基于多視場(chǎng)視覺(jué)系統(tǒng)的倒裝焊機(jī)調(diào)平和對(duì)位

景 灝，王瑞鵬，閆 瑛，狄希遠(yuǎn)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

紅外探測(cè)器主要用于紅外熱成像、紅外遙感等方面，隨著加工工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，探測(cè)器逐漸向高探測(cè)率、大面陣方向發(fā)展[1]。倒裝互連作為探測(cè)器的主要互連工藝，它的互連過(guò)程包含調(diào)平、對(duì)位和壓焊[2]，如圖1所示，其影響成品率的關(guān)鍵因素有兩點(diǎn)，一是芯片和基板能夠準(zhǔn)確調(diào)平，使壓焊后銦球產(chǎn)生均勻形變，二是通過(guò)精確對(duì)位，使芯片和基板上的焊點(diǎn)可以相互對(duì)準(zhǔn)，從而保障產(chǎn)品的光、機(jī)、電特性[3]。因此，倒裝焊機(jī)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題就是倒裝互連時(shí)芯片與基板的調(diào)平和對(duì)位問(wèn)題。本文將針對(duì)該問(wèn)題，介紹一種多視場(chǎng)的視覺(jué)系統(tǒng)，通過(guò)視覺(jué)圖像分析和算法處理，配合精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)倒裝焊機(jī)的調(diào)平和對(duì)位。

圖1 紅外探測(cè)器倒裝互連示意圖

1 視覺(jué)系統(tǒng)工作原理

倒裝焊機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)由大視場(chǎng)、準(zhǔn)直視場(chǎng)和對(duì)位視場(chǎng)組成。大視場(chǎng)視野大，分辨率低，用于基板的粗定位。準(zhǔn)直視場(chǎng)可投射特定十字靶標(biāo)圖形，通過(guò)分析芯片和基板平面反射回的圖像，確定平行度調(diào)節(jié)量。對(duì)位視場(chǎng)視野小，分辨率高，可識(shí)別芯片和基板的標(biāo)記圖形，精確計(jì)算對(duì)位調(diào)節(jié)量。

設(shè)備配備精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，包含5個(gè)平臺(tái)和9個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，各個(gè)平臺(tái)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軸名稱和數(shù)量如表1所示，對(duì)應(yīng)的編號(hào)和分布如表1和圖2所示?；鍖?duì)位平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基板的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，光學(xué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直和對(duì)位視場(chǎng)的平移運(yùn)動(dòng)，半球搖擺俯仰平臺(tái)以基板平面為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)芯片和基板的調(diào)平運(yùn)動(dòng)，ZUBA運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)芯片取料、芯片聚焦和壓焊運(yùn)動(dòng)，聚焦平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基板聚焦運(yùn)動(dòng)。

表1 精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軸分配表

圖2 精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖

2 視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，紅外探測(cè)器焊點(diǎn)加工尺寸均為微米級(jí)，其高精度的倒裝互連工藝對(duì)倒裝焊機(jī)的調(diào)平和對(duì)位能力提出了更高的要求。針對(duì)該要求，現(xiàn)將設(shè)備視覺(jué)系統(tǒng)和精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)介紹如下。

2.1 多視場(chǎng)視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 大視場(chǎng)設(shè)計(jì)

大視場(chǎng)的安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，CCD相機(jī)和鏡頭采用斜裝的方式，拍攝放置于基板夾具上的基板，由于相機(jī)傾斜拍攝，需要對(duì)圖像進(jìn)行梯形校正，并基于基板對(duì)位平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定。大視場(chǎng)將基板相對(duì)于芯片對(duì)齊的位置作為基準(zhǔn)位置，手動(dòng)放置基板后，運(yùn)行大視場(chǎng)粗定位功能，可以對(duì)基板的位置進(jìn)行粗調(diào)整，使基板和芯片的標(biāo)記圖形能夠同時(shí)處于對(duì)位視場(chǎng)內(nèi)。

圖3 大視場(chǎng)設(shè)計(jì)原理圖

2.1.2 準(zhǔn)直視場(chǎng)設(shè)計(jì)

準(zhǔn)直視場(chǎng)的安裝位置如圖2所示，分別將明亮的十字靶標(biāo)圖形打在芯片和基板的反射面上，反射圖形傳送到CCD上。根據(jù)光學(xué)準(zhǔn)直原理，若CCD上顯示兩個(gè)不重合的十字靶標(biāo)圖形，則芯片和基板不平行，通過(guò)驅(qū)動(dòng)半球搖擺俯仰平臺(tái)，調(diào)節(jié)兩個(gè)十字靶標(biāo)圖形至完全重合，則可以完成芯片和基板的調(diào)平。

2.1.3 對(duì)位視場(chǎng)設(shè)計(jì)

對(duì)位視場(chǎng)的安裝位置如圖2所示，拍攝芯片時(shí)，打開(kāi)芯片光源，關(guān)閉基板光源，物鏡固定不動(dòng)，ZUBA運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)芯片，調(diào)整芯片高度來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片聚焦；拍攝基板時(shí)，打開(kāi)基板光源，關(guān)閉芯片光源，聚焦平臺(tái)帶動(dòng)物鏡，調(diào)整物鏡高度來(lái)實(shí)現(xiàn)基板聚焦。視覺(jué)對(duì)位時(shí)，將標(biāo)記圖形制作為模板，分別拍攝芯片和基板的標(biāo)記圖形進(jìn)行定位，以芯片位置為基準(zhǔn)，分析計(jì)算出基板的旋轉(zhuǎn)和平移的調(diào)節(jié)量，驅(qū)動(dòng)基板對(duì)位平臺(tái)進(jìn)行對(duì)位調(diào)整。

2.1.4 多視場(chǎng)視覺(jué)系統(tǒng)的關(guān)系

多視場(chǎng)視覺(jué)系統(tǒng)包括大視場(chǎng)、準(zhǔn)直視場(chǎng)和對(duì)位視場(chǎng)，三者既功能獨(dú)立，又相互聯(lián)系。大視場(chǎng)視覺(jué)系統(tǒng)斜裝在工作臺(tái)側(cè)面，基于基板對(duì)位平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)基板的粗定位。準(zhǔn)直和對(duì)位視場(chǎng)統(tǒng)一安裝于光學(xué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。對(duì)位視場(chǎng)和大視場(chǎng)的共同點(diǎn)是，兩視場(chǎng)均基于基板對(duì)位平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定，即兩者空間坐標(biāo)統(tǒng)一，兩者的區(qū)別是對(duì)位視場(chǎng)相比于大視場(chǎng)視野更小，分辨率更高，可用于微米級(jí)標(biāo)記圖形的精確定位。

2.2 精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的各平臺(tái)分布如圖2所示。其中，基板對(duì)位平臺(tái)、光學(xué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、ZUBA運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和聚焦平臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了整體搭建，保證對(duì)位平臺(tái)的穩(wěn)定性，統(tǒng)一采用光柵組反饋進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制，采用UP級(jí)低摩擦系數(shù)線性導(dǎo)軌導(dǎo)向，能夠滿足設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度要求。

半球搖擺俯仰平臺(tái)采用氣浮導(dǎo)向，使用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密螺旋推桿，使球凸產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)芯片和基板的調(diào)平運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)中心位于芯片位置附近，可降低搖擺運(yùn)動(dòng)對(duì)XY方向的影響。

半球搖擺俯仰平臺(tái)的設(shè)計(jì)原理如圖4所示。已知步進(jìn)電機(jī)推桿和球面連接桿交點(diǎn)到球面頂點(diǎn)的距離為A，球面半徑為R，轉(zhuǎn)角分辨率為B，轉(zhuǎn)角行程為C，步進(jìn)電機(jī)導(dǎo)程為S，傳動(dòng)裝置的綜合傳動(dòng)效率為η，減速比為i，保持轉(zhuǎn)矩為HT，設(shè)：D為步進(jìn)電機(jī)單脈沖行程，θs為步進(jìn)電機(jī)步距角，E為整個(gè)行程允許位移，F(xiàn)為推力，計(jì)算過(guò)程如下：

D=(A+R)×tan(B).

(1)

(2)

E=(A+R)×tan(C).

(3)

HT=(F×S)/(2π×η×i).

(4)

圖4 半球搖擺平臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖

2.3 視覺(jué)軟件功能及算法

視覺(jué)軟件是視覺(jué)系統(tǒng)的大腦，識(shí)別輸入的圖像信息，完成數(shù)據(jù)的分析和輸出。倒裝焊機(jī)配備了多視場(chǎng)視覺(jué)系統(tǒng)，準(zhǔn)直視場(chǎng)采集用于調(diào)平的十字靶標(biāo)圖形，對(duì)位視場(chǎng)采集用于對(duì)位的標(biāo)記圖形。于是，倒裝焊機(jī)的調(diào)平和對(duì)位能否實(shí)現(xiàn)，很大程度取決于視覺(jué)軟件對(duì)圖像信息的識(shí)別和分析效果。

1) 模板：在圖像識(shí)別的方法當(dāng)中，基于形狀的模板匹配法具有處理時(shí)間短，精度高，可通過(guò)切換模板靈活適應(yīng)不同工件圖形等優(yōu)勢(shì)，更加符合本系統(tǒng)視覺(jué)軟件需求。制作模板和對(duì)位時(shí)對(duì)圖像采集的要求為，通過(guò)聚焦使圖像有清晰的輪廓，通過(guò)調(diào)整光源和相機(jī)參數(shù)使圖像呈現(xiàn)鮮明的對(duì)比特征。

2) 標(biāo)定：視覺(jué)標(biāo)定的作用是建立視場(chǎng)中像素坐標(biāo)系和空間坐標(biāo)系之間的關(guān)系。大視場(chǎng)和對(duì)位視場(chǎng)均基于基板對(duì)位平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定，將基板放在基板夾具上，分別使用兩個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行模板制作，然后采用傳統(tǒng)的九點(diǎn)標(biāo)定方法完成視場(chǎng)標(biāo)定。準(zhǔn)直視場(chǎng)的標(biāo)定方式在下一節(jié)討論。

3) 準(zhǔn)直視場(chǎng)調(diào)平：準(zhǔn)直視場(chǎng)基于半球搖擺俯仰平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定，視場(chǎng)分別采集芯片和基板平面反射的十字靶標(biāo)圖形，以基板平面為基準(zhǔn)，可得出兩圖形中心位置像素偏差(pix)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)，其運(yùn)動(dòng)量單位為脈沖(pulse)。設(shè)基板平面反射的十字靶標(biāo)圖形位置為原點(diǎn)，兩圖形像素偏差為(px,py)，ZP軸運(yùn)動(dòng)量為zp，ZR軸運(yùn)動(dòng)量為zr，則有：

zp=k1·px+c1.

(5)

zr=k2·py+c2.

(6)

其中，k1，k2，c1，c2均為常數(shù)，通過(guò)多點(diǎn)擬合，得出上述公式的系數(shù)，則準(zhǔn)直視場(chǎng)中分析得出的像素偏差可以直接轉(zhuǎn)化為電機(jī)的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)量，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)平。

4)大視場(chǎng)粗定位：大視場(chǎng)將整個(gè)基板圖形作為模板，以基板相對(duì)于芯片對(duì)齊時(shí)的位置為基準(zhǔn)，得到坐標(biāo)位置(x0,y0)和角度r0。手動(dòng)放置基板后，大視場(chǎng)采集基板的當(dāng)前圖形，得到坐標(biāo)位置(x,y)和角度r。設(shè)坐標(biāo)位置偏差為(Δx,Δy)，角度偏差為Δr，則：

Δx=x-x0.

(7)

Δy=y-y0.

(8)

Δr=r-r0.

(9)

根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，驅(qū)動(dòng)基板對(duì)位平臺(tái)，分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)調(diào)整，完成基板的粗定位。

5) 對(duì)位視場(chǎng)精對(duì)位：本文采用四點(diǎn)對(duì)位方式，對(duì)位原理如圖5所示。A、B為芯片上的兩個(gè)標(biāo)記圖形，C、D為基板上的兩個(gè)標(biāo)記圖形，其中A、C為一組，B、D為另一組，均形成對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)位視場(chǎng)分別采集A、B、C、D圖形，分析得到各圖形對(duì)應(yīng)坐標(biāo)(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，(x4,y4)。對(duì)位過(guò)程分為兩步，第一步為計(jì)算旋轉(zhuǎn)偏差，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，第二步為計(jì)算平移偏差，進(jìn)行平移調(diào)節(jié)，公式推導(dǎo)如下：

a)向量AB與向量CD夾角就是基板相對(duì)于芯片的偏轉(zhuǎn)角，其公式為：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

圖5 對(duì)位原理示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從紅外探測(cè)器倒裝互連工藝需求出發(fā)，提出了多視場(chǎng)視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，給出了相應(yīng)的視覺(jué)算法，配合精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)倒裝焊機(jī)的調(diào)平和對(duì)位，能夠滿足紅外探測(cè)器生產(chǎn)的實(shí)際需求。