专利名称：定位设备和控制定位设备的方法
技术领域：
本发明涉及处理或加工设备中包含的定位设备，处理或加工设备例如是被设计来将电子组件芯片安装到印刷电路板上的芯片安装器。本发明还涉及控制该定位设备的方法。
背景技术：
例如，如日本专利申请公开No.2003-124112中所公开的那样，在晶片的精细加工中通常利用曝光设备。光学单元、掩膜等与曝光设备中工作台上的放置的晶片对齐。例如，工作台在水平方向上移动以定位光学单元和掩膜。在工作台已经停止移动后工作台中仍存在过渡过程。光学单元和掩膜被驱动以与过渡过程同步地移动。光学单元和掩膜可以无误差地与晶片对齐。可以消除位置偏差。即使在工作台的过渡过程期间也可以获得精确的对齐。
此类型的曝光设备需要很大的机构来与工作台的过渡过程同步地驱动光学单元和掩膜。曝光设备还被迫使具有复杂的结构。人们必须面对制造曝光设备的增大的成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种定位设备和控制其的方法，其以简单的结构最佳地确定开始处理单元的操作的时间。
根据本发明的第一方面，提供了一种定位设备，包括被设计成沿预定导轨移动的可移动构件；从所述可移动构件延伸的支撑构件；固定到所述支撑构件的顶端的处理单元；检测所述可移动构件的移动的传感器；控制器电路，其被设计成基于传感器信号来确定开始所述处理单元的操作的时间，当所述可移动构件已经停止移动时从所述传感器输出所述传感器信号。
当可移动构件已经停止移动时，处理单元遭受由于作用在处理单元上的惯性引起的过渡过程。基于传感器信号的波形检测过渡过程。由此基于传感器信号可以精确检测处理单元的位置。允许控制器电路最优地确定开始处理单元的操作的时间。由此允许处理单元在预定时间开始操作。即使在处理单元中仍存在有过渡过程，也允许处理单元在可移动构件已经停止移动后较短时间内开始操作。
此外，定位设备允许利用被设计成检测可移动构件移动的传感器。采用传感器来定位可移动构件。所以，本发明可以以方便的方式被应用到传统定位设备。可以以简单的结构确定开始处理单元的操作的时间。由此开始时间的确定不会需要较大的机构或额外的部件。人们可以享有制造定位设备的成本的降低。控制器电路可以基于定位设备中的传感器信号的周期来确定该时间。
处理单元可以包括曝光机构。如上所述，即使在过渡过程期间，定位设备也能够在较短时间内精确定位。处理单元可以以更高精度相对应目标定位。在过渡过程期间允许曝光设备在最好的位置处实现曝光。
根据本发明第二方面，提供了一种控制定位设备的方法，所述方法包括监视当可移动构件已经停止移动时从传感器输出的传感器信号的波形，所述传感器被设计成检测沿预定导轨移动的所述可移动构件的移动；和基于所述波形确定开始处理单元的操作的时间，所述处理单元被支撑在所述可移动构件上。
当可移动构件已经停止移动时，处理单元遭受由于作用在处理单元上的惯性引起的过渡过程。基于传感器信号的波形检测处理单元的过渡过程。由此基于传感器信号可以精确检测处理单元的位置。可以确定处理单元进行操作的最优位置。以此方式确定开始处理单元的操作的时间。即使在处理单元中仍存在有过渡过程，也允许处理单元在可移动构件已经停止移动后较短时间内开始操作。可以基于波形的周期来确定该时间。
从结合附图的对优选实施例的以下说明，本发明的上述和其他目的、特征与优点将变得清楚，附图中图1是示意性图示根据本发明实施例的芯片安装器的结构的立体图；图2是示意性图示在过渡过程期间相机单元和可移动构件的状态的剖视图；图3是示意性图示源自脉冲信号的波形的曲线图；图4是示意性图示根据本发明的修改方案的芯片安装器结构的立体图；图5是示意性图示源自脉冲信号的波形的曲线图；和图6是示意性图示根据本发明的另一个修改方案的芯片安装器结构的立体图。
具体实施例方式
图1示意性图示了作为根据本发明实施例的处理设备示例的芯片安装器11。芯片安装器11包括工作台12，工作台12沿着预定水平面界定出上部平坦表面。工作台12被允许在该水平面内移动。工作台12被设计成在该上部平坦表面上承受印刷电路板。
此处，在芯片安装器11中建立xyz坐标系。xyz坐标系的y轴在垂直于工作台12的上部平坦表面(即垂直于水平面)的方向上延伸。工作台12在x轴和y轴方向上被驱动。可以用x坐标和y坐标标识工作台12的位置。
压力设备13与工作台12相关联。压力设备13包括超声波头14。超声波头14被设计成在与工作台12的上部平坦表面相对的下端夹持电路组件芯片。超声波振荡器被包括在超声波头14内以产生超声波振动。超声波从超声波振荡器传递到芯片。例如，超声波用来引发超声波头14在水平方向上的振动。
超声波头14被允许沿着xyz坐标系的y轴在垂直于工作台12的上部平坦表面的方向上移动，如以下所述。超声波头14的垂直移动被采用来将芯片推压到工作台12的上部平坦表面上的印刷电路板。超声波在此情况下被传递到芯片。超声波头14由此基于超声波头14的超声波振动而实现了超声波焊接。
压力设备13包括耦合到超声波头14的移动构件15。力传感器16置于超声波头14和移动构件15之间。力传感器16被设计成检测在y轴方向上作用在超声波头14上的力或负载。力传感器16将检测到的负载转换成电信号。应变片可以包括在力传感器16内。力传感器16检测拉伸负载或者压缩负载。
压力设备13还包括支撑构件17。支撑构件17被设计成支撑移动构件15。支撑构件17在移动构件15的移动期间保持静止。具体而言，允许超声波头14、移动构件15和力传感器16相对于支撑构件17移动。例如音圈电动机VCM的驱动源被耦合到移动构件15。音圈电动机用来产生驱动移动构件15的驱动力。音圈电动机引起超声波头14和力传感器16的垂直移动。
图像捕获设备21与工作台12和压力设备13相关联。图像捕获设备21包括被设计成沿着预定导轨移动的可移动构件22。预定导轨被定义为与z轴平行。可移动构件22由此允许在z轴方向上相对于工作台12沿水平面移动。图像捕获设备21包括沿着z轴从可移动构件22延伸的支撑构件23。
例如相机单元24的处理单元被固件到支撑构件23的顶端。例如图像捕获机构25的曝光机构被包括在相机单元24内。例如，图像捕获机构25可以采用CCD、电荷耦合装置。当可移动构件22在水平方向上移动时，图像捕获机构25可以定位在超声波头14和工作台12顶表面之间的空间中。图像捕获机构25以此方式能够同时捕获夹持在超声波头14上的电子电路芯片的图像和放置在工作台12顶表面上的印刷电路板的图像。
芯片安装器11包括主控制器电路26。主控制器电路26根据预定软件程序的执行来控制芯片安装器11的操作。主控制器电路26向安装在超声波头14内的超声波振荡器供应预定电信号。基于所供应的电信号而在超声波头14中引发超声波振动。
压力设备控制电路27连接到主控制器电路26。压力设备控制电路27被允许根据预定软件程序的执行而向音圈电动机供应电流。基于所供应的电流而引起移动构件15的垂直移动。超声波头14以此方式在垂直于工作台12顶表面的垂直方向上沿着y轴移动。允许压力设备控制电路27控制超声波头14的推力。
工作台驱动电路28也连接到主控制器电路26。例如，工作台驱动电路28被设计成向包括在工作台12内的电动机供应预定电信号。在向工作台12供应电信号时工作台驱动电路28可以从主控制器电路26接收预定控制信号。允许工作台12基于所供应的电信号而沿着x轴或z轴在水平方向上移动。
图像处理电路29连接到主控制器电路26。图像处理电路29被设计成向图像捕获机构25供应预定控制信号。允许图像捕获机构25响应于控制信号的供应而捕获印刷电路板的图像和电子电路芯片的图像。图像处理电路29处理并分析从图像捕获机构25输出的图像。在供应控制信号时从触发信号产生电路向图像处理电路29供应触发信号。触发信号产生电路将在下面详细说明。
图像捕获设备控制电路31连接到主控制器电路26。例如，图像捕获设备控制电路31被设计成向包含在图像捕获设备21内的电动机供应预定电信号。在向图像捕获设备21供应电信号时图像捕获设备控制电路31从主控制器电路26接收预定控制信号。允许可移动构件22响应于电信号的供应而沿着z轴在水平方向上移动。
还参照图2，例如，可移动构件22连接到滚珠丝杠32来进行上述水平移动。滚珠丝杠32沿着z轴延伸。包括在图像捕获设备21内的电机用来驱动滚珠丝杠32进行转动。滚珠丝杠32的转动引起可移动构件22的水平移动。
位置传感器33安装到可移动构件22。位置传感器33电连接到图像捕获设备控制电路31。例如，位置传感器33采用脉冲编码器。位置传感器33与以微小间隔排列的细小突起或细小件34相对。当可移动构件22在水平方向上移动时，位置传感器33基于细小件34的排列而产生脉冲信号。脉冲信号被供应到图像捕获设备控制电路31。脉冲信号中的脉冲被计数来检测可移动构件22的移动量。图像捕获设备控制电路31以此方式确定可移动构件22的位置。
图像捕获设备控制电路31包括振动检测电路35。振动检测电路35被设计成检测可移动构件22和相机单元24的振动。当可移动构件22和相机单元24振动时，位置传感器22向振动检测电路35供应脉冲信号。脉冲信号在振动检测电路35处被转换成波形信号。振动检测电路35分析波形信号。振动检测电路35基于波形信号确定开始相机单元24的操作的时间，即捕获的开始时间。可以以此方式设置开始时间。下面将对开始时间的确定进行详细说明。
图像捕获设备控制电路31包括触发信号产生电路36。触发信号产生电路36被设计成基于在振动检测电路35处确定的开始时间来产生触发信号。触发信号被传送到图像处理电路29。图像处理电路29响应于触发信号的供应而向图像捕获机构25供应控制信号。图像捕获机构25由此在设置的开始时间处开始捕获图像。注意，可移动构件22、支撑构件23、相机单元24、位置传感器33和图像捕获设备控制电路31结合起来用作构建本发明的定位设备。
现在，假定电子电路芯片将被焊接到印刷电路板上。印刷电路板被放置在工作台12的顶表面上。芯片被设置在超声波头14上。已经使得芯片在下表面上具有球形凸块。球形凸块可以由例如铜的导电材料制成。在芯片的下表面上建立定位标记。还在印刷电路板的上表面上建立定位标记，以指示接受芯片的位置。超声波头14首先被定位在第一位置。第一位置处的超声波头14离开工作台12的表面预定距离。
主控制器电路26然后向图像捕获设备控制电路31供应控制信号。图像捕获设备控制电路31基于控制信号向图像捕获设备21内的电动机供应电信号。可移动构件22由此向着工作台12沿z轴在水平方向上移动。可移动构件22此后基于位置传感器33的检测而定位在预定目标位置。相机单元24由此被定位在芯片和印刷电路板之间的空间中。当可移动构件22已经停止移动时，可移动构件22、支撑构件23和相机单元24此后受到由于惯性引起的过渡过程。如从图2清楚可见，相机单元24在yz平面内与可移动构件22和支撑构件23一起摆动。
位置传感器33基于可移动构件22中仍存在的过渡过程而向振动检测电路35输出脉冲信号。输出的脉冲信号在振动检测电路35处被转换成相应的波形信号37，如图3所示。波形信号逐渐衰减。因为相机单元24的过渡过程收敛在设置的目标位置，所以目标位置可以是用于测量波形信号37的幅值的基准线或中心线38。所以，波形信号37穿过中心线38交点的时间点对应于相机单元24准确定位在目标位置处的时间点。穿过中心线38的交点对应于利用图像捕获机构25捕获图像的最佳时间。
接着，振动检测电路35计算相机单元24的振动周期。基于可移动构件22、支撑构件23和相机单元24的固有频率而确定该周期为常数。如果可以确定中心线38上相继交点之间的时间间隔，则可以预测将来的交点。由此可以基于预测的交点来确定捕获图像的开始时间。触发信号产生电路36响应于开始时间的确定而向图像处理电路29输出触发信号。图像处理电路29响应于触发信号的供应而向图像捕获机构25供应控制信号。图像捕获机构25由此捕获芯片和印刷电路板的图像。以此方式基于开始时间捕获所需图像。
捕获的图像被供应到图像处理电路29。图像处理电路29检测芯片和印刷电路板上的定位标识的位置。检测到的位置随后被转换成位置信号。位置信号然后被供应到主控制器电路26。主控制器电路26基于位置信号计算芯片的和印刷电路板的定位标识之间的偏移量。主控制器电路26然后基于计算出的偏移量计算工作台12的移动的调节量。
主控制器电路26基于计算出的调节量向工作台驱动电路28供应控制信号。工作台驱动电路28根据控制信号向工作台12供应电信号。工作台12由此基于计算出的调节量在水平方向上移动。印刷电路板的定位标识与芯片的定位标识对齐。芯片以此方式与印刷电路板正确地对齐。图像捕获设备21此后基于可移动构件22的水平移动而从工作台12上方的空间撤回。
接着，主控制器电路26向压力设备控制电路27供应控制信号。压力设备控制电路27基于控制信号向音圈电动机供应电流。基于电流的供应来控制超声波头14的垂直移动。超声波头14向着工作台12的顶表面向下移动。超声波头14被定位在第二位置。超声波头14离开印刷电路板预定距离。
超声波头14从第二位置进一步向下移动。超声波头14由此将芯片压靠在印刷电路板上。芯片上的球形凸块被迫使与印刷电路板上的相应导电焊盘接触。例如，导电焊盘可以由例如铜的导电材料支撑。当芯片被压靠在印刷电路板上时，超声波头14与y轴平行地抬起力传感器16。在应变片中引发应变。应变片变形，因此电阻改变。电阻的改变被转换成电信号。电信号然后从力传感器16供应到压力设备控制电路27。压力设备控制电路27基于电信号检测负载。压力设备控制电路27基于检测到的负载向音圈电动机供应电流。这使得超声波头14在垂直方向上移动。例如，超声波头14的负载或推力取决于芯片和印刷电路板的物理属性。
主控制器电路26然后向超声波头14供应电信号。电信号的供应使得超声波振荡器产生超声波振动。超声波振动在水平方向上传递到超声波头14。由此引起球形凸块的超声波振动。基于超声波能量而在球形凸块和导电焊盘之间的触点处引起塑性变形。在球形凸块和导电焊盘之间的触点处氧化物膜破损。交换的金属原子扩散到球形凸块和导电焊盘中。球形凸块以此方式焊接到相应的导电焊盘。完成了所谓的超声波焊接。
压力设备控制电路27然后向音圈电动机供应电流。超声波头14由此向上移动。允许超声波头14通过第二位置到达第一位置。印刷电路板与芯片一起从工作台12被移开。此后再次在工作台12和超声波头14上设置印刷电路板和芯片。芯片安装器重复上述处理。例如，在设置印刷电路板和芯片后到完成超声波焊接，在三秒内执行这些处理。
当可移动构件22已经停止移动时，相机单元24受到上述芯片安装器11中由于作用在相机单元24上的惯性而产生的过渡过程。发明者已经揭示出相机单元24的过渡过程可以在位置传感器33输出的脉冲信号或波形信号37中检测到。可以基于波形信号37确定过渡过程的周期。所获得的过渡过程的周期可以被用来确定图像捕获机构25捕获图像的开始时间。在过渡过程收敛或者完成之前，可以消除图像捕获机构25和印刷电路板之间以及图像捕获机构25和芯片之间的偏移。允许图像的识别享有提高的精度。即使在相机单元24中仍存在有过渡过程，也允许图像捕获机构25在可移动构件22已经停止移动后就立即开始捕获图像。
设计成检测可移动构件22的移动的位置传感器33可以被用来检测波形信号37。位置传感器33是传统芯片安装器中的普通部件。本发明由此可以容易地应用到传统芯片安装器上。可以采用简单的结构来确定开始时间。开始时间的确定因此不会需要更大的机构或额外的部件。人们可以享有制造图像捕获设备21即芯片安装器11的成本的降低。特别地，传统芯片安装器需要很大的机构来使压力设备和工作台与可移动构件或相机单元的过渡过程同步。在传统芯片安装器中该结构因此变得复杂。传统芯片安装器使得制造成本提高。另一方面，本发明的芯片安装器11基于来自位置传感器33的脉冲信号允许对过渡过程的精确检测，因此即使在相机单元24的过渡过程期间也可以确定捕获图像的最佳位置。所以，本发明特别地可以以有效的方式被应用到简化结构的处理设备。
波形信号37的峰-峰值可以被用来计算相机单元24的振动的周期。峰-峰值由幅值的最大和最小值定义。因为振动的周期为常数，可以在恒定的间隔检测到峰-峰值。在波形信号37中最大点和穿过中心线38的交点之间的时间段等于最小点和该交点之间的时间段，因此可以容易地获得穿过中心线38的交点的时间点。如果以此方式可以获得相继交点之间的时间段，则可以预测将来交点的时间点。基于该预测的时间点可以确定开始时间。上述处理可以在振动检测电路35处实现。
另外，对来自位置传感器33的信号中脉冲的计数可以被用来计算相机单元24的振动的周期。当相机单元24由于过渡过程而摆动时，对脉冲的计数相对于与目标位置相对应的脉冲数反复增大和减小。当振动衰减时递增和递减的量减小。因为如上所述振动的周期为常数，所以脉冲计数的增大和减小以恒定周期而重复。所以，对于表示目标位置的脉冲计数可以预测时间。预测的时间被设置为开始时间。上述处理可以在振动检测电路35处实现。
另外，可以基于图像捕获机构25的曝光时间来确定开始时间。如图4所示，图像捕获设备控制电路31可以还包括算法电路39。算法电路39可以被设计成基于图像捕获机构25的曝光时间来确定捕获图像的开始时间。振动检测电路35将脉冲信号转换成波形信号37。还参照图5，振动检测电路35以与上述相同的方式确定波形信号37和中心线38之间的交点的时间点[t1]。算法电路39基于曝光时间段[tA]计算时间点[t2]。时间点[t2]对应于曝光时间段[tA]在预测时间点[t1]之前的一半。时间点[t2]由此对应于开始时间。触发信号在开始时间即时间[t2]被供应到图像处理电路29。以此方式基于开始时间捕获所需图像。可以进一步提高图像识别精度。
另外，可以基于波形信号与参考波形的比较来确定捕获图像的开始时间。表示过渡过程的脉冲信号以如上所述的方式被转换成波形信号，以形成参考波形。图像捕获设备控制电路31可以包括保存用作参考波形的转换波形信号的存储器41，如图6所示。在参考波形上建立上述中心线。振动检测电路35将波形信号与参考波形进行比较，以确定开始时间。振动检测电路35观测波形信号和参考波形之间的对应性。当波形信号与参考波形一致时，可以基于参考波形预测波形信号。由此可以从预测的波形信号获得交点的时间点。基于预测的交点的时间点确定开始时间。在此情况下，在将波形信号与参考信号进行比较的处理中不需要上述计算。由此可以在较短时间内设置开始时间。
在芯片安装器11中的图像捕获设备控制电路31处基于预定软件程序的实现可以确定开始时间。在此情况下，图像捕获设备控制电路31例如可以包括中央处理单元CPU、随机访问存储器RAM和例如非易失性存储器的存储器电路。软件程序可以存储在非易失性存储器中。CPU临时地将程序从非易失性存储器传送到RAM。
权利要求
1.一种定位设备，包括被设计成沿预定导轨移动的可移动构件；从所述可移动构件延伸的支撑构件；固定到所述支撑构件的顶端的处理单元；检测所述可移动构件的移动的传感器；控制器电路，其被设计成基于传感器信号来确定开始所述处理单元的操作的时间，当所述可移动构件已经停止移动时从所述传感器输出所述传感器信号。
2.如权利要求1所述的定位设备，其中所述控制器电路基于所述传感器信号的周期来确定所述时间。
3.如权利要求1所述的定位设备，其中所述处理单元包括曝光机构。
4.一种控制定位设备的方法，所述方法包括监视当可移动构件已经停止移动时从传感器输出的传感器信号的波形，所述传感器被设计成检测沿预定导轨移动的所述可移动构件的移动；和基于所述波形确定开始处理单元的操作的时间，所述处理单元被支撑在所述可移动构件上。
5.如权利要求4所述的方法，其中基于所述波形的周期确定所述时间。
全文摘要
本发明公开了一种定位设备。其中，可移动构件沿预定导轨移动。支撑构件从可移动构件延伸。处理单元固定到支撑构件的顶端。传感器检测可移动构件的移动。当可移动构件已经停止移动时，处理单元遭受由于作用在处理单元上的惯性引起的过渡过程。基于传感器信号的波形检测过渡过程。由此基于传感器信号可以精确检测处理单元的位置。可以最优地确定开始处理单元的操作的时间。由此允许处理单元在预定时间开始操作。即使在处理单元中仍存在有过渡过程，也允许处理单元在可移动构件已经停止移动后较短时间内开始操作。
文档编号H01L21/50GK1815683SQ20051007762
公开日2006年8月9日 申请日期2005年6月17日 优先权日2005年2月4日
发明者小林泰山, 高田英治, 须藤和巳 申请人:富士通株式会社