淺談光學(xué)系統(tǒng)在高精度倒裝焊機(jī)中的應(yīng)用

狄希遠(yuǎn)，閆 瑛，景 灝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所,山西 太原 030024)

0 引言

倒裝焊接設(shè)備主要用于大規(guī)模集成電路器件制造的倒裝焊接工藝，完成芯片與基板的直接互連，使封裝具有更優(yōu)越的高頻、低延遲、低串?dāng)_的電路特性，能有效提高電路、部件或系統(tǒng)的組裝互連的可靠性。高精度倒裝焊接機(jī)主要用于紅外探測(cè)器的研制與生產(chǎn)。紅外探測(cè)器組件促進(jìn)了紅外技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，促使紅外武器裝備性能大幅提高，廣泛應(yīng)用于偵察、監(jiān)視、精確制導(dǎo)、搜索跟蹤和光電對(duì)抗等軍事系統(tǒng)，成為先進(jìn)光電武器系統(tǒng)的重要組成部分，同時(shí)在駕駛輔助、消防、安保、安全生產(chǎn)等民用領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用前景[1]。

隨著紅外探測(cè)器向第三代紅外焦平面技術(shù)方向發(fā)展，基于激光調(diào)平的倒裝焊設(shè)備成為紅外探測(cè)器核心工藝設(shè)備。像元尺寸的變小對(duì)探測(cè)器芯片倒裝互連是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。采用具備激光調(diào)平功能的倒裝互連設(shè)備完成高精度互連，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)識(shí)別位于探測(cè)器芯片、讀出電路上特定位置處的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，降低倒裝焊接機(jī)對(duì)準(zhǔn)時(shí)的誤差，提高了對(duì)準(zhǔn)精度，從而提升互連導(dǎo)通率。電路基板與芯片的面與面平行是實(shí)現(xiàn)精確對(duì)位的基礎(chǔ)，本文主要介紹了光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)精確對(duì)位、調(diào)平的功能。

1 光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

光學(xué)系統(tǒng)由準(zhǔn)直光路系統(tǒng)、成像光路系統(tǒng)和激光測(cè)距調(diào)平光路系統(tǒng)組成，光學(xué)原理如圖1所示，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 光學(xué)準(zhǔn)直與激光測(cè)距原理圖

圖2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 準(zhǔn)直光路系統(tǒng)

準(zhǔn)直光路系統(tǒng)采用了雙光路共CCD的結(jié)構(gòu)，避免了多相機(jī)相互間標(biāo)定的誤差，也減小了硬件系統(tǒng)的復(fù)雜度；對(duì)分光棱鏡復(fù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)同軸照明，相比于常用的機(jī)器視覺(jué)項(xiàng)目在物鏡的前端附加專用的同軸照明光源，不僅可以避免占用空間而減小工作距離(顯微物鏡前的工作距離都比較小，很難有合適的同軸光源能夠在其工作空間插入)，而且一定程度上加大了光源照射的數(shù)值孔徑，有利于增大物鏡分辨能力，明顯簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)。

使用準(zhǔn)直光路時(shí)，一亮十字光自動(dòng)加到照明光路中，十字在芯片上的反射圖像再同基板反射圖像疊加傳送到CCD，如果芯片和基板不平行，則在CCD上反饋回來(lái)的是兩個(gè)十字光，通過(guò)驅(qū)動(dòng)PR搖擺臺(tái)，調(diào)節(jié)芯片十字光和基板十字光重合，完成芯片和基板的平行調(diào)節(jié)。如圖3所示。

圖3 準(zhǔn)直檢測(cè)示意圖

1.2 成像光路系統(tǒng)

成像光路是由兩個(gè)可互換的物鏡安裝在同一個(gè)垂直軸上，通過(guò)電機(jī)校準(zhǔn)使這個(gè)垂直軸平行于熱壓焊頭的垂直軸。芯片的圖像與基板圖像疊加后，并傳送至CCD。

1.3 激光測(cè)距光路系統(tǒng)

激光測(cè)距的依據(jù)是三角測(cè)量法，三角測(cè)量法的原理是激光發(fā)射器通過(guò)鏡頭將可見(jiàn)紅色激光射向被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過(guò)接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見(jiàn)”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物體之間的距離。原理如圖4所示。

圖4 激光三角測(cè)量原理

利用激光三角測(cè)量法原理的高精度激光測(cè)距傳感器，最高分辨率可以達(dá)到0.03μm，最遠(yuǎn)檢測(cè)距離可以達(dá)到5.4 mm。用三角測(cè)量法原理制成的傳感器可應(yīng)用于位移、厚度、高度、寬度、直線度和平面度等精度要求較高的檢測(cè)中，面與面平行調(diào)節(jié)算法通過(guò)三角測(cè)量法原理進(jìn)行測(cè)距，由算法得到兩平面的平行度。

通過(guò)激光檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的距離，測(cè)算芯片和基板的平行度值，驅(qū)動(dòng)搖擺臺(tái)對(duì)芯片和基板的平行度誤差進(jìn)行校正。

建立數(shù)學(xué)模型，已知三個(gè)不共線的點(diǎn)可以確定一個(gè)平面，當(dāng)激光測(cè)距傳感器在兩個(gè)平面間取3個(gè)位置，測(cè)出3個(gè)位置間上下工作面的3個(gè)距離值Z1、Z2和Z3，將一個(gè)工作面作為基準(zhǔn)面，兩個(gè)平面的夾角可以轉(zhuǎn)換為兩平面的法向向量間的夾角，就可以計(jì)算兩平面角度。以一個(gè)工作面為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)另外一個(gè)工作面(按計(jì)算的角度旋轉(zhuǎn))，直到兩個(gè)工作面平行。

2 光學(xué)系統(tǒng)的精度

光學(xué)系統(tǒng)精度主要影響因素有CCD相機(jī)像元尺寸和光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率。因此在合理設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,分析視覺(jué)系統(tǒng)精度的主要因素有視場(chǎng)大小和CCD相機(jī)分辨率等。CCD的分辨率越高，像元尺寸越小，精度就越高。圖像的光學(xué)放大倍數(shù)越大，對(duì)于給定面積的元數(shù)就越多，所以精度就越高。已知視場(chǎng)大小為870μm×690μm，相機(jī)CCD分辨率4242×2830，光學(xué)放大倍數(shù)為10X，可得到視覺(jué)系統(tǒng)的精度為0.2μm。

基板與芯片圖像自動(dòng)對(duì)位算法如圖5所示，移動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)到A位置，通過(guò)芯片和基板第一個(gè)角的模型找到芯片和基板的Mark點(diǎn)，并記錄下它們的坐標(biāo)；移動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)到B位置，通過(guò)芯片和基板第二個(gè)角的模型找到芯片和基板的Mark點(diǎn)，并記錄下它們的坐標(biāo)；分別以芯片的兩個(gè)Mark點(diǎn)為中心，通過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算基板的Mark點(diǎn)的偏移量，并以此控制主工作臺(tái)沿X,Y方向的移動(dòng)和繞Z軸的移動(dòng)，使兩個(gè)Mark點(diǎn)在圖像中的位置重合。

圖5 芯片與基板MARK位置示意圖

其中Mark坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)位移為：

X2=cos(θ2)×R1=

Y2=sin(θ2)×R1=

對(duì)位軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮設(shè)備的系統(tǒng)誤差，并在系統(tǒng)軟件中進(jìn)行補(bǔ)償。

3 結(jié)論

光學(xué)系統(tǒng)采用組合功能設(shè)計(jì)，將光學(xué)準(zhǔn)直調(diào)平、顯微成像以及激光調(diào)平等集于一體。利用光路成像及激光高精度測(cè)距等原理實(shí)現(xiàn)基板和芯片平行度檢測(cè)和精確對(duì)位。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于高精度倒裝焊接機(jī)上，解決了芯片與基板精確對(duì)位的難題，同時(shí)也可擴(kuò)展應(yīng)用到類似兩面精確對(duì)位的應(yīng)用場(chǎng)合。