專利名稱：定位設備和控制定位設備的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及處理或加工設備中包含的定位設備，處理或加工設備例如是被設計來將電子組件芯片安裝到印刷電路板上的芯片安裝器。本發(fā)明還涉及控制該定位設備的方法。
背景技術：
例如，如日本專利申請公開No.2003-124112中所公開的那樣，在晶片的精細加工中通常利用曝光設備。光學單元、掩膜等與曝光設備中工作臺上的放置的晶片對齊。例如，工作臺在水平方向上移動以定位光學單元和掩膜。在工作臺已經(jīng)停止移動后工作臺中仍存在過渡過程。光學單元和掩膜被驅動以與過渡過程同步地移動。光學單元和掩膜可以無誤差地與晶片對齊。可以消除位置偏差。即使在工作臺的過渡過程期間也可以獲得精確的對齊。
此類型的曝光設備需要很大的機構來與工作臺的過渡過程同步地驅動光學單元和掩膜。曝光設備還被迫使具有復雜的結構。人們必須面對制造曝光設備的增大的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種定位設備和控制其的方法，其以簡單的結構最佳地確定開始處理單元的操作的時間。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種定位設備，包括被設計成沿預定導軌移動的可移動構件；從所述可移動構件延伸的支撐構件；固定到所述支撐構件的頂端的處理單元；檢測所述可移動構件的移動的傳感器；控制器電路，其被設計成基于傳感器信號來確定開始所述處理單元的操作的時間，當所述可移動構件已經(jīng)停止移動時從所述傳感器輸出所述傳感器信號。
當可移動構件已經(jīng)停止移動時，處理單元遭受由于作用在處理單元上的慣性引起的過渡過程?；趥鞲衅餍盘柕牟ㄐ螜z測過渡過程。由此基于傳感器信號可以精確檢測處理單元的位置。允許控制器電路最優(yōu)地確定開始處理單元的操作的時間。由此允許處理單元在預定時間開始操作。即使在處理單元中仍存在有過渡過程，也允許處理單元在可移動構件已經(jīng)停止移動后較短時間內(nèi)開始操作。
此外，定位設備允許利用被設計成檢測可移動構件移動的傳感器。采用傳感器來定位可移動構件。所以，本發(fā)明可以以方便的方式被應用到傳統(tǒng)定位設備。可以以簡單的結構確定開始處理單元的操作的時間。由此開始時間的確定不會需要較大的機構或額外的部件。人們可以享有制造定位設備的成本的降低。控制器電路可以基于定位設備中的傳感器信號的周期來確定該時間。
處理單元可以包括曝光機構。如上所述，即使在過渡過程期間，定位設備也能夠在較短時間內(nèi)精確定位。處理單元可以以更高精度相對應目標定位。在過渡過程期間允許曝光設備在最好的位置處實現(xiàn)曝光。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供了一種控制定位設備的方法，所述方法包括監(jiān)視當可移動構件已經(jīng)停止移動時從傳感器輸出的傳感器信號的波形，所述傳感器被設計成檢測沿預定導軌移動的所述可移動構件的移動；和基于所述波形確定開始處理單元的操作的時間，所述處理單元被支撐在所述可移動構件上。
當可移動構件已經(jīng)停止移動時，處理單元遭受由于作用在處理單元上的慣性引起的過渡過程?；趥鞲衅餍盘柕牟ㄐ螜z測處理單元的過渡過程。由此基于傳感器信號可以精確檢測處理單元的位置。可以確定處理單元進行操作的最優(yōu)位置。以此方式確定開始處理單元的操作的時間。即使在處理單元中仍存在有過渡過程，也允許處理單元在可移動構件已經(jīng)停止移動后較短時間內(nèi)開始操作?？梢曰诓ㄐ蔚闹芷趤泶_定該時間。


從結合附圖的對優(yōu)選實施例的以下說明，本發(fā)明的上述和其他目的、特征與優(yōu)點將變得清楚，附圖中圖1是示意性圖示根據(jù)本發(fā)明實施例的芯片安裝器的結構的立體圖；圖2是示意性圖示在過渡過程期間相機單元和可移動構件的狀態(tài)的剖視圖；圖3是示意性圖示源自脈沖信號的波形的曲線圖；圖4是示意性圖示根據(jù)本發(fā)明的修改方案的芯片安裝器結構的立體圖；圖5是示意性圖示源自脈沖信號的波形的曲線圖；和圖6是示意性圖示根據(jù)本發(fā)明的另一個修改方案的芯片安裝器結構的立體圖。
具體實施例方式
圖1示意性圖示了作為根據(jù)本發(fā)明實施例的處理設備示例的芯片安裝器11。芯片安裝器11包括工作臺12，工作臺12沿著預定水平面界定出上部平坦表面。工作臺12被允許在該水平面內(nèi)移動。工作臺12被設計成在該上部平坦表面上承受印刷電路板。
此處，在芯片安裝器11中建立xyz坐標系。xyz坐標系的y軸在垂直于工作臺12的上部平坦表面(即垂直于水平面)的方向上延伸。工作臺12在x軸和y軸方向上被驅動?？梢杂脁坐標和y坐標標識工作臺12的位置。
壓力設備13與工作臺12相關聯(lián)。壓力設備13包括超聲波頭14。超聲波頭14被設計成在與工作臺12的上部平坦表面相對的下端夾持電路組件芯片。超聲波振蕩器被包括在超聲波頭14內(nèi)以產(chǎn)生超聲波振動。超聲波從超聲波振蕩器傳遞到芯片。例如，超聲波用來引發(fā)超聲波頭14在水平方向上的振動。
超聲波頭14被允許沿著xyz坐標系的y軸在垂直于工作臺12的上部平坦表面的方向上移動，如以下所述。超聲波頭14的垂直移動被采用來將芯片推壓到工作臺12的上部平坦表面上的印刷電路板。超聲波在此情況下被傳遞到芯片。超聲波頭14由此基于超聲波頭14的超聲波振動而實現(xiàn)了超聲波焊接。
壓力設備13包括耦合到超聲波頭14的移動構件15。力傳感器16置于超聲波頭14和移動構件15之間。力傳感器16被設計成檢測在y軸方向上作用在超聲波頭14上的力或負載。力傳感器16將檢測到的負載轉換成電信號。應變片可以包括在力傳感器16內(nèi)。力傳感器16檢測拉伸負載或者壓縮負載。
壓力設備13還包括支撐構件17。支撐構件17被設計成支撐移動構件15。支撐構件17在移動構件15的移動期間保持靜止。具體而言，允許超聲波頭14、移動構件15和力傳感器16相對于支撐構件17移動。例如音圈電動機VCM的驅動源被耦合到移動構件15。音圈電動機用來產(chǎn)生驅動移動構件15的驅動力。音圈電動機引起超聲波頭14和力傳感器16的垂直移動。
圖像捕獲設備21與工作臺12和壓力設備13相關聯(lián)。圖像捕獲設備21包括被設計成沿著預定導軌移動的可移動構件22。預定導軌被定義為與z軸平行。可移動構件22由此允許在z軸方向上相對于工作臺12沿水平面移動。圖像捕獲設備21包括沿著z軸從可移動構件22延伸的支撐構件23。
例如相機單元24的處理單元被固件到支撐構件23的頂端。例如圖像捕獲機構25的曝光機構被包括在相機單元24內(nèi)。例如，圖像捕獲機構25可以采用CCD、電荷耦合裝置。當可移動構件22在水平方向上移動時，圖像捕獲機構25可以定位在超聲波頭14和工作臺12頂表面之間的空間中。圖像捕獲機構25以此方式能夠同時捕獲夾持在超聲波頭14上的電子電路芯片的圖像和放置在工作臺12頂表面上的印刷電路板的圖像。
芯片安裝器11包括主控制器電路26。主控制器電路26根據(jù)預定軟件程序的執(zhí)行來控制芯片安裝器11的操作。主控制器電路26向安裝在超聲波頭14內(nèi)的超聲波振蕩器供應預定電信號?；谒碾娦盘柖诔暡^14中引發(fā)超聲波振動。
壓力設備控制電路27連接到主控制器電路26。壓力設備控制電路27被允許根據(jù)預定軟件程序的執(zhí)行而向音圈電動機供應電流。基于所供應的電流而引起移動構件15的垂直移動。超聲波頭14以此方式在垂直于工作臺12頂表面的垂直方向上沿著y軸移動。允許壓力設備控制電路27控制超聲波頭14的推力。
工作臺驅動電路28也連接到主控制器電路26。例如，工作臺驅動電路28被設計成向包括在工作臺12內(nèi)的電動機供應預定電信號。在向工作臺12供應電信號時工作臺驅動電路28可以從主控制器電路26接收預定控制信號。允許工作臺12基于所供應的電信號而沿著x軸或z軸在水平方向上移動。
圖像處理電路29連接到主控制器電路26。圖像處理電路29被設計成向圖像捕獲機構25供應預定控制信號。允許圖像捕獲機構25響應于控制信號的供應而捕獲印刷電路板的圖像和電子電路芯片的圖像。圖像處理電路29處理并分析從圖像捕獲機構25輸出的圖像。在供應控制信號時從觸發(fā)信號產(chǎn)生電路向圖像處理電路29供應觸發(fā)信號。觸發(fā)信號產(chǎn)生電路將在下面詳細說明。
圖像捕獲設備控制電路31連接到主控制器電路26。例如，圖像捕獲設備控制電路31被設計成向包含在圖像捕獲設備21內(nèi)的電動機供應預定電信號。在向圖像捕獲設備21供應電信號時圖像捕獲設備控制電路31從主控制器電路26接收預定控制信號。允許可移動構件22響應于電信號的供應而沿著z軸在水平方向上移動。
還參照圖2，例如，可移動構件22連接到滾珠絲杠32來進行上述水平移動。滾珠絲杠32沿著z軸延伸。包括在圖像捕獲設備21內(nèi)的電機用來驅動滾珠絲杠32進行轉動。滾珠絲杠32的轉動引起可移動構件22的水平移動。
位置傳感器33安裝到可移動構件22。位置傳感器33電連接到圖像捕獲設備控制電路31。例如，位置傳感器33采用脈沖編碼器。位置傳感器33與以微小間隔排列的細小突起或細小件34相對。當可移動構件22在水平方向上移動時，位置傳感器33基于細小件34的排列而產(chǎn)生脈沖信號。脈沖信號被供應到圖像捕獲設備控制電路31。脈沖信號中的脈沖被計數(shù)來檢測可移動構件22的移動量。圖像捕獲設備控制電路31以此方式確定可移動構件22的位置。
圖像捕獲設備控制電路31包括振動檢測電路35。振動檢測電路35被設計成檢測可移動構件22和相機單元24的振動。當可移動構件22和相機單元24振動時，位置傳感器22向振動檢測電路35供應脈沖信號。脈沖信號在振動檢測電路35處被轉換成波形信號。振動檢測電路35分析波形信號。振動檢測電路35基于波形信號確定開始相機單元24的操作的時間，即捕獲的開始時間。可以以此方式設置開始時間。下面將對開始時間的確定進行詳細說明。
圖像捕獲設備控制電路31包括觸發(fā)信號產(chǎn)生電路36。觸發(fā)信號產(chǎn)生電路36被設計成基于在振動檢測電路35處確定的開始時間來產(chǎn)生觸發(fā)信號。觸發(fā)信號被傳送到圖像處理電路29。圖像處理電路29響應于觸發(fā)信號的供應而向圖像捕獲機構25供應控制信號。圖像捕獲機構25由此在設置的開始時間處開始捕獲圖像。注意，可移動構件22、支撐構件23、相機單元24、位置傳感器33和圖像捕獲設備控制電路31結合起來用作構建本發(fā)明的定位設備。
現(xiàn)在，假定電子電路芯片將被焊接到印刷電路板上。印刷電路板被放置在工作臺12的頂表面上。芯片被設置在超聲波頭14上。已經(jīng)使得芯片在下表面上具有球形凸塊。球形凸塊可以由例如銅的導電材料制成。在芯片的下表面上建立定位標記。還在印刷電路板的上表面上建立定位標記，以指示接受芯片的位置。超聲波頭14首先被定位在第一位置。第一位置處的超聲波頭14離開工作臺12的表面預定距離。
主控制器電路26然后向圖像捕獲設備控制電路31供應控制信號。圖像捕獲設備控制電路31基于控制信號向圖像捕獲設備21內(nèi)的電動機供應電信號?？梢苿訕嫾?2由此向著工作臺12沿z軸在水平方向上移動?？梢苿訕嫾?2此后基于位置傳感器33的檢測而定位在預定目標位置。相機單元24由此被定位在芯片和印刷電路板之間的空間中。當可移動構件22已經(jīng)停止移動時，可移動構件22、支撐構件23和相機單元24此后受到由于慣性引起的過渡過程。如從圖2清楚可見，相機單元24在yz平面內(nèi)與可移動構件22和支撐構件23一起擺動。
位置傳感器33基于可移動構件22中仍存在的過渡過程而向振動檢測電路35輸出脈沖信號。輸出的脈沖信號在振動檢測電路35處被轉換成相應的波形信號37，如圖3所示。波形信號逐漸衰減。因為相機單元24的過渡過程收斂在設置的目標位置，所以目標位置可以是用于測量波形信號37的幅值的基準線或中心線38。所以，波形信號37穿過中心線38交點的時間點對應于相機單元24準確定位在目標位置處的時間點。穿過中心線38的交點對應于利用圖像捕獲機構25捕獲圖像的最佳時間。
接著，振動檢測電路35計算相機單元24的振動周期。基于可移動構件22、支撐構件23和相機單元24的固有頻率而確定該周期為常數(shù)。如果可以確定中心線38上相繼交點之間的時間間隔，則可以預測將來的交點。由此可以基于預測的交點來確定捕獲圖像的開始時間。觸發(fā)信號產(chǎn)生電路36響應于開始時間的確定而向圖像處理電路29輸出觸發(fā)信號。圖像處理電路29響應于觸發(fā)信號的供應而向圖像捕獲機構25供應控制信號。圖像捕獲機構25由此捕獲芯片和印刷電路板的圖像。以此方式基于開始時間捕獲所需圖像。
捕獲的圖像被供應到圖像處理電路29。圖像處理電路29檢測芯片和印刷電路板上的定位標識的位置。檢測到的位置隨后被轉換成位置信號。位置信號然后被供應到主控制器電路26。主控制器電路26基于位置信號計算芯片的和印刷電路板的定位標識之間的偏移量。主控制器電路26然后基于計算出的偏移量計算工作臺12的移動的調節(jié)量。
主控制器電路26基于計算出的調節(jié)量向工作臺驅動電路28供應控制信號。工作臺驅動電路28根據(jù)控制信號向工作臺12供應電信號。工作臺12由此基于計算出的調節(jié)量在水平方向上移動。印刷電路板的定位標識與芯片的定位標識對齊。芯片以此方式與印刷電路板正確地對齊。圖像捕獲設備21此后基于可移動構件22的水平移動而從工作臺12上方的空間撤回。
接著，主控制器電路26向壓力設備控制電路27供應控制信號。壓力設備控制電路27基于控制信號向音圈電動機供應電流?；陔娏鞯墓獊砜刂瞥暡^14的垂直移動。超聲波頭14向著工作臺12的頂表面向下移動。超聲波頭14被定位在第二位置。超聲波頭14離開印刷電路板預定距離。
超聲波頭14從第二位置進一步向下移動。超聲波頭14由此將芯片壓靠在印刷電路板上。芯片上的球形凸塊被迫使與印刷電路板上的相應導電焊盤接觸。例如，導電焊盤可以由例如銅的導電材料支撐。當芯片被壓靠在印刷電路板上時，超聲波頭14與y軸平行地抬起力傳感器16。在應變片中引發(fā)應變。應變片變形，因此電阻改變。電阻的改變被轉換成電信號。電信號然后從力傳感器16供應到壓力設備控制電路27。壓力設備控制電路27基于電信號檢測負載。壓力設備控制電路27基于檢測到的負載向音圈電動機供應電流。這使得超聲波頭14在垂直方向上移動。例如，超聲波頭14的負載或推力取決于芯片和印刷電路板的物理屬性。
主控制器電路26然后向超聲波頭14供應電信號。電信號的供應使得超聲波振蕩器產(chǎn)生超聲波振動。超聲波振動在水平方向上傳遞到超聲波頭14。由此引起球形凸塊的超聲波振動。基于超聲波能量而在球形凸塊和導電焊盤之間的觸點處引起塑性變形。在球形凸塊和導電焊盤之間的觸點處氧化物膜破損。交換的金屬原子擴散到球形凸塊和導電焊盤中。球形凸塊以此方式焊接到相應的導電焊盤。完成了所謂的超聲波焊接。
壓力設備控制電路27然后向音圈電動機供應電流。超聲波頭14由此向上移動。允許超聲波頭14通過第二位置到達第一位置。印刷電路板與芯片一起從工作臺12被移開。此后再次在工作臺12和超聲波頭14上設置印刷電路板和芯片。芯片安裝器重復上述處理。例如，在設置印刷電路板和芯片后到完成超聲波焊接，在三秒內(nèi)執(zhí)行這些處理。
當可移動構件22已經(jīng)停止移動時，相機單元24受到上述芯片安裝器11中由于作用在相機單元24上的慣性而產(chǎn)生的過渡過程。發(fā)明者已經(jīng)揭示出相機單元24的過渡過程可以在位置傳感器33輸出的脈沖信號或波形信號37中檢測到?？梢曰诓ㄐ涡盘?7確定過渡過程的周期。所獲得的過渡過程的周期可以被用來確定圖像捕獲機構25捕獲圖像的開始時間。在過渡過程收斂或者完成之前，可以消除圖像捕獲機構25和印刷電路板之間以及圖像捕獲機構25和芯片之間的偏移。允許圖像的識別享有提高的精度。即使在相機單元24中仍存在有過渡過程，也允許圖像捕獲機構25在可移動構件22已經(jīng)停止移動后就立即開始捕獲圖像。
設計成檢測可移動構件22的移動的位置傳感器33可以被用來檢測波形信號37。位置傳感器33是傳統(tǒng)芯片安裝器中的普通部件。本發(fā)明由此可以容易地應用到傳統(tǒng)芯片安裝器上。可以采用簡單的結構來確定開始時間。開始時間的確定因此不會需要更大的機構或額外的部件。人們可以享有制造圖像捕獲設備21即芯片安裝器11的成本的降低。特別地，傳統(tǒng)芯片安裝器需要很大的機構來使壓力設備和工作臺與可移動構件或相機單元的過渡過程同步。在傳統(tǒng)芯片安裝器中該結構因此變得復雜。傳統(tǒng)芯片安裝器使得制造成本提高。另一方面，本發(fā)明的芯片安裝器11基于來自位置傳感器33的脈沖信號允許對過渡過程的精確檢測，因此即使在相機單元24的過渡過程期間也可以確定捕獲圖像的最佳位置。所以，本發(fā)明特別地可以以有效的方式被應用到簡化結構的處理設備。
波形信號37的峰-峰值可以被用來計算相機單元24的振動的周期。峰-峰值由幅值的最大和最小值定義。因為振動的周期為常數(shù)，可以在恒定的間隔檢測到峰-峰值。在波形信號37中最大點和穿過中心線38的交點之間的時間段等于最小點和該交點之間的時間段，因此可以容易地獲得穿過中心線38的交點的時間點。如果以此方式可以獲得相繼交點之間的時間段，則可以預測將來交點的時間點?；谠擃A測的時間點可以確定開始時間。上述處理可以在振動檢測電路35處實現(xiàn)。
另外，對來自位置傳感器33的信號中脈沖的計數(shù)可以被用來計算相機單元24的振動的周期。當相機單元24由于過渡過程而擺動時，對脈沖的計數(shù)相對于與目標位置相對應的脈沖數(shù)反復增大和減小。當振動衰減時遞增和遞減的量減小。因為如上所述振動的周期為常數(shù)，所以脈沖計數(shù)的增大和減小以恒定周期而重復。所以，對于表示目標位置的脈沖計數(shù)可以預測時間。預測的時間被設置為開始時間。上述處理可以在振動檢測電路35處實現(xiàn)。
另外，可以基于圖像捕獲機構25的曝光時間來確定開始時間。如圖4所示，圖像捕獲設備控制電路31可以還包括算法電路39。算法電路39可以被設計成基于圖像捕獲機構25的曝光時間來確定捕獲圖像的開始時間。振動檢測電路35將脈沖信號轉換成波形信號37。還參照圖5，振動檢測電路35以與上述相同的方式確定波形信號37和中心線38之間的交點的時間點[t1]。算法電路39基于曝光時間段[tA]計算時間點[t2]。時間點[t2]對應于曝光時間段[tA]在預測時間點[t1]之前的一半。時間點[t2]由此對應于開始時間。觸發(fā)信號在開始時間即時間[t2]被供應到圖像處理電路29。以此方式基于開始時間捕獲所需圖像?？梢赃M一步提高圖像識別精度。
另外，可以基于波形信號與參考波形的比較來確定捕獲圖像的開始時間。表示過渡過程的脈沖信號以如上所述的方式被轉換成波形信號，以形成參考波形。圖像捕獲設備控制電路31可以包括保存用作參考波形的轉換波形信號的存儲器41，如圖6所示。在參考波形上建立上述中心線。振動檢測電路35將波形信號與參考波形進行比較，以確定開始時間。振動檢測電路35觀測波形信號和參考波形之間的對應性。當波形信號與參考波形一致時，可以基于參考波形預測波形信號。由此可以從預測的波形信號獲得交點的時間點?；陬A測的交點的時間點確定開始時間。在此情況下，在將波形信號與參考信號進行比較的處理中不需要上述計算。由此可以在較短時間內(nèi)設置開始時間。
在芯片安裝器11中的圖像捕獲設備控制電路31處基于預定軟件程序的實現(xiàn)可以確定開始時間。在此情況下，圖像捕獲設備控制電路31例如可以包括中央處理單元CPU、隨機訪問存儲器RAM和例如非易失性存儲器的存儲器電路。軟件程序可以存儲在非易失性存儲器中。CPU臨時地將程序從非易失性存儲器傳送到RAM。
權利要求
1.一種定位設備，包括被設計成沿預定導軌移動的可移動構件；從所述可移動構件延伸的支撐構件；固定到所述支撐構件的頂端的處理單元；檢測所述可移動構件的移動的傳感器；控制器電路，其被設計成基于傳感器信號來確定開始所述處理單元的操作的時間，當所述可移動構件已經(jīng)停止移動時從所述傳感器輸出所述傳感器信號。
2.如權利要求1所述的定位設備，其中所述控制器電路基于所述傳感器信號的周期來確定所述時間。
3.如權利要求1所述的定位設備，其中所述處理單元包括曝光機構。
4.一種控制定位設備的方法，所述方法包括監(jiān)視當可移動構件已經(jīng)停止移動時從傳感器輸出的傳感器信號的波形，所述傳感器被設計成檢測沿預定導軌移動的所述可移動構件的移動；和基于所述波形確定開始處理單元的操作的時間，所述處理單元被支撐在所述可移動構件上。
5.如權利要求4所述的方法，其中基于所述波形的周期確定所述時間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種定位設備。其中，可移動構件沿預定導軌移動。支撐構件從可移動構件延伸。處理單元固定到支撐構件的頂端。傳感器檢測可移動構件的移動。當可移動構件已經(jīng)停止移動時，處理單元遭受由于作用在處理單元上的慣性引起的過渡過程?；趥鞲衅餍盘柕牟ㄐ螜z測過渡過程。由此基于傳感器信號可以精確檢測處理單元的位置?？梢宰顑?yōu)地確定開始處理單元的操作的時間。由此允許處理單元在預定時間開始操作。即使在處理單元中仍存在有過渡過程，也允許處理單元在可移動構件已經(jīng)停止移動后較短時間內(nèi)開始操作。
文檔編號H01L21/50GK1815683SQ20051007762
公開日2006年8月9日 申請日期2005年6月17日 優(yōu)先權日2005年2月4日
發(fā)明者小林泰山, 高田英治, 須藤和巳 申請人:富士通株式會社