而将精确地控制结合力。类似地，如果所需的结合力F小于弹簧的预负载P，可以通过向结合力马达施加一个反向的电流，以使结合力马达产生一个向上作用于压缩弹簧的负力来实现上述效果。同样，通过使用力传感器的闭环控制，可以精确地控制该负结合马达力。
可以认为情形(b)能由公式F≥Fmmax+P来描述，在该情形下，通过控制结合力马达的力Fm和产生于弹簧的力Fs，以获得所需的结合力。通过与上述相同的向马达线圈施加电流的方法，来控制结合力马达上所产生的力。通过更加向下向着基层表面移动结合头，来控制产生于弹簧的力。夹头组件和管芯不能被进一步移动，因而在图4中的箭头A方向上，有一个夹头组件和管芯的相对移动Z，其将弹簧压缩一个距离Z，且产生于弹簧的力将增加到P+kz，其中k是弹簧的弹性常数。因而，总结合力为Fm+P+kz，且其可以通过响应力传感器的闭环控制，改变给马达线圈的电流来改变Fm，而被快速精确地控制。
在实践中，情形(a)和(b)可能不是总能被限定得很清楚，且其间的界限也可能不清楚。尤其是(b)的方法，其中弹簧力组分通过驱动结合头来增加，可以应用于通过情形(a)。
可以理解的是，在本发明的这一实施方案中，以压缩弹簧的型式提供了一个初步结合力发生装置(虽然它可以由片弹簧或气动致动器来替换)。然而另外，还以结合力马达的型式提供了补偿结合力发生装置。压缩弹簧以其所有的优点(构造简单，结合力变动范围大)提供了结合力的主要部分，但来自结合力马达的额外正或负的补偿结合力，可通过施加在马达线圈上的电流的闭环控制装置来快速精确地控制总结合力。
还应该注意的是，除了在应用高和低结合力两方面提供精确的结合力控制之外，本发明还具有的一个优点是，其可使冲击力最小化。该优点可通过在冲击时以及在结合程序着手之前使结合力马达产生负的结合力来实现。另外，使用本发明该实施方案还有一个优点是：在移动中结合头的震动可以被极小化。特别是在结合头的移动中(也是在接合基层之前的z向)或当在x或y向移动以拾取管芯并将携带到结合位置时，通过使用结合力马达产生负的结合力，使夹头组件相对于结合头的保持架尽量远地向上移动直到接触到终止位置，结合头之中的夹头组件的震动可以被减小。

Claims (13)

1.一种在管芯结合操作中提供结合力的装置，其特征在于，包括：产生初步结合力的装置，产生补偿结合力的装置，和控制补偿结合力的装置，由此，可以控制包括所述初步结合力和所述补偿结合力之和的结合力。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述补偿结合力可指向与所述初步结合力相同的方向，或者指向与所述初步结合力相反的方向。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述初步结合力发生装置包括预加负载的压缩弹簧。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述补偿结合力发生装置包括马达。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括力传感器，用于探测施加的结合力，且用于产生用于控制所述补偿结合力发生装置的输出。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述初步结合力发生装置包括片弹簧或气动致动器。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述初步结合力发生装置可相对管芯抓持装置移动，由此，所述初步结合力发生装置提供的所述结合力的组成部分，可以通过相对所述管芯抓持装置移动初步结合力发生装置而加以变化。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述初步结合力发生装置包括弹簧，且所述补偿结合力发生装置包括带线圈的马达，其中，所述补偿结合力的方向可以通过改变作用在所述马达线圈的电流的方向来改变，且所述装置还包括结合力传感器，用于探测结合力，且用于控制作用在所述马达线的所述电流，从而保持所需的结合力。
9.一种在管芯结合操作中产生所需的结合力的方法，其特征在于，包括：提供初步结合力，产生与所述初步结合力相同或相反方向的补偿结合力，所述初步结合力和所述补偿结合力相加，从而产生所述结合力，和控制所述补偿结合力的大小和符号，从而控制产生的所述结合力。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：包括探测瞬间结合力，和响应所述探测的瞬间结合力控制所述补偿结合力。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述补偿结合力由带线圈的马达产生，且其中所述补偿结合力的大小和符号通过变化作用在线圈电流的大小和方向来控制。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述初步结合力包括预加负载部分，且其中产生的所述结合力包括所述预加负载部分和所述补偿结合力之和。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述补偿结合力包括预加负载部分和可变部分，且其中产生的所述结合力包括所述预加负载部分、所述可变部分及所述补偿结合力之和。
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