倒裝設(shè)備鍵合頭旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償算法研究

張克佳，袁 丁

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

倒裝設(shè)備鍵合頭旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償算法研究

張克佳，袁 丁

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

鍵合頭是工作過(guò)程中與芯片直接接觸的關(guān)鍵零部件，其定位精度與速度決定了設(shè)備整體性能，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償算法是用來(lái)補(bǔ)償鍵合頭旋轉(zhuǎn)軸偏心以及拾取芯片偏心時(shí)，校準(zhǔn)角度后對(duì)裝貼芯片位置的影響，該算法在保證速度的同時(shí)，提高了精度。

倒裝設(shè)備；鍵合頭；旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償算法

倒裝芯片鍵合技術(shù)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)引線鍵合的封裝技術(shù)，它將芯片的工作面即制有凸點(diǎn)的電極面朝下，與基板布線層直接鍵合，減少了芯片在基板上占用的空間，使得基板上的鍵合芯片數(shù)向高密度方向發(fā)展。目前，該項(xiàng)技術(shù)幾乎被所有熱門(mén)的電子產(chǎn)品采用，如無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)天線、系統(tǒng)封裝、多芯片模塊、圖像傳感器、微處理器、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、醫(yī)用傳感器以及無(wú)線射頻識(shí)別等。

1 倒裝鍵合系統(tǒng)精度分析

隨著芯片尺寸的不斷減小，芯片與基板鍵合過(guò)程中的鍵合定位精度將直接影響鍵合質(zhì)量。因此，倒裝鍵合設(shè)備的鍵合精度是衡量設(shè)備性能的重要指標(biāo)，也是影響芯片鍵合質(zhì)量的重要因素之一。

倒裝鍵合系統(tǒng)主要由機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)力系統(tǒng)、控制軟件等組成。鍵合頭具備X、Y、Z軸以及旋轉(zhuǎn)T軸，通過(guò)控制軟件與軸的配合來(lái)完成吸片，然后通過(guò)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)，再完成鍵合。

理想情況下，在校正芯片角度時(shí)，鍵合頭的吸嘴中心與其旋轉(zhuǎn)軸心完全重合，這時(shí)鍵合頭旋轉(zhuǎn)任意角度都不會(huì)引起吸嘴中心位置的變化；實(shí)際上，吸嘴是通過(guò)機(jī)械定位安裝在鍵合頭上的，而且鍵合頭旋轉(zhuǎn)軸也有設(shè)計(jì)安裝誤差。因此，鍵合頭旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)偏心引起吸嘴中心的位置變化，這就意味著芯片的中心也會(huì)隨之變化，從而鍵合精度變差。

如果對(duì)準(zhǔn)時(shí)先通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別出芯片的角度，讓旋轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)正后再識(shí)別芯片位置，就能解決鍵合頭偏心旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題，但是這樣會(huì)極大地影響鍵合速度，所以本文將采用一種旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償算法來(lái)解決該問(wèn)題（見(jiàn)圖1所示）。

圖1 鍵合頭偏心旋轉(zhuǎn)校正示意圖

2 鍵合頭旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償算法

旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償算法用來(lái)補(bǔ)償鍵合頭旋轉(zhuǎn)軸偏心以及拾取芯片偏心時(shí)，校準(zhǔn)角度后對(duì)裝貼芯片位置的影響。首先選取基準(zhǔn)位置，鍵合頭旋轉(zhuǎn)向在零位，x、y向電機(jī)運(yùn)動(dòng)到相機(jī)的上方，吸嘴位于視覺(jué)圖像的中心位置，取圖像中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系（見(jiàn)圖2所示）。

吸嘴圍繞旋轉(zhuǎn)軸心A(xA，yA)的軌跡可以近似為一個(gè)圓，吸嘴環(huán)繞A的旋轉(zhuǎn)方程為：

圖2 旋轉(zhuǎn)算法坐標(biāo)系建立

其中，R為旋轉(zhuǎn)軸心到吸嘴中心的半徑；θ1為吸嘴在零位時(shí)，吸嘴中心與軸心A的夾角，α為吸嘴旋轉(zhuǎn)角度θ后與軸心A的夾角，則他們的角度關(guān)系為：

其中：

當(dāng)旋轉(zhuǎn)向電機(jī)旋轉(zhuǎn)校正芯片角度偏移時(shí)，芯片的中心軌跡是以吸嘴中心為圓心的圓，如圖3所示，則芯片的中心軌跡方程為：

圖3 校正芯片示意圖

其中，θ2為芯片中心與坐標(biāo)軸X的夾角，β為芯片旋轉(zhuǎn)了θ角度后，與坐標(biāo)軸X的夾角。則他們的角度關(guān)系為：

C(xdc，ydc)為芯片旋轉(zhuǎn)前的中心位置：

芯片中心到吸嘴中心的距離：

由式(1)、(4)可得當(dāng)吸嘴旋轉(zhuǎn)θ后，芯片中心位置方程為：

再代入式(2)、(5)、(6)可得：

則實(shí)際偏移的補(bǔ)償值為：

由式9可知，計(jì)算補(bǔ)償值首先需要得到吸嘴的旋轉(zhuǎn)軸心坐標(biāo)以及旋轉(zhuǎn)半徑R。芯片的中心位置和偏移角度由視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別后帶入?yún)⑴c計(jì)算。

3 鍵合頭旋轉(zhuǎn)軸心的確定

最小二乘法(least squares analysis)是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過(guò)最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。最小二乘法是用最簡(jiǎn)的方法求得一些絕對(duì)不可知的真值，而令誤差平方之和為最小。這里用此方法擬合圓曲線來(lái)確定旋轉(zhuǎn)軸心位置和半徑。

鍵合頭在回零位置時(shí)，吸嘴上吸取標(biāo)定板，使用視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別。每次轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，識(shí)別后，將芯片中心點(diǎn)坐標(biāo)代入向量vector，擬合出鍵合頭旋轉(zhuǎn)軸心坐標(biāo)以及半徑，最小二乘法擬合圓代碼如下：

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將鍵合頭的旋轉(zhuǎn)軸心近似成圓，利用最小二乘法求出圓心。使用視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)拾取的芯片進(jìn)行一次定位，通過(guò)旋轉(zhuǎn)算法計(jì)算出校正角度后芯片x和y兩個(gè)方向的偏移，從而完成高速高精度裝貼。

[1] 李建平，劉濤，鄒中升.熱超聲倒裝鍵合機(jī)的視覺(jué)系統(tǒng)定位精度實(shí)驗(yàn)研究[J].電子技術(shù)與應(yīng)用，2008，34 (10):146-150.

[2] 芮延年，劉開(kāi)強(qiáng)，張志偉，等.Flip-chip芯片關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2004，24(5)：19-22.

Research on Rotation Compensation Algorithm of Flip-chip Bonding Head

ZHANG Kejia，YUAN Ding

(CETC Beijing Electronic Equipment Co.,Ltd,Beijing 100176，China)

The bonding head is the key component which is in direct contact with the chip during operation.Its positioning accuracy and speed determine the overall performance of the equipment.The rotation compensation algorithm used in this paper is used to compensate the eccentricity of the rotary shaft of the bonding head and the effect of the calibration angle on the position of the chip when the chip is eccentric.The algorithm improves the accuracy while ensuring the speed.

Flip-chip；Bonding head；Rotation compensation algorithm

TN605

B

1004-4507(2017)04-0017-04

張克佳（1987-）男，陜西西安人，研究生學(xué)歷，助理工程師，主要從事半導(dǎo)體封裝設(shè)備軟件設(shè)計(jì)。

2017-06-01