專利名稱：用于結(jié)合力控制的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種裝置和方法，用于結(jié)合力控制(bond forcecontrol)，更具體而言是模片結(jié)合操作(die bonding operation)中的控制。
控制結(jié)合力的裝置和方法需要滿足許多互相沖突的要求。例如，它們最好應(yīng)能夠在寬范圍上施加結(jié)合力，應(yīng)易于反饋和控制，并且，應(yīng)能夠快速響應(yīng)所需結(jié)合力的變化。
至今為止的現(xiàn)有技術(shù)不能令人滿意地滿足理想的結(jié)合力控制的所有要求。傳統(tǒng)的結(jié)合力控制是使用壓縮彈簧、或氣動(dòng)致動(dòng)器、或螺線管來達(dá)到的，在此，將示出一些傳統(tǒng)的結(jié)合力控制技術(shù)。


圖1示出壓縮彈簧類型的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，壓縮彈簧1安裝在結(jié)合頭3中，并且在與支撐模片的夾頭相連接的移動(dòng)組件2上施加力。在模片結(jié)合操作中，模片被保持(如用真空)在作為移動(dòng)組件2組成部分的夾頭上。結(jié)合頭沿Z向向下移動(dòng)，直到模片與基層相接觸。結(jié)合頭3為了施加結(jié)合力繼續(xù)沿Z向移動(dòng)，以便壓縮彈簧1抵靠移動(dòng)組件2，并且，通過夾頭在模片上施加結(jié)合力。
為避免移動(dòng)組件2在結(jié)合頭3的移動(dòng)過程中的過度震動(dòng)，彈簧1通常預(yù)加負(fù)載，并且預(yù)加負(fù)載量直接影響可施加的最小結(jié)合力。預(yù)加負(fù)載越大，可施加的最小結(jié)合力就越大。這是因?yàn)?，?dāng)夾頭和模片與基層(其是剛性表面)相接觸時(shí)，抵抗彈簧推動(dòng)夾頭和模片的反作用力將大于彈簧的預(yù)加負(fù)載。這意味著，如果需要非常小的結(jié)合力，則彈簧也必須非常小，但這反過來產(chǎn)生移動(dòng)中結(jié)合頭震動(dòng)較大的不利結(jié)果，因此在結(jié)合操作中需要較長的穩(wěn)定時(shí)間。
僅減小彈簧預(yù)加負(fù)載，以能夠施加小的結(jié)合力產(chǎn)生的另一問題是，彈簧與移動(dòng)組件2和結(jié)合頭3的接觸可能很差，且結(jié)合力可能是非線性的。可以通過減小彈簧常數(shù)k，以便能夠同時(shí)獲得較大的壓縮長度、良好的接觸和小的預(yù)加負(fù)載來緩和該情況。然而，代價(jià)是彈簧產(chǎn)生的輸出力范圍減小，并且，該方法實(shí)際僅能用在小結(jié)合力的應(yīng)用場合。
美國專利5950903公開了一種類似于使用壓縮彈簧的系統(tǒng)，但使用片簧，而不是壓縮彈簧。
圖2示出使用氣動(dòng)致動(dòng)器代替壓縮彈簧的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施例的示意圖。壓力腔4配備在結(jié)合頭的殼體6中，并且向上作用移動(dòng)夾頭組件5。在該方案中，通過控制壓力腔4中的壓力，能夠施加可變的結(jié)合力。然而，該設(shè)計(jì)的問題在于，響應(yīng)時(shí)間緩慢。如果使用壓力調(diào)節(jié)器控制腔4中的壓力，對(duì)于實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間非常緩慢，而代以使用開環(huán)控制。一個(gè)相關(guān)的缺點(diǎn)是其具有相對(duì)較大的沖擊力。在模片接觸基層表面時(shí)，產(chǎn)生向上作用在模片的沖出力。如果沖擊力太大，就能毀壞模片，但是，氣動(dòng)系統(tǒng)緩慢的響應(yīng)時(shí)間使得控制沖擊力非常困難。非常精確地控制結(jié)合力也很困難。在如美國專利3,727,822，4,603,802，5,230,458和5,696,329實(shí)施例所公開的螺線管系統(tǒng)中，螺線管被用于代替壓縮彈簧或氣動(dòng)致動(dòng)器，以提供結(jié)合力。螺線管系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，包括響應(yīng)時(shí)間快，具有結(jié)合閉環(huán)控制的能力，和便于精確控制。然而，主要缺點(diǎn)是輸出的結(jié)合力相對(duì)較小，并且，為了當(dāng)其需要時(shí)產(chǎn)生大的結(jié)合力，就必須使用大而且相應(yīng)重的螺線管。螺線管系統(tǒng)一般僅適于使用在需要小結(jié)合力的應(yīng)用場合。
因而，按照本發(fā)明，提供一種在模片結(jié)合操作中提供結(jié)合力的裝置，其包含形成初步結(jié)合力的裝置，形成補(bǔ)償結(jié)合力的裝置，以及控制該補(bǔ)償結(jié)合力的裝置，藉此，可以控制包含有該初步結(jié)合力和該補(bǔ)償結(jié)合力的結(jié)合力總和。
按照本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供一種在模片結(jié)合操作中形成所需的結(jié)合力的方法，其包含提供初步結(jié)合力，在與該初步結(jié)合力相同或相反的方向形成補(bǔ)償結(jié)合力，總計(jì)(summing)該初步結(jié)合力和該補(bǔ)償結(jié)合力形成所述結(jié)合力，以及控制該補(bǔ)償結(jié)合力的量值(mgnitude)和符號(hào)(sign)以控制所述形成的結(jié)合力。
按照本發(fā)明的第三個(gè)方面，提供一種控制模片結(jié)合操作中的沖擊力的方法，包含移動(dòng)一個(gè)在基層上的第一方向支承一個(gè)模片的結(jié)合頭，以及提供一種裝置，其在該模片在該基層上沖擊時(shí)，在與所述第一方向相反的方向形成補(bǔ)償力。
按照本發(fā)明的第四個(gè)方面，提供一種在所述結(jié)合頭平移移動(dòng)過程中防止模片結(jié)合頭中的夾頭組件震動(dòng)的方法，包含在所述被移動(dòng)后，形成一個(gè)力，以相對(duì)于一個(gè)止動(dòng)裝置(a stop means)移動(dòng)所述夾頭組件。
參照?qǐng)D3和圖4，按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)結(jié)合頭包含一個(gè)支承該結(jié)合力發(fā)生裝置的支架10。第一結(jié)合力發(fā)生裝置包括一個(gè)壓縮彈簧11，該彈簧11固定在軸12和下文將要描述的供結(jié)合力馬達(dá)置放的座25之間，壓縮彈簧11上設(shè)有預(yù)負(fù)載P，且能通過滑動(dòng)座16在夾頭組件14及模片15上動(dòng)作。力傳感器17設(shè)置于滑動(dòng)座16和夾頭組件14之間。夾頭組件14固定于滑動(dòng)座16上，滑動(dòng)座16和軸承18一起形成，允許滑動(dòng)座16相對(duì)于滑動(dòng)器(slider)19滑動(dòng)，滑動(dòng)器的其中兩個(gè)形成為平行于彈簧11、滑動(dòng)座16、力傳感器17和夾頭組件14的軸(該軸位于Z向)。因而可以理解，夾頭組件14可以在Z向上相對(duì)于支架10而滑動(dòng)。夾頭組件14適于通過抽吸來拾取和抓持半導(dǎo)體模片15。
以結(jié)合力馬達(dá)的型式提供一個(gè)補(bǔ)償結(jié)合力發(fā)生裝置，其包括一個(gè)環(huán)形磁體21，其環(huán)繞于彈簧11，且介于鐵磁芯體22和鐵磁盤23之間。結(jié)合力馬達(dá)線圈24由線圈座25支承，且置于在盤23和芯體22向下延伸的環(huán)形法蘭部分之間圍成的環(huán)形空間內(nèi)。可以理解的是，通過向馬達(dá)線圈24施加電流，可以在Z向產(chǎn)生一個(gè)力，其向上作用夾頭組件14。依照線圈24內(nèi)的電流方向，該力可以是正的(亦即，在Z向朝下向著基層)，也可以是負(fù)的(亦即，在Z向朝上背離基層)，且將作用于壓縮彈簧。如在下述中可見的，施加于線圈24的電流可以感應(yīng)力傳感器的輸出而被控制，以提供該結(jié)合力的閉環(huán)控制。
現(xiàn)在按下列情形來描述本發(fā)明的實(shí)施方案的操作(a)需要小結(jié)合力(b)需要大結(jié)合力。
可以理解，結(jié)合頭開始時(shí)被移動(dòng)到一個(gè)拾取半導(dǎo)體模片的位置。使用常規(guī)的真空技術(shù)，模片可以被夾頭組件14抓持，且被攜帶到一個(gè)預(yù)備位置(boding location)，在該處模片將被與基層結(jié)合。然后結(jié)合頭被沿Z向向下移動(dòng)，直到模片接觸到基層。該點(diǎn)可以被力傳感器探知。
可以認(rèn)為第一種情形(a)能由公式F＜Fmmax+P來描述，其中F為所需要的結(jié)合力，P為壓縮彈簧的預(yù)負(fù)載，且Fmmax為由結(jié)合力馬達(dá)產(chǎn)生的最大力。在該情形下，結(jié)合力可以通過單獨(dú)改變施加在馬達(dá)線圈上的電流，改變結(jié)合力馬達(dá)的輸出，來加以控制。特別地，如果所需要的結(jié)合力大于壓縮彈簧的預(yù)負(fù)載，通過結(jié)合力馬達(dá)對(duì)彈簧的預(yù)負(fù)載P的額外作用，能夠產(chǎn)生一個(gè)正力Fm，以通過所需的結(jié)合力。力傳感器可以被用于提供一個(gè)施加于線圈上的電流反饋控制，以使結(jié)合馬達(dá)力被精確地控制，其反而將精確地控制結(jié)合力。類似地，如果所需的結(jié)合力F小于彈簧的預(yù)負(fù)載P，可以通過向結(jié)合力馬達(dá)施加一個(gè)反向的電流，以使結(jié)合力馬達(dá)產(chǎn)生一個(gè)向上作用于壓縮彈簧的負(fù)力來實(shí)現(xiàn)上述效果。同樣，通過使用力傳感器的閉環(huán)控制，可以精確地控制該負(fù)結(jié)合馬達(dá)力。
可以認(rèn)為情形(b)能由公式F≥Fmmax+P來描述，在該情形下，通過控制結(jié)合力馬達(dá)的力Fm和產(chǎn)生于彈簧的力Fs，以獲得所需的結(jié)合力。通過與上述相同的向馬達(dá)線圈施加電流的方法，來控制結(jié)合力馬達(dá)上所產(chǎn)生的力。通過更加向下向著基層表面移動(dòng)結(jié)合頭，來控制產(chǎn)生于彈簧的力。夾頭組件和模片不能被進(jìn)一步移動(dòng)，因而在圖4中的箭頭A方向上，有一個(gè)夾頭組件和模片的相對(duì)移動(dòng)Z，其將彈簧壓縮一個(gè)距離Z，且產(chǎn)生于彈簧的力將增加到P+kz，其中k是彈簧的彈性常數(shù)。因而，總結(jié)合力為Fm+P+kz，且其可以通過響應(yīng)力傳感器的閉環(huán)控制，改變給馬達(dá)線圈的電流來改變Fm，而被快速精確地控制。
在實(shí)踐中，情形(a)和(b)可能不是總能被限定得很清楚，且其間的界限也可能不清楚。尤其是(b)的方法，其中彈簧力組分通過驅(qū)動(dòng)結(jié)合頭來增加，可以應(yīng)用于通過情形(a)。
可以理解的是，在本發(fā)明的這一實(shí)施方案中，以壓縮彈簧的型式提供了一個(gè)初步結(jié)合力發(fā)生裝置(雖然它可以由片彈簧或氣動(dòng)致動(dòng)器來替換)。然而另外，還以結(jié)合力馬達(dá)的型式提供了補(bǔ)償結(jié)合力發(fā)生裝置。壓縮彈簧以其所有的優(yōu)點(diǎn)(構(gòu)造簡單，結(jié)合力變動(dòng)范圍大)提供了結(jié)合力的主要部分，但來自結(jié)合力馬達(dá)的額外正或負(fù)的補(bǔ)償結(jié)合力，可通過施加在馬達(dá)線圈上的電流的閉環(huán)控制裝置來快速精確地控制總結(jié)合力。
還應(yīng)該注意的是，除了在應(yīng)用高和低結(jié)合力兩方面提供精確的結(jié)合力控制之外，本發(fā)明還具有的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，其可使沖擊力最小化。該優(yōu)點(diǎn)可通過在沖擊時(shí)以及在結(jié)合程序著手之前使結(jié)合力馬達(dá)產(chǎn)生負(fù)的結(jié)合力來實(shí)現(xiàn)。另外，使用本發(fā)明該實(shí)施方案還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在移動(dòng)中結(jié)合頭的震動(dòng)可以被極小化。特別是在結(jié)合頭的移動(dòng)中(也是在接合基層之前的z向)或當(dāng)在x或y向移動(dòng)以拾取模片并將攜帶到結(jié)合位置時(shí)，通過使用結(jié)合力馬達(dá)產(chǎn)生負(fù)的結(jié)合力，使夾頭組件相對(duì)于結(jié)合頭的保持架盡量遠(yuǎn)地向上移動(dòng)直到接觸到終止位置，結(jié)合頭之中的夾頭組件的震動(dòng)可以被減小。
權(quán)利要求
1.一種在模片結(jié)合操作中提供結(jié)合力的裝置，其特征在于，包括產(chǎn)生初步結(jié)合力的裝置，產(chǎn)生補(bǔ)償結(jié)合力的裝置，和控制補(bǔ)償結(jié)合力的裝置，由此，可以控制包括所述初步結(jié)合力和所述補(bǔ)償結(jié)合力之和的結(jié)合力。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述補(bǔ)償結(jié)合力可指向與所述初步結(jié)合力相同的方向，或者指向與所述初步結(jié)合力相反的方向。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述初步結(jié)合力發(fā)生裝置包括預(yù)加負(fù)載的壓縮彈簧。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述補(bǔ)償結(jié)合力發(fā)生裝置包括馬達(dá)。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還包括力傳感器，用于探測施加的結(jié)合力，且用于產(chǎn)生用于控制所述補(bǔ)償結(jié)合力發(fā)生裝置的輸出。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述初步結(jié)合力發(fā)生裝置包括片彈簧或氣動(dòng)致動(dòng)器。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述初步結(jié)合力發(fā)生裝置可相對(duì)模片抓持裝置移動(dòng)，由此，所述初步結(jié)合力發(fā)生裝置提供的所述結(jié)合力的組成部分，可以通過相對(duì)所述模片抓持裝置移動(dòng)初步結(jié)合力發(fā)生裝置而加以變化。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述初步結(jié)合力發(fā)生裝置包括彈簧，且所述補(bǔ)償結(jié)合力發(fā)生裝置包括帶線圈的馬達(dá)，其中，所述補(bǔ)償結(jié)合力的方向和大小可以通過改變作用在所述馬達(dá)線圈的電流的方向來改變，且所述裝置還包括結(jié)合力傳感器，用于探測結(jié)合力，且用于控制作用在所述馬達(dá)線的所述電流，從而保持所需的結(jié)合力。
9.一種在模片結(jié)合操作中產(chǎn)生所需的結(jié)合力的方法，其特征在于，包括提供初步結(jié)合力，產(chǎn)生與所述初步結(jié)合力相同或相反方向的補(bǔ)償結(jié)合力，所述初步結(jié)合力和所述補(bǔ)償結(jié)合力相加，從而產(chǎn)生所述結(jié)合力，和控制所述補(bǔ)償結(jié)合力的大小和符號(hào)，從而控制產(chǎn)生的所述結(jié)合力。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于包括探測瞬間結(jié)合力，和響應(yīng)所述探測的瞬間結(jié)合力控制所述補(bǔ)償結(jié)合力。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述補(bǔ)償結(jié)合力由帶線圈的馬達(dá)產(chǎn)生，且其中所述補(bǔ)償結(jié)合力的大小和符號(hào)通過變化作用在線圈電流的大小和方向來控制。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述初步結(jié)合力包括預(yù)加負(fù)載部分，且其中產(chǎn)生的所述結(jié)合力包括所述預(yù)加負(fù)載部分和所述補(bǔ)償結(jié)合力之和。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述補(bǔ)償結(jié)合力包括預(yù)加負(fù)載部分和可變部分，且其中產(chǎn)生的所述結(jié)合力包括所述預(yù)加負(fù)載部分、所述可變部分及所述補(bǔ)償結(jié)合力之和。
14.一種在模片結(jié)合操作中控制沖擊力的方法，其特征在于，包括朝基層以第一方向移動(dòng)支撐模片的結(jié)合頭，和提供在所述模片與所述基層碰撞時(shí)產(chǎn)生與所述第一方向相反的補(bǔ)償結(jié)合力的裝置。
15.一種在移動(dòng)過程中防止模片結(jié)合頭的夾頭組件震動(dòng)的方法，其特征在于包括在所述結(jié)合頭被移動(dòng)的同時(shí)，產(chǎn)生移動(dòng)所述夾頭組件靠緊止動(dòng)裝置的力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提供結(jié)合力控制的裝置和方法。包括產(chǎn)生初步結(jié)合力的裝置，產(chǎn)生與該初步結(jié)合力相同或相反方向的補(bǔ)償結(jié)合力的裝置，由此，可以控制包括該初步結(jié)合力和該補(bǔ)償結(jié)合力之和的結(jié)合力。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1399320SQ0212633
公開日2003年2月26日 申請(qǐng)日期2002年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月17日
發(fā)明者黃新權(quán), 溫名揚(yáng) 申請(qǐng)人:先進(jìn)自動(dòng)器材有限公司