視覺定位系統(tǒng)在晶片倒裝中的應(yīng)用

陳天虎，姚澤鑫，蔡丹純，盧亮

（東莞高偉（COWELL）光學(xué)電子有限公司，廣東 東莞 523000）

1 灰階視覺定位系統(tǒng)在晶片倒裝中的構(gòu)成

視覺定位系統(tǒng)包括多個精密運(yùn)動平臺，如圖1所示。其一，綁定機(jī)構(gòu)運(yùn)動平臺完成芯片X、Y、Z、θ；其二，包括照明光源、鏡頭、CCD相機(jī)組合一體的光學(xué)系統(tǒng)的X、Y、Z3個方向的精密運(yùn)動平臺，以及基板X方向的步進(jìn)運(yùn)動平臺。光學(xué)系統(tǒng)XY運(yùn)動使基板的基準(zhǔn)（Mark）點(diǎn)在CCD相機(jī)的視場內(nèi)，Z向移動用于基板圖像的聚焦。綁定機(jī)構(gòu)芯片平臺X、Y、θ運(yùn)動用于實現(xiàn)芯片與基板的精確對準(zhǔn)，Z向運(yùn)動能實現(xiàn)對基板和芯片的聚焦功能。其光學(xué)系統(tǒng)伸入到基板和芯片之間，使基板和芯片的圖像分別顯示在CCD相機(jī)的視場內(nèi)。當(dāng)基板和芯片的基準(zhǔn)（MARK）點(diǎn)被采集完成后，光學(xué)系統(tǒng)退出，系統(tǒng)會自動計算出綁定機(jī)構(gòu)芯片在X、Y、θ應(yīng)該運(yùn)動的行程，使之和基板進(jìn)行精確的定位。

圖1

2 視覺定位系統(tǒng)中基板與芯片圖像的采集原理與過程

視覺系統(tǒng)通過CCD相機(jī)采集模擬圖像，并通過數(shù)字化處理，使其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲在圖像存儲器中作為參考。在進(jìn)行圖像識別時，系統(tǒng)通過相機(jī)獲取新的圖像，并根據(jù)最初設(shè)定在存儲器中的參考圖像作為參考，快速地識別到最匹配的圖像。

參考圖像的設(shè)置與關(guān)聯(lián)對比。參考圖像的設(shè)置是視覺系統(tǒng)作精準(zhǔn)識別的重要依據(jù)，其設(shè)置的要點(diǎn)是圖像必須具有獨(dú)特且唯一性，如果設(shè)置的參考圖像在搜索區(qū)域內(nèi)存在與其相似甚至一模一樣的圖像，會導(dǎo)致識別結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。

視覺系統(tǒng)在進(jìn)行參考圖像識別時，系統(tǒng)通過相機(jī)獲取新的圖像，會根據(jù)最初設(shè)定的且存儲在存儲器中的參考圖像，在新的圖像識別區(qū)域內(nèi)，以圖像歸一化處理的原則，如圖2所示，將設(shè)置好的參考圖像置于實時圖像的左上角，并與實時圖像作對比，然后參考圖像會由從左到右、從上到下的順序逐步掃描至右下角，在這一過程中，系統(tǒng)會持續(xù)地與參考圖像作關(guān)聯(lián)對比，并找到與之最匹配的點(diǎn)，從而計算該點(diǎn)的像素坐標(biāo)值。

圖2

3 視覺定位系統(tǒng)中基準(zhǔn)（MARK）點(diǎn)的設(shè)定

為了使視覺識別定位系統(tǒng)在生產(chǎn)時，能高效、精確的對基板和芯片進(jìn)行圖像的識別和定位，在此前，須對視覺系統(tǒng)在進(jìn)行識別的過程中創(chuàng)建一定的規(guī)則。且視覺系統(tǒng)可以適應(yīng)于多種尺寸型號的產(chǎn)品，根據(jù)產(chǎn)品型號的不同，而創(chuàng)建不同的規(guī)則，以滿足其精確定位的要求。

首先，在CCD相機(jī)視窗內(nèi)確定基板和芯片的兩個基本點(diǎn)（a、b）、（a`、b`），并確定基板和芯片的識別Mark點(diǎn)（A、B）、（A`、B`），識別Mark點(diǎn)的創(chuàng)建原則2.1所講。其次，對基板和芯片進(jìn)行eye-point的設(shè)定，根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)，可以在基板和芯片上設(shè)定多個eye-point，且必須保證基板和芯片上的eye-point一一對應(yīng)，如圖3所示基板（i/N） 芯片（i/n）。注：i為當(dāng)前eye-point數(shù)，N、n 為系統(tǒng)總eye-point。最后CCD相機(jī)在設(shè)定過程中，系統(tǒng)會逐一進(jìn)行記錄，將獲取的圖像存儲到特定的存儲器中，作為參考圖像，如圖4所示。在后續(xù)識別定位中以此作為標(biāo)準(zhǔn)，對基板與芯片的位置、夾角進(jìn)行計算并定位。

圖3

4 視覺識別系統(tǒng)的定位過程

4.1 視覺系統(tǒng)對基板和芯片位置的定位

系統(tǒng)在對基板和芯片參考圖像識別時，CCD相機(jī)平臺可以根據(jù)需要設(shè)定先后的運(yùn)行順序，以圖5 為例，CCD相機(jī)的運(yùn)行順序為：基板A B,芯片 A` B`。

圖4

圖5

（1）CCD相機(jī)在4個識別位置的坐標(biāo)分別為：A(X1,Y1), B(X2,Y2), A`(X3,Y3) ,B`(X4,Y4)；（2）CCD 相機(jī)通過校正后的基板的識別分辨率為：T（um/pix），芯片的識別分辨率為：T`（um/pix）;（3）在進(jìn)行識別時綁定機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)為N（XN,YN ），識別定位完成后，進(jìn)行綁定的坐標(biāo)為M（XM,YM）。

CCD相機(jī)在4個識別位置進(jìn)行基板和芯片的Mark圖像獲取時，會分別以相機(jī)4個位置的坐標(biāo)為原點(diǎn)來判斷Mark圖像的像素坐標(biāo)點(diǎn)位置。A(XApix ,YApix),B(XBpix ,YBpix), A`(XA` pix, YA` pix) ,B`(XB` pix, YB`pix)。已知CCD相機(jī)的識別分辨率T、T`，所以可以通過像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為基板和芯片的Mark圖像的系統(tǒng)坐標(biāo)：A =（X1+T um/pix ·XApix ，Y1+T um/pix ·YApix ）；B =（X2+T um/pix·XBpix，Y2+T um/pix·YBpix ）；A` =（X3+T` um/pix·XA` pix，Y3+T`um/pix·YA` pix ）；B` =（X4+T` um/pix·XB` pix，X4+T` um/pix·YB` pix ）；在得,4個Mark圖像的系統(tǒng)坐標(biāo)后，就可以計算出基板和芯片的中心點(diǎn)P和P`的最終位置坐標(biāo)；注：LX、LY為系統(tǒng)常量。

基板位置P = {[X1+X2+ (XApix + XBpix)★ T um/pix]/2 + LX,

芯片位置P`= {[X1+X2+ (XA` pix + XB` pix)★ T`um/pix]/2 + LX,

根據(jù)基板和芯片的位置就可以算出基板和芯片的距離差，確定綁定機(jī)構(gòu)的移動距離，使基板和芯片能精確的定位。

4.2 芯片旋轉(zhuǎn)角度的確定

如圖6所示，已知基板A、B坐標(biāo)與芯片A`、B`的坐標(biāo)，可以得出A和B之間的距離并定義為L，芯片A`與B`之間的距離定義為L`，識別過程中基板A與芯片A`的距離定義為L``。制定綁定規(guī)則時，基板與芯片Mark點(diǎn)的常量夾角為θ`；cos∠θ=[（L`/2）2+(L/2)2 -（L``）2]/[2★（L`/2）★(L/2)]；∠θ=arccos∠θ，∠θ=∠θ`+∠θ``；所以芯片的旋轉(zhuǎn)角度為：∠θ``=arccos∠θ-∠θ`。

需要注意的是芯片旋轉(zhuǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)可以根據(jù)產(chǎn)品特性選定在任意一點(diǎn)，但其旋轉(zhuǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)必須為同一點(diǎn)，以確保芯片順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)的相對穩(wěn)定性。

4.3 芯片偏移量的補(bǔ)償

圖6

圖7

圖7所示，當(dāng)準(zhǔn)確獲取基板和芯片圖像后，經(jīng)過圖像預(yù)處理可以計算出基板與芯片模板的偏移量，實現(xiàn)精確定位。但是實際情況由于機(jī)械部件的加工和裝配誤差，以及光學(xué)系統(tǒng)的安裝誤差，坐標(biāo)系相互之間會存在三維空間的偏差，運(yùn)行時出現(xiàn)運(yùn)動平臺的單向運(yùn)動，而使基板圖像的雙向位移值發(fā)生變化，所以在實際情況下，需要進(jìn)行手動補(bǔ)償，補(bǔ)償值分別定義為（u,v,α）。

前面定義了在進(jìn)行芯片識別時綁定機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)為N（XN，YN），識別定位完成后，進(jìn)行綁定的坐標(biāo)為M（XM,YM）;并計算出基板和芯片的位置坐標(biāo)分別為P（PX,PY）、P`(P`X,P`Y),旋轉(zhuǎn)夾角∠θ``= arccos∠θ-∠θ`；所以可以得出，綁定機(jī)構(gòu)從N點(diǎn)移動到M點(diǎn)應(yīng)向X方向的運(yùn)行距離為：X=(PX-P`X)±u；Y方向的運(yùn)行距離為：Y=(PY- P`Y)±V；旋轉(zhuǎn)夾角∠θ``=（arccos∠θ-∠θ`）±α。

5 結(jié)語

灰階識別定位系統(tǒng)在晶片倒裝工藝中，能有效的將芯片定位到基板上，以保證產(chǎn)品質(zhì)量焊接的可靠性。其定位系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)緊湊，同時也能滿足不同型號尺寸的產(chǎn)品，增強(qiáng)了生產(chǎn)線的柔性化。

[1] 楊 青，裴仁清.精密對位系統(tǒng)中共平面UVW 工作平臺的研究 [J]. 機(jī)械制造，2007，45（7）：39-41.

[2] 張永聰. 倒裝焊機(jī)中視覺系統(tǒng)的應(yīng)用及對位算法研究[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2009，179（12）：33-35.