倒裝貼裝機(jī)貼裝頭旋轉(zhuǎn)中心算法及優(yōu)化

黃云龍

摘要：貼裝機(jī)是芯片封裝工藝的重要設(shè)備，在簡(jiǎn)要的介紹了高精度自動(dòng)倒裝貼片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程的基礎(chǔ)上，提出為了提高倒裝貼裝機(jī)貼片精度，優(yōu)化上照視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)貼裝頭旋轉(zhuǎn)中心的算法，并在貼裝位置補(bǔ)償計(jì)算后XY及角度的偏差，通過(guò)此方法對(duì)全自動(dòng)倒裝貼片機(jī)的每小時(shí)的產(chǎn)出量（UPH）和貼裝精度有了明顯提高。

關(guān)鍵詞：倒裝貼裝機(jī)；精度補(bǔ)償；旋轉(zhuǎn)中心；貼裝頭

0引言

全自動(dòng)倒裝貼裝機(jī)是針對(duì)國(guó)際先進(jìn)封裝工藝——倒裝工藝所研制的專(zhuān)用封裝設(shè)備，此設(shè)備所生產(chǎn)出的芯片處理數(shù)據(jù)速度快、體積小、功能多、耗電量小、成本低，是集成電路芯片向小型化、智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)。主要應(yīng)用在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)天線(xiàn)、系統(tǒng)封裝、多芯片模塊、圖像傳感器、微處理器、醫(yī)用傳感器以及無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別等等領(lǐng)域[1]。此技術(shù)替換常規(guī)打線(xiàn)接合，使封裝后的芯片體積革命性減小，同時(shí)，產(chǎn)品性能大幅度提高。

全自動(dòng)倒裝貼裝機(jī)是封裝大規(guī)模集成電路（ IC ）的專(zhuān)用封裝設(shè)備，是一種集機(jī)械、電氣控制、軟件、圖像識(shí)別、光學(xué)、材料以及熱學(xué)等多學(xué)科交叉的高科技產(chǎn)品，目前國(guó)外只有少數(shù)幾家技術(shù)領(lǐng)先的公司可以研發(fā)出此類(lèi)設(shè)備，如瑞士的Besi集團(tuán)與新加坡的 ASM 公司等。

本文針對(duì)倒裝貼裝機(jī)貼裝位置修正補(bǔ)償，來(lái)達(dá)到焊凸（ Solder Bump）位置精度的提高。采用先測(cè)量貼裝頭的垂直度，通過(guò)貼裝頭 R 旋轉(zhuǎn)軸和上照視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)不同角度下，視覺(jué)系統(tǒng)給出的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算旋轉(zhuǎn)中心，在貼裝過(guò)程中補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)角度引起的 XY 方向偏差值進(jìn)行修正后，提高了全自動(dòng)倒裝貼裝機(jī)的貼裝精度和每小時(shí)的產(chǎn)出量（ UPH ）。

全自動(dòng)倒裝貼裝機(jī)的廣泛應(yīng)用將大大降低芯片生產(chǎn)成本，促進(jìn)我國(guó)集成電路封裝產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，并帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)共同發(fā)展，全方位地提升我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

1貼裝精度的重要性

隨著高密度化、微型化、輕薄化、高集成化成為新一代芯片的發(fā)展趨勢(shì)，具備互連長(zhǎng)度低、減小干擾、降低容抗、尺寸超小、成品率高、成本低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)的倒裝芯片技術(shù)成為了新的發(fā)展熱潮。

隨著時(shí)間推移，高性能芯片的焊凸（ Solder Bump）數(shù)量不斷提高，基板變得越來(lái)越薄，要獲得滿(mǎn)意的裝配良率，貼裝精度要求越來(lái)越高。對(duì)于焊凸間距小到0.1 mm 的器件，不考慮其他因素的影響，只討論機(jī)器的貼裝精度。建立一個(gè)簡(jiǎn)單的假設(shè)模型[2]：

1）假設(shè)倒裝芯片的焊凸為球形，基板上對(duì)應(yīng)的焊盤(pán)為圓形，且具有相同的直徑；

2）在回流焊接過(guò)程中，器件具有自對(duì)中性，焊凸與潤(rùn)濕面50%的接觸在焊接過(guò)程中可以被“拉正”。那么，基于以上的假設(shè)，直徑25μm 的焊凸如果其對(duì)應(yīng)的圓形焊盤(pán)的直徑為50μm 時(shí)，左右位置偏差（ X 軸）或前后位置偏差（ Y 軸）在焊盤(pán)尺寸的50%，焊凸都始終在焊盤(pán)上，對(duì)于焊凸直徑為25μm 的倒裝芯片，工藝能力Cpk要達(dá)到1.33的話(huà)，要求設(shè)備的最小精度必須達(dá)到12μm @3sigma。所以全自動(dòng)倒裝貼裝機(jī)的貼裝精度成為了設(shè)備的主要性能指標(biāo)。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程

全自動(dòng)倒裝貼裝機(jī)采用動(dòng)臂式結(jié)構(gòu)，X 軸運(yùn)行采用完全同步控制回路的雙伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，加快運(yùn)動(dòng)速度，防止懸臂梁的效應(yīng)，減少機(jī)械穩(wěn)定時(shí)間； Y 軸 Z 軸 R 軸采用高定位精度和高重復(fù)精度的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)，采用模糊控制技術(shù)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中分3段控制，即“慢—快—慢”，呈“S”型變化，從而使運(yùn)動(dòng)變得既“柔和”，又快速。視覺(jué)系統(tǒng)分為上照視覺(jué)系統(tǒng)和下照視覺(jué)系統(tǒng)，下照視覺(jué)系統(tǒng)隨電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)，主要用于獲取目標(biāo)貼片位置關(guān)聯(lián)的特征點(diǎn)，上照視覺(jué)系統(tǒng)主要對(duì)貼裝頭、芯片和焊凸等特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，從而建立坐標(biāo)關(guān)系[3]。

當(dāng)貼裝頭拾取芯片完成后，移動(dòng)到上照視覺(jué)系統(tǒng)上檢測(cè)芯片拾取姿態(tài)，根據(jù)上照視覺(jué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)給出的特征點(diǎn) XY及角度偏差。如圖1所示。

由于貼裝頭拾取芯片位置不能完全固定在貼裝頭旋轉(zhuǎn)中心，貼裝桿垂直度不能完全保證完全垂直等原因，造成上照視覺(jué)系統(tǒng)給出數(shù)據(jù)在使用中有較大偏差。

3基于誤差的補(bǔ)償方法

基于以上出現(xiàn)問(wèn)題，需要解決兩個(gè)問(wèn)題。

1）通過(guò)旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)變換后，得到新的 XY 及角度的補(bǔ)償數(shù)據(jù)。

2）精準(zhǔn)找到貼裝頭的旋轉(zhuǎn)中心。

問(wèn)題1）是個(gè)算法問(wèn)題，坐標(biāo)系內(nèi)一個(gè)點(diǎn)（ x0，y0）繞一點(diǎn)（ a，b）旋轉(zhuǎn)一定角度θ之后的坐標(biāo)（ x，y ）可由算法公式

通過(guò)以上分析，現(xiàn)采用貼裝頭旋轉(zhuǎn)36°每1°使用上照系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共采集36組數(shù)據(jù)單位為毫米，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1。

通過(guò)編程軟件程序結(jié)果運(yùn)算后，利用最小二乘法計(jì)算圓心坐標(biāo) x0=0.1431167，y0=0.1049344，半徑 R =0.2079683。利用不同3點(diǎn)進(jìn)行圓心計(jì)算后，再計(jì)算每個(gè)圓心到其他點(diǎn)距離和的最小值，確定最終圓心坐標(biāo) x0=0.1457283，y0=0.1043651，半徑 R =0.2067638。

進(jìn)行重復(fù)數(shù)據(jù)采集后，上照視覺(jué)系統(tǒng)給出數(shù)據(jù)誤差在2μm毫米范圍內(nèi)，通過(guò)編程軟件運(yùn)行結(jié)果后，對(duì)比圓心坐標(biāo)值計(jì)算最短距離最小值的方法比最小二乘法的方法影響更小，并且圓心坐標(biāo)和半徑數(shù)據(jù)影響不大，可以忽略不計(jì)。

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

貼裝頭在取片過(guò)程中所使用角度有限，一般都在±5°之內(nèi)，所以在±6°進(jìn)行多組測(cè)試實(shí)驗(yàn)，首先貼裝頭 X 軸 Y 軸在上照視覺(jué)系統(tǒng)固定位置，使 R 軸在不同角度下，進(jìn)行視覺(jué)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)給出數(shù)據(jù)，通過(guò)編程軟件對(duì)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，在使旋轉(zhuǎn) R 軸為零，對(duì)比 R 軸旋轉(zhuǎn)為零時(shí)的數(shù)據(jù)。并進(jìn)行多組相同數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

從表2部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比表中可以看出根據(jù)最小二乘法計(jì)算和最短距離計(jì)算出的 XY 偏差值很接近，最大差值相差5μm，但是全自動(dòng)倒裝貼片機(jī)對(duì)精度要求非常高，所有還需要和實(shí)際軸運(yùn)動(dòng)后的偏差值進(jìn)行比較。通過(guò)和角度為零后數(shù)據(jù)比較，最短距離的方法和實(shí)際情況更加接近，擬合出來(lái)的原點(diǎn)坐標(biāo)值更加準(zhǔn)確。

通過(guò)此方法可以更加準(zhǔn)確地找到貼裝頭的旋轉(zhuǎn)中心，使貼片精度比最小二乘法擬合圓的方法至少有了1μm 的提升，并且?guī)缀醪皇芨蓴_點(diǎn)影響。

通過(guò)此方法優(yōu)化后的設(shè)備減少了拍照次數(shù)和在上照視覺(jué)系統(tǒng)上停留的時(shí)間提高了整體的 UPH 和精度。

5結(jié)束語(yǔ)

本文分析了全自動(dòng)倒裝貼裝機(jī)對(duì)貼裝精度的重要性，并對(duì)芯片在上照視覺(jué)系統(tǒng)上可能出現(xiàn)的精度誤差進(jìn)行分析和優(yōu)化。最后將兩種算法應(yīng)用到設(shè)備中，對(duì)比了不同算法對(duì)旋轉(zhuǎn)中心和芯片中心不同，旋轉(zhuǎn)角度引起的 XY 方向偏差，繼而對(duì)貼裝精度的影響。

通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，不同3點(diǎn)進(jìn)行圓心計(jì)算后，在計(jì)算每個(gè)圓心到其他點(diǎn)距離和最小值的方法更能精準(zhǔn)地找到貼裝頭旋轉(zhuǎn)中心，并且在一定條件下，減少測(cè)點(diǎn)誤差對(duì)旋轉(zhuǎn)中心的影響。算法具有可行性和科學(xué)性，提高了貼裝精度和效率，縮短了貼裝時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了高精度貼裝機(jī)貼裝位置補(bǔ)償功能。

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