葉曉濱，陳建魁，尹周平

（華中科技大學(xué) 數(shù)字制造技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

0 引言

倒裝鍵合技術(shù)逐漸成為微電子封裝的主流技術(shù)之一[1,2]。在倒裝鍵合技術(shù)中，需對(duì)芯片進(jìn)行拾取、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)移和貼裝等操作，特別在不同吸嘴間轉(zhuǎn)移芯片時(shí)，需要保證對(duì)接吸嘴軸線的對(duì)心精度，防止由于對(duì)心不良導(dǎo)致的芯片滑移、側(cè)立及脫落所引起的封裝失效。

常規(guī)對(duì)心裝置及檢測(cè)方式有：劉慶勝等[3]所述的上下頂尖同軸的調(diào)整方法，通過(guò)使用百分表或扭簧比較儀對(duì)上下頂尖進(jìn)行軸線調(diào)整；Jeong等[4]提出的軸線對(duì)準(zhǔn)方案，利用激光束、反射鏡和光電二極管等器件，通過(guò)成像得出激光束和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)軸線之間的偏差，再通過(guò)調(diào)整激光束位置使得兩者軸線重合；Bell等[5]設(shè)計(jì)了一種具有兩組撓曲件的柔性光學(xué)裝置，通過(guò)在撓曲件上施加彎矩使光學(xué)元件的光軸中心發(fā)生旋轉(zhuǎn)，最后使得撓曲件的投影線交點(diǎn)與所述的光學(xué)元件的光軸重合；盧好蕊[6]在圓柱度儀的對(duì)中控制中采用螺旋采點(diǎn)法，將所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行圓柱擬合，得出被測(cè)工件軸線的偏心量和傾斜角度，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)。上述對(duì)心檢測(cè)方案常為機(jī)械式手動(dòng)調(diào)節(jié)或改為施加自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)或力，其操作或控制較為繁瑣，通常不滿(mǎn)足自動(dòng)化工況的要求。

目前，采用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精檢測(cè)和對(duì)準(zhǔn)逐漸成為趨勢(shì)。Chen等[7]采用機(jī)器視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)絲網(wǎng)印刷的高速定位，Chen等[8]提出了包括視覺(jué)引導(dǎo)反饋系統(tǒng)的擁有自動(dòng)同軸對(duì)準(zhǔn)能力的機(jī)床主軸。采用機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行對(duì)心檢測(cè)時(shí)，為判斷空間兩物體是否同軸，至少需要從兩個(gè)方向上進(jìn)行觀察。已有方法通常使用多個(gè)相機(jī)進(jìn)行觀察或者使用單個(gè)相機(jī)進(jìn)行變視角觀察。前者成本過(guò)高，且所占空間范圍較大；后者改變相機(jī)的位置及角度常引起操作不便，且改變相機(jī)位置后難以保證物距相同，需重新調(diào)整相機(jī)的焦距進(jìn)行觀察。

因此，為解決倒裝鍵合工藝中對(duì)精密對(duì)心工藝的需求，克服常規(guī)機(jī)械式調(diào)整的復(fù)雜操作，并引入機(jī)器視覺(jué)的高精檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，本文擬提出一種基于單相機(jī)和光路系統(tǒng)的對(duì)心檢測(cè)方案，并驗(yàn)證其效果。

1 對(duì)心檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)分析

一種基于單相機(jī)和光路系統(tǒng)的對(duì)心檢測(cè)方案從對(duì)心光路的設(shè)計(jì)、對(duì)心裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及對(duì)心偏差計(jì)算的實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行論述。

1.1 對(duì)心光路及裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

對(duì)心檢測(cè)方案的光路設(shè)計(jì)如圖1所示。光路由被測(cè)對(duì)象傳出，分為兩路光線，經(jīng)過(guò)一對(duì)一次反射鏡，光路變?yōu)樗椒较?。再?jīng)過(guò)一對(duì)二次反射鏡，光路垂直進(jìn)入相機(jī)鏡頭，實(shí)現(xiàn)單相機(jī)的雙視角采圖。

為了滿(mǎn)足清晰采圖，要求光路的物距等于相機(jī)的焦距，即：

圖1 光路方案原理圖

其中，b為被測(cè)對(duì)象與二次反射鏡面中心的垂直距離；α為被測(cè)對(duì)象到一次反射鏡面的光線與豎直方向的夾角；β為一次反射鏡面與水平方向的夾角；二次反射鏡面與水平線的夾角均為45゜，且兩個(gè)二次反射鏡面相互垂直；q為二次反射鏡面中心與水平線的垂直距離；p為水平線與相機(jī)鏡頭距離；為相機(jī)的焦距。

根據(jù)的大小值可計(jì)算出一次反射鏡面與水平方向的夾角，其滿(mǎn)足：

實(shí)際中可根據(jù)工況選擇合適的b值，計(jì)算出所需值，即可求取對(duì)應(yīng)一次反射鏡面到二次反射鏡面的中心距離和一次反射鏡面需要調(diào)整的角度，最后將一次反射鏡鏡面調(diào)整到位。

在光路方案基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步在機(jī)械結(jié)構(gòu)上考慮滿(mǎn)足功能的支撐、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等，同時(shí)還需要考慮到相機(jī)的視野范圍，所需的鏡面尺寸等條件。在裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及實(shí)際應(yīng)用中可以適當(dāng)增加鏡面的寬度和高度，避免因?yàn)榧庸せ虬惭b誤差導(dǎo)致不能完整成像。所設(shè)計(jì)對(duì)心檢測(cè)裝置模型如圖2所示，其中兩側(cè)遠(yuǎn)端旋鈕用來(lái)調(diào)整一次反射鏡距離二次反射鏡的間距，內(nèi)側(cè)兩旋鈕用來(lái)調(diào)整一次反射鏡的角度。

圖2 對(duì)心檢測(cè)裝置模型圖

1.2 對(duì)心方案的偏差計(jì)算

上述對(duì)心方案通過(guò)光路和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用相機(jī)和成套反射鏡，可同時(shí)采集兩個(gè)不同方向上的圖像。然后利用對(duì)心的兩者在圖像空間的偏差值，即可反求出被測(cè)對(duì)象在實(shí)際物理空間中的偏差值，最后利用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)完成準(zhǔn)確對(duì)心的功能。對(duì)心方案示意圖如圖3所示。

圖3 對(duì)心方案示意圖

A、B兩被測(cè)對(duì)象在經(jīng)過(guò)雙視角采圖后，從所采集的圖像上可得到被測(cè)對(duì)象A、B在兩個(gè)方向上的距離，且其水平距離分別為c、d，豎直方向上兩被測(cè)對(duì)象的高度差h相等。假設(shè)對(duì)心裝置前支架與水平X向的夾角為γ，通過(guò)相機(jī)鏡頭的物距以及被測(cè)對(duì)象到二次反射鏡面中心的垂直距離的選擇，可計(jì)算出視角α。如圖4所示，光路e1以及e2分別與負(fù)Y軸夾角分別為α-γ，α+γ，過(guò)A點(diǎn)分別作e1、e2的平行線、e1'、e2'，過(guò)點(diǎn)B分別做兩條平行線的垂直線，垂足分別是A1、A2，兩條垂直線的長(zhǎng)度即為c，d。而后問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求向量 ，即將A點(diǎn)相對(duì)于B點(diǎn)在X、Y方向上的距離設(shè)為（m，n），聯(lián)合豎直高度差h，則點(diǎn)A相對(duì)于點(diǎn)B的空間偏差為（m，n，h）。

圖4 對(duì)心偏差計(jì)算示意圖

基于B點(diǎn)坐標(biāo)系所計(jì)算出來(lái)的A點(diǎn)坐標(biāo)即可理解為實(shí)際物理空間中A、B兩點(diǎn)的位置偏差，通過(guò)對(duì)心檢測(cè)所在裝備的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整A點(diǎn)的位置，使其與B點(diǎn)重合，即可完成對(duì)心檢測(cè)和操作功能。

2 對(duì)心方案驗(yàn)證

在RFID標(biāo)簽封裝設(shè)備中，通常采用倒裝鍵合技術(shù)完成芯片與天線的互連，此工藝中需通過(guò)翻轉(zhuǎn)頭將芯片從Wafer晶圓拾取，再將芯片翻轉(zhuǎn)180°后與貼裝頭完成芯片對(duì)接，再通過(guò)貼裝頭將芯片準(zhǔn)確放置到天線焊盤(pán)區(qū)域[9]。翻轉(zhuǎn)頭吸嘴與貼裝頭吸嘴交接芯片過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)兩吸嘴中心的精確檢測(cè)和對(duì)位，此過(guò)程可以通過(guò)上述對(duì)心檢測(cè)方案和裝置實(shí)現(xiàn)，實(shí)際工況如圖5所示。

圖5 被測(cè)對(duì)象所處工況

檢測(cè)的目的是使貼裝頭與翻轉(zhuǎn)頭的軸線重合，保證芯片的正常拾取對(duì)接，該對(duì)心檢測(cè)裝置實(shí)物如圖6所示。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)心裝置配置德國(guó)BASLER acA1300-30gm型號(hào)相機(jī)，測(cè)得貼裝頭和翻轉(zhuǎn)頭與二次反射鏡面中心的垂直距離都約為240mm，一次反射鏡面與水平方向的夾角約為56°，對(duì)心裝置前支架與水平X向的夾角約為35 °。

圖6 對(duì)心裝置實(shí)物圖

在未進(jìn)行對(duì)心調(diào)整前，兩被測(cè)對(duì)象的空間軸線不重合，使用裝置進(jìn)行雙視角采圖后，相機(jī)視野里會(huì)同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)方向上的圖像。圖像顯示，兩吸嘴存在兩個(gè)方向上的水平距離差c和d，豎直高度差h基本一致，如圖7所示。

圖7 調(diào)整前被測(cè)對(duì)象狀態(tài)

通過(guò)系統(tǒng)中貼裝頭的移動(dòng)，完成初始對(duì)心調(diào)整和高度移動(dòng)后，再次利用對(duì)心檢測(cè)裝置視覺(jué)系統(tǒng)采圖，并求解得到初始對(duì)心后兩者軸線在圖像的左右兩邊的像素偏差，利用偏差反求計(jì)算出被測(cè)對(duì)象的實(shí)際物理距離，并經(jīng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)調(diào)整予以補(bǔ)償。所采集的圖像如圖8所示，此時(shí)可重新求解得到兩被測(cè)對(duì)象軸線在圖像的左右兩邊的像素偏差。

圖8 對(duì)心檢測(cè)裝置調(diào)整后被測(cè)對(duì)象狀態(tài)

上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，翻轉(zhuǎn)頭與貼裝頭初始對(duì)心精度為±20像素，經(jīng)對(duì)心檢測(cè)和調(diào)整后，對(duì)心精度提高至±5像素。

表1 對(duì)心偏差對(duì)比表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該對(duì)心檢測(cè)方案能在不影響被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)和布局的情況下切實(shí)提高倒裝工藝中對(duì)心精度，直接證明所述方案中光路設(shè)計(jì)和偏差計(jì)算方法的正確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

面向倒裝鍵合工藝芯片轉(zhuǎn)移過(guò)程中精確對(duì)心需求，本文提出了一種基于單相機(jī)的對(duì)心檢測(cè)方案，設(shè)計(jì)了能將被測(cè)對(duì)象進(jìn)行雙視角采圖的光路和機(jī)械裝置，詳細(xì)分析了利用所采圖像求解被測(cè)對(duì)象的空間位置偏差，然后通過(guò)偏差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)精確對(duì)心。RFID標(biāo)簽倒裝鍵合裝備上完成的實(shí)驗(yàn)表明，利用本對(duì)心檢測(cè)裝置對(duì)雙吸嘴偏差進(jìn)行檢測(cè)補(bǔ)償后，能切實(shí)提高對(duì)心精度，滿(mǎn)足實(shí)際工作需求。

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