基于切比雪夫擬合的倒裝焊接機調(diào)平

張文琪，韋 杰，郝耀武

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030051)

隨著電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和人類對電子產(chǎn)品消費需求的增長，在集成電路封裝領(lǐng)域，傳統(tǒng)的引線鍵合方式已經(jīng)無法滿足需求，倒裝焊技術(shù)的發(fā)展為集成電路封裝高密度微型化的提供了可能。倒裝焊接技術(shù)通過芯片與基板的直接互連，與絲焊(WB)、載帶自動焊(TAB)、楔形焊等其他芯片互連技術(shù)相比較，需要在芯片的I/O電極上制造凸點，凸點的結(jié)構(gòu)和形狀多種多樣，其互連線短、寄生電容和寄生電感小。使封裝具有更優(yōu)越的高頻、低延遲、低串擾的電路特性，能有效提高電路、部件或系統(tǒng)的組裝互連的可靠性，倒裝焊工藝主要通過高精度倒裝焊接機實現(xiàn)[1]。如圖1所示，在對位焊接中，兩個焊接面的平行度會影響焊接的壓力，只有對位準確，平行度一致時，才能焊接出更好的產(chǎn)品。

圖1 對位焊接

先進的高精度倒裝焊接機可實現(xiàn)芯片與芯片以及芯片與晶圓鍵合，具有精度高、粘力大的特點，適用于處理尺寸300 mm的晶圓。特別適用于3D-IC封裝工藝中的銅對銅接合，或者熱壓印光刻工藝中的納米壓印，也可用于成像設(shè)備、RF或光電器件組裝的小壓力回流焊，并且具有膠黏劑粘接或使用納米壓印光刻工藝進行納米壓印的紫外固化等工藝能力。倒裝焊接設(shè)備進行高精度互連時，在完成自動上料后，首先通過光學系統(tǒng)對于芯片（或者基板）上的標記（Mark）進行識別、讀出電路上特定位置處的對準標記，然后進行高精度的自動對準，自動調(diào)節(jié)角度和位置偏移[2]；完成對位后，采用激光對標記（3到4個）進行單點的位置信息采集，最后進行數(shù)據(jù)處理，計算出上下兩平面的角度偏移量，調(diào)節(jié)電機，實現(xiàn)角度調(diào)平。本文主要介紹采用切比雪夫擬合實現(xiàn)平面擬合，進而得到兩平面的偏轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)調(diào)平的過程[3]。

1 倒裝焊調(diào)平流程

調(diào)平是設(shè)備能否焊接出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的重要因素，焊接產(chǎn)品（芯片或者晶圓）經(jīng)過前道工藝生產(chǎn)后，由于受到煅燒不完全可控的影響，其表面存在煅燒痕跡，并且每一批次的工藝產(chǎn)品也無法做到完全的一致。由于產(chǎn)品表面存在不平整性，直接進行焊接時，可能會形成高度差，進而影響到對位調(diào)平精度，因此調(diào)平流程必不可少。常用的調(diào)平方式有2種，即采用光學調(diào)平和激光調(diào)平，光學調(diào)平由于受限于光斑尺寸固定，對于不同尺寸的焊接產(chǎn)品其調(diào)平結(jié)果可能存在差異性；而激光調(diào)平采用激光測量位置，可以實現(xiàn)對多種尺寸焊接產(chǎn)品的對位調(diào)平[4]。

因此，本文重點研究激光調(diào)平方法，其工藝流程為：清潔上料、初調(diào)對位、激光調(diào)平、位置細調(diào)四大步驟，如圖2所示。

圖2 工藝流程

1.1 清潔上料

由于設(shè)備對潔凈度要求較高，因此在條件允許情況下盡量在潔凈車間佩戴潔凈工作服進行上料操作，通過高純度氮氣清理工件表面附著物，將待焊接產(chǎn)品放置于上料位置。

1.2 初調(diào)對位

通過視覺系統(tǒng)對吸附的產(chǎn)品進行亮度調(diào)節(jié)和聚焦，然后通過下載料臺的運動控制進行對位和角度的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，保證上下兩路的產(chǎn)品處于同一視場內(nèi)，使對位標記高度重合，如圖3所示。

圖3 平移旋轉(zhuǎn)對位

1.3 激光調(diào)平

產(chǎn)品對位完成后，選擇產(chǎn)品上的多個標記（最少3個）作為激光采集點，保證上下路激光都打在對應(yīng)的標記上，然后進行位置獲取，采用切比雪夫調(diào)平算法計算角度偏移量，控制機械結(jié)構(gòu)完成角度的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)激光的調(diào)平流程。

1.4 位置細調(diào)

由于激光調(diào)平，導(dǎo)致X-Y平面內(nèi)微小的平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差，需要再次角度旋轉(zhuǎn)和對位細調(diào)，完成焊接前的對位。

2 切比雪夫調(diào)平算法

由于在激光調(diào)平中計算角度時，受限于激光采樣的精度以及軸運動位置準確度的影響，采集到的多個標記（大于3個）的位置信息不一定在同一平面，無法直接生成其對應(yīng)的平面信息，因此需要對位置信息進行優(yōu)化，得到能反映其最真實平面的擬合平面信息，采用的標記的數(shù)據(jù)越多，擬合優(yōu)化得到的平面越真實。

使用切比雪夫四點擬合調(diào)平算法時，設(shè)定n個數(shù)據(jù)點(xizi)，i=0，1，2，…，n-1。其中，x0＜x1＜xn-1，求m-1次（m＜n，m≤20）。

多項式：

使得在n個給定點上的偏差最大值逼近參考偏差閾值h，即：

計算步驟：

從給定的n個點中選取m+1個不同點u0，u1，u2....，um組成初始的參考點集合。設(shè)在初始點集u0，u1，u2....，um上，參考多項式φ(x)的偏差值為h，則其在初始點集上的取值為：φ(x)=a0+a1x+a2x2+...+am-1xm-1，多項式φ(x)與實際值的偏差最大值為s，即若S=h，則φ(x)即為所求的擬合多項式；若S＞h，則用達到偏差最大值點的xj代替點集｛ui｝(i＝0，1，2，...m)中距離xj最近且具有與φ(xi)-yi的符號相同的點，從而構(gòu)成一個新的參考點集。用此新的參考點集重復(fù)以上過程，直到最大逼近誤差等于參考偏差I(lǐng)為止[5]。

3 機械調(diào)平機構(gòu)

在設(shè)備調(diào)平中根據(jù)擬合得到的角度偏移量進行角度調(diào)節(jié)后，主要通過PR軸搖擺臺運動來完成基板與芯片的平行度調(diào)節(jié)。芯片夾具安裝在PR軸搖擺臺上，PR軸搖擺臺機構(gòu)由一個球和杯組成，機械調(diào)平示意如圖4所示，球的旋轉(zhuǎn)中心會聚于芯片表面和讀出電路表面的中心處，在進行調(diào)平校正時，由于球的旋轉(zhuǎn)中心就是器件表面和讀出電路表面的中心，因此以此中心點為支點進行調(diào)平，避免了在X-Y平面內(nèi)凸點對準的偏移，消除了搖擺運動對對位的影響。當進行平行度調(diào)節(jié)時，搖擺球和搖擺球窩的接觸面充正壓，形成氣膜，通過調(diào)節(jié)P電機和R電機校正芯片和基板的平行度，完成平行調(diào)整后，關(guān)閉氣墊正壓，打開真空吸附，鎖定平行狀態(tài)。通過正壓與負壓的不斷切換，并設(shè)定合理的接觸壓力和調(diào)節(jié)時間，在高壓的焊接過程中負壓吸附來保證平行度。

圖4 機械調(diào)平示意圖

4 實驗結(jié)果

主要從調(diào)平速度對算法的優(yōu)劣進行對比分析，分別對采用三點調(diào)平和四點擬合調(diào)平方式各進行100次調(diào)平，實驗結(jié)果如表1所示。

從表1兩種算法對比可以看出，四點切比雪夫擬合調(diào)平算法的平均調(diào)平次數(shù)更少，調(diào)平時間也更短，大大縮短了設(shè)備的工藝時間。

5 結(jié)束語

本文針對倒裝焊接機在調(diào)平對位時所存在的問題，采用切比雪夫擬合算法的方式，允許多點的激光數(shù)據(jù)參與到平面調(diào)平的工作中，減少了三點調(diào)平帶來的偶然性誤差，提高了設(shè)備調(diào)平的效率和穩(wěn)定性，在實際生產(chǎn)中具有一定的實用意義。