在小型元件载体的弹性遮罩中形成尺寸精确的狭槽的方法

摘要

一个激光束(102)切穿一个元件载体遮罩(96)，以形成具有所需形状的狭槽开口的狭槽(98)，其中该遮罩由诸如硅橡胶之类的薄弹性材料制成。在一个优选实施例中，被引入硅橡胶中的诸如氧化铁之类的光线吸收率增强材料系导致一个柔性支撑坯体的形成，其中该柔性支撑坯体能够操作地充分吸收在一个光线吸收波长范围之内的光线。一个从可编程控制器中接收指令的光束定位器(106)会产生一种波长的UV激光束，该波长在该光线吸收波长范围之内，以用于使该UV激光束以可重复的、精确的尺寸切入遮罩的多个狭槽中。每个狭槽切口具有相对的侧边沿，该侧边沿在其间界定出一个适当形状的狭槽开口，用以容置一个小型元件(10)以及用以在该小型元件上施加最佳的保持和释放作用力。

说明书

相关申请

本申请要求2002年10月4日提交的美国临时申请号60/416,311的优先权。

版权声明

2003 Electro Scientific Industries，Inc.本专利文件的一部分公开内容包含有版权保护的材料。当该专利文件或专利公开内容出现在专利商标局的专利卷宗或纪录中时，本版权所有人并不反对任何专利文件或专利公开内容的复制，但是除此之外保留任何所有版权。37 CFR§1.71(d).(美国《联邦法规汇编》第37编第1.71(d)节)

技术领域

本发明涉及用于小型元件(miniature component)的载体，特别是涉及一种在一个小型元件载体中形成尺寸精确的狭槽的基于激光的方法，其中该狭槽的形状被制成可夹住一个小型元件并将该小型元件保持在一个受控定向中。

背景技术

计算机及其他电子设备的功能越来越强大，可以进行更广范围的作业。为了防止计算机及其他电子设备的尺寸变大，并可高速操作计算机及电子设备，电子电路使用高密度封装配置的电子元件。此种小型电子元件(一个固态电容器)是一个极为微小的矩形“芯片”，它比一个米粒还小。图1示出了一个具有一个固态封闭主体12的芯片电容器10，固态封闭主体12具有方形或矩形的剖面并由陶瓷或其他电介质材料制成。芯片电容器10在封闭主体12内具有多个分隔开的金属板件(未示出)。每个交替(每隔一个，alternae)金属板件的一个终点端部被连接到主体12的外部，并且适合于通过一个金属化处理过程而形成一对分隔开彼此相对的电接触表面或端部14。利用一种可焊糊状物在芯片电容器10的一个或多个接触表面14上形成条状物，该糊状物被干燥并且接着被烧制，以制造出稍后可直接焊接到电路板上的表面。美国第5,226,382号专利描述了一种机器，其用于将一个可焊糊状物的长条或迹线放置在芯片表面上并将该糊状物加以干燥，使得该糊状物稍后可以被点火。这种机器使用一种金属载体带(belt)或卷带(tape)，其中制有多个具有狭槽的橡胶遮罩(masks)。该遮罩中的狭槽将芯片容置于适当的位置中以进行处理，例如用可焊糊状物覆盖住该芯片的相对端部。

一种相当新的电子电路芯片由安装于一个单一阵列式芯片的多个电路元件组成，而同时该单一阵列式芯片可被焊接到多个不同电子电路中的一个。这种装置被称为一种集成被动元件(IPC)或阵列式芯片，因为其系包含多个或一组电路元件，例如在单个芯片中堆叠在一起的四个或五个独立的电容器。

图2A示出了一个典型的IPC或阵列式芯片20，其侧壁表面覆盖有可焊糊状物的长条20。阵列式芯片20的总体尺寸为，例如顶面和底面24长3.2毫米(0.125英寸)、宽1.5毫米(0.060英寸)，相对的端面26宽1.5毫米(0.060英寸)、高1.0毫米(0.040英寸)，相对的侧面28高1.0毫米(0.040英寸)、长3.2毫米(0.125英寸)。图2B说明了将阵列式芯片20安装于一个电子电路中，必须将单独的可焊糊状物长条22沿着相对的壁面(例如侧面28(如图所示)或端面26(未示出))放置、并将糊状物长条22焊接到形成于电路板32上的铜迹线30。每个长条22的宽度通常是被设定为0.38±0.18毫米(0.015±0.007英寸)、沿着图2A中顶面和底面24所示的相邻壁在每个长条的端部具有有一个0.3±0.18毫米(0.012±0.007英寸)的向下翻折的边缘。同其他芯片元件一样，在施加了糊状物后，该芯片元件会经受一个用以调整该糊状物的热干燥周期，并在其后会经受一个烧制周期来将该糊状物熔接在阵列式芯片20上。  

芯片的小尺寸以及该芯片宽度和高度尺寸之间的微小差异增加了装卸该芯片以及将该芯片插入一个载体带或卷带的遮罩中的重要性。该多个长条只能被放置在适当的电路板表面上，并且该长条的放置需要极为精确地完成。将糊状物溅在该芯片的其他表面上会造成一个一个短路点，从而显著地降低了电子设备的功能。因此，一个进料装置按照正确的定位和位置将芯片放置在载体卷带上，并且该芯片被正确地处理以使适当的表面被暴露在适当的定向中，以在一个特定的精确度内接收该糊状物长条。

主要有二种类型的小型元件载体用来传送该元件并且将该元件呈现出来以用于处理。第一类载体是一种环形带或卷带，其一般是被用来传送比阵列式芯片更大的单一元件芯片(例如电容器芯片10)。该环形卷带具有多个横向定向的长形开孔，该长形开孔被居中地布置在该卷带的临界边缘(marginal edges)之间并且沿着该临界边缘被均匀地分隔开。每个开孔适于以共平面的固定配准方式接收一个薄的弹性遮罩，该遮罩具有至少一个孔口并且优选具有一系列孔口，该孔口的尺寸和形状适于按特定定向接收该芯片，使得该芯片的要用来结束的端面可以从该遮罩处向外延伸。

第二类载体是一种通常用于传送阵列式芯片(例如阵列式芯片20)的环形带。该带一般具有一个由不锈钢制成的核心，其具有多个沿该带长度方向分隔开的开孔。一种薄的弹性材料(例如硅橡胶)被模塑在该不锈钢核心上，以形成一个弹性遮罩。在该模塑过程期间，一个狭槽被形成在该弹性遮罩中，而其位置使过度模塑(over-molded)的弹性材料覆盖住该开孔处。

将硅橡胶过度模塑在该带上是很困难的，因为硅橡胶可以良好地流过模具中的小裂缝。因为这个原因，形成精确尺寸大小的狭槽开口是很困难的。该阵列式芯片元件是在压力作用下通过干涉配合而保持在该狭槽之中。一个0.05毫米(0.002英寸)的所需要的干涉配合标称需要±0.025毫米(±0.001英寸)的狭槽开口的公差范围。例如，一个5.1毫米(0.20英寸)厚的阵列式芯片元件通常会需要一个0.43到0.48毫米(0.017到0.019英寸)的狭槽开口。一个小于-0.025毫米(-0.001英寸)的狭槽开口的宽度公差会导致狭槽过紧，从而造成该狭槽开口的硅橡胶小块产生偏斜(而不是压缩)并从而使得被保持在该狭槽中的阵列式芯片元件产生偏斜。而一个大于0.025毫米(0.001英寸)的狭槽开孔宽度会使该元件掉落到该带之外。

使用精确模塑，通常会在尺寸精确的狭槽开口中提供一个25％的初始产量，并且必须重做该带以将产量增加到65％到80％的标称产量基准。产量表示在处理期间留在它们的相关狭槽开口中的芯片元件的数目。芯片元件的厚度尺寸的差异也会促成以0.05毫米(0.002英寸)的干涉配合所达到的相当低的产量。

因此，所需要的是一种精确形成的方法，其以高初始产量在一个小型元件载体带中将狭槽形成为精确尺寸及精密公差。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种用于在一个小型元件载体的弹性遮罩中切割多个可重复的、尺寸及形状精确的狭槽，该狭槽适于夹住小型元件并且将它们保持在一个受控定向中。

本发明优选是利用一种紫外线(UV)激光束来实施，该激光束被导向来切穿元件载体遮罩，以形成具有所需形状的狭槽开口的狭槽，其中该遮罩由薄的弹性材料制成。硅橡胶是一种在小型元件载体的制造中所使用的优选的传统弹性材料。载体带中的狭槽的形成当前是通过注模技术来实现的。本发明的一个优选实施例是使用一个UV激光束，通过UV烧蚀来形成一个由弹性材料制成的具有狭槽的弹性遮罩。该弹性材料(优选为硅橡胶)的UV烧蚀系确保形成所需形状和尺寸质量的狭槽。在UV激光烧蚀的波长区域(大约短于400纳米)中传统弹性材料(包括硅橡胶)的吸收作用不够强大，不能按商业上可接受的生产率来切割狭槽。为了克服这个缺点，该方法必须将一种光线吸收率增强材料引入硅橡胶中，以形成一个柔性支撑坯体(supportblank)，其操作地充分地吸收激光烧蚀波长区域内的光线，并且该方法必须使用一个UV激光束来切割该狭槽。氧化铁或二氧化钛是一种优选的染色掺杂物，其用作一种提高光线吸收率的材料。

一个光束定位器系从一个控制器中接收指令，该控制器被编程为使该激光束可以用可重复的、精确尺寸的方式切入遮罩的多个狭槽中。每个狭槽的切口具有相对的侧边沿，该侧边沿在其间界定了一个适当形状的狭槽开口，用以容纳一个小型元件以及用以在其上施加最佳的保持及释放作用力。不同形状的狭槽开口被用来容纳具有不同结构的小型元件。一个可编程控制器可以通过处理狭槽开口尺寸来改进产量，其中狭槽开口尺寸被定制成接受特定的许多已知尺寸的芯片元件。将该狭槽开口修改成适合特定芯片元件尺寸，这在精密干涉配合的尺寸公差范围的情况下增加了适应性(compliance)的可能。

波长短于550纳米、且优选是紫外线(UV)波长的光线的激光发射光线，是一种用于建构一个具有狭槽的元件载体的优选发光源，其中该元件载体由掺杂氧化铁或二氧化钛的硅橡胶制成。

根据下面的本发明优选实施例的详细说明，本发明另外的目的和优点将会更加清楚，并且该详细说明将会参照附图来进行。

根据下面的优选实施例的详细说明，本发明另外的目的以及优点将会更加清楚，并且该详细说明将会参照附图来进行。

附图说明

图1是一个电容器芯片的一个放大等角视图；

图2A是一个以可焊糊状物涂层的典型集成被动元件或阵列式芯片的放大等角视图；

图2B是图2A的阵列式芯片安装在电路板表面上的放大等角视图；

图3是一个元件载体卷带的片段俯视图，在该元件载体卷带中，一系列的开孔携带着保持芯片元件的遮罩；

图4是一个载体卷带的片段平面图，其中该载体卷带具有各种不同的开孔；

图5是一个载体卷带的片段等角视图，其中该载体卷带携带着被形成在该开孔上方的遮罩；

图6是沿着图5中的直线6-6剖切的载体卷带及遮罩的剖面图；

图7是开孔的典型图案的片段等角视图，其中该开孔被形成为穿过图6的遮罩，用于携带芯片元件；

图8A是图3的载体卷带的一个替代性类型的载体卷带的平面视图，图8B是保持着开孔的元件的一个放大片段视图，其中该开孔位于图8A的载体卷带的遮罩条带中；

图9A是过度模塑或过度涂层(over-coat)类型的载体卷带的一个平面图，图9B是沿着图9A的直线9B-9B剖切的一个放大的剖面图；

图10A是一个基于激光的系统的简化流程图，所示的系统正在切割一个位于一个载体卷带之中的狭槽，图10B是一个环形载体卷带的示意图，该载体卷带的路径环绕着二组分隔开的堆叠的卷管并且该载体卷带是根据本发明制造的；

图11及图12分别以一个波长的函数说明了对于硅橡胶以及以氧化铁掺杂的硅橡胶的光学传输曲线；

图13A图13B分别是一个载体卷带的视图以及部分载体卷带及其狭槽的示意图，在图13A中，所切割的狭槽是狗骨头形状或蝴蝶结形状；

图14A示出了一个载体卷带，其中所切割的狭槽为锯齿状，图14B是图14A的载体卷带中的一个狭槽的放大视图。

具体实施方式

图3示出了一个环形元件载体，该载体的形式为一种不锈钢或其他高强度金属的软金属卷带，该卷带是大约0.13毫米(0.005英寸)厚以及大约6.1厘米(2.0英寸)宽。卷带50是一种“环形(endless)”类型的卷带，其中该卷带没有起始端或末端，而是可以绕着在各种处理站台之间的一系列滑轮和链轮而运动，例如描述于美国第5,226,382号专利中所述的。卷带50是通过分隔开的互相平行的侧边沿52和54而被界定的，并且包括一系列的导向器或链轮孔56，其充当了驱动穿孔以容纳驱动链轮(未示出)的驱动轴端(drive stubs)。链轮孔56被配置成邻接侧边沿52和54中的至少一个，并且优选与侧边沿52和54两者均相邻接，并且链轮孔56是沿着卷带50的长度方向均匀间隔的。图4所示的卷带50被形成为具有各种不同形状的开孔，而遮罩可以被插入该开孔中。形成于离散图案中的多个第一开孔60沿着卷带50的长度被均匀间隔，优选被定位在侧边沿52和54之间。开孔60可以是如图3所示的一系列紧密分隔的圆形孔、如图4的末端部分所示的一系列长形的矩形开口、或如图4的中央部分所示的一系列并排(side-by-side)配置的重复图案中的长形开口。在除了圆形孔之外的构造中，开孔60通常是通过一对分隔的长侧边缘62而被界定出来，而该长侧边缘62终止于一对短端边缘64。每个开孔60皆容纳了一个遮罩66，该遮罩66的形状及尺寸使得遮罩可以继续被固定到卷带50并且携带多个芯片元件。“遮罩(Mask)”是本领域中所使用的一个术语，用以定义一个由硅橡胶或其他弹性材料制成的部件，该部件在芯片元件制造过程的某个阶段期间围绕并且部分地包围一个芯片元件。遮罩66的用途是要提供一个大体上为长形的具有弹性壁的保持器，在其中，一个芯片元件可以在将其相对端部被金属化处理的过程期间被暂时性地保持于该保持器中。一个可以被卷带50运输的芯片电容器类型的一个例子示于图1中。

图7说明了遮罩66是被一对分隔开的顶外部表面70和底外部表面72界定出来的，当遮罩66被固定在卷带50上的适当位置中时，外部表面70和72分别平放在卷带50处的表面上方及下方，并且与该表面共平面。如图3所示，在其最简单的形式中，每个遮罩66被安排在一个开孔60附近的适当位置中，使得多个遮罩66可以被配置在一个横向于或平行于卷带50纵向主轴的一个图案中。一个或多个第二开孔74(其尺寸小于第一开孔60的尺寸)被形成在每个遮罩66中，用以将卷带50的金属核心保持在不与芯片元件相接触的状态之中。第二开孔74的尺寸至少在一个方向中稍微小于芯片元件的尺寸，使得当芯片元件从一个处理阶段前进到另一个处理阶段的期间，该芯片元件可以被位置性地(positionally)接收并且被抵抗性地握紧。除了顶外部表面70和底外部表面72之外，遮罩66被一对相对的长形狭槽76界定出来，而该对长形狭槽76则被界定于顶外部表面70和底外部表面72之间，以用于接收形成在卷带50之中的第一开孔的长侧边缘62。一个可拆卸的遮罩66的长度小于卷带50的宽度，并且优选小于相邻接的链轮孔56之间的距离。

图8A和图8B分别是一个替代性元件载体卷带50′的平面图及放大的片段视图，除了硅橡胶的遮罩条带66′是被模制于开孔60′之中或被涂层于开孔60′(其大致为矩形的形状并且在一个核心部分中具有弯曲端)上之外，该卷带50′相似于卷带50。开孔74′沿着载体卷带50′的宽度而以单独的一排被形成在每个遮罩条带66′中。

图9A和图9B分别是一个过度模制或过度涂层类型的元件载体卷带90的平面图以及放大的剖面图，其中核心部分92具有多个沿该卷带长度方向被分隔开的开孔94，该核心部分92被一个薄弹性材料的支撑坯体覆盖住以形成一个遮罩96。一个单独的狭槽98在该弹性材料覆盖住一个开孔94的每个位置处被切割于遮罩96之中。

图10A是一个基于激光之系统100的简化流程图，其以举例的方式说明了根据本发明在一个载体卷带90中切割一个狭槽98。以一种来自激光器104的成型光束102的形式传播的光线能量，被入射于位于一个开孔94位置处的遮罩98表面上并且以可控方式被一个光束定位器106引导于该表面附近，而以精确的尺寸切割出一个所需形状的狭槽98。光束定位器106响应一个可编程控制器108所产生的讯号而引导光束102，该可编程控制器108是例如被安装为一个型号为5320的Via Drilling System(钻孔系统)(由本专利申请的受让人ElectroScientific Industries of Portland，Oregon所销售)的一个部分的控制器。一个带进给机械装置(未示出)移动载体卷带90以将光束102对准其开孔94，以切割出狭槽98。载体卷带90优选是一种如图10B所示的环形卷带形式，并且一种适当的进给机械装置是被安装为一个型号为750的Belt Termination System(带终止系统)(亦是由Electro ScientificIndustries销售)的一个部分的带进给机械装置。在遮罩96中的狭槽98的切割是通过提供一种遮罩96而实现的，其中该遮罩96的光线吸收波长范围与激光束102的波长重叠。

形成遮罩96的支撑坯体包括一种弹性材料和一种光线吸收率增强材料构成的合成物。弹性材料赋予该支撑坯体弹性性质，以使该支撑坯体是柔性的。弹性材料(例如硅橡胶)在工作时不适于吸收光线以切割一个狭槽，而光线吸收率增强材料(例如氧化铁或二氧化钛)会赋予该支撑坯体光线吸收率的性质，以使该支撑坯体操作地充分吸收被包括在一个光线吸收波长范围之内的光线能量来切割狭槽，并且不会改变由弹性材料所赋予的弹性性质。光束102的光线放射波长优选短于550纳米，并且260纳米是一个用于在遮罩96中切割狭槽的优选波长，其中该遮罩由掺杂氧化铁的硅橡胶制成。

在一个优选实施例中，形成遮罩96的支撑坯体是由一个硅橡胶(99％的重量)与氧化铁(1％的重量)的液态配方而制成的，以使硅橡胶的颜色为一种褐色，而不会改变其弹性性质。图11和图12分别示出了0.356毫米(0.014英寸)厚的硅橡胶样品和掺杂氧化铁(1％的重量)的硅橡胶样品的光学传输(吸收率)曲线的波长函数。图11说明了未掺杂的硅橡胶分别在266纳米和550纳米处大约3％和大约17％的光线传输。图12说明掺杂氧化铁的硅橡胶分别在266纳米及550纳米处大约0.01％的光线传输。未掺杂硅橡胶的3％的光线传输在工作时足以使光线吸收率不能够用来在一个硅橡胶的支撑坯体中切割狭槽。

如图10A和图10B中所指出的，用橡胶表面形成但却不具有表面特征的载体卷带90被放置在基于激光的系统100的处理设备上。具有充足能量的激光束102切入遮罩96的狭槽或小块区域98之中，而进入在开孔94位置处的橡胶之中。系统100的可编程控制器108利用软件来实现，以控制狭槽的几何形状，该狭槽的形状和尺寸由终端应用(即，芯片元件的尺寸及形状)决定。

对激光束102的功率和波长进行控制，以将切割期间所产生的热量保持在对硅橡胶造成伤害的程度以下。激光脉冲参数的一个例子是以15 KHz的脉冲重复率、2.85瓦特的发射功率操作的一种355纳米的UV激光。以75毫米/秒的速度以及一个5μm位元尺寸(bite size)的激光束在一个0.356毫米(0.014英寸)厚的载体卷带90中切割出一个尺寸为3.05毫米(0.12英寸)×0.711毫米(0.028英寸)的矩形条，需要35次脉冲重复和3.51秒来完成。

图13A和图13B以及图14A和图14B示出了具有不同几何形状的狭槽的卷带。图13A及图13B示出了一个卷带901，其中每个逐渐变细的狭槽981是一种“狗骨头”或“蝴蝶结”的形状。逐渐变细的狭槽981是由形成于卷带901中的切口制成的，其中相对的狭槽侧边沿110沿着该狭槽的长度方向在位于相对端部112处以较长的狭槽距离分隔开，而在该端部112之间的一个中间位置处以较短的距离分隔开。在一个优选实施例之中，狭槽的距离会从相对端部112到中间位置114处逐渐变小。图14A及图14B示出了一个卷带902，其中每个在狭槽982是一种“锯齿”形状。狭槽982是由形成于卷带902中的切口制成的，其中相对的狭槽侧边沿110沿着该狭槽的长度方向上被交错的较短和较长距离分隔开，而该距离形成对应的交错的较狭窄和较宽大的开口。在一个优选实施例中，较狭窄的开口是大致上为凹锥形区段(concave tapered segments)118的形式，并且较宽大的开口大致上为平行直线区段120的形式。

对于本领域技术人员来说，很明显的是，可以在不偏离本发明的基本原理的情况下对上文所描述的本发明实施例的细节进行修改。因此，本发明的范围只应该由所附的权利要求来决定。

对于本领域技术人员来说，很明显的是，可以在不偏离本发明的基本原理的情况下对上文所描述的实施例的细节进行修改。因此，本发明的范围只应该由所附的权利要求来决定。