芯片拾取頭旋轉精度測量方法研究

侯一雪，曹國斌，田志峰

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024）

芯片拾取頭旋轉精度測量方法研究

侯一雪，曹國斌，田志峰

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024）

在全自動貼片設備中，采用吸頭吸取芯片的方式是常用功能之一。由于對位高精度要求，吸頭通常具有旋轉功能，旋轉精度是非常重要的技術指標，如何判定顯得尤為重要，因此吸頭旋轉精度的測量方法成為關鍵技術之一。以精密組裝系統的吸附機構為例，采用5種方法測量芯片拾取頭的旋轉精度，通過實際測量與數據分析，比較了幾種方法的優缺點，推薦了較為可信的測試方法，可為類似結構的測試提供理論與實踐依據。

芯片拾放；旋轉精度；測量方法。

先進微組裝設備要滿足微小芯片高精度貼片對位要求，芯片吸附機構的旋轉功能是必要選項。由于吸附機構與工作平面的垂直度存在實際偏差，造成旋轉時吸頭在工作平面x、y方向的偏差，這個偏差會影響貼片精度。通常高精度的貼裝要求旋轉重復定位精度要達到±0.01°，通過正確的測量方法，可以擬合出旋轉曲線，從而提高貼放精度。而旋轉系統精度能否達到要求，需通過科學的測量方法來驗證。本文以精密組裝系統的芯片吸附機構為實物模型，采用了5種旋轉重復定位精度的測量方法，通過理論研究與實測數據分析，說明了這些方法的優缺點與可行性，指出符合精度要求的最佳測量方法，為類似結構的設計與驗證提供了可借鑒的經驗。

1　芯片吸附結構特點

精密組裝系統的芯片吸附結構如圖1所示，芯片吸附結構是一套八轉塔頭組件，與俯視相機并列安裝在Z軸上，Z軸、θ軸與Y軸動子相連，Y軸懸臂結構通過斜拉支架固定在X軸上，X軸穩定在鋼結構與蜂窩板支撐的平臺上，在本結構中Y軸選用懸臂結構。此結構使吸頭與相機穩定、靈巧地運動于工作平臺上方。

圖1　芯片吸附機構示意圖

圖1所示的芯片吸附旋轉機構由伺服電機控制，安裝有高精度圓光柵；上位機實時讀取定位信號，采用閉環控制。

2　芯片吸附結構旋轉精度測量方法

2.1采用激光干涉的測量方法

本方法采用的測試儀器為激光干涉儀。具體是在旋轉軸上選取一位置固定輔助測量塊，其角度定義為A角。調試激光干涉儀測量元件，旋轉軸以1°為行程，往返轉動5次，記錄每次到位后的旋轉度數，計算出定位精度；旋轉軸轉動大角度（幾十度）到另外任選的兩個位置B、C，再按上述方法測量這兩個位置的定位精度，最終的旋轉重復定位精度取A、B、C三點測量結果的最大值。測試點示意圖如圖2所示。

圖2　測試點選取的位置示意圖

此結構中旋轉軸選取圓光柵的精度是2.06"，也就是0.000572°，從光柵實時返饋回的數據顯示，系統控制步距0.001°是可行的，這比目標指標要求的0.01°高一個數量級，也就是說無論從分辨率、控制方式還是執行機構上考慮，如果旋轉大角度時有累積誤差，由于光柵的精度和控制方式的作用，最終的定位與重復定位誤差都能控制在小于0.01°的范圍內。換句話說，這種測量方式是可以指征旋轉軸的旋轉精度的。

這種測試方法的優點是非接觸測量，直接指征了設備旋轉軸的重復定位精度。

2.2采用關節臂測量機擬合線的測量方法

本方法采用的測試儀器為關節臂測量機。關節臂測量機是接觸式測量，可采用不同的測量頭采集數據。把測試點設定在靠近旋轉中心的位置，減少接觸測量時軸向推力造成的誤差。

此方法為了驗證關節臂測量機是否能勝任旋轉軸的精度測量，設定旋轉軸不動，用關節臂測量儀采集數據，采用兩點擬合一線（兩個點是固定不變的），線線之間的角度應為0度。每個點采集5次，擬合10條線；換用關節臂提供的3個測量頭測量相同的點；實際測量數據結果如表1～3所示。

表1　采用直徑為3 mm紅寶石測量頭的測量結果

表2　采用直徑6 mm紅寶石測量頭的測量結果

表3　采用不銹鋼測量頭的測量結果

從以上數據可以得出結論：用這種測量方式不能滿足旋轉精度±0.01°的要求。

從理論上也能證明這種測試方法不可行，如圖4模型分析圖所示。當擬合的線與旋轉軸面完全平行時，以上方法是可行的；但當其間存在一定角度時，就不能驗證。如下面的模型，當測試的線與旋轉軸面有1°的夾角時（這個角度在設定測量點是無法控制的，1°已經是盡量小了。）利用模型模擬，測量結果如表4所示。

以上數據表明，當測試線與旋轉面成一定角度時，測量誤差與旋轉角度形成正態分布曲線，如圖3所示。

表4　線與旋轉面的夾角為1°時的數據

圖3　當選取的測試線與旋轉軸面存在1°夾角時的正態分布圖

圖4　測試線與旋轉面的夾角為1°時模型分析圖

結論：在實際測量時，不可能選擇的測試線與旋轉面完全平行，且旋轉角度不同時，誤差在360°內成正態分布，180°時最大；測試線和旋轉面的夾角越大，誤差越大。

2.3采用關節臂測量機擬合面的測量方法

測試儀器仍為關節臂測量儀，采用線擬合成面，測量面與面間的角度。用這種測量方式，需要把標準量塊固定在旋轉軸上，同線測量一樣，安裝量塊的平面與旋轉軸面必然存在一定夾角，當夾角為1°時，模型旋轉后模擬數據如表5所示。

表5中數據表明，當量塊安裝面與旋轉面成一定角度時（或者說量塊安裝面與旋轉軸向面不平行時），測量誤差與旋轉角度形成正態分布曲線，同圖3所示。模型分析如圖5所示。

表5　量塊安裝面與旋轉面的夾角為1°時的數據

圖5　量塊安裝面與旋轉軸向面的夾角為1°時模型分析圖

結論：選擇的安裝標準量塊的方式也無法指征旋轉精度?，F象同線擬合的方式相同。實際上，面的平面度還會影響面的擬合，夾角同樣的情況下，比線擬合的誤差會更大。只是在做模型時沒有考慮平面度的問題，看起來誤差規律與線擬合是一致的。

另外接觸式測量方式因為是手持式的，還存在操作時的人為誤差。

2.4采用拾放校驗片的測量方法

利用拾放玻璃校驗片的方式，間接驗證旋轉角度精度。

之所以選擇玻璃材料的校驗片，是因為驗證需采用3D圖像測量儀，材料必須有透視特性。

用這種方式指征旋轉精度，必然要引入兩個因素直接影響最終的測量結果：

（1）視場的角度誤差。因為拾放需要視覺定位，首先玻璃校驗片的放置就存在角度，視覺定位又加入一個角度誤差，這時已不能單純的指征旋轉精度了。

（2）拾放誤差。在拾放過程中，x、y向的誤差不是單獨存在的，尤其在拾起和放下的動作過程中，不可避免地存在角度的旋轉，盡管這個誤差很小，但是是不確定因素。

基于以上兩點的原因，這種測量方式也是不可行的。

2.5采用設備自裝圓光柵的測量方法

利用設備上的圓光柵進行測量，通過光柵返饋讀數計算定位精度。圓光柵的精度根據出廠證明可得到。直接從系統軟件界面可讀取實時位置反饋。但測量依據為設備自帶圓光柵及控制系統，不符合第三方測量的原則。

3　結論

芯片拾取頭旋轉是目前全自動設備需具備的主要功能，本文通過5種方法的比較與實際檢測結果分析，第一種方法為非接觸測量，通過第三方測量儀器檢測，可減少誤差源，能最好地指征芯片拾取頭旋轉精度的測量結果，認為這種方法較為合理、可信。其他4種方法都有各自不確定性，存在采點特殊要求及累積誤差，當旋轉重復定位精度指標為±0.01°時，不易采用。

［1］李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYSWorkbench設計、仿真與優化［M］.北京：清華大學出版社.2008.

［2］沈海寧.高精度全視覺貼片機的系統軟件設計與實現［J］.機械設計與制造2010（06）：85-87.

［3］張世浩.貼片機視覺系統校正技術研究［C］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

Study of The Circumrotation Accuracy Measure of Chip Picking And Placing Machine

HOU Yixue，CAO Guobin，TIAN ZhiFeng

（The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China）

In the fully automatic equipment，the use of suction head picking and placing chip is one of the commonly used functions.Due to the high alignment accuracy requirements，suction head usually has function of rotation，rotation accuracy is very important technical indicators，to determine how to appear particularly important.Therefore，the head rotation accuracy measurement method has become the key technology.The adsorption mechanism of the precision assembly system for example，by 5 kinds of method for measuring the chip pickup head rotation accuracy，through the actual measurement and data analysis，comparing the advantages and disadvantages of several methods and more reliable testing method is recommended，a more reliable test method is recommended，which can provide theoretical and practical basis for the test of similar structure.

Picking and placing chip；Rotation accuracy；Measure method

TN305

A

1004-4507（2016）10-0022-04

2016-09-14

侯一雪（1972-），女，高級工程師，主要從事微組裝電子專用設備及工藝技術的研發工作。