一种探针焊接系统、探针焊接方法及探针卡与流程

本发明属于探针焊接技术领域，特别涉及一种探针焊接系统、探针焊接方法及探针卡。

背景技术：

在半导体晶圆测试阶段，需要对晶圆上的未封装芯片进行测试，测试过程中会用到探针卡，探针卡主要用于测试该未封装芯片是否合格。探针卡在制作过程中需要将探针安装到陶瓷孔内或焊接到陶瓷基板的焊盘上。

高端探针卡上会用到mems垂直探针，这种探针等效直径一般在30um-100um范围内，其特点是尺寸小，比较脆弱，很容易划伤或者损坏。在存储芯片测试阶段还会用到另一种二维探针，如z字形，此种探针通常也比较薄，厚度一般为50-100um，高度一般为4-6mm，宽度4-10mm左右。对于这种尺寸小、比较脆弱的探针，如何提高其焊接精度和焊接可靠性是目前丞需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种探针焊接系统、探针焊接方法及探针卡，可提高焊接精度和焊接可靠性。

本发明提供的技术方案如下：

一方面，提供了一种探针焊接系统，包括：

机座，包括工作台和设置于所述工作台上方的机架；

基板治具，设置于所述工作台，用于固定基板；

移动机构，包括x轴轨、y轴轨和z轴轨，所述x轴轨和所述y轴轨设置于所述工作台用于所述基板治具的移动，所述z轴轨设置于所述机架；

摄像机构，设置于所述z轴轨，用于获取所述基板上的目标焊盘的位置补偿信息；

焊料添加机构，设置于所述z轴轨，所述焊料添加机构包括放料器和第一激光器，所述放料器用于向所述目标焊盘释放焊料，所述第一激光器用于使焊料变为熔融状态并落到所述目标焊盘；

焊接机构，设置于所述z轴轨，所述焊接机构包括探针抓取件和第二激光器，所述探针抓取件用于抓取探针，所述第二激光器用于将探针焊接在所述目标焊盘上；

控制机构，用于控制所述摄像机构、所述焊料添加机构和所述焊接机构的工作，并用于根据所述基板上的焊盘位置和所述位置补偿信息控制所述基板治具的移动。

进一步地，所述摄像机构还用于获取焊接探针后的基板的图像信息；

所述控制机构还用于根据所述图像信息判断所述基板上的探针是否焊接合格，若是，则进行下一基板的探针焊接，若否，则对不合格焊盘进行焊接修复。

进一步地，还包括多个精密位移平台，多个所述精密位移平台分别设置在所述z轴轨上，所述摄像机构、所述焊料添加机构和所述焊接机构分别对应设置在一个所述精密位移平台上，用于微调所述摄像机构、所述焊料添加机构和所述焊接机构到所述基板的距离。

进一步地，所述摄像机构位于所述焊料添加机构和所述焊接机构之间，所述第一激光器设置在所述放料器远离所述摄像机构的一侧且出口端朝向所述放料器倾斜设置，所述第二激光器设置在所述探针抓取件远离所述摄像机构的一侧且出口端朝向所述探针抓取件倾斜设置。

进一步地，所述摄像机构到所述工作台的距离大于所述焊料添加机构到所述工作台的距离及所述焊接机构到所述工作台的距离。

进一步地，所述焊接机构到所述工作台的距离大于所述焊料添加机构到所述工作台的距离。

另一方面，还提供一种探针焊接方法，包括：

获取基板上的目标焊盘的位置补偿信息；

根据所述位置补偿信息将所述基板水平移动至加焊料添加机构的下方，且所述目标焊盘位于放料器的正下方；

放料器释放焊料，焊料被第一激光器熔融并落在所述目标焊盘；

根据所述位置补偿信息将所述基板水平移动至焊接机构的下方，且所述目标焊盘位于探针抓取件的正下方；

第二激光器融化所述目标焊盘的焊料，探针抓取件将探针放置于所述目标焊盘，完成焊接。

进一步地，还包括：

获取焊接探针后的基板的图像信息；

根据所述图像信息判断所述基板上的探针是否焊接合格，若是，则进行下一基板的探针焊接，若否，则对不合格的焊盘进行焊接修复。

进一步地，所述摄像机构获取基板上的目标焊盘的位置补偿信息具体包括：

将基板放置于基板治具上；

水平移动基板治具至摄像机构的下方；

获取摄像机构的镜头中心与目标焊盘中心的位置偏差；

根据所述位置偏差得到目标焊盘的位置补偿信息。

再一方面，还提供一种探针卡，所述探针卡由上述的探针焊接方法制得。

通过本发明提供的一种探针焊接系统及焊接方法，能够带来以下有益效果：

(1)本发明通过设置摄像机构可修正系统的位置误差，以减少探针焊接的位置误差，提高焊接精度，通过设置焊料添加机构和焊接机构，将焊料添加与探针焊接分开进行，即先将熔融的焊料滴落在焊盘上，然后再将探针插设在熔融的焊料上，整个焊接过程不仅对探针没有损伤，而且可提高探针焊接的稳定性，以提高焊接良品率。

(2)本发明一优选实施例中，通过设置精密位移平台，可尽量减少z轴的运动，降低机械运动引入的误差，使系统趋于稳定。

(3)本发明一优选实施例中，通过合理布置摄像机构、焊料添加机构和焊接机构的位置及高度，可防止激光器发出的高能激光束损坏摄像机构。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明具体实施方式。

图1是本发明一种探针焊接系统的结构示意图；

图2是本发明的摄像机构、焊料添加机构及焊接机构的结构示意图；

图3是本发明的焊接机构的一种实施方式的结构示意图；

图4是本发明的焊接机构的另一种实施方式的结构示意图；

图5是本发明基板上焊盘的一种排布示意图；

图6是本发明基板上焊盘的另一种排布示意图。

附图标号说明

10、机座；11、工作台；12、机架；20、基板治具；31、x轴轨；32、y轴轨；33、z轴轨；34、z轴挂件；40、摄像机构；50、焊料添加机构；51、放料器；511、焊料；52、第一激光器；60、焊接机构；61、探针抓取件；62、第二激光器；70、基板；71、焊盘；72、探针；80、精密位移平台。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供一种探针焊接系统的具体实施例，如图1和图2所示，包括机座10、基板治具20、移动机构、摄像机构40、焊料添加机构50、焊接机构60和控制机构。

具体地，机座10包括工作台11和设置于工作台11上方的机架12。基板治具20设置于工作台11的表面，用于固定基板70。基板70上分布有若干个用于焊接探针72的焊盘71，如图5和图6所示，基板70上的焊盘71可以采用矩形排列，也可采用圆形排列，还可采用不规则形状排列，实际使用时，基板70上的焊盘71可根据实际需求进行排列，本发明中的基板70可使用陶瓷基板。

移动机构包括x轴轨31、y轴轨32和z轴轨33，x轴轨31和y轴轨32设置于工作台11上，通过基板治具20在x轴轨31和y轴轨32上的移动可调节基板治具20在水平方向的位置，z轴轨33设置于机架12上，z轴轨33垂直于工作台11的表面设置。

摄像机构40设置于z轴轨33，用于获取基板70上的目标焊盘的位置补偿信息，通过控制摄像机构40在z轴轨33上的移动可调节摄像机构40到工作台11表面的距离。其中，目标焊盘是指当前需要焊接探针72的焊盘71。

焊料添加机构50设置于z轴轨33，焊料添加机构50包括放料器51和第一激光器52，放料器51用于向目标焊盘释放焊料511，第一激光器52用于使焊料511变为熔融状态并落到目标焊盘上；通过控制焊料添加机构50在z轴轨33上的移动可调节焊料添加机构50到工作台11表面的距离。

焊接机构60设置于z轴轨33，焊接机构60包括探针抓取件61和第二激光器62，探针抓取件61用于抓取探针72，第二激光器62用于将探针72焊接在目标焊盘；通过控制焊接机构60在z轴轨33上的移动可调节焊接机构60到工作台11表面的距离。

控制机构用于控制摄像机构40、焊料添加机构50和焊接机构60的工作，并用于根据基板70上的焊盘71位置和目标焊盘的位置补偿信息控制基板治具20的移动，控制机构为工控机。摄像机构40、焊料添加机构50和焊接机构60均设置于工作台11的上方，控制机构可控制基板70移动至摄像机构40的下方或焊料添加机构50的下方或焊接机构60的下方，便于焊料添加机构50向目标焊盘添加焊料511，或便于焊接机构60将探针72焊接在目标焊盘上。

焊接探针72前，先将基板70的图纸导入系统，告知系统基板70上用于焊接探针72的焊盘71的具体位置坐标及探针72的摆放方位，以便系统根据基板70尺寸、形状以及焊盘位置分布，分析出焊料511的添加位置，并控制基板治具20在移动机构上的移动。

因整个系统存在位置误差，在z轴轨33上设有摄像机构40，首次焊接时，控制机构根据基板70上目标焊盘的位置控制基板治具20在x轴轨31和/或y轴轨32上移动，将基板70移动到摄像机构40的下方，若系统不存在位移误差，则基板70上的目标焊盘的中心应该位于摄像机构40镜头中心的正下方，若系统存在位移误差，则目标焊盘的中心不位于摄像机构40镜头中心的正下方，此时目标焊盘与镜头中心存在一个位置偏差，这个位置偏差即为目标焊盘的位置补偿信息。而摄像机构40与焊料添加机构50和焊接机构60的相对位置固定，控制机构可根据这个位置补偿信息控制基板治具20的移动，以使基板70移动到焊料添加机构50下方时，目标焊盘位于放料器51的正下方，进而使放料器51释放的焊料511刚好落到目标焊盘的中心位置，以减少探针72焊接的位置误差。同理，通过位置补偿信息的位置补偿，基板70移动到焊接机构60下方时，目标焊盘也位于探针抓取件61的正下方，以便于探针抓取件61将探针72放置于目标焊盘上，减少焊接误差。

放料器51内储存有焊料511，焊料511为锡球，目标焊盘移动至放料器51的正下方后，放料器51释放一个锡球，同时第一激光器52施加激光束使锡球熔融，熔融状态的锡球滴落在目标焊盘上并冷却凝固。然后将基板70移动至焊接机构60下方，此时目标焊盘位于探针抓取件61的正下方，第二激光器62发射激光束，将目标焊盘上的焊料511融化，同时探针抓取件61抓取探针72，并将探针72放置在目标焊盘上，待目标焊盘冷却后，探针72被焊接在目标焊盘上。探针抓取件61可为吸嘴或夹爪等，图3为探针抓取件61为夹爪时焊接机构60的结构示意图，图4为探针抓取件61为吸嘴时焊接结构6的结构示意图。

进一步地，探针72焊接完成后，摄像机构40还获取焊接探针72后的基板70的图像信息，控制机构还用于根据获取的图像信息判断基板70上的探针72是否焊接合格，若是，则进行下一基板70的探针72焊接，若否，则控制机构控制焊接机构60对不合格焊盘71进行焊接修复。值得说明的是，摄像机构40对基板70上的探针72焊接效果进行检测时，可在每一焊盘71焊接完成后进行图像检测，此种检测方式会增加图像检测次数，但可提高检测效果，也可在基板70上的所有焊盘71都焊接完成后再进行图像检测，并对不合格的焊盘71进行焊接修复，此种检测方式图像检测次数少，检测速率高，但检测效果弱于单个焊盘71的检测效果，实际使用时，可根据需求进行选择检测方式。

如图2所示，探针焊接系统还包括多个精密位移平台80，多个精密位移平台80通过一个z轴挂件34设置在z轴轨33上，z轴挂件34可理解为一个可在z轴轨33上移动的支架，摄像机构40、焊料添加机构50和焊接机构60分别对应设置在一个精密位移平台80上，用于微调摄像机构40、焊料添加机构50和焊接机构60到基板70的距离。

具体来说，z轴轨33上设有三个精密位移平台80，摄像机构40、焊料添加机构50和焊接机构60分别通过一个精密位移平台80与z轴挂件34连接，z轴挂件34在z轴轨33上移动时可同时带动摄像机构40、焊料添加机构50和焊接机构60移动，z轴挂件34不动时，摄像机构40对应的精密位移平台80可微调摄像机构40到基板70的距离，焊料添加机构50对应的精密位移平台80可微调焊料添加机构50到基板70的距离，焊接机构60对应的精密位移平台80可微调焊接机构60到基板70的距离。通过增设多个精密位移平台80，可单独调节各机构在z轴上的距离，使z轴挂件34距离基板70表面的距离保持不变，这样可以避免在程序上调整z轴距离，以减少z轴的运动，降低机械运动引入的误差，使系统趋于稳定。此外，系统校准调试时，可以利用该精密位移平台80实现三个机构的相对位移变化，使三个机构在同一z轴高度均可以正常工作，以应对不同厚度的基板70。

如图2所示，在z轴轨33上，摄像机构40位于焊料添加机构50和焊接机构60之间，第一激光器52设置在放料器51远离摄像机构40的一侧且出口端朝向放料器51倾斜设置，第二激光器62设置在探针抓取件61远离摄像机构40的一侧且出口端朝向探针抓取件61倾斜设置。焊接时，基板70先移动到中间摄像机构40下方，摄像机构40获取到目标焊盘的位置补偿信息后，再将基板70向右移动到焊料添加机构50下方，添加完焊料511后再将基板70向左移动到焊料机构60下方，完成焊接后，可以将基板70移动到摄像机构40下方进行焊接质量检验，若检验合格，则摄像机构40可直接获取基板70上下一目标焊盘的位置补偿信息，然后向右移动到焊料添加机构50下方进行下一目标焊盘的焊料添加，再向左移动到焊接机构60下方进行探针焊接，依次进行，直至基板70上的所有焊盘71焊接完成。若不需要每次对目标焊盘的焊接质量进行检验，则焊接机构60将探针72焊接在目标焊盘上后，将基板70移动到摄像机构40下方，摄像机构40直接获取下一目标焊盘的位置补偿信息，然后进行下一目标焊盘的焊料添加和探针72焊接。本方案中，通过将焊料添加机构50和焊接机构60分别设置于摄像机构40的两侧，且第一激光器52和第二激光器62远离摄像机构40设置，可防止第一激光器52和第二激光器62产生的激光束对摄像机构40产生不利影响。

摄像机构40到工作台11的距离h2大于焊料添加机构50到工作台11的距离h3及焊接机构60到工作台11的距离h1。焊接机构60到工作台11的距离h1大于焊料添加机构50到工作台11的距离h3，即h2＞h1＞h3。第一激光器52设置于放料器51远离摄像机构40的一侧，第二激光器62设置于探针抓取件61远离摄像机构40的一侧。目标焊盘位于放料器51或探针抓取件61正下方时，为使激光束可作用在焊料511上，第一激光器52和第二激光器62需倾斜设置，即第一激光器52和第二激光器62发射的激光束朝向摄像机构40，本方案通过将摄像机构40的高度设高，可防止因摄像机构40高度过低而使第一激光器52和第二激光器62发射的激光束照射到摄像机构40上损坏摄像机构40。焊料添加机构50到工作台11的距离较小，可减少焊料511滴落的高度，以防止因高度太高而导致焊料511滴落时产生飞溅，影响焊接效果。

本发明还提供一种探针焊接方法的具体实施例，包括：

获取基板70上的目标焊盘的位置补偿信息；

根据位置补偿信息将基板70水平移动至加焊料添加机构50的下方，且目标焊盘位于放料器51的正下方；

放料器51释放焊料511，焊料511被第一激光器52熔融并落在目标焊盘上；

根据位置补偿信息将基板70水平移动至焊接机构60的下方，且目标焊盘位于探针抓取件61的正下方；

第二激光器62融化目标焊盘上的焊料511，探针抓取件61将探针72放置于目标焊盘，完成焊接。

进一步地，完成焊接之后还包括：

获取焊接探针72后的基板70的图像信息；

根据图像信息判断基板70上的探针72是否焊接合格，若否，则对不合格的焊盘71进行焊接修复。进行焊接质量判断时，可采用人工智能的方式进行识别，如采用现有的深度学习算法进行识别。

其中，摄像机构40获取基板70上的目标焊盘的位置补偿信息具体包括：

将基板70放置于基板治具20上；

水平移动基板治具20至摄像机构40的下方；

获取摄像机构40的镜头中心与目标焊盘中心的位置偏差；

根据位置偏差得到目标焊盘的位置补偿信息。

具体地，开始焊接时，控制机构控制基板70移动到摄像机构40的下方，通过摄像机构40获取基板70上目标焊盘的位置补偿信息，控制机构根据位置补偿信息将基板70移动至焊料添加机构50下方，放料器51释放焊料511，第一激光器52发射激光束将焊料511熔融，熔融状态的焊料511滴落在目标焊盘上，然后将基板70移动至焊接机构60下方，第二激光器62发射激光束将目标焊盘上的焊料511融化，探针抓取件61抓取探针72并将探针72放置于目标焊盘上，待焊料511冷却后，探针72被焊接在目标焊盘上。基板70上的所有焊盘71焊接完成后，将基板70移动到摄像机构40下方，摄像机构40获取目标焊盘的图像信息，通过人工智能系统判定目标焊盘上的探针72焊接效果，若合格，则进行下一基板70的探针72焊接，若不合格，则将不合格的探针72状态及位置传递至控制机构，由控制机构控制系统进行焊接修复。

本发明还提供了一种探针卡，探针卡由上述的探针焊接方法制得。该探针卡包括印刷电路板、基板70及多个探针72。印刷电路板和基板70叠设，且基板70和印刷电路板电连接，探针72焊接在基板70的焊盘71上。通过将探针72的自由端与晶圆电连接，可用于对晶圆上的未封装芯片进行测试，以确定该未封装芯片是否合格。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。