一种芯片倒装键合用高承载精密运动平台的制作方法

1.本发明属于集成电路器件制造设备技术领域，涉及精密运动平台，具体为一种芯片倒装键合用高承载精密运动平台。


背景技术：

2.芯片倒装焊接设备主要用于大规模集成电路器件制造的倒装焊接工艺，完成芯片与基板的直接互连键合，使封装具有更优越的高频、低延迟、低串扰的电路特性，能有效提高电路、部件或系统的组装互连可靠性。倒装焊接设备主要由三部分组成：第一部分是设置在花岗岩基准平台上的基板放置台，基板放置台可沿基准平台的x、y方位置调整、沿与基准平台平面垂直的θ轴旋转调整；第二部分是设置在花岗岩基准平台正上方的z向升降臂机构，在z向升降臂机构的下端设置有芯片吸盘，z向升降臂机构的主要功能是通过下压实现芯片与基板的键合；第三部分是光学系统，光学系统是设置在基板放置台与z向升降臂机构之间的，该光学系统主要承担芯片与基板是否对位到位，以及芯片与基板键合平面的平行度检测；被键合的基板放置在基板放置台上，被键合的芯片吸附在具有俯仰和偏摆功能的芯片吸盘上，依据激光测距获得芯片与基板两键合面的平行度差值，通过调整俯仰和偏摆平台，使被键合的基板与芯片满足键合的平行度要求，通过调整控制基板放置台的位置，使被键合芯片与基板对位到位，当平行度和对位调整完毕后，z向升降臂下压，将被键合的芯片与基板压接键合在一起，从而完成芯片的倒装键合工艺过程。
3.基板放置台具备x轴、y轴、θ轴的精确定位功能，其精确定位功能由高承载精密运动平台实现。传动的运动平台多采用堆叠式设计，即两个直线运动轴和一个旋转轴叠放在一起，这种结构用于芯片倒装互连有以下缺陷：（1）占用的空间大，运动平台只能承受较小的压力，如果承受过大的压力，超过导轨、轴环等导向部件的额定载荷，必然加快运动部件的磨损，导致运动平台精度降低；（2）芯片倒装焊接设备要求基板在对位过程中平行于大理石基准台面运动，运动轴叠放在一起，无法消除运动轴跳动带来的基板姿态的变化，造成调平和对位误差，无法满足要求；（3）运动轴叠放后，基板承载台的基板姿态调整难度大。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决上述缺陷，提供了一种芯片倒装键合用高承载精密运动平台。
5.本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种芯片倒装键合用高承载精密运动平台，包括大理石基准平台，还包括y向移动平台、x向移动平台和气浮支撑工作台；y向移动平台为l形弯板，l形弯板由短板和长板一体成型，短板与大理石基准平台的侧壁平行，长板与大理石基准平台的顶壁平行，y向与水平方向平行且与x向垂直；大理石基准平台的侧壁上固连有与短板滑动配合的y向移动导轨，短板配合有y向滑行驱动机构，大理石基准平台侧壁上设置有y向光栅尺，短板上固连有与y向光栅尺配合的y向读数头；长板的自由端连接有至少一根底部设有气浮垫的支撑柱，长板上固连有与x向移动平台滑动配合的x向移动导轨，x向移动平台配合有x向滑行驱动机构，长板上设置有x向光栅尺，x向移动平台上固连有
与x向光栅尺配合的x向读数头；x向移动平台的一侧位于长板范围之内，x向移动平台的另一侧向长板的外侧延伸形成安装部，安装部连接有至少一根底部设有气浮垫的支撑柱，安装部上开有安装通孔，气浮支撑工作台通过交叉滚珠轴环安装至安装通孔中，气浮支撑工作台的顶面与水平面平行，气浮支撑工作台的底壁上粘附有多孔石墨结构层，多孔石墨结构层与大理石基准平台的顶壁平行且相接触，多孔石墨结构层的侧壁上设置有多个使气泵与多孔石墨结构层内部相连通的节流阀，节流阀沿多孔石墨结构层周向均匀分布；安装部上固连有用于驱动气浮支撑工作台绕交叉滚珠轴环的轴线转动一定角度的转动驱动机构，气浮支撑工作台上固定连接有旋转度光栅尺，安装部上连接有与旋转度光栅尺配合的旋转度读数头。
6.优选的，交叉滚珠轴环的外侧固定连接有轴环外圈固定环，轴环外圈固定环通过弹性连接环固定至气浮支撑工作台的安装通孔处，弹性连接环的内圈延伸有多根沿其径向布置的连接桥臂，连接桥臂沿弹性连接环的周向均匀分布，轴环外圈固定环通过连接桥臂与弹性连接环固定连接。更优选的，弹性连接环的外径大于安装通孔的孔径，弹性连接环与安装通孔同轴设置且固连至x向移动平台的底面上。
7.优选的，转动驱动机构包括摆杆和推动直线电机，摆杆沿交叉滚珠轴环的径向布置且固连至气浮支撑工作台的侧壁上，摆杆的自由端穿置有竖直螺栓，竖直螺栓的上部位于摆杆之上，竖直螺栓的下部位于摆杆之下，推动直线电机固定至安装部上，推动直线电机的动子上固连有水平推动板，水平推动板的下表面固连有竖直连接臂，水平推动板的前端与竖直螺栓的上部相抵，竖直连接臂与竖直螺栓的下部之间连接有复位弹簧。更优选的，竖直螺栓的上部转动配合有轴承，水平推动板的前端与轴承的外壁相抵。
8.优选的，转动驱动机构包括驱动齿轮和正反转减速电机，正反转减速电机固连至安装部上，正反转减速电机的驱动轴与驱动齿轮固定连接，气浮支撑工作台上设置有与驱动齿轮啮合的齿条。
9.优选的，y向移动导轨设置的数量为两根且相互平行，y向滑行驱动机构包括固定在两根y向移动导轨之间的y向直线电机，短板与y向直线电机的动子固定连接。
10.优选的，x向移动导轨设置的数量为两根且相互平行，x向滑行驱动机构包括固定在两根x向移动导轨之间的x向直线电机，x向移动平台与x向直线电机的动子固定连接。
11.优选的，长板自由端的支撑柱数量为两根；安装部上支撑柱的数量为两根。
12.优选的，节流阀的数量为四个。
13.本发明的有益效果是：（1）结构简单，长板和安装部的悬空位置都设置有支撑柱，支撑柱的底部连接气浮垫，气浮垫通气后底部可形成一层气膜，可在大理石基准平台上低摩擦滑动，同时还能起到支撑作用，满足大尺寸芯片、基板对大压力键合的需求；（2）定位精度高，三个运行方向均采用高精度光栅尺反馈，大大提高了整个系统的定位精度；（3）工作安全可靠，高承载，寿命长，气浮支撑工作台直接设置在大理石基准平台上，通过气膜支撑在大理石基准平面上滑动，作用力直接作用在气浮工作台上，承载高；（4）运动过程跳动小，气浮支撑工作台直接设置在大理石基准平台上，通过底部气膜的支撑在大理石基准平台上滑动，气浮支撑工作台运行平稳，大大降低了机械导向部件
带来的跳动影响，提高了芯片与基板调平对位的准确性；（5）x向滑行驱动机构、y向滑行驱动机构以及转动驱动机构的调试简单方便，由于气浮支撑工作台圆周方向等间距设置多个节流阀，通过多个节流阀调节气浮支撑工作台不同位置的进气量，可调整气浮支撑工作台底部不同位置气膜的厚度，最终实现基板姿态的微调，实现基板与大理石基准台面的平行运动，保证基板调平对位的准确性。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
15.图1为本发明所述一种芯片倒装键合用高承载精密运动平台的整体结构示意图。
16.图2为本发明中x向移动平台上安装气浮支撑工作台的结构示意图。
17.图3为本发明所述安装通孔处的爆炸结构示意图。
18.图4为本发明所述气浮支撑工作台的结构示意图。
19.图5为本发明所述摆杆处的放大结构示意图。
20.图中：1、大理石基准平台；2、y向移动平台；3、x向移动平台；4、气浮支撑工作台；5、短板；6、长板；7、y向移动导轨；8、y向光栅尺；9、y向读数头；10、x向移动导轨；11、x向光栅尺；12、x向读数头；13、安装通孔；14、交叉滚珠轴环；15、多孔石墨结构层；16、节流阀；17、旋转度光栅尺；18、旋转度读数头；19、轴环外圈固定环；20、弹性连接环；21、连接桥臂；22、摆杆；23、推动直线电机；24、竖直螺栓；25、水平推动板；26、竖直连接臂；27、复位弹簧；28、轴承；29、y向直线电机；30、x向直线电机。
具体实施方式
21.下面将结合附图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做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。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，术语
ꢀ“
第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.在本发明的描述中，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。
24.作为本技术的某个具体实施例，如图1至图5所示，提供了一种芯片倒装键合用高承载精密运动平台，包括大理石基准平台1，还包括y向移动平台2、x向移动平台3和气浮支撑工作台4；y向移动平台2为l形弯板，l形弯板由短板5和长板6一体成型，短板5与大理石基准平台1的侧壁平行，长板6与大理石基准平台1的顶壁平行，y向与水平方向平行且与x向垂直；大理石基准平台1的侧壁上固连有与短板5滑动配合的y向移动导轨7，短板5配合有y向
滑行驱动机构，大理石基准平台1侧壁上设置有y向光栅尺8，短板5上固连有与y向光栅尺8配合的y向读数头9；长板6的自由端连接有至少一根底部设有气浮垫的支撑柱，长板6上固连有与x向移动平台3滑动配合的x向移动导轨10，x向移动平台3配合有x向滑行驱动机构，长板6上设置有x向光栅尺11，x向移动平台3上固连有与x向光栅尺11配合的x向读数头12；x向移动平台3的一侧位于长板6范围之内，x向移动平台3的另一侧向长板6的外侧延伸形成安装部，安装部连接有至少一根底部设有气浮垫的支撑柱，安装部上开有安装通孔13，气浮支撑工作台4通过交叉滚珠轴环14安装至安装通孔13中，气浮支撑工作台4的顶面与水平面平行，气浮支撑工作台4的底壁上粘附有多孔石墨结构层15，多孔石墨结构层15与大理石基准平台1的顶壁平行且相接触，多孔石墨结构层15的侧壁上设置有多个使气泵与多孔石墨结构层15内部相连通的节流阀16，节流阀16沿多孔石墨结构层15周向均匀分布；安装部上固连有用于驱动气浮支撑工作台4绕交叉滚珠轴环14的轴线转动一定角度的转动驱动机构，气浮支撑工作台4上固定连接有旋转度光栅尺17，安装部上连接有与旋转度光栅尺17配合的旋转度读数头18。
25.其中，y向移动平台2为沿y向移动的平台，x向移动平台3为沿x向移动的平台，气浮支撑工作台4可沿与基准平台平面垂直的θ轴旋转调整，θ轴即为交叉滚珠轴环14的转轴。
26.其中，短板5与长板6共同构成y向移动平台2，则当短板5在y向滑行驱动机构的驱动下沿y向移动导轨7滑动时，长板6也随着短板5同步移动。所谓y向滑行驱动机构可以是任何能驱动短板5在y向移动导轨7上滑动的部件。本领域技术人员可理解的是，y向光栅尺8除了固定在大理石基准平台1的侧壁上外，在不影响y向移动平台2滑动的前提下，还能固定在y向移动导轨7上，这可根据实际情况调整位置。具体实施例中，y向光栅尺8设置在大理石基准平台1的侧壁的靠近y向移动导轨7的位置处，这是为了方便y向读数头9读取刻度。与y向光栅尺8配合读数的y向读数头9固定在短板5上，能够随短板5移动，进而能准确测量出移动距离，测量精度高，大大提高了整个系统的定位精度。
27.其中，x向移动平台3在x向滑行驱动机构的驱动下沿x向移动导轨10在长板6上滑行，x向移动平台3设置在y向移动平台2的长坂上，所以y向移动平台2与x向移动平台3有行程叠加的作用，所谓x向滑行驱动机构可以是任何能驱动x向移动平台3在x向移动导轨10上滑动的部件。本领域技术人员可理解的是，x向光栅尺11除了固定在长板6上外，在不影响x向移动平台3滑动的前提下，还能固定在x向移动导轨10上，这可根据实际情况调整位置。具体实施例中，x向光栅尺11设置在长板6的靠近x向移动导轨10的位置处，这是为了方便x向读数头12读取刻度。与x向光栅尺11配合读数的x向读数头12固定在x向移动平台3上，能够随x向移动平台3移动，进而能准确测量出移动距离，测量精度高，大大提高了整个系统的定位精度。长板6的一端与短板5连接，另一端通过支撑柱支撑在大理石基准平台1的顶壁上，这使得长板6更够承受更大的压力，满足电气元件键合时需要的支撑力，支撑柱底部设置有气浮垫，本领域技术人员可知，气浮垫在工作时，是需要连接气源的，气浮垫的底部有多孔石墨结构层15，通气后，气浮垫的底部可形成一层气膜，可在大理石基准平台1顶壁上低摩擦滑动。长板6自由端即长板6不与短板5相连的端部，长板6自由端连接的支撑柱的数量根据长板6的宽度确定，这可根据需要进行调整。
28.其中，x向移动平台3的部分台体悬空位于长板6的范围之外，这个部分就是安装部，用于安装气浮支撑平台，因为安装部会随着x向移动平台3移动，所以安装部连接支撑柱
后，对安装部起到支撑作用，由于气浮垫在工作时是需要连接气源的，气浮垫的底部有多孔石墨结构层15，通气后气浮垫的底部可形成一层气膜，可在大理石基准平台1顶壁上低摩擦滑动，所以支撑柱也不会影响x向移动平台3沿着x向移动导轨10滑移。这使x向移动平台3更够承受更大的压力，满足电气元件键合时需要的支撑力。支撑柱安装在安装部远离长板6的一侧，安装部上的支撑柱数量根据安装部的大小来确定。
29.其中，气浮支撑工作台4在转动驱动机构的驱动下能沿交叉滚珠轴环14的轴线（θ轴）在安装通孔13中转动一定角度，所谓转动驱动机构可以是任何能驱动气浮支撑工作台4沿交叉滚珠轴环14转动的部件。气浮支撑工作台4整体通过多孔石墨结构层15直接与大理石基准平台1的顶壁接触，且由于多孔石墨结构层15的圆周方向等间距设置多个节流阀16，通过多个节流阀16调节多孔石墨结构层15不同位置的进气量，可调整多孔石墨结构层15底部不同位置气膜的厚度，最终实现基板姿态的微调，实现基板与大理石基准台面的平行运动，保证基板调平对位的准确性。
30.其中，旋转度光栅尺17连接至气浮支撑工作台4上，旋转度读数头18连接至安装部的不转动位置，即可使旋转度读数头18对旋转度光栅尺17进行测量，得出精准的旋转角度，具体实施例中，气浮支撑工作台4的总旋转角度为
±5°
。旋转度光栅尺17和旋转度读数头18的位置可根据需要进行调整。本领域技术人员可以理解的是，光栅尺与读数头之间的测量方法以及测量原理是公知的，工作时，读数头连接至运动控制器，将读数信号传输至运动控制器。
31.综上可知，y向移动平台2、x向移动平台3和气浮支撑工作台4与大理石基准平台1的顶壁之间分别设置有气浮垫或多孔石墨结构层15，使移动结构整体的支撑力满足大尺寸芯片、基板对大压力键合的需求，还能保证向三个方向移动，同时运动轴叠放后，基板承载台的基板姿态调整操作容易，可以消除运动轴跳动带来的基板姿态的变化，满足对位需要。具体工作时，气浮垫或气浮支撑工作台4连接的多孔石墨结构层15均连通气泵，节流阀16可以手动调节气流大小；x向滑行驱动机构、y向滑行驱动机构及转动驱动机构均与运动控制器电连接，y向读数头9、x向读数头12和旋转度读数头18也均连接至运动控制器，最终均可以通过运动控制器控制，运动控制器中的控制程序是本领域技术人员熟知的。
32.作为上述实施例的一种具体实施方式，交叉滚珠轴环14的外侧固定连接有轴环外圈固定环19，轴环外圈固定环19通过弹性连接环20固定至气浮支撑工作台4的安装通孔13处，弹性连接环20的内圈延伸有多根沿其径向布置的连接桥臂21，连接桥臂21沿弹性连接环20的周向均匀分布，轴环外圈固定环19通过连接桥臂21与弹性连接环20固定连接。进一步的，弹性连接环20的外径大于安装通孔13的孔径，弹性连接环20与安装通孔13同轴设置且固连至x向移动平台3的底面上。
33.其中，弹性连接环20优先选择弹性金属板制成，除了弹性金属板之外，还可以是其他满足刚性、弹性要求的板材制成。弹性连接环20可以实现气浮支撑工作台4与安装部刚性连接，还能尽量保证气浮支撑工作台4的顶面平行于大理石基准平面，又因为弹性连接环20的弹性属性所有可吸收垂直方向的安装误差。弹性连接环20固连至x向移动平台3的底面上，使气浮支撑工作台4的顶面位于安装通孔13之下，既能降低整体机构的高度，占用较少的空间，又能使气浮支撑工作台4通过孔石墨结构层与大理石基准平面直接接触，通过气浮支撑工作台4底部的多孔石墨结构层15调整基板姿态，又可实现键合的精定位。由于采用弹
性连接片连接，压力不直接作用在各运动轴上，保证了运动平台的安全可靠。具体实施例中，旋转度读数头18还可位于轴环外圈固定环19上；连接桥臂21的数量可为四根。
34.作为上述实施例中转动驱动机构的一种具体实施方式，转动驱动机构包括摆杆22和推动直线电机23，摆杆22沿交叉滚珠轴环14的径向布置且固连至气浮支撑工作台4的侧壁上，摆杆22的自由端穿置有竖直螺栓24，竖直螺栓24的上部位于摆杆22之上，竖直螺栓24的下部位于摆杆22之下，推动直线电机23固定至安装部上，推动直线电机23的动子上固连有水平推动板25，水平推动板25的下表面固连有竖直连接臂26，水平推动板25的前端与竖直螺栓24的上部相抵，竖直连接臂26与竖直螺栓24的下部之间连接有复位弹簧27。更优选的，竖直螺栓24的上部转动配合有轴承28，水平推动板25的前端与轴承28的外壁相抵。
35.其中，转动驱动机构由推动直线电机23提供动力，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节带来的各种定位误差，故定位精度高，水平推动板25固定在推动直线电机23的动子上，水平推动板25即可随着动子直线运动，当水平推动板25向前推动竖直螺栓24时，由于摆杆22是与气浮支撑工作台4固定连接的，所以摆杆22和气浮支撑工作台4在推力作用下能够沿着交叉滚珠轴环14的轴线转动，交叉滚珠轴环14的轴线即为所述θ轴，当推动直线电机23的动子返回时，带动水平推动板25向后移动，由于水平推动板25底部的竖直连接臂26和竖直螺栓24的底部连接有复位弹簧27，则复位弹簧27会将摆杆22拉回，实现往复运动。
36.其中，由于竖直螺栓24与水平推动板25在运动过程中，接触点是不断变化的，所以在竖直螺栓24上部设置轴承28，能够最大限度的减小接触点的摩擦力，保证调整精度。
37.作为上述实施例中转动驱动机构的另一种具体实施方式，转动驱动机构包括驱动齿轮和正反转减速电机，正反转减速电机固连至安装部上，正反转减速电机的驱动轴与驱动齿轮固定连接，气浮支撑工作台4上设置有与驱动齿轮啮合的齿条。
38.其中，正反转减速电机带动驱动齿轮转动时，驱动齿轮和齿条啮合，这样正反转减速电机就能间接带动气浮支撑工作台4绕交叉滚珠轴环14的轴线转动。
39.作为上述实施例中y向滑行驱动机构的一种具体实施方式，y向移动导轨7设置的数量为两根且相互平行，y向滑行驱动机构包括固定在两根y向移动导轨7之间的y向直线电机29，短板5与y向直线电机29的动子固定连接。
40.本领域技术人员熟知，y向滑行驱动机构可设置为任何能满足工作需求的结构，上述结构中使y向直线电机29作为主要驱动部件，是因为直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节带来的各种定位误差，故定位精度高。
41.作为上述实施例中x向滑行驱动机构的另一种具体实施方式，x向移动导轨10设置的数量为两根且相互平行，x向滑行驱动机构包括固定在两根x向移动导轨10之间的x向直线电机30，x向移动平台3与x向直线电机30的动子固定连接。
42.本领域技术人员熟知，x向滑行驱动机构可设置为任何能满足工作需求的结构，上述结构中使x向直线电机30作为主要驱动部件，是因为直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节带来的各种定位误差，故定位精度高。
43.进一步的实施例中，长板6自由端的支撑柱数量为两根。且进一步的实施例中，安装部上支撑柱的数量为两根。这样设置整体结构更加稳定，满足移动和支撑要求。
44.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽
管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。