CN100341125C - 电子部件安装设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种电子部件安装设备，包括：利用等离子体清洁基片和电子部件的室；将电子部件安装到基片上的安装机构；以及将基片和电子部件从上述室传输到安装机构的传输机械人。在经等离子体清洁后，通过传输机械人将基片和电子部件迅速传输到安装机构。在电子部件通过安装机构安装到基片上后，对电子部件和基片的最终结合体进行脉冲加热。因此，在上述电子部件和上述基片暴露在空气中的状态下，将电子部件准确地安装在基片上。部件安装机构得到了简化。

Description

电子部件安装设备及方法

技术领域

本发明涉及一种用于在基片上安装电子部件的设备和方法。

背景技术

公知的技术是在要焊接的诸如电子部件和基片的物体表面上，通过等离子体清洁工艺从该物体表面清除吸附物质并活化该表面，然后这些物体被焊接在一起。这种清洁待焊接物体的方法在一个高真空条件下的室内进行。这些物体的焊接过程同样在该室中进行，以便防止所述物体的表面被氧化和污染。

为了在高真空条件下的室内处理要焊接的物体，有必要对用于焊接物体的保持器和在室内的驱动装置做多种改进。这导致了制造部件安装设备的成本提高。例如，在高真空条件下，不能用普通抽气吸引的方法保持作为焊接物体的电子部件和基片。因此，必须改用静电吸引保持该物体。此外，必须在特别设计用于高真空条件的昂贵的室内使用导向装置或类似装置。为了从外部驱动室内的机构，机械装置必须采用某些密封手段。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种方法，该方法简化电子部件安装设备的结构，并通过等离子体清洁法以更低的成本在基片上安装电子部件。

根据本发明的概括性方面，提供了一种在基片上安装电子部件的电子部件安装设备，该设备包括：在真空条件下利用等离子体清洁基片和电子部件的室；将基片和电子部件从该室内传输到大气空气中的传输装置；安装机构，从传输装置接收电子部件和基片，并在电子部件和基片暴露在大气空气中的状况下在基片上安装电子部件，并在将所述电子部件安装到所述基片上时进行脉冲加热和/或超声震动。

在本发明的优选实施例中，该安装机构包括：保持电子部件的部件保持器；保持基片的基片保持器；和相对于基片保持器移动部件保持器的移动机构，部件保持器和基片保持器中的一个包括在将电子部件安装到基片后用来脉冲加热要保持物体的加热部分。

在另一优选的实施例中，加热部分的加热操作在要保持的物体温度增长的中间停止。

在又一实施例中，部件保持器和基片保持器都包括加热部分。

在再一实施例中，该电子部件安装设备还包括将超声波振动应用到部件保持器上的超声波振动源。

根据本发明的另一概括方面，一种用于在基片上安装电子部件的方法包括以下步骤：在真空条件下利用等离子体清洁基片和电子部件；在电子部件和基片暴露在大气空气中的状态下，在基片上安装电子部件，并在将所述电子部件安装到所述基片上时进行脉冲加热和/或超声震动。

在所述部件安装方法中，在清洁步骤执行完毕并且将电子部件和基片放置在大气空气中之后，安装步骤在10分钟内执行完毕。

同样在所述部件安装方法中，在清洁步骤执行完毕并且将电子部件和基片放置在大气空气中之后，安装步骤在5分钟内执行完毕。

在所述部件安装方法中，在清洁步骤执行完毕并且将电子部件和基片放置在大气空气中之后，安装步骤在3分钟内执行完毕。

此外，所述部件安装方法还包括在清洁步骤执行完毕后，脉冲加热和/或超声震动电子部件和基片中的任一个的步骤。

附图说明

图1是电子部件安装设备的结构的平面图。

图2是电子部件安装设备的结构的侧视图。

图3是电子部件安装设备的结构的另一侧视图。

图4是包括一个工作台和安装头的电子部件安装设备的结构的放大剖视图。

图5是示出了电子部件安装设备的操作流程的流程图。

图6是电子部件安装设备的操作工作台的平面图。

图7是电子部件安装设备的另一操作工作台的平面图。

图8仍是电子部件安装设备的另一操作工作台的平面图。

图9仍是电子部件安装设备的另一操作工作台的平面图。

图10是剪切负荷特征曲线图。

图11是工作台和安装头相结合的另一结构的剖视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图说明本发明的一个实施例。

图1是本发明的实施例的电子部件安装设备的结构平面图。图2和图3是该电子部件安装设备的侧视图。如图1所示，在电子部件安装设备1中，在基座10上设置了室2、安装机构3、传输机械人4。图2示出了从侧面观察的包括室2和传输机械人4的结构。图3示出了从侧面观察的包括安装机构3和传输机械人4的结构。

如图1和图2所示，室2其中包括工作台21。该工作台21是用于静电吸附基片91和电子部件92(例如，薄膜基片和半导体IC对芯片)的静电卡盘。此外，如图2所示，用于产生等离子体的电极211设置在工作台21内，并连接到射频能量源212。可开关的门22设置在室2的一个侧表面上，并靠近传输机械人4。减压泵23和气体供给单元24连接到室2。

如图1和3所示的安装机构3，包括：抽气吸引保持基片91的工作台31；和抽气吸引保持电子部件92的安装头35。该安装台31可在水平面由X-Y平台32移动。该安装头35可由头提升机构36垂直移动，并可由头转动机构37绕一垂直延长线转动。

该传输机械人4的构造如下：如图1所示，移动块42可借助于滚珠螺旋机构及电机在导轨41上沿着该导轨移动。两个臂431和432连接在移动块42上。该臂431和432借助于在移动块42内的相关机构，可在室2和安装机构3之间移动。支撑板441通过抽气吸引的方式吸引基片91并将基片91保持在下表面上，该支撑板441固定在臂431的末端。通过抽气吸引的方式吸引并保持电子部件92的保持板442，在旋转部件443置于该保持板442和臂432之间的状态下安装在臂432的末端。该保持板442能够绕旋转部件443和臂432上下翻转。

图4是示出了包括安装机构3中的工作台31和安装头35的结构的放大剖视图。该工作台包括由基板311组成的多层结构、陶瓷加热器312、和用于保持基片91的吸引板313，该工作台自底层起以上述的顺序分层。多个抽吸孔314延伸通过并贯穿工作台31。陶瓷加热器312连接到电源312a，该电源由一用于控制电子部件安装设备1的整体操作的整体控制单元11来控制。抽吸孔314连接到排出器(未示出)，经由抽吸孔314的抽吸和非抽吸操作之间的转换也由整体控制单元11来控制。

安装头35具有包括主体块351、瓷质加热器352、通过抽气吸引的方式保持电子部件92的吸引工具353的多层结构，该结构自顶层起以上述顺序分层。吸引孔354延伸穿过安装头的该多层结构，陶瓷加热器352也连接到电源312a，并受整体控制单元11的控制。通过吸引孔354的在真空和非真空操作的转换也由整体控制单元11来控制。

图5是示出了电子部件安装设备1(和对电子部件安装设备的操作)的操作流程的流程图。

在电子部件安装设备1运转之前，将基片91和电子部件92传输到室2内，并通过传输装置将其置于工作台21上(步骤S11)。在室2中，使工作台21吸引保持基片91和电子部件92。

此后，关闭门22，使室2内的空气由如图2所示的减压泵23排出，以便形成高真空状态。此外，将诸如氩气的预定类型的气体从气体供给单元24供给到室2内，由此在室2的内部空间中设置了预定的气氛。将高频电力从射频能量源212供给到工作台21的电极211，从而在室2的内壁和工作台21之间生成等离子体。将吸附在基片91或电子部件92的电极(例如，金电极)上的诸如水和有机材料的杂质用等离子体去除。此外，通过等离子体激发，使电极的表面被刻蚀和修改，从而完成所谓的等离子体清洁程序(步骤S12)。

如图6所示，等离子体清洁程序完成后，使室2中的压力恢复到大气压力，打开门22，将支撑板441和442用传输机械人4插入到室2内。此时，使保持器板442翻转并且其吸引表面朝下。使支撑板441和442借助于在移动块42中的相关机构稍向下移动，并分别紧靠在基片91和电子部件92上。将支撑板441和442的每个抽气孔制成像梯形突起的形状，该突起从抽气侧表面突出。使具有如此成形的抽气孔的支撑板441和442紧靠基片91和电子部件92除其电极之外的区域。

然后，去除工作台21的吸引力，使支撑板441和442开始其吸引操作，以便吸引保持基片91和电子部件92。稍向下移动支撑板441和442，并将其从室2内移到外面，从而将基片91和电子部件92从室2内传输到外面(步骤S13)。结果，将基片91和电子部件92暴露在大气中。这时，保持器板442上下翻转，并且如图7所示，将电子部件92保持在保持器板的上表面(步骤S14)。

图8中，如双点划线所指出的，将保持器板442移动到安装机构3的安装头35的正下方，安装头35下降并紧靠在位于保持器板442上的电子部件92上。由安装头35开始吸引操作，同时去除保持器板442的吸引保持。并且，使电子部件92利用安装头35保持在电子部件92的电极直接向下的状态下。稍向上移动安装头35，使之向移动块42缩回。

随后，将支撑板441移动到安装机构3的工作台31的正上方，并且如图8所示，稍向下移动该支撑板441，以便使基片91紧靠在工作台31上。由工作台31开始吸引保持，同时去除支撑板441的吸引保持，用工作台31保持基片91。其后，稍向上移动支撑板441，并使之向移动块42缩回(步骤S15)。

当将基片91和电子部件92转移到安装机构3时，摄像机(未示出)朝工作台31和安装头35之间推进，并摄取基片91的安装区域和电子部件92靠近电极那一侧的表面。然后，图像处理电路计算在基片91上的安装区域的中心和电子部件92的中心之间的偏移量，及一个其绕垂直延长轴线旋转的角偏移量。通过利用这样计算的偏移量，X-Y平台32移动工作台31，使基片91的安装区域的中心同电子部件92的中心对准，并且头转动机构37调整电子部件的方位。然后，如图9所示，安装头35借助于头提升装置36向下移动，同时在暴露到空气中的状态下将电子部件92安装在基片91上(步骤S16)。

在将电子部件安装到基片上时，使安装头35压紧电子部件92的力受到控制，并且在整体控制单元的控制下，将电流短时间供给工作台31和安装头35中的陶瓷加热器312和352(参见图4)。该陶瓷加热器的加热过程在由工作台31和安装头35保持的基片91和电子部件92的温度增长中间停止。结果，在温度的脉冲变化(即，称之为“脉冲加热”)中加热被保持的物体。在脉冲加热中，靠近峰值的持续时间大约为0.5秒。基片91和电子部件92的电极的焊接，即通过原子力在金属原子之间焊接是可靠的，并且电子部件92牢固地固定到基片91上。

当安装完成时，安装头35停止其保持操作并上移，工作台31也停止其保持操作。电子部件安装于其上的基片91由设置在电子部件安装设备1外侧的机械臂传输到另一个地方(步骤S18)。在随后的步骤中，用树脂密封(称为下填充封装，侧填充封装，等等)。

如前所述，在电子部件安装设备1中，使基片91和电子部件92在室2中经受等离子体清洁工序。然后将基片91和电子部件92传输到大气空气中。在使基片91和电子部件92暴露到空气中的状态下，将电子部件92安装到基片91上。下面的描述是确保电子部件92在基片91上正确安装的条件，即使在基片91和电子部件92暴露到空气中的状态下进行安装过程。

图10是一个曲线图，该图示出了时间和力的关系，该时间是使基片91和电子部件92暴露在大气空气中直到该电子部件安装到该基片上的时间，该力是在所述电子部件安装后用于从基片91上去除(剥离)电子部件92所必需的力。绘制在曲线图的纵坐标处的剪切负荷通过划分负荷来获得，当去除电子部件92的安装时，以与电极相同的隆起(bump)数量，在平行于基片91的主要表面的方向上将该负荷施加给电子部件92。在电子部件被安装时施加的负荷(即，对电子部件92的压力)设定为能够将该电子部件正确安装到所述基片上的值。

在图10中，实曲线701表示在安装机构3中，当脉冲加热进行到接近峰值150。℃时剪切负荷的特征。实曲线702表示在安装机构中，当脉冲加热进行到接近峰值100℃时剪切负荷的特征。虚线711和712示出作为参照。这些曲线表示当基片91为了安装(即，当使基片91放置在置于空气中的热板上时)而被连续在150℃和100℃下加热(即，持续加热)时剪切负荷的特征。测量结果通过黑方块表示实曲线701，黑菱形表示实曲线702，白方块表示虚线711，白菱形表示虚线712。

从实曲线701和虚线711或实曲线702和虚线712的比较可以看出，当对基片91持续加热时焊接强度很大程度上低于脉冲加热时的焊接强度。其原因估计如下。当使用持续加热，基片91在被加热的状态下暴露在空气中。于是，这促进了电极表面的氧化。

在测试中，优选地需要25gf或更大的负荷，以便在剪切方向上剥除一个隆起。当使用150°的脉冲热时，从在等离子体清洁进行之后将基片91和电子部件92的周围环境置于大气空气中，直到将该电子部件安装到基片上这段时间(指“空气中停留时间”)，优选地在5分钟内(即使基于实曲线701预计稍长)。类似地，当使用100℃的脉冲热时，基于实曲线702，空气中停留时间优选地在3分钟内。

自然，空气中停留时间越短越好。电子部件安装设备1在从室2打开到安装电子部件期间内优选地不停地运转。将使用温度直到约300℃的脉冲热，并且使用不同形状的电极。考虑到这些因素，空气中停留时间优选地在10分钟内。

如上所述，在使用电子部件安装设备1时，对基片91和电子部件92进行等离子体清洁，然后在暴露在空气中的状态下，将电子部件92迅速安装到基板91上。因此，免去了在压力减小的条件下使用复杂机构将电子部件92安装到基片上的必要性。电子部件安装设备1的结构得到了简化。实现了生产量的增长和相当可观的设备制造成本的降低。

如果控制时间以满足源自曲线图10的条件，并且将电子部件迅速安装到基片上，则使该电子部件92以适当的焊接强度焊接到基片91上，即使在低温下，例如，150°到100℃或100℃或更低。结果，电子部件通过小间距(fine-pitch)焊接被焊接到低阻热和高热膨胀系数的薄膜基片上。

如果突起形成在基片91和电子部件92上的电极处，在本发明中，这些突起被焊接在一起，同时不像传统的技术那样极大的损毁突起。因此，当热应力在焊接部分产生时，应力很少集中在焊接部分上。此外，因为大量的突起变形很少，下填充的湿润性在随后进行的密封过程中是良好的。另外，树脂密封时间减少，残留的气泡减少，并且使用的树脂可以在许多种树脂中选取。

图11示出在电子部件安装设备1中的另一个安装头35。在图1的安装头35中，陶瓷加热器352从图4的安装头35移除，另外设置了以超声波频率震动安装头35的震动装置358。图4的陶瓷加热器312也从工作台31移除。当将电子部件92安装在基片91上时，震动从震动装置358通过主体块351和吸引工具353施加到电子部件92上。

在这种结构中，基片91的电极在常温下(例如，25℃)焊接到电子部件92的电极上。同样当利用超声震动，以便通过等离子体清洁来抑制电极的氧化和电极吸收污染物时，优选地在将电子部件92和基片91放置于大气空气中后，将电子部件92快速安装到基片91上。超声震动和脉冲加热可以结合使用。

当描述了本发明的具体实施例，应该明白本发明不局限于上面提到的设备，而是可以在本发明主旨内有各种修改、变更和改变。

例如，对基片91和电子部件92在上述实施例的一个室2内进行等离子体清洁。如果需要，可以分别在不同的专用室2内对基片91和电子部件92进行清洁，等离子体清洁方法不但基于常规的等离子体方法，而且也基于如DC电流，脉冲电流，磁控管或其它类似的方法。另外，可以利用包括等离子体，诸如快速原子束(FAB)或离子束的方法作为一种等离子体清洁。除氩气外，氮、氧、氟、氢或其它类似气体可以用作等离子体清洁的气体。

在电子部件安装到基片上后，最终结构在上述实施例中被脉冲加热。将基片安装到电子部件上，并且基本上同时(即，安装后立即)可以对最终结构进行脉冲加热。当基片91和电子部件92在安装后被加热时，可以使用脉冲加热以外的另一种加热方式。例如，在加热过程停止后，可以保持该温度。优选地，基片91和电子部件92都被加热。除非弯曲强度相当大地降低，它们中任何一个都被加热。此外，它们每一个都可以被持续加热。优选地，工作台31和安装头35设置有冷却机构，以便阻止热量传递到其它地方。

用于加热工作台31和安装头35的加热器可以选用不是加热丝的其它加热器。

基片91和电子部件92的电极不但可以用金制造，而且可以用铜、铝和锡来制造，或是使用镀有这些材料的电极。基片91是由聚酰亚胺、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或其它材料制成的薄膜基片，也可以是由树脂或陶瓷制成的类板基片。

电子部件安装设备1能很好地适用于具有离散电极的电子部件92、典型的IC对芯片的安装。如有需要，电子部件安装设备1可以用于其他电子部件92的安装。

机械卡盘可以用来在安装机构3中保持基片91和电子部件92。只要安装机构允许电子部件92相对于基片91移动，可以使用任何安装机构来保持基片91和电子部件92。

如前所述，本发明成功简化了电子部件安装设备的结构，提高了生产量，并相当大地降低了制造该设备的成本。此外，本发明可以使电子部件在低温下安装到基片上。

Claims (10)

1、一种将电子部件安装到基片上的电子部件安装设备，包括：

在真空条件下利用等离子体清洁基片和电子部件的室；

将所述电子部件和所述基片从所述室传输到大气空气中的传输装置；

安装机构，从所述传输装置接收所述电子部件和所述基片，并在所述电子部件和所述基片暴露在大气空气中的状态下将所述电子部件安装到所述基片上，并在将所述电子部件安装到所述基片上时进行脉冲加热和/或超声震动。

2、如权利要求1所述的电子部件安装设备，其中所述安装机构包括：保持所述电子部件的部件保持器；保持所述基片的基片保持器；和相对于基片保持器移动所述部件保持器的移动装置，并且

所述部件保持器和所述基片保持器中的一个包括用于脉冲加热在所述电子部件安装到所述基片上后要被保持的物体的加热部分。

3、如权利要求2所述的电子部件安装设备，其中所述加热部分的加热操作在所述要保持的物体温度增长的中间停止。

4、如权利要求2所述的电子部件安装设备，其中所述部件保持器和所述基片保持器都包括所述加热部分。

5、如权利要求2所述的电子部件安装设备，还包括对所述部件保持器施加超声波振动的超声波振动源。

6、一种在基片上安装电子部件的方法，包括下列步骤：

在真空条件下利用等离子体清洁所述基片和所述电子部件；及

在所述电子部件和所述基片暴露在大气空气中的状态下，将所述电子部件安装到所述基片上，且在将所述电子部件安装到所述基片上时进行脉冲加热和/或超声震动。

7、如权利要求6所述的在基片上安装电子部件的方法，其中在所述清洁步骤执行完毕并且将所述电子部件和所述基片放置在大气空气中之后，所述安装步骤在10分钟内执行完毕。

8、如权利要求6所述的在基片上安装电子部件的方法，其中在所述清洁步骤执行完毕并且将所述电子部件和所述基片放置在大气空气中之后，所述安装步骤在5分钟内执行完毕。

9、如权利要求6所述的在基片上安装电子部件的方法，其中在所述清洁步骤执行完毕并且将所述电子部件和所述基片放置在大气空气中之后，所述安装步骤在3分钟内执行完毕。

10、如权利要求6所述的在基片上安装电子部件的方法，还包括在所述清洁步骤执行完毕后脉冲加热和/或超声震动所述电子部件和所述基片中任一个的步骤。

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