倒裝貼裝機貼裝頭旋轉中心算法及優(yōu)化

0   引言

全自動(dòng)倒裝貼裝機是針對國際先進(jìn)封裝工藝——倒裝工藝所研制的專(zhuān)用封裝設備，此設備所生產(chǎn)出的芯片處理數據速度快、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。主要應用在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )天線(xiàn)、系統封裝、多芯片模塊、圖像傳感器、微處理器、醫用傳感器以及無(wú)線(xiàn)射頻識別等等領(lǐng)域^[1]。此技術(shù)替換常規打線(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)倒裝貼裝機是封裝大規模集成電路（IC）的專(zhuān)用封裝設備，是一種集機械、電氣控制、軟件、圖像識別、光學(xué)、材料以及熱學(xué)等多學(xué)科交叉的高科技產(chǎn)品，目前國外只有少數幾家技術(shù)領(lǐng)先的公司可以研發(fā)出此類(lèi)設備，如瑞士的Besi 集團與新加坡的ASM 公司等。

本文針對倒裝貼裝機貼裝位置修正補償，來(lái)達到焊凸（Solder Bump）位置精度的提高。采用先測量貼裝頭的垂直度，通過(guò)貼裝頭R 旋轉軸和上照視覺(jué)系統檢測不同角度下，視覺(jué)系統給出的數據，根據數據計算旋轉中心，在貼裝過(guò)程中補償旋轉角度引起的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)倒裝貼裝機的廣泛應用將大大降低芯片生產(chǎn)成本，促進(jìn)我國集成電路封裝產(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，全方位地提升我國集成電路產(chǎn)業(yè)的整體競爭優(yōu)勢。

1   貼裝精度的重要性

隨著(zhù)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，具備互連長(cháng)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)勢的倒裝芯片技術(shù)成為了新的發(fā)展熱潮。

隨著(zhù)時(shí)間推移，高性能芯片的焊凸（Solder Bump）數量不斷提高，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，只討論機器的貼裝精度。建立一個(gè)簡(jiǎn)單的假設模型^[2]：

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

2）在回流焊接過(guò)程中，器件具有自對中性，焊凸與潤濕面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，直徑25 μm 的焊凸如果其對應的圓形焊盤(pán)的直徑為50 μm 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，對于焊凸直徑為25 μm 的倒裝芯片，工藝能力Cpk 要達到1.33 的話(huà)，要求設備的最小精度必須達到12 μm @3sigma。所以全自動(dòng)倒裝貼裝機的貼裝精度成為了設備的主要性能指標。

2   系統結構及實(shí)現過(guò)程

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

當貼裝頭拾取芯片完成后，移動(dòng)到上照視覺(jué)系統上檢測芯片拾取姿態(tài)，根據上照視覺(jué)系統數據給出的特征點(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)系統給出數據在使用中有較大偏差。

3   基于誤差的補償方法

基于以上出現問(wèn)題，需要解決兩個(gè)問(wèn)題。

1）通過(guò)旋轉中心坐標變換后，得到新的XY 及角度的補償數據。

2）精準找到貼裝頭的旋轉中心。

問(wèn)題1）是個(gè)算法問(wèn)題，坐標系內一個(gè)點(diǎn)（x0，y0）繞一點(diǎn)（a，b）旋轉一定角度θ 之后的坐標（x，y）可由算法公式

得出

問(wèn)題2）的難點(diǎn)在于如何準確的找到貼裝頭的旋轉中心。

①根據單個(gè)圓圓心坐標的擬合思路，設定圓心坐標位（x₀，y₀），半徑為R，測量出的n 個(gè)坐標點(diǎn)，坐標位（x_i，y_i），i = 1，2，3…n 推算公式如下。

最小二乘法擬合圓曲線(xiàn)的基礎方程^[4]

展開(kāi)式（4）可得

另a=2x₀，b=2y₀，c=x₀²+y₀²-R²，由式（5）變換之后有

x²+y²-ax-by+c=0   （6）

將式（6）推廣到n 個(gè)點(diǎn)后，寫(xiě)成矩陣形式可得

由式（7）兩邊同時(shí)乘以進(jìn)行矩陣變換^[5]可得

解出a，b，c，帶入到x₀=a/2，y₀=b/2，，可求出旋轉中心（x0，y0）和半徑R。

②最小二乘法擬合圓的方法對誤差符合正態(tài)分布的數據點(diǎn)效果比較好。但是在視覺(jué)系統應用中經(jīng)常會(huì )碰到一些干擾點(diǎn)。這時(shí)要是用最小二乘法擬合，擬合出的圓可能會(huì )有偏差。因此，根據任意不在同一直線(xiàn)上的3 點(diǎn)確定1 個(gè)圓，所有確定的圓心到其所有點(diǎn)的距離最短，來(lái)確定圓心坐標及半徑。

我們設一個(gè)圓的圓心坐標為（x0，y0），半徑為r。那么這個(gè)圓的方程可以寫(xiě)為：

在這個(gè)圓上隨便取3 個(gè)點(diǎn)，設這3 個(gè)點(diǎn)的坐標分別是（x₁，y₁），（x₂，y₂），（x₃，y₃），那么有：

式（10）（11）相減，（10）（33）相減之后經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)可以得到：

有唯一解的條件是3 點(diǎn)不能共線(xiàn)。設：a = x₁-x₂；

那么：

根據多組圓心求圓心（x_0i，y_0i），i = 1，2...n 到所有點(diǎn)（x_i，y_i）的距離最小值。

通過(guò)以上分析，現采用貼裝頭旋轉36° 每1° 使用上照系統進(jìn)行數據采集，共采集36 組數據單位為毫米，數據結果如表1。

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

進(jìn)行重復數據采集后，上照視覺(jué)系統給出數據誤差在2 μm 毫米范圍內，通過(guò)編程軟件運行結果后，對比圓心坐標值計算最短距離最小值的方法比最小二乘法的方法影響更小，并且圓心坐標和半徑數據影響不大，可以忽略不計。

4   試驗結果與分析

貼裝頭在取片過(guò)程中所使用角度有限，一般都在±5°之內，所以在±6°進(jìn)行多組測試實(shí)驗，首先貼裝頭X 軸Y 軸在上照視覺(jué)系統固定位置，使R 軸在不同角度下，進(jìn)行視覺(jué)系統采集數據，根據視覺(jué)系統給出數據，通過(guò)編程軟件對兩個(gè)旋轉中心坐標進(jìn)行計算，在使旋轉R 軸為零，對比R 軸旋轉為零時(shí)的數據。并進(jìn)行多組相同數據驗證。

從表2 部分數據對比表中可以看出根據最小二乘法計算和最短距離計算出的XY 偏差值很接近，最大差值相差5 μm，但是全自動(dòng)倒裝貼片機對精度要求非常高，所有還需要和實(shí)際軸運動(dòng)后的偏差值進(jìn)行比較。通過(guò)和角度為零后數據比較，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)坐標值更加準確。

通過(guò)此方法可以更加準確地找到貼裝頭的旋轉中心，使貼片精度比最小二乘法擬合圓的方法至少有了1 μm 的提升，并且幾乎不受干擾點(diǎn)影響。

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

5   結束語(yǔ)

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

通過(guò)實(shí)際驗證，不同3 點(diǎn)進(jìn)行圓心計算后，在計算每個(gè)圓心到其他點(diǎn)距離和最小值的方法更能精準地找到貼裝頭旋轉中心，并且在一定條件下，減少測點(diǎn)誤差對旋轉中心的影響。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)現了高精度貼裝機貼裝位置補償功能。

參考文獻：

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[5] 同濟大學(xué)數學(xué)系.線(xiàn)性代數[M].北京:北京高等教育出版社,2009:57-65.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）