本发明涉及用于将基板上的部件(通常为电子或光学部件，特别是半导体芯片和倒装芯片)安装在基板上的设备和方法。在该领域中，该安装也被称为结合过程或组装过程。
背景技术
这种类型的设备尤其用于半导体工业。这样的设备的例子是裸片结合器或取放机(pickandplacemachines)，用这样的设备，呈半导体芯片、倒装芯片、微机械、微光学和电光学部件等形式的部件被沉积在基板(诸如引线框架、印刷电路板、陶瓷等)上并且被结合。部件在取出位置被结合头拾取，特别是被吸入、移动到基板场所并沉积在基板上的精确限定的位置处。结合头是取放系统的一部分，取放系统能够实现结合头在至少三个空间方向上的移动。为了使部件能够准确地定位在基板上，必须确定由结合头夹持的部件相对于结合头的定位轴线的精确定位以及基板场所的精确定位。
市场上可得的安装设备在最佳情况下实现2微米至3微米的定位精度，且标准偏差为3西格玛。
技术实现要素：
本发明的目的是开发一种设备和方法，与现有技术相比，该设备和方法实现较高的放置精度。
根据本发明的设备包括：结合头，所述结合头具有部件夹持器；第一驱动系统，所述第一驱动系统用于使托架移动经过相对长距离；第二驱动系统，所述第二驱动系统被附接到所述托架，用于使所述结合头在名义工作位置和待机位置之间来回移动；驱动件或旋转驱动件，所述驱动件被附接到所述结合头，用于使所述部件夹持器旋转，所述旋转驱动件用于使所述基板绕垂直于基板表面延伸的轴线旋转；至少一个基板相机，所述至少一个基板相机被附接到所述托架；以及至少一个部件相机。所述结合头或所述部件夹持器包含至少一个基准标记，所述至少一个基准标记分别由至少一个部件相机和所述至少一个基板相机两者使用以确定所述部件相对于所述结合头的位置或所述结合头相对于基板场所的位置。基板包含至少一个基板标记，并且所述部件包含至少一个部件标记或适合用作部件标记的结构。
第一驱动系统用于以相对低的定位精度将结合头移动相对长的距离。第二驱动系统用于使结合头在名义工作位置和待机位置之间来回移动。在名义工作位置中，结合头覆盖被附接到基板的基板标记，并且因此暂时移动到待机位置，在待机位置，结合头不再覆盖基板标记，使得基板相机能够拍摄基板标记的图像。第二驱动系统优选地还用于以非常高的定位精度将结合头移动相对小的距离，即，执行结合头的高精度校正移动。替换地，可以提供第三驱动系统以执行基板的高精度校正移动。
合并到该说明书中并构成该说明书的一部分的附图示出本发明的一个或更多个实施例，且与详细描述一起用于解释本发明的原理和实施。这些附图并未按比例绘制。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的用于将部件安装在基板上的设备的第一实施例，
图2示意性地示出了根据本发明的用于将部件安装在基板上的设备的第二实施例，并且
图3-5示出了在根据本发明的组装过程中拍摄的快照。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的用于将部件1安装在基板2上的设备的第一实施例。基板2包含至少一个基板标记23(图3)。部件1特别是倒装芯片，但也包括其它半导体芯片。部件1也可以是电子的、光学的或电光的或任何其它要以微米范围或亚微米范围的精度安装的部件。
该安装设备包括：结合头3；用于供应部件1的进给单元4；用于进给和提供基板2的装置5；用于托架7的第一驱动系统6；和用于结合头3的第二驱动系统8。第二驱动系统8被附接到托架7。该设备还包括至少一个部件相机9和至少一个基板相机10。基板相机10被附接到托架7。结合头3包括可绕轴线12旋转的部件夹持器11。在下文中，由结合头3保持的部件被称为部件1a。部件夹持器11例如是将部件1a吸入的真空操作抽吸元件。
进给单元4包括：例如晶片台，该晶片台提供多个半导体芯片；和倒装装置，该倒装装置从晶片台一个接一个地移除半导体芯片，并将半导体芯片作为倒装芯片提供以便传递到结合头3。进给单元4也可以是一个接一个地提供倒装芯片或其它部件以传送到结合头3的进给单元。
结合头3或部件夹持器11包含至少一个基准标记13(图3)，有利地包括至少两个基准标记13，使得能够检测并校正由结合头3的部件夹持器11保持的部件1a的位移和部件1a从它的设定位置的旋转。(一个或多个)基准标记13以如下方式安装在结合头3或部件夹持器11上，使得当结合头3位于部件相机9的视场或多个部件相机9的多个视场中并且相应地在由基板相机10供应的图像或由多个基板相机供应的多个图像中可见时，相应地当结合头3处于基板相机10的视场或多个基板相机10的多个视场中时，(一个或多个)基准标记13在由部件相机9供应的图像或由多个部件相机9供应的多个图像中可见。(一个或多个)基准标记13例如形成为在部件夹持器11中的孔中的十字形，优选地它们以铬结构的形式形成在玻璃片上。玻璃是透明的，使得基准标记13从上方以及从下方以及因此被所有相机9和10看到。优选地，选择具有非常低的热膨胀系数的玻璃。有利地选择玻璃板的厚度，使得在基板2上方的结合头3的特定高度处，(一个或多个)基准标记13和(一个或多个)基板标记23两者在由(一个或多个)基板相机10捕获的图像中以足够的清晰度成像，即，(一个或多个)基准标记13和(一个或多个)基板标记23都处于基板相机10的场深中。
第一驱动系统6用于将结合头3输送经过相当长的距离，即，从部件移除位置输送到基板2，在部件移除位置，结合头3将待安装的部件1从进给单元4携带到基板2，在基板2处，结合头3将部件1a放置在基板2的基板场所上。对于第一驱动系统6的位置精度的要求相对适中，通常+/-10μm的位置精度就足够了。第一驱动系统6例如被设计为具有两个或更多个机械上高度稳定的运动轴线的所谓的“龙门架”，第一驱动系统6的两个运动轴线允许托架7在彼此垂直延伸的两个水平方向上移动。
结合头3从进给单元4移除部件1并将部件1a放置在基板2的基板场所上的上下移动可以以不同的方式完成，例如
--第一驱动系统6包含用于托架7的上下移动的第三高度稳定的运动轴线，
--第二驱动系统8包含用于结合头3的上下移动的附加的高精度驱动件，
--结合头3包含用于部件夹持器11的上下移动的高精度驱动件，该高精度驱动件有利地由空气轴承或滚珠轴承支撑。
该设备可以仅包含用于上下移动的上述运动/驱动轴线中的一个、或两个或全部三个。
第二驱动系统8一方面用于如下面更详细地描述的那样将结合头3移动到待机位置，另一方面用于实现结合头3在两个不同水平方向上的高精度校正移动。第二驱动系统8包括：第一驱动件，该第一驱动件用于将结合头3沿着被指定为u方向的第一方向移动；和第二驱动件，该第二驱动件用于将结合头3沿着被指定为v方向的第二方向移动。方向u和v在水平方向上延续并且优选彼此正交。结合头3可选地包括用于使部件夹持器11绕轴线12旋转的驱动件14。用于进给和提供基板2的装置5可以包含旋转驱动件15以便使基板2绕与基板2的表面正交延伸的绕轴线旋转，以便以这种方式交替消除任何角度误差。
该部件相机9或所述若干个部件相机9用于检测部件1a相对于(一个或多个)基准标记13的位置的位置。基板相机10或多个基板相机10用于检测部件1a将被放置在其上的基板场所相对于(一个或多个)基准标记13的位置的定位。每一个部件相机9和每一个基板相机10都包括图像传感器17和光学器件18(图3)。(一个或多个)基板相机10的光学器件18包括例如两个偏转镜19。
(一个或多个)部件相机9例如被固定地布置在设备上，并且使结合头3在其途中从部件移除位置移动到(一个或多个)部件相机9上方的基板场所，并且优选地，但不一定，停止拍摄一个或更多个图像。(一个或多个)部件相机9可以替代地被附接到托架7。例如，(一个或多个)部件相机9或结合头3通过可缩回和可伸展的回转机构附接到托架7。然后，在从部件移除位置移动到基板场所的同时，(一个或多个)部件相机9或结合头3然后分别缩回到图像捕获位置，使得每一个部件相机9的一个或更多个图像在移动期间可以被捕获。为了从进给单元4移除部件1以及为了用(一个或多个)基板相机10记录图像以及为了沉积部件1a，(一个或多个)部件相机9延伸到待机位置中并且结合头3延伸到其工作位置中。
与第一驱动系统6的运动范围相比，第二驱动系统8的运动范围相对较小并且甚至非常小。第二驱动系统8必须能够将结合头3从名义工作位置移动到待机位置，其中一方面中基板标记23没有被结合头3覆盖，另一方面能够实现结合头3在两个不同水平方向上的高精度校正移动。为此，如果第二驱动系统8的运动范围在一个水平方向上相对较长并且在另一个水平方向上非常短，就足够了。在一个方向上的运动范围通常为几十毫米，例如20mm或30mm或更大，在另一个方向上的运动范围通常为(仅)几微米。
结合头3的名义工作位置是与结合头3在组装过程的最后步骤中占据的最终位置稍微不同的位置。名义工作位置的精度要求相对较低，因为在装配过程中稍后会自动补偿与名义工作位置的任何偏差。
该设备被构造成将托架7和/或结合头3和/或部件夹持器11降低到使得部件1a的下侧位于基板表面上方通常仅50-200μm的极低的高度处，然后才用(一个或多个)基板相机10拍摄(一个或多个)基板标记23的图像。通过这样做，实现了仅在确定部件1a相对于其在基板场所上的设定位置的实际位置之后以及在执行高精度校正移动之后的移动仅是托架7和/或结合头3和/或部件夹持器11的下降移动，并且该距离如此短以至于在该下降移动期间在u方向和v方向上任何的位移都在亚微米范围内。
从托架7到达托架7在基板2的区域中的位置时起，(一个或多个)基板相机10相对于基板2的位置不再改变。从这一刻开始，即借助于第二驱动系统8，只改变结合头3的位置。因此可以监测(一个或多个)基准标记13的位置，直到将部件1a放置在基板2上并且可以校正在部件1a的最终下降阶段期间可能发生的与其设定位置的任何新偏差为止。因此，可以在亚微米范围内以前所未有的精度进行安装这些部件。
图2示出了根据本发明的设备的第二实施例，第二实施例大体上与第一实施例类似，但是本质区别在于，第二驱动系统8被设计成使结合头3在名义工作位置和待机位置之间来回移动，但不用于高精度校正移动，并且用于进给和提供基板2的设备5包括第三驱动系统16，所述第三驱动系统16使得基板2能够在至少两个不同的水平方向上进行高精度校正移动。第二驱动系统8因此可以仅在与基板2的表面平行延伸的单个方向上移动结合头3。然而，第二驱动系统8也可以可选地被设计成升高和降低结合头3，即，在与基板2的表面垂直延伸的方向上移动结合头3。然而，在本实施例中，通过第三驱动系统16在平行于基板2的表面延伸的平面内进行高精度的校正移动。第三驱动系统16包括：第一驱动件，所述第一驱动件用于将基板2沿着第一方向(再次被指定为u方向)移动；和第二驱动件，所述第二驱动件用于将基板2沿着第二方向(再次被指定为v方向)移动。方向u和v在水平方向上延续并且优选地彼此正交。第三驱动系统16可选地还可以具有旋转驱动件15，所述旋转驱动件15允许基板2绕垂直于基板2的表面的轴线旋转以便消除任何角度误差。
利用这种设备，即使在部件1a下降的最后阶段期间，也可以实现类似的高定位精度，可以不再为了校正成就而检查可能仍然必要并且被执行的基板2的另一个校正移动。
现在详细解释部件1的安装。根据本发明的安装方法包括以下步骤a至o。这些步骤可以以不同顺序执行。
a)用部件夹持器11从进给单元4拾取部件1。
b)用第一驱动系统6将托架7移动到部件相机9或多个部件相机9，使得该基准标记或这些基准标记13和部件1a处于该部件相机9的视场中或处于这些部件相机9的视场中。
对于将(一个或多个)部件相机9布置为固定的安装设备，通过以下方式执行步骤b：用第一驱动系统6将托架7移动到该部件相机9或这些部件相机9。在将(一个或多个)部件相机9被附接到托架7的安装设备中，步骤b通过以下方式执行：使(一个或多个)部件相机9和结合头3相对于彼此移动到图像获取位置。
c)用该部件相机9或这些部件相机9拍摄一个或更多个图像。
部件1包含部件标记22(图3)或可以用作部件标记的其它结构。部件标记22用于以要求的精度检测部件1a相对于(一个或多个)基准标记13的位置。
在将(一个或多个)部件相机9附接到托架7的安装设备中，步骤c之后的步骤是：使(一个或多个)部件相机9和结合头3相对于彼此移动，使得结合头3处于其正常工作位置中，并且如果需要的话，使(一个或多个)部件相机9处于待机位置中。
d)基于在前一步骤中获取的(一个或多个)图像，确定描述部件1a的实际位置相对于(一个或多个)基准标记13与其设定位置的偏差的第一校正向量。
第一校正向量包括三个分量δx1、δy1和
e)根据第一校正向量计算第一校正移动。
第一校正移动包括三个校正值δu1、δv1和δθ1。根据分量δx1、δy1和δθ1计算校正值δu1和δv1。根据角度误差
f)用第一驱动系统6将托架7移动到基板2的基板场所上方的位置。
g)将托架7降低到基板2上方的高度，在该高度处，由部件夹持器11保持的部件1a的下侧位于基板场所上方预定距离d处，其中距离d的尺寸被设定为使得(一个或多个)基准标记13和(一个或多个)基板标记23位于(一个或多个)基板相机10的场深中。
距离d通常为约50-200微米，但并不限于这些值。然而，距离d非常小，以至于当部件1a随后下降到基板场所时，通常在方向u和v上不会发生导致显著位置误差的部件1a的位移。
h)用第二驱动系统8将结合头3移动到待机位置。
步骤f、g和h可以一个接一个地或同时执行，即，并行执行。托架7以及由此附接到托架7的(一个或多个)基板相机10在随后的剩余步骤期间不再移动。
在步骤a至g期间，结合头3通常处于其名义工作位置。由于结合头3覆盖(一个或多个)基板相机10，所以(一个或多个)基板相机10看不到基板标记23。待机位置的位置被选择为使得结合头3不覆盖(一个或多个)基板标记23。
i)用(一个或多个)基板相机10拍摄第一图像，其中基板相机10的视场或基板相机10的每一个视场都包含布置在基板2上的至少一个基板标记23。
j)用第二驱动系统8使结合头3移动到名义工作位置，在名义工作位置中，基板相机10的视场或基板相机10的每一个视场包含至少一个基准标记13。
k)利用(一个或多个)基板相机10拍摄第二图像。
l)使用利用(一个或多个)基板相机10拍摄的该第一图像和该第二图像或这些第一图像和这些第二图像来确定第二校正向量，所述第二校正向量分别描述基板场所的实际位置相对于该基准标记13或这些基准标记13与设定位置的偏差。
第二校正向量包括三个分量δx2、δy2和
m)根据第二校正向量计算第二校正移动。
第二校正移动包括三个校正值δu2、δv2和δθ2。根据分量δx2、δy2和
n)执行第一校正移动和第二校正移动。
校正值δu1、δv1、δu2和δv2的位移由根据图1的设备的第二驱动系统8和根据图2的设备的第三驱动系统16执行。校正值δθ1和δθ2的旋转由驱动件14或旋转驱动件15执行。
o)降低托架7和/或结合头3和/或部件夹持器11，并且将部件1a放置在基板场所上。
如果用根据图1的设备执行安装过程，则该方法可选地还可以包括在步骤n之后执行一次或若干次的步骤p至t：
p)用基板相机10或多个基板相机10拍摄图像。
q)使用来自基板相机10的图像或来自多个基板相机10的多个图像来确定(一个或多个)基准标记13的(一个或多个)实际位置。
r)用第一校正向量计算该基准标记13或这些基准标记13的(一个或多个)校正实际位置。
在步骤e中计算的以及在步骤n中执行的针对结合头3和部件夹持器11的第一校正移动也使(一个或多个)基准标记13的位置偏移。(一个或多个)基准标记13的这种偏移在步骤r中被推导出，因为第一次校正移动与相对于基板场所的取向无关。
s)确定另一个校正向量，该另一个校正向量描述(一个或多个)基准标记13的校正实际位置相对于(一个或多个)基板标记23与它/它们的设定位置的偏差。
t)根据另一个校正向量计算结合头3和部件夹持器11的另一个校正移动。
结合头3和部件夹持器11的另一个校正移动包括：分量δuw、δvw，所述分量δuw、δvw在第二驱动系统8的机械坐标中给出；和分量δθw，该分量δθw是驱动件14或旋转驱动件15的机器坐标系中的角度变化。
u)用第二驱动系统8执行对结合头3的进一步校正移动，并且用驱动件14或旋转驱动件15执行对部件夹持器11的进一步校正移动。
直到另外的校正向量的每一个分量小于分配给该分量的极限值为止。
可选步骤p至u用于在步骤n中执行校正移动之后检查结合头3是否实际上达到了在要求的精度内的位置，并且如果不是这种情况，则迭代地执行另一个校正步骤，直到出现这种情况为止。每一个部件的检测偏差必须在要求的精度范围内。
尤其是在根据图1的设备的情况下，根据本发明的方法的步骤o可以通过监测来补充，其中(一个或多个)基准标记13的位置借助于(一个或多个)基板相机10而被连续地检测同时借助于第二驱动系统8和驱动件14或旋转驱动件15使托架7或结合头3或部件夹持器11下降并且保持稳定，以避免(一个或多个)基准标记13的以及因此部件1a的位置的任何改变。步骤o因此可以由以下步骤o1代替：
o1)降低托架7和/或结合头3和/或部件夹持器11并将部件1a放置在基板场所上，其中在借助于第二驱动系统8以及可选地也借助于驱动件14或旋转驱动件15下降和保持稳定期间，(一个或多个)基准标记13的位置借助于该基板相机10或这些基板相机10而被连续地检测。
如果需要的话，该基板相机10或这些基板相机10(包括图像评估)和第二驱动系统8与驱动件14或旋转驱动件15一起形成闭环运动轴线。这指的是：所述至少一个基板相机拍摄的图像的图像评估的输出被反馈回到第二驱动系统8，并且如果需要的话，被反馈回到驱动件14或旋转驱动件15，并因此直接控制第二驱动系统8的移动，并且如果需要的话，直接控制驱动件14或旋转驱动件15的移动。
图3至图5示出了在根据本发明的安装过程中拍摄的快照。使用包括单个部件相机9和两个基板相机10的安装设备进行图示，两个基板相机10如上所述被附接到托架7。
图3示出了步骤b之后的安装设备的一部分。图4示出了在步骤i期间的安装设备的一部分，其中结合头3处于待机位置并且两个基板相机10拍摄第一图像。图5示出了在步骤k期间稍后一点的安装设备的一部分，其中结合头3处于其中两个基板相机10中的每一个的视场包含至少一个基准标记13的位置。在结合头3从图4所示的状态移动到图5所示的状态期间，基板相机10相对于基板2的位置尚未改变。图3和图5还示出了从基准标记13到基板相机10的图像传感器17的光束路径20，而图4示出了从基板标记23到基板相机10的图像传感器17的光束路径21。
基板标记23在基板2上的放置留给本发明的安装设备的使用者。具有单个基板相机10的安装设备需要结合头3或部件夹持器11上的(一个或多个)基准标记13和基板2上的(一个或多个)基板标记23的不同布置。由于部件1通常是矩形的，所以(一个或多个)部件标记22、(一个或多个)基准标记13和(一个或多个)基板标记23通常被布置在矩形的两个对角相对的角中或者矩形的两个相邻角中，因为这实现了最高的准确度。
在图3和图4所示的实施例中，结合头3从其名义工作位置在位于绘图平面的方向上移动到待机位置。但是，这也可能在垂直于绘图平面的方向上发生。
术语“部件相机”将在功能上被理解，即光学偏转系统可以与基板相机一起形成部件相机，如在公开的专利申请cn106559977(a)中所描述，该专利申请通过引用并入本申请中。在这种情况下，(单个)相机和第一光学偏转系统一起形成第一图像检测系统，第一图像检测系统使得能够拍摄部件待安装在其上的基板场所的图像，以及相机，第一光学偏转系统和第二光学偏转系统一起形成第二图像检测系统，该第二图像检测系统使得能够拍摄由结合头保持的部件的下侧的图像。第一图像检测系统对应于基板相机，而第二图像检测系统对应于部件相机。第一光学偏转系统在一些情况下也可以省略。
虽然已经示出并且描述了本发明的实施例和应用，但是，对本领域的技术人员来说将明显的是，在不偏离本文的发明构思的情况下，具有除上以上描述之外的更多变型的本公开的有益效果是可能的。因此，本发明将不受到除权利要求和其等同物的精神之外的限制。