一种PoP自动堆叠系统及方法与流程

本发明属于装配技术领域，特别涉及一种可对平面型电路(例如塑封芯片、组装完成的焊接印制板等)进行PoP(Package on Package)自动化三维叠层组装的系统及方法。

背景技术：

随着各类电子系统功能越来越强大，系统更复杂，内部计算机的数量也在逐步增加，造成电子系统的体积增加、重量增加，因此如何减小计算机的体积和重量越来越受到航空、航天领域设计人员的关注。采用三维叠层封装技术可以大幅度提高电路元件组装密度，解决电路元件体积和重量的瓶颈问题。

将已经组装好的相同规格的平面电路(包括完成塑封的芯片、组装完成的焊接印制板组件等)进行三维叠层组装和三维互联，可以在规避代价昂贵的裸芯片KGD(Known Good Die)技术的同时，成倍提高芯片组装密度，缩短器件间互连线，提高速度、功能密度、性能和可靠性，并使三维组装电路中对单片芯片或单块印制板电路的可靠性筛选和抗辐射筛选成为可能。本发明中所指的PoP堆叠是三维叠层电路进行三维互联的前工序。完成三维堆叠后，堆叠体电路可以采用其他工艺方法实现三维互联(包括在各层间焊接引线，或者采用整体环氧灌封后切割成露出功能线截面，然后在功能线截面间互联的工艺)，从而最终实现电子元件的三维高密度集成封装。

在平面电路三维堆叠技术中，叠层精度决定了三维集成的垂直互连精度，是实现三维互连的基础，不同层间的垂直组装精度直接决定了三维叠层封装电路产品的质量与可靠性。目前平面电路通常采用的三维叠层方法是制作手工堆叠模具，采用模具上的定位柱、定位片等结构部件对需要堆叠的电路进行限位，以便实现各层间的精确对位，或单纯靠操作者手工叠层，市面上缺乏针对不同制形平面电路均可进行高精度三维堆叠的自动化设备。采用模具堆叠及手工堆叠的方式在进行大批量生产时效率偏低，在有较高层间堆叠精度的需求时(如精度误差≤40μm)，精度较差，产品质量一致性也难以保证，因此需要采用特殊方法，以实现平面电路组件高精度自动堆叠组装。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种自动三维堆叠方法，能有效实现平面型电路三维堆叠组装的高效自动化，并实现较高的堆叠精度。

本发明采用以下技术方案：

一种PoP自动堆叠系统，包括拾取吸头、堆叠模具底座、图像识别系统和点胶系统，所述拾取吸头通过图像识别系统对待堆叠平面型电路进行识别定位后，将所述平面型电路依次堆叠固定在所述堆叠模具底座上，通过所述点胶系统或加热加压进行叠层贴装。

进一步的，每层所述平面型电路上沿X-Y方向对位设置有层间定位图形，所述图像识别系统通过所述层间定位图形实现垂直校准定位。

进一步的，所述层间定位图形为设置在所述平面型电路上的引线。

进一步的，所述平面型电路包括单片元件和基板型组件。

进一步的，每层所述基板型组件之间设置有层间垫框，所述层间垫框为凹型或回字型。

进一步的，所述拾取吸头上设置有加热加压系统，当堆叠层间采用环氧胶膜粘接时，通过加热加压粘接上下两层平面型电路。

进一步的，所述堆叠系统还包括高度测量系统，所述高度测量系统用于检测堆叠体的高度，修正所述拾取吸头的工作高度。

进一步的，所述拾取吸头包括贴片机吸头、双头吸取头或多头吸取头。

一种PoP自动堆叠系统的操作方法，包括以下步骤：

S1：机械臂带动拾取吸头拾取待堆叠的平面型电路，摆放到堆叠模具底座上，然后通过图像识别系统读取所述平面型电路上的引线位置确定层间定位信息；

S2：对步骤S1所述平面型电路进行预处理

当所述平面型电路为单片元件时，拾取头拾取事先切割的环氧胶膜，放置到所述单片元件的指定粘接位置；

当所述平面型电路为基板型组件时，采用点胶系统在层间点胶位置点快速固化胶，然后通过拾取吸头拾取并点胶贴装层间垫框；

S3：在步骤S2所述平面型电路上继续堆叠，拾取吸头重新拾取待堆叠的平面型电路，根据步骤S1确定的定位信息对上下两层平面型电路进行垂直对准，

当所述平面型电路为单片元件时，将所述待堆叠的单片元件垂直放置到步骤S2中所述单片元件上压住所述环氧胶膜，拾取吸头启动加热加压系统粘接上下两层平面型电路；

当所述平面型电路为基板型组件时，将所述待堆叠的基板型组件垂直放置到步骤S2中所述层间垫框上并压住点胶位置；

S4：重复以上步骤完成所有电路堆叠。

进一步的，所述拾取吸头的加热温度为70℃～100℃，所述层间垫框的厚度，其中，为计划层间高度，为基板厚度，为层间粘接材料粘接后的厚度。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种PoP自动堆叠系统，通过拾取吸头的拾取平面型电路并放置在堆叠模具底座上，通过点胶系统或者直接加热加压对平面型电路进行叠层贴装，在整个自动堆叠过程中通过图像识别系统进行堆叠组件的识别，实现各层之间准确对位，具备较强的可制造性和平台通用性。由于通过图形识别系统对各层间进行对位和校准，因此不再需要使用通过接触来实现定位的模具，从而可以依靠机械设备的摄像系统和机械臂的重复贴片精度替代现行倚赖的堆叠模具精度或人工操作时的肉眼对位精度，因此可以大幅度提高三维堆叠精度，堆叠精度和叠层高度仅受限于设备所配置的成像系统精度、机械臂重复贴片及器件拾取头抬升高度，可实现≤±20μm堆叠精度和8层以上堆叠。

进一步的，平面型电路上沿X-Y方向对位设置有层间定位图形，可较为精确的实现各层间X-Y方向的对位，并精确控制叠层高度，在堆叠同时可完成产品的层间粘接，为后续粘接材料的固化提供预定位。

进一步的，层间定位利用设置在平面型电路上的引线，不会增加误差，影响定位精度。

进一步的，本装置可以对单片元件或基板型组件进行自动堆叠，满足生产需要。

进一步的，基板型组件之间叠加需要在每层基板型组件之间加入凹型或回字型结构的层间垫框，起到散热、保护元件，或实现工件所需要的高度控制作用，使原本不能直接依靠表面进行粘接的基板型组件可以进行三维组装，也可以用于加固组件以确保叠层组件的平面度。

进一步的，拾取吸头为加热加压一体化结构，通过加热系统与加压系统配合使用，可实现使用环氧胶膜进行层间贴装的自动化，从而确保了层间粘接的平面度和可靠性。

进一步的，堆叠系统还包括高度测量系统，能够检测堆叠体高度，使堆叠过程中工具头能自动随叠层高度的增加修正下一层堆叠元件所放置的高度，并控制产品高度一致性，通过采用层间垫框配合双头/多头吸嘴，可实现通过机械自动化拾取和贴装基板型组件。

本发明还公开了一种PoP自动堆叠系统操作方法，该方法可以用于对各种已经完成组装的平面型电路实现三维立体堆叠组装。在采用其他工艺将堆叠完成的三维体组件实现三维互联后，即可形成三维电路模块，从而实现电子元件的高密度集成。

综上所述，本发明PoP自动堆叠系统操作方法具有较强扩展性，可广泛用于实现各类TSOP封装型单片元件和基板型组件的高精度三维自动叠层组装，本发明PoP自动堆叠系统通过将全套堆叠动作实现机械化，能够通过机械设备的稳定性和精度极大的提高叠层效率、成品率及产品质量一致性，应用前景非常广阔。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本发明双头吸嘴拾取吸头示意图，其中，(a)为结构示意图，(b)为工作示意图；

图2为本发明多头吸嘴拾取吸头示意图，其中，(a)为外部结构示意图，(b)为内部结构示意图；

图3为本发明层间垫框示意图，其中，(a)为结构示意图，(b)为拾取动作示意图；

图4为本发明单片元件堆叠体加装层间垫框的结构示意图；

图5为本发明单片元件堆叠体去除层间垫框的结构示意图

图6为本发明单片元件胶膜粘接加热加压动作示意图；

图7为本发明单片元件胶膜层间粘接结构自动堆叠后的示意图；

图8为本发明单片元件叠层组装示意图；

图9为本发明单片元件叠层组装完成示意图；

图10为本发明对叠层组件进行图形边缘识别示意图，其中，(a)为上层示意图，(b)为下层示意图；

图11为本发明依据定位图形识别对准后的贴妆效果示意图；

图12为本发明基板型组件组装在层间垫框上的俯视图；

图13为本发明“凹”字形层间垫框贴装在基板型组件下方的分解示意图；

图14为本发明“凹”字形层间垫框贴装在基板型组件下方的效果示意图；

图15为本发明在模具底座上放置第一层基板型组件的示意图；

图16本发明在第一层基板型组件上点涂层间粘接材料示意图；

图17本发明进行层间对位并贴装第二层基板型组件示意图；

图18本发明在第二层基板型组件粘接区点涂粘接材料示意图；

图19本发明进行层间对位并贴装第三层基板型组件示意图；

图20本发明完成自动堆叠后的基板型组件叠层示意图；

图21完成自动堆叠后的基板型组件实物效果图。

其中：1.层间垫框；2.铜箔；3.单片元件；4.引线；5.环氧胶膜；6.堆叠模具底座；7.图像识别系统；8.电路基板；9.层间定位图形；10.点胶系统；11.点胶位置。

【具体实施方式】

一种PoP自动堆叠系统，包括拾取吸头、堆叠模具底座6、图像识别系统7和点胶系统，所述拾取吸头通过图像识别系统7对待堆叠平面型电路进行识别定位后，将所述平面型电路依次堆叠固定在所述堆叠模具底座6上，通过所述点胶系统10或加热加压进行叠层贴装。每层所述平面型电路上沿X-Y方向对位设置有层间定位图形9，所述图像识别系统7通过所述层间定位图形9实现垂直校准，层间定位图形9可以为平面型电路上的引线4。

所述堆叠系统还包括高度测量系统，高度测量系统用于检测堆叠体的高度，修正拾取吸头的工作高度。测量系统具备光学或机械高度自动测量功能，能够检测堆叠体高度，使堆叠过程中工具头能自动随叠层高度的增加修正下一层堆叠元件所放置的高度，并控制产品高度一致性；

采用本方法进行三维叠层的平面型电路，是指其结构基本为平面布置，具体包含两个大类：

单片元件3：例如单个按TSOP封装结构完成塑封的芯片；

基板型组件：包括已经组装了其它元件的电路基板8(如组装好的印制板电路或陶瓷基板电路)，或两层间需要悬空(例如为了散热或保护表面)而不能直接进行表面贴装的基板，或是由于面积较大、较薄而易于变形的基板(如超薄有机板材或金属板材)。

各部件具体功能如下：

1、图像识别系统

图像识别系统7包括采用高分辨率摄像机的摄像系统，用于观察堆叠操作时的图像，并用于自动设备实现层间定位图形(点/线)的垂直校准，像素根据堆叠要求达到的误差精度选择，视场能覆盖所需堆叠的组件，高分辨率用于辨识对位识别点；

图像识别系统7能够在高精度堆叠中的各层之间进行准确对位依靠高分辨率摄像系统结合缘识别、图形识别算法实现。在自动堆叠时进行堆叠组件的识别，采用边缘识别和图形识别的方法；识别根据具体工件设置的定位点或定位图形，然后每贴装一层组件，就将该层定位点或定位图形与下方一层定位点或定位图形垂直对准(以图10和图11为例，该图是以TSOP型器件引脚为定位图形，要求将其与下方引线图形上下对齐的堆叠组装过程)，然后操控设备用拾取吸头进行组件贴装。图形系统、软件及机械臂工作精度所综合形成的重复贴片精度是决定三维叠层组装精度的主要因素。具备360度识别功能，在给定组件识别点的情况下，组件任意摆放均能够准确识别并调整到正确位置进行装配；

针对本方法的两种平面型电路，分别采用不同的拾取吸头，具体如下：

2、单片元件拾取吸头

能够在堆叠元件为TSOP单片元件(如单片塑封器件)时实现拾取和放置，当层间粘接材料为常温下非粘性的环氧胶膜时也用于拾取和贴放环氧胶膜。典型结构为常见的贴片机吸头，加工尺寸可根据所需要拾取的元件进行确定；

3、基板型组件拾取吸头

能够拾取大面积的或容易变形的组件，拾取对像包括已经组装了其它元件的基板(例如已组装好的印制板电路)，或不适合直接叠层贴装的电路，或三维堆叠用层间垫框。基板形组件拾取吸头可以是双头，也可以是多头。双头吸嘴基本构型如图1所示，两侧有吸口，能够依靠吸力同时拾取基板组件两条边；多头吸嘴基本构型如图2所示，具有更多吸嘴，能够依靠吸力同时拾取基板组件四条边；

4、堆叠模具底座

在堆叠模具底座上设置夹具，用于固定待堆叠组件的最下层。

5、点胶系统

点胶系统在层间点胶位置点快速固化胶，然后通过拾取吸头拾取并点胶贴装层间垫框，典型方案为气动加压在针筒装胶水底部。胶水可根据所需堆叠的产品选择，选型原则为可快速粘接(如采用紫外光固化的UV胶，或加热后可快速固化的胶水，以便配合加热头实现层间快速预粘接)。

使用快速固化胶水还是环氧胶膜可以根据具体粘接的工件要求决定，单片元件可以单独堆叠(见图7)，也可以和层间垫框交替堆叠(见图4)，但堆叠基板型组件时一定需要贴装层间垫框。

具体来讲，胶水适合只需要临时粘接，或对粘接强度与长期可靠性要求不高的产品；而环氧胶膜更容易形成水平度较好的粘接平面，且充分固化后粘接更牢固，但多点贴装难度较高，且实现同时加热多个点的加热系统也更复杂；

6、拾取吸头

所述拾取吸头为加热加压一体化结构，当堆叠单片元件时，层间采用环氧胶膜5粘接，再通过加热加压粘接上下两层单片元件。

在进行单片元件的叠层贴装时，因为环氧胶膜比较适合控制粘接厚度以及粘接时的平面度，采用环氧胶膜作为层间粘接材料。这两个因素对于高精度叠层控制很重要。环氧胶膜需要在加热加压条件下才能有效粘接。加热至70℃～100℃范围，大多数环氧胶膜会迅速软化并由固态变为凝胶态，此时对环氧胶膜上方的叠层组件向下施加压力，则环氧胶膜会发生形变，并充分与上下两个粘接面接触，形成良好的粘接效果。

加压是在堆叠过程中，每堆叠一层时，对组件施加压力使层间确保水平，并且配合加热系统，通过加压使粘接材料变得平整，从而实现上下层的可靠粘接效果。还具有压力校准装置，能够在压力达到一定数值时(根据用户所叠层的组件可承受的压力设定具体数值)停止继续施加压力，以防止损伤组件；

加热是在进行层间粘接时，通过对正在堆叠的组件加热，使层间粘接材料软化，并通过配合加压系统使其变得平整并与上下层粘接面充分接触，从而实现上下层的可靠预粘接效果(预粘接是指使材料初步粘接，但为了达到需要的强度还需要按照正常条件完成固化。采用预粘接，可以节省自动堆叠时间，提高效率。需要彻底固化的材料可以在堆叠完成后在烘箱或层压机里完成固化)。加热装置可以采用在加热头内部安装电阻加热器，也可以从堆叠位置两侧加装热风装置，温度控制系统需要能将温度误差控制在±3℃以内。

7、层间垫框

在堆叠不适合直接叠层贴装的基板型组件时，为了实现各层之间的间隔，需要在每层之间加入层间垫框。

层间垫框在此过程中作为双头/多头吸嘴吸取、贴装的工作平面(如图18、图19和图20所示)，在堆叠不适合直接叠层贴装的基板型组件时实现各层之间的间隔，起到散热、保护元件，或实现工件所需要的高度控制等目的，使原本不能直接依靠表面进行粘接的基板型组件可以进行三维组装，也可以用于加固组件以确保叠层组件的平面度。下面举两个应用实例说明它的作用:

实施例1

对已完成组装的平面基板电路进行三维堆叠组装

平面基板电路上组装了各类元器件(如图20和图21所示)，为了防止平面电路组件上的元件损伤，不能直接进行叠层贴装。贴装层间垫板时，可以通过使用双头/多头吸嘴，在基板型组件的两个或两个以上点位置同时施加吸力。通过点胶系统在层间垫板上的粘接位置贴装环氧胶膜或点涂快速固化胶，可实现通过层间框架进行堆叠(如图17、图18和图19所示)。层间通过环氧胶膜或快速固化胶实现了预固定，可在进一步加固之前保持堆叠体层间组装精度。

实施例2

贴装易变形板材

堆叠体主体是塑封芯片，但两层塑封芯片之间需要贴装一层仅有100μm厚度，且图案为镂空的铜箔2(如图3所示)。铜箔2由于极薄，很容易卷曲变形，造成正常摄像设备无法识别，而且难以依靠单吸头拾取。通过将铜箔2贴装在层间垫框上，即可依靠层间垫框的加固功能，并确保其使用双吸头即可实现正常的自动化拾取放置(如图3和图4所示)。

请参阅图12、图13和图14所示，层间垫框1的结构可采用“凹”字形、“回字形等，厚度需要加以控制。若计划单层间高度为H，基板厚度为a，层间粘接材料(粘接胶水或环氧胶膜5)粘接后厚度为b，则该层所用的层间垫框厚度h应加工为h＝H-a-b。

层间垫框1在叠层组件上的安装方式可以在堆叠组装前贴装在基板型组件上，将引线4对齐，若条件允许，也可以采用与组件一体加工。层间垫框1的材料可采用有机基板、金属或其他可与后工序工艺兼容的材料。根据实际堆叠组装的工艺特点，层间垫框1可以保留也可以去除。若对最后成品无性能及外观的负面影响，则层间垫框可以作为三维结构的加固部件保留；若需要去除，例如叠层体采用灌封/包封后切割成型，则可将层间垫框1连同多余包封材料一起切除(见图5)。

一种PoP自动堆叠系统的操作工艺，包括以下步骤：

S1：机械臂带动拾取吸头拾取待堆叠的平面型电路，摆放到堆叠模具底座上，然后通过图像识别系统读取所述平面型电路上的引线位置确定层间定位信息；

S2：对步骤S1所述平面型电路进行预处理

当所述平面型电路为单片元件时，拾取头拾取事先切割的环氧胶膜，放置到所述单片元件的指定粘接位置；

当所述平面型电路为基板型组件时，采用点胶系统在层间点胶位置点快速固化胶，然后通过拾取吸头拾取并点胶贴装层间垫框；

S3：在步骤S2所述平面型电路上继续堆叠，拾取吸头重新拾取待堆叠的平面型电路，根据步骤S1确定的定位信息对上下两层平面型电路进行垂直对准，

当所述平面型电路为单片元件时，将所述待堆叠的单片元件垂直放置到步骤S2中所述单片元件上压住所述环氧胶膜，拾取吸头启动加热加压系统粘接上下两层平面型电路；

当所述平面型电路为基板型组件时，将所述待堆叠的基板型组件垂直放置到步骤S2中所述层间垫框上并压住点胶位置；

S4：重复以上步骤完成所有电路堆叠。

在堆叠单片元件和基板型组件时的自动堆叠方案有所区别，下面分别介绍。

实施例3

堆叠单片元件按以下步骤执行

1)通过图像识别软件配合摄像系统，识别单片元件上的定位点/定位图形(见图6、图10、图11)；

2)程序操纵单片元件拾取吸头，拾取第一层单片元件并摆放到堆叠模具上；

3)识别并拾取层间粘接用环氧胶膜，摆放到第一层单片元件的制定粘接位置；

4)识别并拾取第二层单片元件，通过识别系统，确认上下层需要对准的定位点，然后将第二层单片元件精确移动到指定位置上方，并下降拾取头，使第二层元件压在前一层元件表面的环氧胶膜上(如图6所示)；

5)拾取头不离开，加热加压系统启动，对两层元件之间的环氧胶膜加热加压，使环氧胶膜受热软化变形，在上下层完成准确对位的情况下将两层元件预粘接在一起；

6)重复以上过程，直至完成全部的堆叠工作(如图4、图7、图8和图9所示)。

实施例4

堆叠基板型组件按以下步骤执行

1)通过图像识别软件配合摄像系统，识别基板型组件上的定位点/定位图形；

2)程序操纵基板型组件拾取吸头，拾取第一层基板型组件并摆放到堆叠模具上(见图15)；

3)识别层间粘接用环氧胶膜，并用单头吸嘴拾取，放置到第一层基板型组件的粘接区，或由程序控制点胶系统在粘接位置点快速固化胶水(如图16所示)；

4)识别第二层基板型组件，并用双头/多头吸嘴拾取基板，摄像系统及软件确认上下层需要对准的定位点，然后将第二层基板型组件精确移动到指定位置上方，并下降拾取头，使第二层基板型组件的层间垫框压在前一层基板表面的粘接材料上(如图17所示)；

5)拾取头不离开，加热加压系统启动，对两层元件之间的环氧胶膜加热加压，使环氧胶膜受热软化变形，在上下层完成准确对位的情况下将两层元件预粘接在一起(若采用快速固化胶则不需要加热)；

6)重复以上过程，直至完成全部层的堆叠(如图20和图21所示)。

本系统组合采用高分辨率摄像机、边缘识别、图形识别算法，通过读取所需堆叠的组件的定位点/定位图形信息，然后操作机械臂带动拾取头(真空吸嘴)拾取待堆叠的平面型电路，并摆放到指定位置。每堆叠一层，就使该层定位点/定位图与下方一层平面型电路的定位点/定位图垂直对准；通过单头吸嘴拾取和放置单片元件；通过将待组装的基板型组件贴装在具有指定厚度的层间垫板上，使该组件具备可通过吸嘴拾取的能力，并可在叠层过程中保持各层间距以防损伤元器件；通过使用双头吸嘴/多头吸嘴拾取系统，使设备能拾取和叠层贴装基板型组件；通过自动设备点涂快速固化胶或贴装环氧胶膜，实现层间粘接；使用环氧胶膜进行层间粘。