一种传感器装配封装系统及装配封装方法
【专利摘要】本发明公开了一种传感器装配封装系统及装配封装方法，该系统集显微镜、机械手、键合工艺平台等设备于一体，通过控制机构控制机械手运作，先将管座放置于键合工艺平台上固定，然后将芯片安装于管座上，最后实现键合封装。通过采用两个显微镜分别对管座与芯片的位姿进行确认，实现芯片与管座间的自动对位、装配，降低传感器制作过程中对作业员的要求，提高工作效率，同时保证芯片与管座间的有效定位，提升成品率。应用该系统可以实现复杂MEMS微结构在一台机器上同时实现传感器组件的装配与键合封装的集成操作，实现传感器生产的自动化。
【专利说明】一种传感器装配封装系统及装配封装方法
【技术领域】
[0001]本发明属于MEMS装配封装【技术领域】，具体涉及一种传感器装配封装系统及装配封装方法。
【背景技术】
[0002]MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
[0003]MEMS传感器在制作过程中，需要将传感器芯片与管座(或衬底)进行装配，然后进行封装。当前的装配常见的是芯片平面对管座(或衬底)平面的，一般不涉及轴孔、台阶等非平面装配，因此装配精度要求不高。随着传感器功能的提升，其结构也日益复杂，非平面装配逐渐显现出来。对于这类MEMS传感器的制作，现在的解决方法是:先在视觉系统支持下人工完成对位装配，然后转移到封装设备上进行封装。因为MEMS传感器制作不同于一般的微装配，是微装配与封装两种工艺的集成，因此这种方法存在诸多问题，具体如下:
[0004]一、对作业员要求很高，工作效率低下。
[0005]二、装配完成的MEMS传感器在转移过程中由于没有固定，对位装配质量无法保证，降低了成品率。
[0006]因此，鉴于以上问题，有必要提出一种集装配与封装于一体的设备及装配封装方法，实现MEMS传感器制作过程中的微装配与封装工艺的集成，在同一工位上实现MEMS传感器芯片与管座(或衬底)的对位装配和封装作业，实现对位、装配及封装的自动化运作，降低传感器制作过程中对作业员的要求，提高工作效率，保证芯片与管座间的有效定位，提升成品率。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明提供了一种传感器装配封装系统及装配封装方法，该系统集显微镜、机械手、键合工艺平台等设备于一体，应用该系统可以实现复杂MEMS微结构进行对位、装配和封装等工艺的集成操作，实现传感器生产的自动化，降低传感器制作过程中对作业员的要求，提高工作效率，同时保证芯片与管座间的有效定位，提升成品率。
[0008]根据本发明的目的提出的一种传感器装配封装系统，用于管座与芯片的装配封装，所述系统包括壳体、位于所述壳体上的料盘、上料机构、检测工件位姿的检测机构、用于工件键合封装的键合工艺平台、以及控制系统运作的控制机构；
[0009]所述上料机构包括支架与位于所述支架上的机械手，所述机械手前端设置有用于调整工件位姿的旋转轴；
[0010]所述检测机构包括用于确认管座上标识位以确定所述管座位姿的第一显微镜，以及位于所述壳体上用于确认所述芯片位姿的第二显微镜，所述第一显微镜位于所述机械手前端，所述检测机构与所述控制机构电连接；
[0011]所述控制机构控制所述机械手运作，先拾取管座，根据第一显微镜的反馈信号调整管座位姿，为芯片对位提供位姿基准，后将管座放置于键合工艺平台上固定，然后机械手拾取芯片，并根据第二显微镜的反馈信号调整芯片位姿，后将芯片对应安装于管座上，最后实现键合封装。
[0012]优选的，所述机械手为四自由度机械手。
[0013]优选的，所述机械手包括四自由度串联机械臂与位于所述四自由度串联机械臂前端的作业手抓，所述作业手抓上固定设置有绝缘板，所述旋转轴设置于所述四自由度串联机械臂前端，并与所述绝缘板固定连接。
[0014]优选的，所述作业手抓包括吸附手抓和/或夹持手抓。
[0015]优选的，所述键合工艺平台包括键合用的加热炉、用于固定管座的夹紧机构、以及调整所述键合工艺平台高度的升降机构。
[0016]优选的，所述夹紧机构包括设置于所述加热炉上方的夹具、与驱动所述夹具动作的动力部件，所述动力部件与所述控制机构电连接。
[0017]优选的,所述动力部件为驱动气缸。
[0018]一种传感器装配封装方法，采用所述的传感器装配封装系统，具体步骤如下:
[0019](一)、首先设置工艺参数:包括机械手的运行速度、键合位置与设备原点之间的位置关系参数、键合参数；
[0020](二)、料盘中放入工件，工件包括管座与芯片；
[0021](三)、控制机构控制机械手运行拾取管座，同时第一显微镜检测管座上的标识位，确认管座的位姿，为芯片对位提供位姿基准；机械手根据检测信号调整管座位姿，并移动放置于键合工艺平台上，同时夹紧机构动作将其装夹固定；
[0022](四)、控制机构控制机械手运行拾取芯片，第二显微镜检测芯片的位姿，机械手根据检测信号调整芯片位姿并计算出机械手的运动轨迹，机械手带动芯片运行将芯片装配于管座上；
[0023](五)、采用机械手的Z轴调整作用，调整芯片与管座之间的压力；
[0024](六)、启动加热炉进行键合封装；
[0025](七)、键合完成后，机械手拾取键合后的工件并移动放置于料盘中。
[0026]优选的，在步骤三之前还包括调整键合工艺平台高度的步骤。
[0027]与现有技术相比，本发明公开的传感器装配封装系统及装配封装方法的优点是:该系统集显微镜、机械手、键合工艺平台等设备于一体，通过控制机构控制机械手运作，先将管座放置于键合工艺平台上固定，然后将芯片安装于管座上，最后实现键合封装。通过采用两个显微镜分别对管座与芯片的位姿进行确认，实现芯片与管座间的自动对位、装配，降低传感器制作过程中对作业员的要求，提高工作效率，同时保证芯片与管座间的有效定位，提升成品率。应用该系统可以实现复杂MEMS微结构在一台机器上同时实现传感器组件的装配与键合封装的集成操作，实现传感器生产的自动化。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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。
[0029]图1为本发明公开的一种传感器装配封装系统的结构示意图。
[0030]图2为本发明公开的一种传感器装配封装系统的俯视图。
[0031]图3为作业手抓的结构示意图。
[0032]图4为键合工艺平台的结构示意图。
[0033]图5为装配封装流程图。
[0034]图中的数字或字母所代表的相应部件的名称:
[0035]1、壳体2、料盘3、上料机构4、检测机构5、键合工艺平台
[0036]31、支架32、四自由度串联机械臂33、作业手抓
[0037]331、绝缘板332、气缸333、吸头334、电夹爪335、电极
[0038]41、第一显微镜42、第二显微镜
[0039]51、加热炉52、夹具53、手柄54、驱动气缸55、升降机构【具体实施方式】
[0040]MEMS传感器非平面装配的制作方法是:先在视觉系统支持下人工完成对位装配，然后转移到封装设备上进行封装。因为MEMS传感器制作不同于一般的微装配，是微装配与封装两种工艺的集成，对作业员要求很高，工作效率低下。装配完成的MEMS传感器在转移过程中由于没有固定，对位装配质量无法保证，降低了成品率。
[0041]本发明针对现有技术中的不足，提供了一种传感器装配封装系统及装配封装方法，该系统集显微镜、机械手、键合工艺平台等设备于一体，应用该系统可以实现复杂MEMS微结构进行自动对位、装配和封装等工艺的集成操作，实现传感器生产的自动化，降低传感器制作过程中对作业员的要求，提高工作效率，同时保证芯片与管座间的有效定位，提升成品率。
[0042]下面将通过【具体实施方式】对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]请一并参见图1至图5，一种传感器装配封装系统，用于管座与芯片的装配封装，该系统包括壳体1，位于壳体I上的料盘2、上料机构3、检测工件位姿的检测机构4、用于工件键合封装的键合工艺平台5，以及控制系统运作的控制机构。上料机构3包括支架31与位于支架31上的机械手；机械手为四自由度机械手。
[0044]机械手包括四自由度串联机械臂32与位于四自由度串联机械臂32前端的作业手抓33，作业手抓33上固定设置有绝缘板331，四自由度串联机械臂32前端设置有旋转轴(未示出)，旋转轴与绝缘板331固定连接。通过旋转轴带动作业手抓33移动或转动。
[0045]作业手抓33包括吸附手抓和/或夹持手抓。吸附手抓包括气缸332与吸头333，吸附手抓用于吸附芯片类工件，夹持手抓包括电夹爪334与电极335，夹持手抓用于夹持尺寸较大的工件如:管座等。作业手抓可实现对芯片或管座的吸附或夹持作业，以及施加电压进行静电键合。
[0046]检测机构4包括用于确认管座上标识位以确定管座位姿的第一显微镜41，以及位于壳体I用于确认芯片位姿的第二显微镜42,第一显微镜41位于四自由度串联机械臂32的前端，检测机构4与控制机构电连接。控制机构根据检测机构反馈的信号控制上料机构3以及键合工艺平台5的工作。
[0047]控制机构控制机械手运作，先拾取管座，根据第一显微镜的反馈信号调整管座位姿，为芯片对位提供位姿基准，后将管座放置于键合工艺平台上固定，然后机械手拾取芯片，并根据第二显微镜的反馈信号调整芯片位姿，后将芯片对应安装于管座上，最后实现键合封装。
[0048]键合工艺平台5包括键合用的加热炉51、用于固定管座的夹紧机构、以及调整键合工艺平台5高度的升降机构55。夹紧机构包括设置于加热炉51上方的夹具52、与驱动夹具52动作的动力部件，动力部件与控制机构电连接。
[0049]其中，动力部件为驱动气缸54。或是直接手动拉动手柄53带动夹具移动夹紧或松开等，具体不做限制。
[0050]一种传感器装配封装方法，采用传感器装配封装系统，具体步骤如下:
[0051](一)、首先设置工艺参数:包括机械手的运行速度、键合位置与设备原点之间的位置关系参数、键合参数；键合方式包括阳极键合(键合电压DC900-1200V、键合时间50-2000S、键合压力0.l_50g、键合温度250-550°C )、热压键合(键合时间50_2000s、键合压力0.l_500g、键合温度250-550°C )或粘胶键合(键合时间50-2000s、键合压力
0.l-500g)等；
[0052](二)、料盘中放入工件，工件包括管座与芯片；
[0053](三)、控制机构控制机械手运行拾取管座，同时第一显微镜检测管座上的标识位，确认管座的位姿，为芯片对位提供位姿基准；机械手根据检测信号调整管座位姿，并移动放置于键合工艺平台上，同时夹紧机构动作将其装夹固定；
[0054](四)、控制机构控制机械手运行拾取芯片，第二显微镜检测芯片的位姿，机械手根据检测信号调整芯片位姿并计算出机械手的运动轨迹，机械手带动芯片运行将芯片装配于管座上；
[0055](五)、采用机械手的Z轴调整作用，调整芯片与管座之间的压力；
[0056](六)、启动加热炉进行键合封装；
[0057](七)、键合完成后，机械手拾取键合后的工件并移动放置于料盘中。
[0058]由于检测机构在Z轴方向上不可调整，因此，通过升降机构调整键合工艺平台位置，使其位于检测机构的作业范围内。在步骤三之前还包括调整键合工艺平台高度的步骤。
[0059]本发明公开了一种传感器装配封装系统及装配封装方法，该系统集显微镜、机械手、键合工艺平台等设备于一体，通过控制机构控制机械手运作，先将管座放置于键合工艺平台上固定，然后将芯片安装于管座上，最后实现键合封装。通过采用两个显微镜分别对管座与芯片的位姿进行确认，实现芯片与管座间的自动对位、装配，降低传感器制作过程中对作业员的要求，提高工作效率，同时保证芯片与管座间的有效定位，提升成品率。应用该系统可以实现复杂MEMS微结构在一台机器上同时实现传感器组件的装配与键合封装的集成操作，实现传感器生产的自动化。[0060]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1.一种传感器装配封装系统，用于管座与芯片的装配封装，其特征在于，所述系统包括壳体、位于所述壳体上的料盘、上料机构、检测工件位姿的检测机构、用于工件键合封装的键合工艺平台、以及控制系统运作的控制机构； 所述上料机构包括支架与位于所述支架上的机械手，所述机械手前端设置有用于调整工件位姿的旋转轴； 所述检测机构包括用于确认管座上标识位以确定所述管座位姿的第一显微镜，以及位于所述壳体上用于确认所述芯片位姿的第二显微镜，所述第一显微镜位于所述机械手前端，所述检测机构与所述控制机构电连接； 所述控制机构控制所述机械手运作，先拾取管座，根据第一显微镜的反馈信号调整管座位姿，为芯片对位提供位姿基准，后将管座放置于键合工艺平台上固定，然后机械手拾取芯片，并根据第二显微镜的反馈信号调整芯片位姿，后将芯片对应安装于管座上，最后实现键合封装。
2.如权利要求1所述的传感器装配封装系统，其特征在于，所述机械手为四自由度机械手。
3.如权利要求2所述的传感器装配封装系统，其特征在于，所述机械手包括四自由度串联机械臂与位于所述四自由度串联机械臂前端的作业手抓，所述作业手抓上固定设置有绝缘板，所述旋转轴设置于所述四自由度串联机械臂前端，并与所述绝缘板固定连接。
4.如权利要求3所述的传感器装配封装系统，其特征在于，所述作业手抓包括吸附手抓和/或夹持手抓。
5.如权利要求1所述的传感器装配封装系统，其特征在于，所述键合工艺平台包括键合用的加热炉、用于固定管座的夹紧机构、以及调整所述键合工艺平台高度的升降机构。`
6.如权利要求5所述的传感器装配封装系统，其特征在于，所述夹紧机构包括设置于所述加热炉上方的夹具、与驱动所述夹具动作的动力部件，所述动力部件与所述控制机构电连接。
7.如权利要求6所述的传感器装配封装系统，其特征在于，所述动力部件为驱动气缸。
8.—种传感器装配封装方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的传感器装配封装系统，具体步骤如下: (一)、首先设置工艺参数:包括机械手的运行速度、键合位置与设备原点之间的位置关系参数、键合参数； (二)、料盘中放入工件，工件包括管座与芯片； (三)、控制机构控制机械手运行拾取管座，同时第一显微镜检测管座上的标识位，确认管座的位姿，为芯片对位提供位姿基准；机械手根据检测信号调整管座位姿，并移动放置于键合工艺平台上，同时夹紧机构动作将其装夹固定； (四)、控制机构控制机械手运行拾取芯片，第二显微镜检测芯片的位姿，机械手根据检测信号调整芯片位姿并计算出机械手的运动轨迹，机械手带动芯片运行将芯片装配于管座上； (五)、采用机械手的Z轴调整作用，调整芯片与管座之间的压力； (六)、启动加热炉进行键合封装； (七)、键合完成后，机械手拾取键合后的工件并移动放置于料盘中。
9.如权利要求8所述的传感器装配封装方法，其特征在于，在步骤三之前还包括调整键合工艺平台高度 的步骤。
【文档编号】B81C3/00GK103723677SQ201410012281
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】潘明强, 刘吉柱, 王阳俊, 陈涛, 孙立宁, 陈立国 申请人:苏州大学