专利名称：控制电子组件装配装置中接触载荷的方法
技术领域：
本发明涉及在电子组件装配装置中在将保持在压头上的电子组件装配在安放于载物台上的基板上时控制电子组件与基板之间的接触载荷的方法。
背景技术：
在把诸如裸IC芯片的电子组件装配在基板上的一种方法中，在基板安放在工作台上的同时将电子组件保持在压头上，在电子组件相对于基板放置之后，把压头降低，使得电子组件上的凸点与基板上的对应电极焊盘接触，以使电子组件的凸点和基板上的电极焊盘相键合。在一种键合方法中，在设置在电子组件上的金凸点与基板上的电极焊盘之间施加一定量的载荷以及带有或不带有热能量的超声波能量，以将组件键合在基板上。在另一种方法中，焊接凸点设置在电子组件上，通过施加热量该电子组件被回流，在凸点与基板上的电极焊盘接触之后，使得凸点通过焊接被键合到焊盘。
由于在电子组件电路中的电子布线间距现在为纳米级，低介电常数的材料被用作层间绝缘膜。低介电常数材料的一个问题是它具有低强度并当在键合工艺中处于大载荷下时会产生裂纹，这可导致电子组件的损坏。施加到电子组件的载荷在将保持电子组件的压头降低到基板上的过程中在凸点与基板上的电极焊盘接触时能容易地变得过大，由于层间绝缘膜上的裂纹，该载荷具有损坏使用上述低介电常数的材料的电子组件的风险。
现在，参照图5A到图5D将描述使用焊接带有局部回流工艺的电子组件装配方法。在该方法中，带有焊接凸点的分立电子组件装配在基板上，在此之后使用压头对电子组件加热以回流并将焊接凸点与基板上的电极焊盘键合。
参照图5A到图5D，具有焊接凸点32的电子组件31由压头上的工具30保持。具有焊料或焊剂已经施加于其上的电极焊盘34的基板33被装入和安放在工作台35上。如图5A所示，移动压头以相对基板33上的电极焊盘定位电子组件31的焊接凸点32。如图5B所示，降低压头直到焊接凸点32与电极焊盘34相接触。然后用设置在压头下端的加热器加热电子组件31以回流焊接凸点，使得在电子组件上的电极和电极焊盘34通过焊接接头36被键合，如图5C所示。于是，加热停止，组件被冷却以定位焊接接头36，在此之后，压头释放电子组件31并上升，如图5D所示。随后，从载物台35运走装配电子组件31的基板33。
图6和图7A到7C示出了在该电子组件装配方法中在降低压头的过程中如何控制此压头直到组件31(焊接凸点32)与基板33(电极焊盘34)接触。压头以高速度从预定的等待位置降低到减速起始位置上，减速起始位置被设定在组件和基板之间没有意外接触的风险的位置。从那里压头以大约为0.1mm/s的较低搜索速度被降低。该压头具有以实时方式测量载荷的内置载荷传感器，并且确定载荷是否已经达到了接触载荷的预定检测水平。压头的降低运动以较低速度被连续进行，直到载荷达到检测水平，此时它被减速及停止。用这种方式，使组件以最可能短的时间与基板接触，而在组件接触基板时没有施加冲击载荷的风险。在电子组件与基板接触后，控制装配压头以重复轻微移动和测量载荷的步骤，使得预定载荷被施加给它们(参见第2003-8196号日本专利公开说明书)。
在使组件与基板接触的这个过程中，然而，如图7C所示，压头在时间点E减速，它从检测到检测水平接触载荷的时间点D延迟了d。从时间点E到压头停止的时间点F有e的时间延迟，作为其结果，在停止时间点F的接触载荷远大于第一次被检测到的接触载荷。更具体地说，如果在压头以0.1mm/s的搜索速度移动的同时检测到0.5N的检测水平接触载荷，当压头停止时载荷将为2.0到3.0N一样大。而且，负荷进一步增加并在压头通过大约5到10msec时期内的压头惯性(如图7C中的虚线所示)停止后立即达到峰值。这个大的、瞬时施加的载荷可在低介电常数材料制成的层间绝缘膜中产生裂纹，并损坏电子组件。
本发明的一个目的是解决传统技术中的上述问题，并提供一种控制电子组件装配装置中接触载荷的方法，采用该方法，可精确地把施加到组件上的接触载荷控制到尽可能接近于预定的低水平目标接触载荷，使得能够在没有损坏风险的情况下装配采用低介电常数的电子组件。
发明内容
为实现上述目标，本发明提供了一种控制在用于把电子组件装配在基板上的装置中的接触载荷的方法，在该方法中，压头以高速降低到没有电子组件与基板相接触的风险的减速起始位置，从那里压头以低速降低直到检测到预定目标接触载荷。以低速降低压头的过程包括使压头向下移动预定距离、在使压头向下移动的步骤后测量载荷、以及确定测量的载荷是否已经达到目标接触载荷的步骤。使压头向下移动和测量载荷的步骤被重复直到测量的载荷达到目标接触载荷。
采用该方法，压头向下移动例如0.2到几μm的非常小的距离。并且每次在降低压头后测量该载荷。重复这些把压头向下移动预定距离并测量载荷的步骤，直到测量的接触载荷达到预定的目标水平，由此把接触载荷精确地控制成接近预定的、例如0.4到0.6N的非常小的载荷。因此，可在没有损坏风险的情况下装配采用低介电常数材料的电子组件。
在使压头向下移动的步骤之后和测量载荷的步骤之前，压头停止一段时间以留出测量载荷所需的时间。这使得在下一步骤使压头向下移动之前，能够对载荷做出准确的实时测量，由此有可能对接触载荷实施精确的控制。
可根据预定的目标接触载荷变化地设定在使压头向下移动的步骤中压头向下移动的距离。如果目标接触载荷大，在不使接触载荷相对于目标接触载荷的误差比为高的情况下，使一个降低步骤中的压头移动距离也大，从而减少了以低速降低压头步骤所需的时间。另一方面，如果目标接触载荷小，使一个降低步骤中的压头移动距离也小，以保持接触载荷相对于目标接触载荷的误差比为低，并实现对接触载荷的精确控制。
在测量载荷为零时，在使压头向下移动的步骤中的移动距离被设为第一预定距离，而在载荷大于零后，它被设为第二预定距离，第二预定距离小于第一预定距离。从而，以相对大的距离来降低压头直到组件与基板接触和检测到大于零的载荷。用这种方式，减少了以低速降低压头的步骤所需的时间。在接触后，以相对小的距离来降低压头以获得对接触载荷的精确控制。由此在生产率和精度之间实现了良好的平衡。
可根据测量载荷与目标接触载荷的差值来变化地设定第二预定距离。用这种方式，当载荷接近目标接触载荷时用更小的距离来降低压头，目标接触载荷得到更精确的控制。
如果，在载荷大于零后，测量的载荷与测量载荷的步骤中的前面测量的载荷相同，则重复测量载荷的步骤直到检测到不同的载荷。这是为了防止接触载荷控制精度的下降，即如果控制例程的周期与载荷测量时间一样快或快于载荷测量时间，在前面的降低步骤之前测出的载荷可能被检测为当前的载荷，如果根据该测量结果进一步把压头降低预定的距离，接触载荷会大大超出目标接触载荷。
图1是示出在本发明控制电子组件装配装置中的接触载荷方法的一个实施例中的压头结构的示意图；图2是示出同一实施例中接触载荷控制系统的结构的示意图；图3是同一实施例中接触载荷控制操作的流程图；图4是示出同一实施例中在接触载荷控制操作中接触载荷如何随着压头位置而变化的曲线；图5A到5D是示出接触回流型电子组件装配方法过程的流程图；图6是传统接触载荷控制操作的流程图；以及图7A到图7C是示出在接触载荷控制操作中接触载荷如何随着压头位置和压头速度而变化的曲线。
具体实施例方式
下文将参照图1到图4来描述本发明在电子组件装配装置中的接触载荷控制方法的一个实施例。
参照图1，1表示在电子组件装配装置中的压头。可向上和向下移动的压头体2包括在其下半部的轴3以使向上和向下可移动。轴3通过压头体2的下端支承框架2a向下伸展，并且凭借用于平衡包括轴3的可移动部件重量的弹簧4被支承于下端的支承框架2a上。轴3的下端设有通过空吸来拾取电子组件的工具5。诸如陶瓷加热器的加热装置6及用于防止热传导到轴3的水冷套7设置在轴与工具之间。轴3的顶部紧挨着用于测量载荷的载荷传感器8。载荷传感器8的上端紧挨着设置于压头体2上方的大气缸设备9的下端。
大气缸设备9包括借助通过位于上端的空气口9a供给和排放压缩空气而向上和向下移动的内置活塞10。从活塞10的下端伸展的活塞杆10a在末端处与载荷传感器8接触。设置了挡块11，以在啮合位置和收缩位置之间可移动；它通过与形成在活塞10圆周中的凹槽10啮合，来阻止活塞10的降低移动。在轴3的顶部，形成有具有开口顶部的小气缸设备12的气缸室，在该气缸室中向上和向下移动的活塞13在上端与载荷传感器8接触。气缸室设有空气口12a，通过该空气口将压缩空气供给气缸室下半部或将压缩空气从气缸室下半部排放掉。大气缸设备9和小气缸设备12被用作在装配电子组件时对其施加预定载荷。由于在本实施例中是通过调节压头1的位置来控制接触载荷，轴3被固定到压头体2并且与压头体2一起向上和向下移动。如图1所示，如白色箭头所示，通过大气缸设备9的空气口9a供给压缩空气，同时挡块11伸出到啮合位置以固定活塞10，从小气缸设备12的空气口12a排放压缩空气，使得通过弹簧力将活塞13固定在气缸室的下端位置。
用于驱动压头体向上和向下移动的驱动单元14设置在平行于轴3的一侧。驱动单元14由使用滚珠丝杠的进给丝杠装置15和用于旋转该丝杠的马达16组成。
图2示出了用于控制接触载荷的控制单元。载荷传感器输入单元17以例如100msec的周期读取载荷传感器8的输出电压，并将载荷传感器信号输出到马达控制单元18，载荷传感器信号是模拟电压信号。当从机器控制单元20输入开始以低速降低移动的命令信号时，马达控制单元根据预设的操作程序，参考载荷传感器信号并把控制信号输出给用于驱动马达16的马达驱动器19。
载荷传感器信号也被从载荷传感器输入单元17输入给机器控制单元20，使得测量的载荷显示在显示器21上。马达16用于使压头体2在不存在电子组件和基板意外接触的风险的减速起始位置与电子组件和基板接触的位置之间向上及向下移动。压头1通过另一个由机器控制单元20所控制的提升装置(未示出)以高速从等待位置向下移到减速起始位置。当接收到表示压头已经达到减速起始位置的检测信号时，机器控制单元20将开始减慢降低运动的命令输出给马达控制单元18。
接下来，将参照图3和图4来描述通过经马达控制单元18控制马达16的驱动来如何控制接触载荷。首先，如上所述以高速将压头降低到减速起始位置(步骤S1)。将降低压头的预定距离n设定为例如1到几个μm的n1(步骤S2)。驱动马达16以把压头体2或由工具5所保持的电子组件降低预定的距离n(或n1)(步骤S3)。使用定时器使压头停一段设定的时间，例如几十msec，用于等待来自载荷传感器8的信号变化(步骤S4)。然后读取载荷传感器信号(步骤S5)，并确定所测量到的载荷是否为零(步骤S6)。如果载荷为零，重复步骤S3到S6，即将压头降低n1并重复读取载荷直到检测到大于零的载荷。
当载荷在步骤S6超过零，则把降低压头的预定距离n设定为例如0.2到1.0μm的n2(步骤S7)。然后，确定该载荷是否与在前面步骤检测到的载荷相同(步骤S8)。由于这里的载荷通常与前面检测到的载荷不同，处理进到确定载荷是否已经到达例如0.5N的预定目标接触载荷的下一步骤S9(步骤S9)。如果载荷还没有到达目标接触载荷，处理返回到步骤S3，并重复步骤S3到S9，即将压头降低n2并重复读取载荷直到载荷达到目标水平。当在步骤S9确定载荷已经达到目标水平时，停止减速降低移动。因此，电子组件和基板之间的接触载荷被精确控制到接近预定的目标接触载荷。
如果在步骤S8载荷与前面检测到的载荷相同，则压头不会进一步向下移动，并且该处理返回到步骤S5以重复读取测量的载荷。这是为了防止接触载荷控制精度的下降如果控制例程的周期与载荷测量时间一样快或快于载荷测量时间，在前面的降低步骤之前测出的载荷可能被检测为当前的载荷，如果根据该测量结果进一步把压头降低预定的距离，接触载荷会大大超出目标水平。
根据上述实施例，压头向下移动例如0.2到几μm非常小的距离，并且每次在降低压头之后测量载荷。重复这些把压头向下移动预定距离并测量载荷的步骤，直到接触载荷达到预定的目标接触载荷，由此把接触载荷精确地控制成接近预定的、例如0.4到0.6N的非常小的载荷。因此，可在没有损坏风险的情况下装配采用低介电常数材料的电子组件。
只要测出的载荷为零，在降低压头的步骤压头向下移动的预定距离n就被设为n1(1到几μm)，而在测出的载荷大于零后，它被设为小于n1的n2(0.2到1.0μm)，使得用相对大的距离来降低压头直到组件与基板接触和检测到大于零的载荷。用这种方式，减少了以低速降低压头的步骤所需的时间。在接触后，以相对小的预定距离来降低压头以获得对接触载荷的精确控制。由此在生产率和精度之间实现了良好的平衡。
虽然在上述实施例中将第二预定距离n2设为常数值，也可根据测量载荷与目标接触载荷的差值来变化地设定它。用这种方式，当载荷接近目标接触载荷时用更小的预定距离来降低压头，目标接触载荷得到更精确的控制。
虽然在上述实施例中在以低速降低压头的步骤中与目标接触载荷不相干地来设定移动距离n，可使用适当的转换方程或参考预设的表格根据预定目标接触载荷来变化地设定它。如果目标接触载荷大，在不使接触载荷相对于目标水平的误差比为高的情况下，使一个降低步骤中的压头移动距离也大，从而减少了以低速降低压头步骤所需的时间。另一方面，如果目标接触载荷小，使一个降低步骤中的压头移动距离也小，以保持接触载荷相对于目标水平的误差比为低，并实现对接触载荷的精确控制。
工业适用性如上所述，根据本发明控制电子组件装配装置中的接触载荷的方法，在一个降低步骤中压头的移动距离被设定为非常小，并每次在降低压头后测量载荷。重复这些使压头向下移动预定的距离并测量载荷的步骤直到接触载荷达到目标接触载荷，由此，控制载荷被精确地控制成接近目标载荷，目标接触载荷可设置得非常小。因此，本发明特别适用于装配使用低介电常数的电子组件，因为可以在没有损坏风险的情况下来装配这样的电子组件。
权利要求
1.一种控制在用于把电子组件装配在基板上的装置中的接触载荷的方法，其中，压头以高速降低到没有电子组件与基板相接触的风险的减速起始位置(S1)，从那里压头以低速降低直到检测到预定的目标接触载荷，其特征在于以低速降低压头的过程包括使压头向下移动预定距离(S3)、在使压头向下移动的步骤后测量载荷(S5)、以及确定所测量的载荷是否已经达到目标接触载荷(S9)的步骤，使压头向下移动(S3)和测量载荷的步骤(S5)被重复直到测量的载荷达到所述预定的目标接触载荷。
2.如权利要求1所述的控制在用于装配电子组件的装置中的接触载荷的方法，其特征在于在使压头向下移动(S3)之后和测量载荷(S5)之前，压头停止一段设定的时间。
3.如权利要求1所述的控制在用于装配电子组件的装置中的接触载荷的方法，其特征在于根据所述目标接触载荷变化地设定在使压头向下移动的步骤(S3)中压头向下移动的距离。
4.如权利要求1所述的控制在用于装配电子组件的装置中的接触载荷的方法，其特征在于在测量载荷为零时，在使压头向下移动的步骤(S3)中的移动距离被设为第一预定距离(S2)，而在载荷大于零后，所述移动距离被设为第二预定距离(S7)，所述第二预定距离小于所述第一预定距离。
5.如权利要求4所述的控制在用于装配电子组件的装置中的接触载荷的方法，其特征在于根据所述测量载荷与所述目标接触载荷的差值来变化地设定所述第二预定距离。
6.如权利要求1所述的控制在用于装配电子组件的装置中的接触载荷的方法，其特征在于在载荷大于零后，当测量的载荷与测量载荷的步骤(S5)中的前面测量到的载荷相同时，则重复测量载荷的步骤(S5)直到检测到不同的载荷。
全文摘要
一种控制在用于把电子组件装配在基板上的装置中的接触载荷的方法，其中，压头以高速降低到没有电子组件与基板相接触的风险的减速起始位置(S1)，从那里压头以低速降低直到检测到预定的目标接触载荷。以低速降低压头的处理包括使压头向下移动预定距离(S3)、在使压头向下移动的步骤后测量载荷(S5)、以及确定所测量的接触载荷是否已经达到目标接触载荷(S9)的步骤，使压头向下移动(S3)和测量载荷的步骤(S5)被重复直到测量的载荷达到所述预定的目标接触载荷。实际的接触载荷被精确地控制到接近目标接触载荷非常小的设定水平。因此，可在没有损坏风险的情况下装配采用低介电常数材料的电子组件。
文档编号B23K3/08GK1905981SQ200580001891
公开日2007年1月31日 申请日期2005年8月31日 优先权日2004年9月1日
发明者平田修一, 上野康晴, 森川诚, 吉田浩之, 吉田典晃 申请人:松下电器产业株式会社