一种面向mems的三维封装装置及三维封装方法
【专利说明】一种面向MEMS的三维封装装置及三维封装方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及一种面向MEMS的三维封装装置和三维封装方法。
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【背景技术】
[0004]近年来，微电子技术已经涉及现代生活的各个方面，随着技术与市场需求的不断推进，现代电子产品对轻型化、微型化、低能耗、高可靠性的要求不断提高，因而芯片封装(MCP)、叠层封装(Ρ0Ρ)、系统级封装(SIP)等三维封装技术不断涌现。在三维封装中，由于用三维器件取代了单芯片封装，因而封装尺寸和重量显著减小，其减小幅度与垂直度互连密度、热性能以及所需强度等工艺过程有一定的关系。
[0005]当前，金丝键合系统主要应用在一个平面之间芯片焊盘与lead-frame之间引线键合，此种封装方式主要在二维平面内进行，形成的线弧为二维线弧，满足不了当下对微电子轻型化、微型化的要求，而现有的三维封装技术，如多芯片封装(MCP)、叠层封装(Ρ0Ρ)、硅通孔技术等虽然能使微电子产品微型化，但仍然存在封装面积大、散热难、可靠性差、成本高，且不能满足传感器及加速度仪等MEMS器件的封装问题。
[0006]因此，有必要在引线键合技术工艺简单、技术成熟和成本等特点的基础上设计一种新的三维封装机构来形成三维线弧，从而能够实现MEMS封装的特殊要求并减小封装体尺寸与重量，降低成本，进而提高封装体的可靠性及生产效率。
[0007]
【发明内容】
[0008]本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提供一种面向MEMS的三维封装装置，以在封装体上形成三维线弧，使得封装体的尺寸与重量进一步减小，提高封装体的可靠性及生产效率，降低其生产成本。
[0009]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:一种面向MEMS的三维封装装置，所述封装装置包括:
封装体定位机构，包括第一底座、相对所述第一底座可沿X、Y、Z方向位置调整的安装座、用于固定安装封装体的旋转座，所述封装体的中心线沿水平方向分布，所述旋转座绕所述封装体的中心线旋转地设于所述安装座上，所述封装体定位机构还包括用于驱使所述安装座进行位置调整的第一驱动机构、用于驱使所述旋转座旋转的旋转驱动机构；
劈刀定位机构，包括第二底座、相对所述第二底座可沿X、Y方向位置调整的转接座、相对所述转接座可沿Z方向升降的劈刀座、安装在所述劈刀座上的劈刀组件、用于向所述劈刀组件送丝的送丝组件，其中，所述劈刀组件至少包括劈刀，所述劈刀定位机构还包括用于驱使所述转接座沿Χ、Υ方向位置调整的第二驱动机构、用于驱使所述劈刀座沿Z向升降的第三驱动机构； 显微视觉组件，包括设于所述转接座上的CCD相机、显微镜头和调焦机构，所述CCD相机与所述显微镜头位于所述劈刀的上方，所述显微视觉组件还包括控制器，所述CCD相机与所述控制器相信号连接，所述控制器与所述第一驱动机构、第二驱动机构及第三驱动机构相连接并能够根据所述CCD相机的拍摄结果调整所述封装体的位置以实现自动对焦，以及控制所述劈刀的运行状态而实现三维键合。
[0010]优选地，所述封装体包括夹持部与待封装部，所述待封装部具有多个平面，所述夹持部固定在所述旋转座上，所述劈刀在其中两个所述平面之间分别引线键合从而在该两个平面之间形成三维线弧。
[0011 ]进一步地，当所述劈刀在对所述封装体的其中一个所述平面进行引线键合时，待引线键合的所述平面与水平面平行。
[0012]进一步地，所述旋转座上还设有用于对所述封装体进行加热且能够控制所述封装体引线键合时温度的加热装置。
[0013]更进一步地，所述旋转座上具有安装孔，所述夹持部固定地插设在所述安装孔中，所述加热装置包括插设在所述安装孔中用于对所述夹持部进行加热的热电偶、用于控制所述热电偶加热状态的加热控制器。
[0014]优选地，所述显微视觉组件还包括设于所述显微镜头下方的环形光源。
[0015]优选地，所述第一驱动机构包括可沿X向滑动地设于所述第一底座上的第一X轴滑动平台、可沿Y向滑动地设于所述第一X轴滑动平台上的第一Y轴滑动平台，所述安装座通过升降驱动机构可沿Z向升降地设于所述第一 Y轴滑动平台上。
[0016]优选地，所述第二驱动机构包括可沿Y向滑动地设于所述第二底座上的第二Y轴滑动平台、可沿X向滑动地设于所述第二Y轴滑动平台上的第二X轴滑动平台，所述转接座固定在所述第二 X轴滑动平台上。
[0017]本发明的另一目的是提供一种采用上述三维封装装置的三维封装加工方法。
[0018]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:一种基于上述三维封装装置的三维封装方法，所述封装方法包括如下步骤:
(I)夹持所述封装体，将所述封装体固定夹持在所述旋转座上并对所述封装体进行加热，使其达到设定的键合温度；
(2 )封装体第一次定位，旋转所述封装体使其第一个待键合平面与水平面平行，调整所述封装体和所述显微镜头的位置，实现对所述封装体上所述第一个待键合平面上的第一个键合点的精准定位，并将此时所述第一个键合点的位置设为原点；
(3)第一个键合点引线键合，所述劈刀根据所述第一个键合点的位置进行位置调整，并在所述第一个键合点处焊接金丝实现引线键合，待加工完成后，所述劈刀偏离所述第一个键合点；
(4)封装体第二次定位，旋转所述封装体使得第二个待键合平面与水平面平行，所述控制器控制所述第一驱动机构工作使得所述封装体沿X、Y、Z方向作出位置调整，在所述封装体位置调整的过程中所述CCD相机持续拍照，直至所述CCD相机获取的图像中所述封装体位置处于最优焦距时，所述控制器使得所述封装体停止位置调整，待第二次定位完成后，获取所述第二个待键合平面上第二个键合点的位置坐标；
(5)第二个键合点引线键合，所述劈刀运动至所述第二个键合点的位置实现第二个键合点处的引线键合，从而在第一个键合点与第二个键合点之间形成三维线弧。
[0019]优选地，所述步骤(2)中，先通过所述第一驱动机构、第二驱动机构及第三驱动机构将所述封装体粗定位在所述显微镜头的下方，然后通过所述调焦机构初步调焦后再调整所述封装体在Χ、γ、ζ向的位置，实现所述第一个键合点的精调焦及定位。
[0020]由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:采用本发明的面向MEMS的三维封装装置，可方便地对封装体待引线键合的不同平面上的不同键合点进行精准定位，方便劈刀分别运行至该键合点位置处进行引线键合，从而在封装体上形成三维线弧，以满足对微机电系统轻型化、微型化的要求，其装置结构简单，操作也很方便，加工精准，有利于封装体的尺寸与重量进一步减小，以及提高封装体的可靠性及生产效率，降低其生产成本。
[0021]
【附图说明】
[0022]附图1为本发明的三维封装装置的整体结构示意图；
附图2为本发明中封装体定位机构的结构示意图；
附图3为本发明中劈刀定位机构的结构示意图；
附图4为本发明中劈刀组件的结构示意图；
附图5为本发明中显微视觉组件的结构示意图；
附图6为本发明中旋转座的结构示意图一；
附图7为本发明中旋转座的结构示意图二；
附图8为本发明中待加工的封装体的整体结构示意图；
其中:1、封装体定位机构；11、第一底座；12、第一X向滑动平台；13、第一Y向滑动平台；14、安装座；15、旋转座；15a、安装孔；15b、螺纹紧固孔；15c、加热孔；16、旋转驱动机构；17、升降驱动机构；
2、劈刀定位机构;21、第二底座;22、第二Y向滑动平台；23、第二 X向滑动平台；24、转接座;25、劈刀座；
3、劈刀组件;31、劈刀;4、送丝组件；
5、显微视觉组件;51、(XD相机;52、显微镜头;53、环形光源;54、调焦机构;55、控制器；
6、封装体;61、夹持部;62、待封装部;62a、第一个待键合平面;62b、第二个待键合平面；A、第一个键合点;B、第二个键合点。
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【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
[0025]参见图1至图8所示，一种面向MEMS的三维封装装置，其包括封装体定位机构1、劈刀定位机构2、劈刀组件3、送丝组件4、显微视觉组件5这五大部分。
[0026]参见图1、图2所示，封装体定位机构I包括第一底座11、相对第一底座11可沿X、Y、Z方向位置调整的安装座14、用于固定安装封装体6的旋转座15，封装体6的中心线沿水平方向分布，旋转座15绕封装体6的中心线旋转地设于安装座15上。该封装体定位机构I还包括用于驱使安装座14进行位置调整的第一驱动机构、用于驱使旋转座15旋转的旋转驱动机构
16。在这里，第一驱动机构包括可沿X向滑动地设于第一底座11上的第一X轴滑动平台12、可沿Y向滑动地设于第一 X轴滑动平台12上的第一 Y轴滑动平台13，安装座14通过升降驱动机构17可沿Z向升降地设于第一 Y轴滑动平台13上。当然，也可以将第一 X轴滑动平台12与第一Y轴滑动平台13的位置对调，也可以实现安装座14沿X、Y、Z方向进行位置调整。
[0027]参见图8所示，封装体6包括夹持部61和待封装部62，待封装部62上具有多个平面，夹持部61固定在旋转座15上。具体地，参见图6、图7、图8所示，夹持部61呈方形，旋转座15上开设有方形的安装孔15a和螺纹紧固孔15b，夹持部61对应配合地插设在安装孔15a中并通过插入螺纹紧固孔15b的螺栓固定，从而实现封装体6的固定夹持安装。旋转座15上还设有用于对封装体6进