专利名称：压力装置和芯片安装器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压力装置。特别地，本发明涉及一种合并入芯片安装器(chip mounter)的压力装置，该芯片安装器被设计成在印刷电路板安装电子元件芯片。
背景技术：
例如，由日本专利申请公开号2003-229442所揭示的，芯片安装器是公知的。诸如接触头(head)等的接触件与芯片安装器中的工作平台的上表面相对。该芯片安装器包括可动件，其被设计成沿垂直于该工作平台的上表面的方向运动。设置有一导向件，以支撑该可动件的运动。一支撑杆连接至该可动件的下端。一接触头被固定至该支撑杆的下端。一测压元件被设置在该支撑杆和该可动件之间。当该接触头抵靠在该工作平台上的基板上时，该测压元件被用以测量压力的大小。
该芯片安装器的该接触头经常会基于质量的不平衡而围绕该测压元件摇摆运动。该接触头的摇摆运动引发了伺服控制带宽的低频共振。低频的共振妨碍了实现该接触头的高速定位。在该芯片安装器中，不能缩短生产节拍(tact time)。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种压力装置和芯片安装器，其有助于实现缩短工作周期或生产节拍。
根据本发明，提供一种压力装置，包括支撑杆；接触件，其支撑在该支撑杆上；第一导向件，其被设计成沿该支撑杆的纵向轴引导该支撑杆的轴向移动；力传感器，其连接至该支撑杆；可动件，其连接至该力传感器；第二导向件，其被设计成引导该可动件沿与该支撑杆的纵向轴平行的方向移动；驱动源，其连接至该可动件，所述驱动源产生致使该可动件移动的驱动力；及支撑件，其支撑该第一导向件，所述支撑件在该可动件移动期间保持静止状态。
该压力装置允许该可动件致使该支撑杆的轴向移动。在这种情况下，该第一导向件用以引导该支撑杆的轴向移动。该第一导向件支撑在该支撑件上。在该可动件移动期间，该支撑件保持静止或静态。相应地，该可动件的移动被限制在该轴向。因此，防止该接触件围绕该力传感器进行摇摆移动。可以对该接触件的移动施加较高频率带宽的伺服控制。该接触件可以以较高的速度移动。还可避免在该接触件中产生共振。该接触件能以较短的周期定位于一预定位置。该压力装置可以具有较短的工作周期或生产节拍。
该第一导向件可以是非接触件，其产生从至少多对相对的方向作用于该支撑杆的预定力。因此，能可靠地避免该支撑杆和该第一导向件之间的物理接触。避免了该支撑杆和该第一导向件之间的摩擦。因此，该支撑杆响应较小的驱动力就可以开始移动。能在该力传感器中以较高的分辨率精确地检测施加于该接触件的载荷。能以较高的精确度控制该接触件的压力。例如，该力可以采用基于空气的静压力。另一方面，例如，如果采用接触导向件作为第一导向件，则会在该支撑杆和该第一导向件之间产生摩擦，从而该支撑杆无法响应较小的驱动力而开始移动。按照这样的方式，该力传感器的分辨率取决于在该第一导向件中产生的摩擦的大小。
类似地，该第二导向件可以是非接触导向件，其产生从至少多对相对的方向作用于该可动件的预定力。能可靠地避免该可动件和该第二导向件之间的物理接触。也避免了该可动件和该第二导向件之间的摩擦。因此，该支撑杆响应较小的驱动力而开始移动。能在该力传感器中以较高的分辨率更精确地检测施加于该接触件的载荷。能以较高的精确度控制该接触件的压力。例如，该力可以采用基于空气的静压力。
该力传感器可以包括连接件，其被设计成将该支撑杆连接至该可动件连接；以及，应变仪，其连接至该连接件。该连接件的变形在该应变仪中引发了应变。基于该应变而测量载荷。基于较大量的变形，该应变仪实现了对载荷的精确测量。在该应变仪中的变形越大，测量的精确度就越高。第一导向件用以防止在该接触件中产生共振，即使该连接件适于响应施加的较小的载荷而产生大变形、以获得该应变仪的较大的变形。
可以采用音圈马达作为该驱动源。与利用滚珠螺杆(ball screw)、空气压力等的驱动机构相比，该音圈马达能使该可动件、该支撑杆和该接触件移动得较快。
该压力装置可以合并入芯片安装器中。该芯片安装器可以包括工作台，其限定了沿水平面的上平面；支撑杆，其具有沿垂直于该水平面的方向的纵向轴；接触件，其支撑在该支撑杆上，所述接触件与该工作台相对；第一导向件，其被设计成沿该支撑杆的纵向轴引导该支撑杆的轴向移动；力传感器，其连接至该支撑杆；可动件，其连接至该力传感器；第二导向件，其被设计成引导该可动件沿与该支撑杆的纵向轴平行的方向移动；驱动源，其连接至该可动件，所述驱动源产生致使该可动件移动的驱动力；及支撑件，其支撑该第一导向件，所述支撑件在该可动件移动期间保持静止状态。
从结合附图对优选实施例的下述描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得明显，其中图1是示意性地显示根据本发明实施例的芯片安装器结构的立体图；图2是示意性地显示第一和第二导向件的结构的剖视图；图3是示意性地显示力传感器结构的剖视图；和图4是示意性地显示根据本发明另一实施例的芯片安装器结构的立体图。
具体实施例方式
图1是示意性地显示根据本发明实施例的芯片安装器11。芯片安装器11包括沿预定水平面的限定上平面的工作台12。工作台12可以在该水平面内移动。工作平台12被设计成接收在该上平面上的印刷电路板。
这里，在芯片安装器11内建立xyz坐标系统。该xyz坐标系统的y轴沿垂直于该工作台12的上平面，即水平面，的方向延伸。工作台12沿x轴和y轴被驱动。可以x坐标和y坐标标识工作台12的位置。
压力装置13与工作台12相关。根据本发明，压力装置13包括用作接触件的超声波头14。超声波头14用以夹持位于与该工作台12的上表面相对的下端的电路元件。超声波振荡器合并入该超声波头14内，以产生超声波振荡。该超声波从该超声波振荡器传输至该芯片。例如，超声波用以在水平方向引发超声波头14的振荡。
超声波头14可以在垂直于工作台12的上平面的方向沿xyz坐标系统的y轴移动，如下文所述。采用超声波头14的垂直移动来促使芯片移动至该工作台12的上平面上的印刷电路板。在这种情形下，超声波被传递至该芯片。因此，基于超声波头14的超声波振荡，超声波头14可以实现超声波接合(bonding)。
压力装置13包括具有平行于y轴的纵向轴的支撑杆15。超声波头14被固定至该支撑杆15的下端。例如，支撑杆15可以形成为棱柱体。例如，支撑杆15可以由金属材料制成。第一导向件16被用以引导支撑杆15移动。例如，第一导向件16可以被形成为具有多角形横截面的柱体。例如，第一导向件16可以由树脂材料制成。
例如，第一导向件16是所谓的非接触导向件。该非接触导向件被设计成产生从至少多对方向作用于支撑杆15的外围表面的预定力。该预定力可以包括例如基于原子的磁力、基于例如空气等流体的静压力等力。这里，第一导向件16采用了基于空气的静压力。第一导向件16用以沿支撑杆15的纵向轴引导支撑杆15的轴向移动。
可动件17与支撑杆15连接。这里，可动件17由一框架构件(framemember)形成。可动件17包括一对具有平行于y轴的纵向轴的导向杆18、18。例如，导向杆18可以被形成为棱柱体。例如，导向杆18可以由金属材料制成。第二导向件19被用以引导导向杆18的移动。例如，第二导向件19可以被形成为具有多角形横截面的柱体。例如，第二导向件19可以由树脂材料制成。
例如，采用与第一导向件16相同的方式，第二导向件19是所谓的非接触导向件。该非接触导向件被设计成产生从至少多对方向作用于支撑杆18的外围的预定力。这里，第二导向件19采用了基于空气的静压力。第二导向件19用以引导导向杆18(也即可动件17)沿与支撑杆15的纵向轴或y轴平行的方向垂直移动。
压力装置13还包括支撑件21。支撑件21被设计成支撑第一和第二导向件16、19。这里，第一和第二导向件16、19固定地位于支撑件21上。支撑件21被设计成即使在可动件17移动期间仍处于静态。特别地，支撑杆15和可动件17可以相对于支撑件21及第一和第二导向件16、19移动。
力传感器22插置在支撑杆15和可动件17之间。力传感器22被设计成检测沿y轴的方向作用于支撑杆15的力或载荷。该力传感器22用以将载荷转换成电信号。力传感器22将在后文中详细介绍。
驱动源或音圈马达23连接至可动件17。音圈马达23被设计成产生致使可动件17移动的驱动力。例如，音圈马达23包括柱状永久磁铁23a和圆柱形线圈23b，该柱状永久磁铁23a容纳于该圆柱形线圈23b内部。因此，线圈23b的内表面与永久磁铁23a的外表面相对。永久磁铁23a固定至可动件17。线圈23b固定至支撑件21。线圈23b用以基于供应的电流产生磁场。线圈23b的磁场与永久磁铁23a的磁场互相作用。因此，可动件17被驱动，以沿y轴在垂直方向移动。按这种方式的可动件17的移动会引发力传感器22、支撑杆15和超声波头14的垂直移动。
图像捕捉装置25与工作台12和压力装置13相关联。图像捕捉装置25可以相对于工作台12沿z轴在水平方向移动。图像捕捉装置25包括摄像单元26，其被设计成捕捉图像。当图像捕捉装置25在水平方向移动时，摄像单元26位于超声波头14和工作台12之间的空间内。摄像单元26用以同时捕捉夹持在超声波头14上的芯片的图像和置于工作台12的上平面上的印刷电路板的图像。利用所捕捉的图像、即画面来确定印刷电路板在工作台12上的位置。
芯片安装器11包括主控制电路31。主控制电路31被设计成根据预定软件程序控制芯片安装器11的运行。主控制电路31向超声波头14内的超声波振荡器供给预定的电信号。超声波头14可以响应该电信号的供给而产生超声波振荡。
压力装置控制电路32与主控制电路31连接。压力装置控制电路32被设计成向线圈23b供给电流。如上所述，响应该电流的供给，致使可动件17垂直移动。因此，超声波头14可以相对于工作台12沿y轴移动。在压力装置控制电路32中实行伺服控制，以实现超声波头14的垂直移动。压力装置控制电路32还被设计成基于由力传感器22供给的电信号检测载荷。
工作台驱动电路33与主控制电路31连接。例如，工作台驱动电路33被设计成向合并入工作台12的电动马达供给预定电信号。可以将预定控制信号从主控制电路31供应至工作台驱动电路33，以实现电信号的供给。工作台12可以基于所供给的电信号在平行于x和z轴的水平方向移动。
图像捕捉装置驱动电路34与主控制电路31连接。例如，图像捕捉装置驱动电路34被设计成向合并在图像捕捉装置25内的电动马达供给预定电信号。可以将预定控制信号从主控制电路31供应至图像捕捉装置驱动电路34，以实现电信号的供给。图像捕捉装置25可以基于所供给的电信号在平行于z轴的水平方向移动。
图像处理电路35与主控制电路31连接。图像处理电路35被设计成向摄像单元26供给预定控制信号。摄像单元26被设计成响应该控制信号的供给而捕捉置于工作台12上的印刷电路板的图像。图像处理电路35还被设计成分析从摄像单元26输出的图像。可以将预定控制信号从主控制电路31供应至图像处理电路35，以实现控制信号的供给。
如图2所示，第一导向件16的内表面与支撑杆15的外表面相对。第一导向件16限定了内部空间36。第一导向件16包括位于第一导向件16的外表面的入口37和位于该内表面的出口38。一未示出的空气供给源与入口37连接。出口38被设计成使内部空间36连接至限定于内表面内的内空间。在支撑杆15的外表面和第一导向件16的内表面之间可以保持有一预定空间。
连续不断地将空气从空气供给源供给至第一导向件16的入口37。迫使空气以预定流速从入口37流入内部空间36。然后，沿垂直于支撑杆15纵向轴的方向将引入的空气排出该出口38。排出的空气可以流入支撑杆15和第一导向件16的内表面之间的狭窄空间。这里，空气压力用以保持第一导向件16和支撑杆15之间的空间。因此，第一导向件16可以支撑该支撑杆15，而不与该支撑杆15接触。导向杆18和第二导向件19具有类似于支撑杆15和第一导向件16的结构。
如图3所示，力传感器22包括中心杆41和围绕中心杆41的环形部件42。连接件43使中心杆41连接至环形部件42。例如，连接件43沿四个方向从中心杆41辐射状延伸。应变仪44附着在各连接件43上。中心杆41的下端与支撑杆15的上端连接。环形部件42与可动件17的下端连接。连接件43用以使支撑杆15和可动件17互相连接。
电流被供应至应变仪44。例如，当可动件17用以促使超声波头14抵靠工作台12时，支撑杆15使中心杆41沿y轴朝向可动件17上升。中心杆41相对于环形部件42向上移动。在连接件43内引发了应变。相应地，应变仪44中的电阻发生变化。电阻的这个变化以电信号的形式被传送至压力装置控制电路32。
现在，假设要将一电路元件芯片安装在印刷电路板上。该印刷电路板被置于工作台12的上平面上。该芯片被夹持在超声波头14。在芯片的下表面上设置球形凸起(ball bump)。例如，该球形凸起可以由诸如铜等导电材料制成。在芯片的下表面上印刷一位置标记。在印刷电路板的上表面上类似地印刷一位置标记，以辨别芯片的位置。
超声波头14首先位于预定的第一位置。位于第一位置的超声波头14与工作台12相距一距离。主控制电路31开启该空气供给源。空气被连续不断地从该空气供给源供给至第一和第二导向件16、19。空气被迫通过入口37流入内部空间36。然后，空气从出口38排出。因此，在支撑杆15和第一导向件16之间建立了一恒定的预定空间。类似地，在导向杆18和第二导向件19之间建立了一恒定的预定空间。
然后，主控制电路31向图像捕捉装置驱动电路34供给一控制信号。基于该控制信号，从图像捕捉装置驱动电路34向图像捕捉装置25供给一电信号。因此，图像捕捉装置25沿水平方向移动至在z轴的预定位置。摄像单元26位于超声波头14和工作台12之间的空间内。然后，主控制电路31向图像处理电路35供给一预定控制信号。图像处理电路35输出一控制信号至摄像单元26。该控制信号的供给将致使摄像单元26同时拍摄该芯片和该印刷电路板。图片和所捕捉的图像被供给至图像处理电路35。
图像处理电路35基于所捕捉的图像检测该芯片和该印刷电路板上的位置标记。该检测的位置被转换成位置信号。该位置信号被供给至主控制电路31。主控制电路31基于该位置信号计算该芯片和该印刷电路板上的位置标记之间的偏移量。然后，主控制电路31基于该偏移量计算用于工作台12的调整量。主控制电路31可以采用预定的软件程序来执行该计算。
主控制电路31向工作台驱动电路33供给由该调整量导出的控制信号。因此，一电信号被从工作台驱动电路33供给至工作台12。工作台12可以沿水平方向移动至预定位置。按照这样的方式，该印刷电路板上的位置标记就与该芯片上的位置标记对准。随后，图像捕捉装置25从超声波头14和工作台12之间的空间撤离。
然后，主控制电路31向压力装置控制电路32供给一控制信号。该控制信号的供给致使压力装置控制电路32向线圈23b供给电流。因此，致使可动件17和超声波头14的垂直移动。超声波头14朝工作台12向下移动。因此，超声波头14位于预定的第二位置。当超声波头14占据该第二位置时，该芯片与该印刷电路板相距一距离。当超声波头14继续向下移动时，超声波头14促使该芯片抵靠该印刷电路板。该芯片上的球形凸起被迫与该印刷电路板上相应的导电垫(pad)接触。例如，该导电垫可以由诸如铜等导电材料制成。
当该芯片抵靠该印刷电路板时，支撑杆15使力传感器22内的中心杆41沿y轴上升。中心杆41相对于环形部件42移动。在连接件43内引起了应变。应变仪44发生变形，从而使电阻发生变化。电阻的变化以电信号的形式被传送至压力装置控制电路32。压力装置控制电路32基于该电信号检测载荷。压力装置控制电路32基于所检测的载荷向线圈23b供给电流。这样就致使可动件17和超声波头14沿垂直方向移动，从而超声波头14的压力在预定水平保持恒定。
主控制电路31向超声波头14供给电信号。该电信号的供给致使该超声波振荡器产生超声波振荡。该超声波振荡沿水平方向被传输至超声波头14。因此，引发球形凸起的超声波振荡。基于超声波能量在球形凸起和导电垫之间的接触处引发塑性变形。氧化膜在球形凸起和导电垫之间的接触处破裂。互换的金属原子扩散至球形凸起和导电垫中。按此方式，球形凸起与相应的导电垫接合。从而实现所谓的超声波接合。
然后，压力装置控制电路32向线圈23b供给电流。超声波头14向上移动。超声波头14位于该第一位置。该印刷电路板与该芯片一起偏离工作台12。随后，再将一印刷电路板和一芯片设置在工作台12和超声波头14上。该芯片安装器重复上述过程。例如，在布置该印刷电路板和芯片之后，在3秒钟内执行这些过程，以完成超声波接合。
芯片安装器11允许第一导向件16来引导支撑杆15的垂直移动。第一导向件16被固定地支撑在支撑件21上。在可动件17移动期间，支撑件21保持不动。相应地，允许支撑杆15仅沿垂直方向移动。从而防止超声波头14进行围绕力传感器22摇摆运动。可以向超声波头14的移动施加较高频带宽的伺服控制。允许超声波头14以较高速地移动。还可避免在超声波头14中产生共振。超声波头14可以以较短的周期位于第一和第二位置。允许芯片安装器11具有缩短的工作周期或生产节拍。
此外，利用非接触导向件作为第一和第二导向件16、19。从而可以可靠地避免支撑杆15和第一导向件16之间以及导向杆18和第二导向件19之间的物理接触。避免了支撑杆15和第一导向件16之间以及导向杆18和第二导向件19之间的摩擦。因此，支撑杆15响应较小的驱动力而开始移动。在力传感器22中能以较高的分辨率精确地检测施加于超声波头14的载荷。能以较高的精确度控制超声波头14的压力。另一方面，例如，如果采用接触导向件作为第一导向件，就会在支撑杆和第一导向件之间产生摩擦，使得支撑杆不能响应较小的驱动力而开始移动。力传感器22的分辨率依赖于在第一和第二导向件中产生的摩擦大小。
上述力传感器22使用了应变仪44。应变仪44基于较大量的变形实现载荷的精确测量。应变仪44中的变形越大，测量的精确度就越高。第一导向件16用以防止在超声波头14中产生共振，即使连接件43适于响应施加的较小的载荷而产生大变形、以获得应变仪44的较大的变形。
如上所述，采用音圈马达23作为驱动源。与利用滚珠螺杆(ball screw)、空气压力等的驱动机构相比，音圈马达23能使可动件17、支撑杆15和超声波头14较快地移动。能缩短生产节拍。
如图4所示，例如，芯片安装器11a可以包括固定地安置于支撑件21的导向杆18。在这种情况下，框架构件51限定了导向杆18。该框架构件51固定地安置于支撑件21。第二导向件19被支撑在相应的导向杆18周围。第二导向件19安置于一可动件52。上述音圈马达23被合并在可动件52中。永久磁铁23a安置于可动件52。线圈23b固定支撑件21。音圈马达52用以致使可动件52移动。第二导向件19按此方式引导可动件52的移动。类似的附图标记赋于与上述实施例等同的部件或结构。芯片安装器11a可以具有与上述芯片安装器11相同的优点。
可以利用夹持切割钻头或类似物的头代替上述超声波头14作为芯片安装器11、11a中的接触件。压力装置13可以合并在切割装置或类似物中。
权利要求
1.一种压力装置，包括支撑杆；接触件，其支撑在该支撑杆上；第一导向件，其被设计成沿该支撑杆的纵向轴引导该支撑杆的轴向移动；力传感器，其连接至该支撑杆；可动件，其连接至该力传感器；第二导向件，其被设计成引导该可动件沿与该支撑杆的纵向轴平行的方向移动；驱动源，其连接至该可动件，所述驱动源产生致使该可动件移动的驱动力；及支撑件，其支撑该第一导向件，所述支撑件在该可动件移动期间保持静止状态。
2.根据权利要求1所述的压力装置，其中所述第一导向件是非接触件，其产生从多对相对的方向作用于该支撑杆的预定力。
3.根据权利要求2所述的压力装置，其中所述力采用基于空气的静压力。
4.根据权利要求1所述的压力装置，其中所述第二导向件是非接触件，其产生从多对相对的方向作用于该支撑杆的预定力。
5.根据权利要求4所述的压力装置，其中所述力采用基于空气的静压力。
6.根据权利要求1所述的压力装置，其中所述力传感器包括连接件，其被设计成使该支撑杆与该可动件连接；及应变仪，其附在该连接件上。
7.根据权利要求1所述的压力装置，其中所述驱动源包括音圈马达。
8.一种芯片安装器，包括工作台，其限定了沿水平面的上平面；支撑杆，其具有沿垂直于该水平面的方向的纵向轴；接触件，其支撑在该支撑杆上，所述接触件与该工作台相对；第一导向件，其被设计成沿该支撑杆的纵向轴引导该支撑杆的轴向移动；力传感器，其连接至该支撑杆；可动件，其连接至该力传感器；第二导向件，其被设计成引导该可动件沿与该支撑杆的纵向轴平行的方向移动；驱动源，其连接至该可动件，所述驱动源产生致使该可动件移动的驱动力；及支撑件，其支撑该第一导向件，所述支撑件在该可动件移动期间保持静止状态。
全文摘要
接触件支撑在支撑杆上。力传感器连接至该支撑杆。可动件连接至力传感器。压力装置允许该可动件致使该支撑杆的轴向移动。第一导向件用以引导该支撑杆的轴向移动。该第一导向件支撑在该支撑件上。在该可动件移动期间，该支撑件保持静止状态。因此，该可动件的移动被限制在该轴向方向。因此，防止该接触件围绕该力传感器进行摇摆移动。可以对该接触件的移动施加较高频率带宽的伺服控制。该接触件以较高的速度移动。还可避免在该接触件中产生共振。能缩短生产节拍。
文档编号H01L21/58GK1783444SQ200510054169
公开日2006年6月7日 申请日期2005年3月4日 优先权日2004年11月30日
发明者小林泰山, 高田英治, 洼山诚 申请人:富士通株式会社