摘? 要： 簡(jiǎn)要說(shuō)明了視覺(jué)定位原理及定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集過(guò)程，并對(duì)倒裝鍵合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的視覺(jué)定位系統(tǒng)的誤差進(jìn)行了理論分析。以熱超聲倒裝鍵合實(shí)驗(yàn)臺(tái)為平臺(tái)，應(yīng)用HexSight圖像處理軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)用1mm×1mm的表面有8個(gè)凸點(diǎn)的芯片進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)。根據(jù)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別對(duì)定位系統(tǒng)的平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行了分析。采用對(duì)5次識(shí)別結(jié)果取平均值的優(yōu)化方法，使角度誤差減小到0.023 766°，單項(xiàng)誤差減小到0.183μm，綜合誤差減小到0.554μm。試驗(yàn)結(jié)果表明,該視覺(jué)定位系統(tǒng)達(dá)到了熱超聲倒裝鍵合過(guò)程中芯片與基板之間的定位精度的要求。
關(guān)鍵詞： 熱超聲倒裝; 視覺(jué)定位; 誤差分析
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在微電子封裝領(lǐng)域中，倒裝技術(shù)主要有熱超聲倒裝鍵合、回流焊接、熱壓鍵合、導(dǎo)電膠鍵合[1]等。其中熱超聲倒裝鍵合技術(shù)由于其具有封裝可靠性高、連接效率高、工藝簡(jiǎn)單、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又是一種無(wú)鉛的綠色焊接，而被認(rèn)為是滿(mǎn)足下一代芯片封裝要求的具有發(fā)展?jié)摿Φ男鹿に嚭托录夹g(shù)[2-3]。針對(duì)熱超聲倒裝鍵合的研究，人們主要著眼于鍵合功率、溫度、時(shí)間、壓力和超聲功率等鍵合參數(shù)對(duì)鍵合強(qiáng)度和可靠性的影響 [4-5]。對(duì)于倒裝鍵合這樣微米級(jí)定位的要求,只有通過(guò)視覺(jué)定位系統(tǒng)才能滿(mǎn)足其定位精度，其精度決定了機(jī)械部分最終的對(duì)準(zhǔn)精度。因此,對(duì)識(shí)別精度進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)需要進(jìn)行合理的優(yōu)化是非常必要的[6-7]。本文對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)誤差進(jìn)行了理論分析，并以中南大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的熱超聲倒裝鍵合實(shí)驗(yàn)臺(tái)為平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)用1mm×1mm的表面有8個(gè)凸點(diǎn)的芯片進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)。最后對(duì)定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用取平均值的優(yōu)化方法，使定位系統(tǒng)的定位精度達(dá)到了亞像素級(jí)別。
1 視覺(jué)定位原理
本視覺(jué)系統(tǒng)采用雙CCD攝像頭光學(xué)系統(tǒng)，其中一個(gè)攝像頭安裝在Z向固定支架上，在整個(gè)鍵合過(guò)程中不作任何運(yùn)動(dòng)，在芯片吸取、芯片與基板對(duì)中過(guò)程中提供參考，在吸取和鍵合前，調(diào)整芯片XY位置及軸旋轉(zhuǎn)角度，使其與攝像頭靶心對(duì)準(zhǔn)。另一個(gè)攝像頭與芯片吸附臺(tái)和鍵合工作臺(tái)固定，共同進(jìn)行XY平面運(yùn)動(dòng)，在芯片吸取后獲取芯片偏移情況，對(duì)基板進(jìn)行微小調(diào)整。其定位原理圖如圖1所示。
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開(kāi)始鍵合工作前，芯片與基板放置在指定工作臺(tái)上，如果芯片與基板不在視覺(jué)系統(tǒng)的視覺(jué)范圍內(nèi)，則驅(qū)動(dòng)平動(dòng)臺(tái)按指定算法搜索芯片與基板；待獲取芯片位置后,驅(qū)動(dòng)平動(dòng)臺(tái)移動(dòng)一固定位差，完成芯片與基板的物理對(duì)準(zhǔn)。但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在芯片被拾取的過(guò)程中會(huì)發(fā)生偏移，所以必須在芯片運(yùn)動(dòng)到基板正上方對(duì)準(zhǔn)之前再次啟動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)從下方仰視被吸附后的芯片，獲取芯片被吸附后的實(shí)際位置，實(shí)現(xiàn)芯片凸點(diǎn)與基板焊盤(pán)的對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)精確無(wú)誤、在物理上仍相差一固定位差，程序記錄后由機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物理對(duì)準(zhǔn)，主要包括XY平面的位置運(yùn)動(dòng)控制、Z軸豎直方向的位置運(yùn)動(dòng)控制以及芯片旋轉(zhuǎn)定位軸、基板旋轉(zhuǎn)定位軸的旋轉(zhuǎn)角度控制。本系統(tǒng)中，位置反饋信號(hào)由光柵尺提供，屬于閉環(huán)控制。上位機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃，將運(yùn)動(dòng)指令和位置數(shù)據(jù)傳給伺服控制器，伺服控制器進(jìn)行插補(bǔ)、加減速控制，生成路徑。
2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集
熱超聲倒裝鍵合技術(shù)是芯片在一定的壓力、溫度和超聲波能量共同作用下,凸點(diǎn)與基板的焊盤(pán)產(chǎn)生結(jié)合力,從而實(shí)現(xiàn)芯片與基板的鍵合。
本實(shí)驗(yàn)是在自主開(kāi)發(fā)的熱超聲倒裝鍵合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上展開(kāi)的,采用的芯片夾持方式為壓力約束模式,倒裝工具是實(shí)心的鎢鋼圓柱體,試驗(yàn)采用的芯片是1mm×1mm的硅芯片，表面有8個(gè)直徑約50μm、高度約30μm、對(duì)稱(chēng)分布的鍵合凸點(diǎn)，試驗(yàn)用的基板是銅基板，如圖2所示。熱超聲倒裝鍵合試驗(yàn)臺(tái)的鍵合力在0～11.76N可調(diào)；基板溫度在0℃～400℃可調(diào);超聲功率在0～5W可調(diào);鍵合時(shí)間在0～500ms可調(diào);聲頻率為60kHz±2kHz。
采集到的光信號(hào)經(jīng)雙CCD攝像頭轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由圖像采集卡(型號(hào)為Matrox Meteor-II/Stan-dard)將攝像機(jī)采集到電信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)，最后通過(guò)由Adpat公司開(kāi)發(fā)的HexSight軟件對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。熱超聲倒裝鍵合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的視覺(jué)定位系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。
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3 視覺(jué)系統(tǒng)誤差理論分析
識(shí)別定位誤差由平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差[8-9]組成。平移誤差是指芯片識(shí)別位置與其真實(shí)位置半徑T之間的誤差，如圖4所示。
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式中,ext為沿X軸的誤差分量，eyt為沿Y軸的誤差分量。
旋轉(zhuǎn)誤差是指識(shí)別結(jié)果與當(dāng)前芯片、基板的真實(shí)位置之間的角度誤差，如圖5所示。為了簡(jiǎn)化分析，利用芯片封裝角的位移近似表示這種誤差，可利用下列等式求得：
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式中,R為旋轉(zhuǎn)誤差引起的真實(shí)位置偏移；L為從芯片中心到封裝角的距離；θ為識(shí)別位置到芯片真實(shí)位置最大角度偏離。
旋轉(zhuǎn)誤差在X、Y軸上的投影誤差分量分別為ext、eyt,其表達(dá)式為：
??? 
4 視覺(jué)系統(tǒng)定位精度的實(shí)驗(yàn)研究
4.1熱超聲倒裝鍵合臺(tái)系統(tǒng)誤差的確定
在芯片鍵合過(guò)程中，需要在三個(gè)工步完成對(duì)象的識(shí)別：首先芯片臺(tái)拾取芯片時(shí)對(duì)芯片進(jìn)行定位，控制鍵合頭將芯片吸附；其次，在芯片臺(tái)與基板臺(tái)之間，根據(jù)芯片定位標(biāo)志對(duì)芯片進(jìn)行精確定位；最后根據(jù)芯片拾取后的位置，對(duì)基板位置進(jìn)行調(diào)整。將三個(gè)圖像的模式在同一個(gè)模式庫(kù)中建立，在系統(tǒng)初始化時(shí)同時(shí)加載，通過(guò)在各圖像模式中添加不同個(gè)數(shù)的參考點(diǎn)來(lái)區(qū)別當(dāng)前對(duì)象。
在建立好對(duì)象搜索模式庫(kù)后，對(duì)芯片的擺放位置不做任何調(diào)整，保持芯片在建立搜索模式庫(kù)時(shí)的初始位姿，這時(shí)芯片位置應(yīng)該為0°，采集其圖像進(jìn)行識(shí)別定位。在采集數(shù)據(jù)過(guò)程中,采用拉依達(dá)法則判斷數(shù)據(jù)是否存在異常值。
測(cè)量結(jié)果分別如表1、表2、表3所示。采集到的角度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到文件，經(jīng)Matlab編程處理后，結(jié)果如圖6所示。
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從圖6可知，由拉依達(dá)法則判斷為粗大誤差值的個(gè)數(shù)很少,說(shuō)明識(shí)別結(jié)果數(shù)據(jù)具有較好品質(zhì)。
采用同樣的測(cè)量方法，對(duì)X、Y方向上的識(shí)別精度分別采用不同的模式庫(kù)進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果分別如表4、表5、表6所示。采集到的角度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到文件后，經(jīng)過(guò)Matlab編程處理后，分別如圖7、圖8、圖9所示。
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通過(guò)分析以上建立的三個(gè)搜索模式庫(kù)進(jìn)行識(shí)別的結(jié)果可知，在X、Y方向上的識(shí)別精度是不等的，調(diào)整照明系統(tǒng)可使X、Y方向上的識(shí)別精度盡量趨于一致。
4.2 任意位姿的芯片識(shí)別精度分析
調(diào)定照明系統(tǒng)后，通過(guò)Hexsight圖像處理軟件對(duì)任意位姿的芯片進(jìn)行識(shí)別精度分析。被測(cè)位姿分別為位姿1、位姿2、位姿3，識(shí)別結(jié)果分別如表7、表8、表9所示。
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選取上述識(shí)別結(jié)果中最壞一組數(shù)據(jù)為例計(jì)算其綜合誤差，結(jié)果如表10所示。
通過(guò)校準(zhǔn)后，單個(gè)像素的大小為10μm，測(cè)量誤差為0.683μm，因此定位結(jié)果僅僅為1/20～1/10像素。
4.3 識(shí)別結(jié)果的優(yōu)化
? 從實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果可以得出，其精度與視覺(jué)系統(tǒng)所要求的5?滋m的對(duì)準(zhǔn)精度誤差差距較大，要進(jìn)一步提高識(shí)別精度，必須對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。本文采用求平均值的方法，對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)n個(gè)連續(xù)識(shí)別的結(jié)果取平均值，減小某次測(cè)量結(jié)果的偶然性。n的取值是一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，n過(guò)大，可以提高識(shí)別結(jié)果，但是大大降低了其執(zhí)行速度; n太小，則沒(méi)有起到對(duì)結(jié)果進(jìn)行合理優(yōu)化的效果。
? 下面是任意取3組數(shù)據(jù)，分別計(jì)算當(dāng)采用不同值時(shí)的平均值與真值(多次結(jié)果的平均值)的對(duì)比結(jié)果，分別如圖10、圖11、圖12所示。
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? ? 以上僅為部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理結(jié)果。從處理結(jié)果可以看出，當(dāng)對(duì)4組取平均值時(shí)可以得到很好的效果。因此，從提高系統(tǒng)效率的角度出發(fā)可以選擇采用對(duì)4組采集到的結(jié)果進(jìn)行平均值處理后作為最終的結(jié)果，但當(dāng)考慮標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí)，從上面的結(jié)果分析來(lái)看，取5次平均值作為最終結(jié)果，其單次結(jié)果更為穩(wěn)定。因此,將5次實(shí)驗(yàn)誤差的平均值，作為最終的識(shí)別結(jié)果。再次進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)，得其誤差如表11所示。
通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化后，系統(tǒng)識(shí)別綜合誤差大大減小，根據(jù)單個(gè)像素的大小為10μm，測(cè)量誤差為0.183μm，其定位結(jié)果達(dá)到了1/50像素。
實(shí)驗(yàn)所用視覺(jué)定位系統(tǒng)采用雙CCD成像光路，通過(guò)圖像處理和模式識(shí)別的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)芯片焊盤(pán)圖像的識(shí)別定位。本文對(duì)倒裝鍵合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的視覺(jué)定位系統(tǒng)的誤差進(jìn)行了理論分析,并以熱超聲倒裝鍵合實(shí)驗(yàn)臺(tái)為平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)用1mm×1mm的表面有8個(gè)凸點(diǎn)的芯片進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)視覺(jué)定位系統(tǒng)的平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行了分析，并采用對(duì)5次識(shí)別結(jié)果取平均值的優(yōu)化方法，從而將角度誤差減小到0.023 766°，單項(xiàng)誤差減小到0.183μm，綜合誤差減小到0.554μm，從而使其定位精度達(dá)到了熱超聲倒裝鍵合過(guò)程中芯片與基板之間的定位精度的要求。
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