CN104347457B - 一种适于顶针快速更换的芯片剥离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于顶针快速更换的芯片剥离装置，包括顶针头机构、传动机构、顶起驱动机构、Z向升降机构和二自由度位置调整机构，其中顶针头机构配合安装在传动机构上，并可实现顶针的快速更换；传动机构安装在顶起驱动机构上，用于传递顶针顶起驱动力同时与顶针头机构相配合实现顶针罩内腔的真空度；顶起驱动机构安装在Z向升降机构上，用于提供顶针顶起剥离芯片的驱动力，并对顶针的顶起高度进行反馈控制；Z向升降机构则安装在二自由度位置调整机构上并由其执行X、Y向的位置调整之后，再将安装于自身其他组件一同调整上升到工作位置。通过本发明，可通过顶针头机构的插拔实现顶针的快捷更换，同时便于对顶针的顶起高度进行自主精确控制。

Description

一种适于顶针快速更换的芯片剥离装置

技术领域

本发明属于半导体芯片封装设备技术领域，更具体地，涉及一种适于顶针快速更换的芯片剥离装置。

背景技术

随着电路集成技术的不断发展，对电子器件的封装工艺提出了越来越高的要求。在电子封装工艺中，芯片的剥离拾取过程是一个重要的工艺步骤，特别对于芯片从晶圆蓝膜到拾取头的首次转移，是保证后续工艺过程正常进行的关键保证。而为了顺利实现芯片与晶圆蓝膜的分离，在电子封装工艺中不可避免地需要使用到芯片剥离装置。

剥离装置按芯片剥离时的作用方式分为顶起剥离式和真空剥离式，其中顶针顶起剥离是目前RFID封装设备中采用较多的芯片剥离方式。然而，现有的各类剥离装置在顶针长期工作后易出现磨损现象，导致顶针高度产生变化而致使芯片剥离不充分而不能被拾取，因而难以满足降低更换率和快速更换等方面的实际需求。

例如，发明人早期提交的CN102074458A中公开了一种芯片剥离装置，其中通过采用顶针夹持与运动部件以及旋转驱动部件来实现整体升降和芯片剥离，然而进一步的研究表明，上述机构的控制精度和可靠性方面有待提高，特别是在更换顶针时手续繁琐，需要拧开压紧螺母，取下顶针外罩，松开顶针夹持件的锁紧螺钉，取出顶针等多个步骤，而且难以精确控制顶针的顶起高度；此外，CN102074458A和CN203631491U中的顶针顶起方式都采用凸轮机构，这种方式使得顶针的顶起动作相对固定，在顶针轻微磨损顶起高度产生变化后即很难满足要求；CN102074458A和CN103311159A在顶针顶起过程中，对顶针的顶起高度并无反馈过程，因而无法对顶针的顶起高度进行准确控制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适于顶针快速更换的芯片剥离装置，其中通过对其关键组件如顶针头、传动机构、顶起驱动机构和Z向升降机构等部件的自身结构及其相互设置方式进行改进，相应能够在短时间内即完成对顶针的更换，并适于自主对顶针的顶起高度执行准确控制，同时具备结构紧凑、便于操控、动作精度高和可靠性强等优点。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种适于顶针快速更换的芯片剥离装置，该装置包括顶针头机构、顶起驱动机构、传动机构、Z向升降机构和二自由度位置调整机构，其特征在于：

所述顶针头机构包括顶针罩、直线轴承、顶针夹持轴、顶针夹持座、顶针和弹性元件，其中直线轴承贯穿安装在顶针罩中，并通过孔用挡圈执行轴向固定；顶针夹持轴的内部沿其轴向方向加工有台阶座，然后从上侧整体套设在所述直线轴承的内圈中，并可相对于该直线轴承作轴向移动；顶针夹持座呈与顶针夹持轴相吻合的卡座结构，其下端通过螺纹啮合方式固定安装于该顶针夹持轴，并同样处于所述直线轴向的内圈中；顶针沿着竖直方向固定安装在顶针夹持座的上端，与顶针罩顶壁的气孔相对准；弹性元件则设置在顶针夹持座的上端面与顶针罩的顶壁之间，由此当顶针顶起工作后给所述顶针夹持轴提供反弹力；此外，在顶针罩的侧壁内部开有与顶针罩内腔相连通的气道，并在下部的侧壁表面上加工有环形槽；

所述顶起驱动机构包括安装基板、音圈电机和光栅尺，其中音圈电机设置在安装基板上，并在其输出端横向安装有导向板；光栅尺贴装在所述导向板的一侧，并经由光栅尺读头对导向板的移动实时予以检测；

所述传动机构包括导杆基座、传动基座、导杆、C型孔用挡圈和真空气管接头，其中导杆基座处于下部与所述导向板相联接，并在导向板的驱动下随其一同移动；传动基座处于上部配合安放在所述安装基板上，它的内部同样用于容纳安装所述直线轴承；导杆的下端固定安装于所述导杆基座，它的上端则可相对移动地套设在所述直线轴承的内圈中，并与所述顶针夹持轴发生接触；C型孔用挡圈设置在传动基座的顶部用于与所述环形槽相配合，由此将整个顶针头机构可拆卸地安装于传动机构；真空气管接头设置在传动基座的顶部侧面，并与所述顶针头机构的气道相连通，由此对顶针罩顶壁的所述气孔产生吸附作用；

所述Z向升降机构整体安装在所述二自由度位置调整机构上，并在其驱动下实现X向和Y向方向上的位置调整；该Z向升降机构还通过连接块与所述安装基板相连，由此用于将顶起驱动机构及设置其上的传动机构和顶针头机构沿着竖直方向一同调整到工作位置，使顶针头机构靠近蓝膜，为顶起芯片做好准备。

作为进一步优选地，所述Z向升降机构包括支撑架、驱动电机、升降轴和丝杆螺母，其中驱动电机横向安装在支撑架外部，并在其输出轴上设置有电机锥齿轮；升降轴沿着竖直方向设置在支撑架的内部，它的下端安装有与所述电机锥齿轮相啮合的升降轴锥齿轮，由此将驱动电机输出轴的旋转运动转换成升降轴的旋转运动；此外，升降轴的上端与所述丝杆螺母相配合联接，由此将升降轴的旋转运动转换成丝杆螺母的上下运动，进而带动与该丝杆螺母相连的所述连接块一同沿着竖直方向来回移动。

作为进一步优选地，所述顶针夹持座在倒置后同样呈与所述顶针夹持轴相吻合的卡座结构，由此通过调节顶针在该顶针夹持座上的伸出长度来实现顶针更换前后的高度一致性。

作为进一步优选地，所述顶针夹持轴的底部呈弧面，并与所述导杆之间呈圆弧面点接触；此外，该顶针夹持轴的顶部与所述弹性元件(11)的底部相接触。

作为进一步优选地，在所述导杆与传动基座之间设置有第一密封圈，并在传动基座顶部位于所述真空气管接头的上下两侧设置有第二密封圈，由此确保对顶针罩顶部气孔的吸附作用。

作为进一步优选地，在所述传动基座的顶部加工有螺纹孔，并在与该螺纹孔同一水平高度的内侧开有孔用挡圈槽，然后在该孔用挡圈槽两侧各自设置环形的矩形截面密封槽。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术特征：

1、通过对顶针头机构、传动机构和顶起驱动机构这些关键元件的构造及其设置方式进行改进，能够沿着直线轴承将驱动力精准予以传递以将顶针顶起至所需位置，同时借助于弹性元件的反弹力实现顶针夹持轴与导杆的可靠接触；

2、通过顶针罩的环形槽与传动机构的C型孔用挡圈之间的配合安装，便于执行顶针头结构的快速更换，显著改善操作效率；此外，通过对顶针夹持座与顶针夹持轴之间的结构配合设计，在更换过程中还适于自主对顶针的顶起高度执行准确控制；

3、由于顶针头机构可通过顶针罩的气道以及传动机构中的真空气管结构、第一密封元件和第二密封元件等共同构成密封空间，气流能够在该相对较小的密封空间内快速对顶针罩顶部的气孔产生吸附作用，由此在短时间内即可建立真空，提高芯片剥离的操控性；

4、通过在顶起驱动机构上增加光栅尺和光栅尺读数头并对其设置方式进行改进，能够为音圈电机实时提供位置反馈控制，由此进一步提高控制精度；此外，通过采用锥齿轮传动和丝杆螺母传动的方式来设计Z向升降机构，能够在较小的安装空间内实现对顶针头的Z向移动，同时具备动作精度高、可靠性强等优点。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例所构建的芯片剥离装置的整体结构示意图；

图2是图1中所示顶针头机构的结构剖视图；

图3是用于显示图2中所示顶针头机构用于调整顶针高度时的结构示意图；

图4是图1中所示传动机构的结构示意图；

图5是图1中所示顶起驱动机构拆去安装盖板后的结构示意图；

图6是图1中所示Z向升降结构的整体结构示意图；

图7是图1中所示Z向升降结构的结构分解示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-顶针头机构 2-传动机构 3-顶起驱动机构 4-Z向升降机构 5-二自由度位置调整机构 10-顶针 11-弹性元件 12-顶针夹持座 13-直线轴承 14-顶针夹持轴 15-顶针罩 16-环形槽 17-孔用挡圈 18-气道 19-气孔 20-导杆基座 21-导杆 22-传动基座 23-第一密封圈24-真空气管接头 25-第二密封圈 26-C型孔用挡圈 30-音圈电机 31-导向板 32-传感器挡片 33-极限位传感器 34-光栅尺读头 35-光栅尺读头安装基座 36-光栅尺 37-导轨挡块 38-安装基板 39-安装盖板40-电机 41-升降机构支撑架 42-轴承 43-升降轴 44-丝杆螺母 45-连接块 46-轴承外圈挡块 47-升降轴锥齿轮 48-电机锥齿轮 49-滑块导轨

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施例所构建的芯片剥离装置的整体结构示意图。如图1中所示，该芯片剥离装置主要包括顶针头机构1、顶起驱动机构3、传动机构2、Z向升降机构4和二自由度位置调整机构5等组件，其中顶针头机构1配合安装在传动机构2上，作为顶针更换的基本单元来实现顶针的快速更换功能；传动机构2安装在顶起驱动机构3上，用于传递顶针顶起驱动力，同时与顶针头结构1相配合实现顶针罩内腔的真空度；顶起驱动机构3整体安装在Z向升降机构4上，基本功能在于为顶针提供顶起剥离芯片的驱动力，并对顶针的顶起高度执行反馈控制；Z向升降机构4则安装在二自由度位置调整机构5上并由其执行X、Y向的位置调整之后，再将安装于自身的顶起驱动机构及其他组件一同调整上升到工作位置，使顶针头机构靠近蓝膜，为顶起芯片做好准备。

下面将参照图2-图7逐一具体说明按照本发明的上述各个组件。

首先，参照图2，显示了按照本发明优选实施例所构建的顶针头机构的结构剖视状态。如图2中所示，该顶针头机构1包括顶针10、弹性元件11、顶针夹持座12、直线轴承13、顶针夹持轴14、顶针罩15、孔用挡圈17等元件，其中顶针罩15内部呈中空的壳体结构，并在它的侧壁内部开有与其内腔相连通的气道18，并在下部的侧壁表面上加工有环形槽16，该环形槽16能与传动机构5中的C型孔用挡圈26配合，由此方便顶针头机构1进行插拔，实现顶针10的快速更换。在顶针罩15中，贯穿安装有直线轴承13，并通过孔用挡圈17对其执行轴向固定；顶针夹持轴14从上侧整体套设到该直线轴承13的内圈中，并可相对于直线轴承13作轴向移动，此外，该顶针夹持轴14的内部沿其轴向方向加工有台阶座，用于卡合安装顶针夹持座12；顶针夹持座12呈与顶针夹持轴14相吻合的卡座结构，其下端通过螺纹啮合方式固定安装于该顶针夹持轴，并同样处于所述直线轴承13的内圈中，以此方式，如图3中示范性所示地，相应可以采用顶针夹持座12倒置在顶针夹持轴14的方式，由此以简单易控的方式调节顶针10伸出高度，同时精确实现顶针10更换前后的高度一致性。顶针10譬如通过紧定螺钉沿着竖直方向固定安装在顶针夹持座12的上端，并与顶针罩15顶壁的气孔19相对准；顶针夹持座12的上端面与顶针罩15的顶壁之间则设置有弹性元件11，由此当顶针顶起工作后能够给所述顶针夹持轴14提供反弹力，进而保证顶针夹持轴14与后面提及的导杆21之间的可靠接触。

参见图4，显示了按照本发明优选实施例的传动机构的主体结构。如图4中所示，该传动机构包括导杆基座20、导杆21、传动基座22、真空气管接头24以及C型孔用挡圈26等元件，其中导杆基座20处于下部与顶起驱动机构3的导向板31相联接，并在导向板的驱动下随其一同移动；传动基座22处于上部譬如通过圆柱配合的方式安放安装基板38上，它的内部同样用于容纳安装所述直线轴承13；导杆21的下端固定安装于导杆基座20，它的上端则可同样相对移动地套设在直线轴承13的内圈中，并与顶针夹持轴14发生接触；C型孔用挡圈26设置在传动基座22的顶部用于与所述环形槽16相配合，由此将整个顶针头机构1可拆卸地安装于传动机构2；真空气管接头24设置在传动基座22的顶部侧面，并与顶针头机构1的气道18相连通，由此对顶针罩15顶壁的气孔19产生吸附作用。此外，还可以在导杆21和传动基座22中间设置第一密封圈23，并在传动基座22顶部位于真空气管接头24的上下两侧设置第二密封圈25，这样顶针头机构1中的气道18、传动机构2的真空气管接头24、两侧的第二密封圈25以及导杆处的第一密封圈23等能够共同形成密封空间，气流通过真空气管接头24和气道18快速对顶针罩15顶部的气孔19产生吸附作用，并且建立真空时间短。

参见图5，显示了按照本发明优选实施例的顶起驱动机构拆去安装盖板后的主体结构。如图5中具体所示地，该顶起驱动机构主要包括安装基板38、音圈电机30和光栅尺36等，其中音圈电机30设置在安装基板38上，并在其输出端横向安装有导向板31；光栅尺36贴装在该导向板31的一侧，并经由光栅尺读头34对导向板的移动实时予以检测，相应能够执行对音圈电机的驱动反馈及控制。更具体地，该顶起驱动机构还可以包括传感器挡片32、极限位传感器33、光栅尺读头安装基座35、导轨挡块37和安装盖板39等元件，例如在安装基板38内壁安装有滑块导轨49，导轨挡块37各自安装在两侧导轨下方防止滑块下落；一对极限位传感器33安装在安装基板38左侧等。

参见图6和图7，本发明中还对Z向升降机构4的具体结构作了进一步的研究和改进。除了常规的可实现Z向移动的功能结构之外，按照本发明优选实施例的Z向升降机构4可包括驱动电机40、升降机构支撑架41、轴承42、升降轴43、丝杆螺母44、连接块45、轴承外圈挡块46、升降轴锥齿轮47、电机锥齿轮48等；其中驱动电机40安装在升降机构支撑架41外部，电机锥齿轮48安装在电机输出轴上，升降轴锥齿轮47通过紧定螺钉安装在升降轴43上，通过锥齿轮对的配合，将电机40输出轴的旋转运动转换成升降轴43的旋转运动；升降轴43上部与丝杆螺母44相配合，滑块导轨49与丝杆螺母45相连接，对丝杆螺母45起导向作用，使得升降轴43的旋转运动转换成丝杆螺母44的上下运动；连接块45安装在丝杆螺母44正面，实现与顶起驱动机构3的连接；升降轴43的中部和升降机构支撑架41之间安放有轴承42，该轴承42下端的外圈与轴承外圈挡块46相接触，轴承外圈挡块46固定安装在升降机构支撑架41内；升降轴43的顶部和升降机构支撑架41之间安放有轴承42，轴承42上端有轴用挡圈安装在升降轴43上，对轴承42进行位置限制。

下面将具体解释按照本发明的上述芯片剥离装置的工作过程。

首先，在剥离操作之前，Z向升降机构4处于下降位置，可以通过调节二自由度位置调整机构5的X、Y向自由度，使得顶针10中心与晶圆上芯片中心位置对准；

接着，Z向升降机构4的电机40开启，带动顶针头机构1上升到合适的工作位置。开始执行剥离操作时，音圈电机30会带动导杆21上下运动，由于导杆21与顶针夹持轴14的可靠接触，使顶针10顶起剥离芯片，完成芯片剥离过程。在顶针10顶起过程中，光栅尺读头34对光栅尺36进行读数，并依据读数对音圈电机30加以控制，实现对顶针10顶起高度的反馈控制。

此外，当顶针10过度磨损需要更换时，使装置处于工作前状态，直接手动拔掉顶针头机构1，并插换上新的顶针头机构1，最终实现顶针10的快速更换。在被更换的顶针头机构1中，为保证更换前后顶针10伸出的高度一致，可采用顶针夹持座12倒置在顶针夹持轴14上的方式对顶针10的伸出高度进行调节紧固。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适于顶针快速更换的芯片剥离装置，该装置包括顶针头机构、顶起驱动机构、传动机构、Z向升降机构和二自由度位置调整机构，其特征在于：

所述顶针头机构(1)包括顶针罩(15)、直线轴承(13)、顶针夹持轴(14)、顶针夹持座(12)、顶针(10)和弹性元件(11)，其中该直线轴承(13)贯穿安装在所述顶针罩(15)中，并通过孔用挡圈(17)执行轴向固定；该顶针夹持轴(14)的内部沿其轴向方向加工有台阶座，然后从上侧整体套设在所述直线轴承(13)的内圈中，并可相对于该直线轴承作轴向移动；该顶针夹持座(12)呈与所述顶针夹持轴(14)相吻合的卡座结构，其下端通过螺纹啮合方式固定安装于该顶针夹持轴，并同样处于所述直线轴承(13)的内圈中；该顶针(10)沿着竖直方向固定安装在所述顶针夹持座(12)的上端，与所述顶针罩(15)顶壁的气孔(19)相对准；该弹性元件(11)则设置在所述顶针夹持座(12)的上端面与所述顶针罩(15)的顶壁之间，由此当所述顶针顶起工作后给所述顶针夹持轴(14)提供反弹力；此外，在该顶针罩(15)的侧壁内部开有与此顶针罩内腔相连通的气道(18)，并在下部的侧壁表面上加工有环形槽(16)；

所述顶起驱动机构(3)包括安装基板(38)、音圈电机(30)和光栅尺(36)，其中该音圈电机(30)设置在所述安装基板(38)上，并在其输出端横向安装有导向板(31)；该光栅尺(36)贴装在所述导向板(31)的一侧，并经由光栅尺读头(34)对此导向板的移动实时予以检测；

所述传动机构(2)包括导杆基座(20)、传动基座(22)、导杆(21)、C型孔用挡圈(26)和真空气管接头(24)，其中该导杆基座(20)处于下部与所述导向板(31)相联接，并在此导向板的驱动下随其一同移动；该传动基座(22)处于上部配合安放在所述安装基板(38)上，它的内部同样用于容纳安装所述直线轴承(13)；该导杆(21)的下端固定安装于所述导杆基座(20)，它的上端则可相对移动地套设在所述直线轴承(13)的内圈中，并与所述顶针夹持轴(14)发生接触；该C型孔用挡圈(26)设置在所述传动基座(22)的顶部用于与所述环形槽(16)相配合，由此将整个所述顶针头机构(1)可拆卸地安装于所述传动机构(2)；该真空气管接头(24)设置在所述传动基座(22)的顶部侧面，并与所述顶针头机构(1)的所述气道(18)相连通，由此对所述顶针罩(15)顶壁的所述气孔(19)产生吸附作用；

所述Z向升降机构(4)整体安装在所述二自由度位置调整机构(5)上，并在其驱动下实现X向和Y向方向上的位置调整；该Z向升降机构(4)还通过连接块(45)与所述安装基板(38)相连，由此用于将所述顶起驱动机构(3)及设置其上的所述传动机构(2)和所述顶针头机构(1)沿着竖直方向一同调整到工作位置，使此顶针头机构靠近蓝膜，为顶起芯片做好准备。

2.如权利要求1所述的芯片剥离装置，其特征在于，所述Z向升降机构(4)包括支撑架(41)、驱动电机(40)、升降轴(43)和丝杆螺母(44)，其中该驱动电机(40)横向安装在所述支撑架(41)外部，并在其输出轴上设置有电机锥齿轮(48)；该升降轴(43)沿着竖直方向设置在所述支撑架(41)的内部，它的下端安装有与所述电机锥齿轮(48)相啮合的升降轴锥齿轮(47)，由此将所述驱动电机输出轴的旋转运动转换成所述升降轴的旋转运动；此外，该升降轴(43)的上端与所述丝杆螺母(44)相配合联接，由此将此升降轴的旋转运动转换成该丝杆螺母的上下运动，进而带动与该丝杆螺母相连的所述连接块(45)一同沿着竖直方向来回移动。

3.如权利要求1或2所述的芯片剥离装置，其特征在于，所述顶针夹持座(12)在倒置后同样呈与所述顶针夹持轴(14)相吻合的卡座结构，由此通过调节所述顶针(10)在该顶针夹持座上的伸出长度来实现顶针更换前后的高度一致性。

4.如权利要求1或2所述的芯片剥离装置，其特征在于，所述顶针夹持轴(14)的底部呈弧面，并与所述导杆之间呈圆弧面点接触；此外，该顶针夹持轴的顶部与所述弹性元件(11)的底部相接触。

5.如权利要求1或2所述的芯片剥离装置，其特征在于，在所述导杆(21)与所述传动基座(22)之间设置有第一密封圈(23)，并在该传动基座(22)顶部位于所述真空气管接头(24)的上下两侧设置有第二密封圈(25)，由此确保对所述顶针罩(15)顶壁的所述气孔(19)的吸附作用。

6.如权利要求5所述的芯片剥离装置，其特征在于，在所述传动基座(22)的顶部加工有螺纹孔，并在与该螺纹孔同一水平高度的内侧开有孔用挡圈槽，然后在该孔用挡圈槽两侧各自设置环形的矩形截面密封槽。