IC高速裝片設備飛行視覺系統(tǒng)研究

王紅濤，莊文波，葉樂志,，姚立新，李德勝

(1.北京工業(yè)大學，北京 100124；2.北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

IC高速裝片設備飛行視覺系統(tǒng)研究

王紅濤1，莊文波2，葉樂志1,2，姚立新2，李德勝1

(1.北京工業(yè)大學，北京 100124；2.北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

針對IC高速裝片設備高速高精度的裝片需求，提出了一種新型輔助標識飛行視覺定位方法，解決了目前IC高速裝片設備存在飛行視覺定位精度差的問題。通過在鍵合機構(gòu)吸嘴中心制作圓環(huán)型輔助標識并搭建飛行視覺測試平臺進行試驗，通過優(yōu)化芯片運動速度、曝光時間、增益、光源強度和程序掃描周期之間匹配關(guān)系的實驗，得到運動速度在850 mm/s，曝光時間在50 μs增益為1 000，工作距離為170 mm、光源強度為300最佳圖像值，在識別精度為3.5 μm下裝片效率提高了31%。

IC高速裝片設備；飛行視覺；輔助標識；定位

微電子工業(yè)的迅猛發(fā)展使電子設備的制造和生產(chǎn)正朝著高速度、高精度、高智能化等全方位發(fā)展。IC裝片機作為電子封裝制造設備的重要一部分，它的性能代表著芯片的優(yōu)劣，其中視覺系統(tǒng)作為IC裝片機的一個重要組成部分，直接影響著IC裝片機的裝片速度與裝片精度。傳統(tǒng)的IC裝片機視覺系統(tǒng)要求裝片芯片在經(jīng)過芯片檢測的上視相機上方時需停留一段時間來進行采集圖像工作，雖然停留的時間很短，但也增加了芯片的裝片周期，降低了IC裝片機的裝片效率。因此為了提高生產(chǎn)效率，飛行視覺技術(shù)應用而生[1，2]。

國內(nèi)外學者對飛行視覺做了大量研究，哈爾濱工業(yè)大學的陳立國等人提出的基于旋轉(zhuǎn)式反射鏡的飛行視覺系統(tǒng)設[3]，該方案利用齒輪齒條將吸嘴的升降運動轉(zhuǎn)化為反射鏡的旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)了反射鏡不干涉吸嘴的拾放功能，并實現(xiàn)了相機、元件、反射鏡的相對靜止；上海交通大學的王立成等提出了一種靜止雙反射鏡方案[4]，該方案使用2個呈45°傾角的反射鏡，當吸嘴通過反射鏡的上方時無需停留，即可獲取芯片的位置；美國人Hudson提出基于可伸縮式反射鏡的飛行視覺方案，該方案當反射鏡伸出時可得到芯片的圖像，反射鏡縮回時可得到安裝工位的圖像[5]。

本文針對飛行視覺在IC高速裝片設備中存在飛行視覺定位精度差的問題，設計一種基于吸嘴的中心位置與輔助標識的中心位置相重合的飛行視覺系統(tǒng)，鍵合機構(gòu)在經(jīng)過相機時無需停留就能得到芯片的偏移位置，提高了IC裝片機的效率。

1 IC裝片機的視覺系統(tǒng)分析

傳統(tǒng)的視覺系統(tǒng)示意圖如圖1所示，鍵合機構(gòu)吸取芯片運行到CCD視野中心時，鍵合機構(gòu)暫停一段時間，等待CCD圖像采集并圖像識別，識別結(jié)果得到芯片中心位置與CCD中心位置之間的差值，即：芯片與鍵合頭中心的差值[6]。通過計算機把差值反饋給鍵合機構(gòu)，鍵合機構(gòu)根據(jù)芯片的偏移位置進行校準，并將芯片準確地運送到指定位置。由于鍵合機構(gòu)在運動過程中會暫停一段時間，進行圖像識別，運動時間將會延長，這樣會犧牲裝片機的工作效率。

圖1 傳統(tǒng)的視覺系統(tǒng)示意圖

2 輔助標識飛行視覺設計

2.1 飛行視覺工作原理

如圖2所示，飛行視覺結(jié)構(gòu)主要由CCD、輔助圓環(huán)、鍵合機構(gòu)等組成；實物圖如圖3所示。其中輔助圓環(huán)的中心位置和鍵合頭的吸嘴中心位置是重合的，輔助圓環(huán)的高度應低于吸嘴的高度，而且他們的高度差值應在CCD的景深范圍之內(nèi)。當鍵合機構(gòu)運動到P3時，給CCD一個觸發(fā)信號進行采集圖像，芯片和輔助圓環(huán)正好在CCD的視場區(qū)間中采集完成，通過圖像識別得到輔助圓環(huán)中心位置與CCD中心位置之間的差值Δx1和芯片中心位置與CCD中心位置之間的差值Δx3根據(jù)公式（1）得出芯片相對吸嘴的位置偏差Δd，如圖4所示，鍵合機構(gòu)經(jīng)過CCD時不會停止，為后續(xù)的芯片鍵合提高精度。

圖2 飛行視覺示意圖

圖3 飛行視覺實物圖

圖4 飛行視覺原理圖

2.2 飛行視覺精度的影響因素

圖像識別對于IC高速裝片設備的精度非常重要，如果相機捕捉到的圖像不清晰就會造成相機識別精度變差甚至會造成相機識別不到圖像。圖像的清晰度與相機的增益、曝光時間、工作距離、光源強度等有關(guān)。如果這幾個因素有一個處理不當就會造成圖像不清晰，如圖5所示。因此我們把增益設置為1 000、曝光時間設置為50 μs、工作距離設置為170 mm、光源強度設置為300，如圖6所示。

2.3 輔助標識飛行視覺實驗設計

為了分析飛行視覺，我們選取判斷標記點P3為155 mm，當鍵合機構(gòu)運動到判斷標記點時，給相機發(fā)送觸發(fā)信號。設置掃描周期為100 μs，實驗次數(shù)20次的不同速度下的觸發(fā)位置值，工業(yè)相機分辨率選取782×582，如圖5所示，觸發(fā)位置值相對判斷標記點有的接近，有的滯后，觸發(fā)信號的即時位置無法捕捉到；另外觸發(fā)信號發(fā)出到相機識別信號也有一定的延時，并且鍵合機構(gòu)移動時的實際速度相對于目標速度有一定的誤差，所以在延時的這段時間移動的距離也無法精確獲得。如圖4所示，相機的中心位置和鍵合頭的中心位置Δx1無法確定，進而Δd也無法獲得。

圖5 不清晰圖像

圖6 清晰圖像

由于工業(yè)相機的視場區(qū)間是固定的，當速度快時，相機有可能捕捉不到圖像，因此發(fā)送觸發(fā)信號的判斷標記點就需要提前。由圖7可看出，有的觸發(fā)位置值相對判斷標記點上下波動很大，造成的后果是部分相機能識別到，而另一部分由于采集到的圖像不完整或者采集不到圖像，造成識別失敗；有的波動不大，考慮到裝片機的效率，設置成900 mm/s。由圖8可知，速度一定，掃描周期不同的情況下觸發(fā)位置值相對判斷標記點上下波動值相差不大，為了CCD能百分之百地采集到圖像，選擇相對波動值最小的，因此我們選擇掃描周期為700 μs。

圖7 不同速度下T=100 μs時觸發(fā)位置值

圖8 不同掃描周期下v=900 mm/s時觸發(fā)位置值

2.4 實驗結(jié)果

根據(jù)VS2010軟件編程進行芯片的位置識別和圓環(huán)的位置識別如圖9所示，在不同速度下測得的Δd精度如圖10所示，可以看出當速度為100、200、300、450、550、850 mm/s時精度在3.5 μm以內(nèi)，考慮到裝片機的效率選擇速度為850 mm/s。因此在速度v=850 mm/s時測得的數(shù)據(jù)如表1所示，其中第一組數(shù)據(jù)為靜止時相機識別的芯片與輔助圓環(huán)的位置，其余為運動過程中相機識別的芯片與輔助圓環(huán)的位置，通過設定靜止時芯片的位置與圓環(huán)的位置之差為原點，運動過程中的芯片位置與圓環(huán)的位置之差與靜止時的位置之差做對比，可以得出Δd精度范圍為3.5 μm以內(nèi)，如圖11所示。通過對數(shù)據(jù)進行分析，得出x精度直方圖和y精度直方圖，其中Δd中的x向精度和y向精度符合正太分布，如圖12、13所示。由于傳統(tǒng)視覺系統(tǒng)在經(jīng)過CCD時停留時間約60 ms，總共運行時間約194 ms，通過設置輔助標識，在經(jīng)過CCD時無需停留，就能得到芯片的位置偏差，效率提高了31%。

圖9 芯片和輔助圓環(huán)識別x、y值坐標

圖11 Δd的位置精度

圖12 x向精度直方圖

圖13 y向精度直方圖

表1 芯片與輔助圓環(huán)的位置

3 結(jié) 論

本文通過分析IC高速裝片設備遇到的飛行視覺定位精度差的問題，提出在鍵合頭上添加輔助標識，通過輔助標識來確定芯片相對鍵合機構(gòu)上的吸嘴的即時位置，無需停留，就能得到芯片相對吸嘴的位置偏差Δd，其中在速度為v=850 mm/s掃描周期T為700 μs時，△d的精度范圍在3.5 μm以內(nèi)，效率提高31%，解決了飛行視覺定位精度差的問題，同時提高了裝片機的工作效率。

[1] 鮮飛.貼片機視覺系統(tǒng)綜述[C].張家界：2007中國高端SMT學術(shù)會議論文集，2007.139-145.

[2] 丁漢，朱利民，林忠欽.面向芯片封裝的高加速度運動系統(tǒng)的精確定位和操作[J].自然科學進展-國家重點實驗室通訊，2003，(6)：568-574.

[3] 陳立國，朱吉鋒.基于旋轉(zhuǎn)式反射鏡的飛行視覺系統(tǒng)設計[J].光學技術(shù)，2010，36(5)：677-681.

[4] 王立成.面陣列芯片封裝設備中的視覺定位技術(shù)[D].碩士學位論文，武漢：華中科技大學，2003.

[5] Edison T.Hudson.One camera system for component to substrate registration[P].United States Patent：20010055069，2001.

[6] 莊文波，朱文饒，葉樂志，潘峰.飛行視覺在半導體封裝設備中的應用分析[J].電子工業(yè)專用設備，2016，(1)：27-30.

Research on A New Vision on-the-fly System of IC High-speed Die Attach Bonder

WANG Hongtao1，ZHUANG Wenbo2，YE Lezhi1，2，YAO Lixin2，LI Desheng1

(1.Beijing university of technology，Beijing 100124，China；2.CETC Beijing Electronic Equipment Co.，Ltd，Beijing 100176，China)

Aim at the high speed and high precision demand of IC high-speed die attach bonder，this paper proposes a new kind of auxiliary circle vision on-the-fly position system，to solve the problem of poor vision positioning accuracy of Vision on-the-fly existing in the current IC high-speed die attach bonder.Through making rings in the center of the bonding institution suction nozzle type auxiliary identifier and building Vision on-the-fly test platform，by optimizing the chip motion speed，exposure time，gain，matching relationship between the intensity of light source and the procedure scan cycle experiment，get velocity in 850 mm/s，exposure time in 50 μs，gain of 1000，the working distance is 170 mm，the intensity of light source is 300 best image value，The efficiency of the strip is improved by 31%in the recognition accuracy of 3.5 μm.

IC high-speed die attach bonder；Vision on-the-fly；Auxiliary identifier；Positioning

TN605

A

1004-4507(2017)04-0012-05

王紅濤（1990-）男，河北邯鄲人，北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術(shù)學院碩士研究生，主要研究方向為電氣設備自動化方向。

2017-04-01

北京市科技新星計劃項目(Z151100000315079)