熱超聲倒裝鍵合機的視覺系統(tǒng)定位精度實驗研究

1、熱超聲倒裝鍵合機的視覺系統(tǒng)定位精度實驗研究李建平， 劉 濤， 鄒中升 時間:2009年04月13日 字 體: 大 中 小關(guān)鍵詞:摘? 要：關(guān)鍵詞： 熱超聲倒裝; 視覺定位; 誤差分析?在微電子封裝領(lǐng)域中，倒裝技術(shù)主要有熱超聲倒裝鍵合、回流焊接、熱壓鍵合、導(dǎo)電膠鍵合1等。其中熱超聲倒裝鍵合技術(shù)由于其具有封裝可靠性高、連接效率高、工藝簡單、成本低、適應(yīng)性強等優(yōu)點，同時又是一種無鉛的綠色焊接，而被認為是滿足下一代芯片封裝要求的具有發(fā)展?jié)摿Φ男鹿に嚭托录夹g(shù)2-3。針對熱超聲倒裝鍵合的研究，人們主要著眼于鍵合功率、溫度、時間、壓力和超聲功率等鍵合參數(shù)對鍵合強度和可靠性的影響 4-5。對于倒裝鍵合這樣微米

2、級定位的要求,只有通過視覺定位系統(tǒng)才能滿足其定位精度，其精度決定了機械部分最終的對準(zhǔn)精度。因此,對識別精度進行估計，根據(jù)需要進行合理的優(yōu)化是非常必要的6-71 視覺定位原理本視覺系統(tǒng)采用雙CCD攝像頭光學(xué)系統(tǒng)，其中一個攝像頭安裝在Z向固定支架上，在整個鍵合過程中不作任何運動，在芯片吸取、芯片與基板對中過程中提供參考，在吸取和鍵合前，調(diào)整芯片XY位置及軸旋轉(zhuǎn)角度，使其與攝像頭靶心對準(zhǔn)。另一個攝像頭與芯片吸附臺和鍵合工作臺固定，共同進行XY平面運動，在芯片吸取后獲取芯片偏移情況，對基板進行微小調(diào)整。其定位原理圖如圖1所示。?開始鍵合工作前，芯片與基板放置在指定工作臺上，如果芯片與基板不在視覺系統(tǒng)的

3、視覺范圍內(nèi)，則驅(qū)動平動臺按指定算法搜索芯片與基板；待獲取芯片位置后,驅(qū)動平動臺移動一固定位差，完成芯片與基板的物理對準(zhǔn)。但實驗中發(fā)現(xiàn)，在芯片被拾取的過程中會發(fā)生偏移，所以必須在芯片運動到基板正上方對準(zhǔn)之前再次啟動視覺系統(tǒng)從下方仰視被吸附后的芯片，獲取芯片被吸附后的實際位置，實現(xiàn)芯片凸點與基板焊盤的對準(zhǔn)。通過坐標(biāo)變換實現(xiàn)對準(zhǔn)精確無誤、在物理上仍相差一固定位差，程序記錄后由機械運動機構(gòu)實現(xiàn)物理對準(zhǔn)，主要包括XY平面的位置運動控制、Z軸豎直方向的位置運動控制以及芯片旋轉(zhuǎn)定位軸、基板旋轉(zhuǎn)定位軸的旋轉(zhuǎn)角度控制。本系統(tǒng)中，位置反饋信號由光柵尺提供，屬于閉環(huán)控制。上位機進行路徑規(guī)劃，將運動指令和位置數(shù)據(jù)傳給

4、伺服控制器，伺服控制器進行插補、加減速控制，生成路徑。2 實驗數(shù)據(jù)采集熱超聲倒裝鍵合技術(shù)是芯片在一定的壓力、溫度和超聲波能量共同作用下,凸點與基板的焊盤產(chǎn)生結(jié)合力,從而實現(xiàn)芯片與基板的鍵合。本實驗是在自主開發(fā)的熱超聲倒裝鍵合實驗臺上展開的,采用的芯片夾持方式為壓力約束模式,倒裝工具是實心的鎢鋼圓柱體,試驗采用的芯片是1mm1mm的硅芯片，表面有8個直徑約50m、高度約30m、對稱分布的鍵合凸點，試驗用的基板是銅基板，如圖2所示。熱超聲倒裝鍵合試驗臺的鍵合力在011.76N可調(diào)；基板溫度在0400可調(diào);超聲功率在05W可調(diào);鍵合時間在0500ms可調(diào);聲頻率為60kHz2kHz。采集到的光信號經(jīng)

5、雙CCD攝像頭轉(zhuǎn)換成電信號，再由圖像采集卡(型號為Matrox Meteor-II/Stan-dard)將攝像機采集到電信號轉(zhuǎn)換成計算機能處理的數(shù)字信號，最后通過由Adpat公司開發(fā)的HexSight軟件對圖像數(shù)據(jù)進行分析處理。熱超聲倒裝鍵合實驗臺的視覺定位系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。?3 視覺系統(tǒng)誤差理論分析識別定位誤差由平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差8-9組成。平移誤差是指芯片識別位置與其真實位置半徑T之間的誤差，如圖4所示。? 式中,ext為沿X軸的誤差分量，eyt為沿Y軸的誤差分量。旋轉(zhuǎn)誤差是指識別結(jié)果與當(dāng)前芯片、基板的真實位置之間的角度誤差，如圖5所示。為了簡化分析，利用芯片封裝角的位移近似表示這種誤差

6、，可利用下列等式求得：?式中,R為旋轉(zhuǎn)誤差引起的真實位置偏移；L為從芯片中心到封裝角的距離；為識別位置到芯片真實位置最大角度偏離。旋轉(zhuǎn)誤差在X、Y軸上的投影誤差分量分別為ext、eyt,其表達式為：? 4 視覺系統(tǒng)定位精度的實驗研究4.1熱超聲倒裝鍵合臺系統(tǒng)誤差的確定在芯片鍵合過程中，需要在三個工步完成對象的識別：首先芯片臺拾取芯片時對芯片進行定位，控制鍵合頭將芯片吸附；其次，在芯片臺與基板臺之間，根據(jù)芯片定位標(biāo)志對芯片進行精確定位；最后根據(jù)芯片拾取后的位置，對基板位置進行調(diào)整。將三個圖像的模式在同一個模式庫中建立，在系統(tǒng)初始化時同時加載，通過在各圖像模式中添加不同個數(shù)的參考點來區(qū)別當(dāng)前對象。

7、在建立好對象搜索模式庫后，對芯片的擺放位置不做任何調(diào)整，保持芯片在建立搜索模式庫時的初始位姿，這時芯片位置應(yīng)該為0，采集其圖像進行識別定位。在采集數(shù)據(jù)過程中,采用拉依達法則判斷數(shù)據(jù)是否存在異常值。測量結(jié)果分別如表1、表2、表3所示。采集到的角度數(shù)據(jù)存儲到文件，經(jīng)Matlab編程處理后，結(jié)果如圖6所示。?從圖6可知，由拉依達法則判斷為粗大誤差值的個數(shù)很少,說明識別結(jié)果數(shù)據(jù)具有較好品質(zhì)。采用同樣的測量方法，對X、Y方向上的識別精度分別采用不同的模式庫進行測量，其結(jié)果分別如表4、表5、表6所示。采集到的角度數(shù)據(jù)存儲到文件后，經(jīng)過Matlab編程處理后，分別如圖7、圖8、圖9所示。?通過分析以上建立的

8、三個搜索模式庫進行識別的結(jié)果可知，在X、Y方向上的識別精度是不等的，調(diào)整照明系統(tǒng)可使X、Y方向上的識別精度盡量趨于一致。4.2 任意位姿的芯片識別精度分析調(diào)定照明系統(tǒng)后，通過Hexsight圖像處理軟件對任意位姿的芯片進行識別精度分析。被測位姿分別為位姿1、位姿2、位姿3，識別結(jié)果分別如表7、表8、表9所示。?選取上述識別結(jié)果中最壞一組數(shù)據(jù)為例計算其綜合誤差，結(jié)果如表10所示。通過校準(zhǔn)后，單個像素的大小為10m，測量誤差為0.683m，因此定位結(jié)果僅僅為1/201/10像素。4.3 識別結(jié)果的優(yōu)化? 從實驗分析的結(jié)果可以得出，其精度與視覺系統(tǒng)所要求的5?滋m的對準(zhǔn)精度誤差差距較大，要進一步提高

9、識別精度，必須對識別結(jié)果進行優(yōu)化。本文采用求平均值的方法，對識別結(jié)果進行優(yōu)化，對n個連續(xù)識別的結(jié)果取平均值，減小某次測量結(jié)果的偶然性。n的取值是一個關(guān)鍵性問題，n過大，可以提高識別結(jié)果，但是大大降低了其執(zhí)行速度; n太小，則沒有起到對結(jié)果進行合理優(yōu)化的效果。? 下面是任意取3組數(shù)據(jù)，分別計算當(dāng)采用不同值時的平均值與真值(多次結(jié)果的平均值)的對比結(jié)果，分別如圖10、圖11、圖12所示。? ? 以上僅為部分數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。從處理結(jié)果可以看出，當(dāng)對4組取平均值時可以得到很好的效果。因此，從提高系統(tǒng)效率的角度出發(fā)可以選擇采用對4組采集到的結(jié)果進行平均值處理后作為最終的結(jié)果，但當(dāng)考慮標(biāo)準(zhǔn)偏差時，從上面的結(jié)果分析來看，取5次平均值作為最終結(jié)果，其單次結(jié)果更為穩(wěn)定。因此,將5次實驗誤差的平均值，作為最終的識別結(jié)果。再次進行定位實驗，得其誤差如表11所示。通過對結(jié)果進行優(yōu)化后，系統(tǒng)識別綜合誤差大大減小，根據(jù)單個像素的大小為10m，測量誤差為0.183m，其定位結(jié)果達到了1/50像素。實驗所用視覺定位系統(tǒng)采用雙CCD成像光路，通過圖像處理和模式識別的方法實現(xiàn)了對芯片焊盤圖像的識別定位。本文對倒裝鍵合實驗臺的視覺定位系統(tǒng)的誤差進行了理論分析,并以熱超聲倒裝鍵合實驗臺為平臺，對實驗用1mm1mm的表