IC高速裝片設(shè)備飛行視覺系統(tǒng)研究

王紅濤，莊文波，葉樂志,，姚立新，李德勝

(1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；2.北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

IC高速裝片設(shè)備飛行視覺系統(tǒng)研究

王紅濤1，莊文波2，葉樂志1,2，姚立新2，李德勝1

(1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；2.北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

針對(duì)IC高速裝片設(shè)備高速高精度的裝片需求，提出了一種新型輔助標(biāo)識(shí)飛行視覺定位方法，解決了目前IC高速裝片設(shè)備存在飛行視覺定位精度差的問題。通過在鍵合機(jī)構(gòu)吸嘴中心制作圓環(huán)型輔助標(biāo)識(shí)并搭建飛行視覺測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，通過優(yōu)化芯片運(yùn)動(dòng)速度、曝光時(shí)間、增益、光源強(qiáng)度和程序掃描周期之間匹配關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，得到運(yùn)動(dòng)速度在850 mm/s，曝光時(shí)間在50 μs增益為1 000，工作距離為170 mm、光源強(qiáng)度為300最佳圖像值，在識(shí)別精度為3.5 μm下裝片效率提高了31%。

IC高速裝片設(shè)備；飛行視覺；輔助標(biāo)識(shí)；定位

微電子工業(yè)的迅猛發(fā)展使電子設(shè)備的制造和生產(chǎn)正朝著高速度、高精度、高智能化等全方位發(fā)展。IC裝片機(jī)作為電子封裝制造設(shè)備的重要一部分，它的性能代表著芯片的優(yōu)劣，其中視覺系統(tǒng)作為IC裝片機(jī)的一個(gè)重要組成部分，直接影響著IC裝片機(jī)的裝片速度與裝片精度。傳統(tǒng)的IC裝片機(jī)視覺系統(tǒng)要求裝片芯片在經(jīng)過芯片檢測(cè)的上視相機(jī)上方時(shí)需停留一段時(shí)間來進(jìn)行采集圖像工作，雖然停留的時(shí)間很短，但也增加了芯片的裝片周期，降低了IC裝片機(jī)的裝片效率。因此為了提高生產(chǎn)效率，飛行視覺技術(shù)應(yīng)用而生[1，2]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)飛行視覺做了大量研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳立國等人提出的基于旋轉(zhuǎn)式反射鏡的飛行視覺系統(tǒng)設(shè)[3]，該方案利用齒輪齒條將吸嘴的升降運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為反射鏡的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了反射鏡不干涉吸嘴的拾放功能，并實(shí)現(xiàn)了相機(jī)、元件、反射鏡的相對(duì)靜止；上海交通大學(xué)的王立成等提出了一種靜止雙反射鏡方案[4]，該方案使用2個(gè)呈45°傾角的反射鏡，當(dāng)吸嘴通過反射鏡的上方時(shí)無需停留，即可獲取芯片的位置；美國人Hudson提出基于可伸縮式反射鏡的飛行視覺方案，該方案當(dāng)反射鏡伸出時(shí)可得到芯片的圖像，反射鏡縮回時(shí)可得到安裝工位的圖像[5]。

本文針對(duì)飛行視覺在IC高速裝片設(shè)備中存在飛行視覺定位精度差的問題，設(shè)計(jì)一種基于吸嘴的中心位置與輔助標(biāo)識(shí)的中心位置相重合的飛行視覺系統(tǒng)，鍵合機(jī)構(gòu)在經(jīng)過相機(jī)時(shí)無需停留就能得到芯片的偏移位置，提高了IC裝片機(jī)的效率。

1 IC裝片機(jī)的視覺系統(tǒng)分析

傳統(tǒng)的視覺系統(tǒng)示意圖如圖1所示，鍵合機(jī)構(gòu)吸取芯片運(yùn)行到CCD視野中心時(shí)，鍵合機(jī)構(gòu)暫停一段時(shí)間，等待CCD圖像采集并圖像識(shí)別，識(shí)別結(jié)果得到芯片中心位置與CCD中心位置之間的差值，即：芯片與鍵合頭中心的差值[6]。通過計(jì)算機(jī)把差值反饋給鍵合機(jī)構(gòu)，鍵合機(jī)構(gòu)根據(jù)芯片的偏移位置進(jìn)行校準(zhǔn)，并將芯片準(zhǔn)確地運(yùn)送到指定位置。由于鍵合機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)暫停一段時(shí)間，進(jìn)行圖像識(shí)別，運(yùn)動(dòng)時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)，這樣會(huì)犧牲裝片機(jī)的工作效率。

圖1 傳統(tǒng)的視覺系統(tǒng)示意圖

2 輔助標(biāo)識(shí)飛行視覺設(shè)計(jì)

2.1 飛行視覺工作原理

如圖2所示，飛行視覺結(jié)構(gòu)主要由CCD、輔助圓環(huán)、鍵合機(jī)構(gòu)等組成；實(shí)物圖如圖3所示。其中輔助圓環(huán)的中心位置和鍵合頭的吸嘴中心位置是重合的，輔助圓環(huán)的高度應(yīng)低于吸嘴的高度，而且他們的高度差值應(yīng)在CCD的景深范圍之內(nèi)。當(dāng)鍵合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到P3時(shí)，給CCD一個(gè)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行采集圖像，芯片和輔助圓環(huán)正好在CCD的視場(chǎng)區(qū)間中采集完成，通過圖像識(shí)別得到輔助圓環(huán)中心位置與CCD中心位置之間的差值Δx1和芯片中心位置與CCD中心位置之間的差值Δx3根據(jù)公式（1）得出芯片相對(duì)吸嘴的位置偏差Δd，如圖4所示，鍵合機(jī)構(gòu)經(jīng)過CCD時(shí)不會(huì)停止，為后續(xù)的芯片鍵合提高精度。

圖2 飛行視覺示意圖

圖3 飛行視覺實(shí)物圖

圖4 飛行視覺原理圖

2.2 飛行視覺精度的影響因素

圖像識(shí)別對(duì)于IC高速裝片設(shè)備的精度非常重要，如果相機(jī)捕捉到的圖像不清晰就會(huì)造成相機(jī)識(shí)別精度變差甚至?xí)斐上鄼C(jī)識(shí)別不到圖像。圖像的清晰度與相機(jī)的增益、曝光時(shí)間、工作距離、光源強(qiáng)度等有關(guān)。如果這幾個(gè)因素有一個(gè)處理不當(dāng)就會(huì)造成圖像不清晰，如圖5所示。因此我們把增益設(shè)置為1 000、曝光時(shí)間設(shè)置為50 μs、工作距離設(shè)置為170 mm、光源強(qiáng)度設(shè)置為300，如圖6所示。

2.3 輔助標(biāo)識(shí)飛行視覺實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了分析飛行視覺，我們選取判斷標(biāo)記點(diǎn)P3為155 mm，當(dāng)鍵合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到判斷標(biāo)記點(diǎn)時(shí)，給相機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。設(shè)置掃描周期為100 μs，實(shí)驗(yàn)次數(shù)20次的不同速度下的觸發(fā)位置值，工業(yè)相機(jī)分辨率選取782×582，如圖5所示，觸發(fā)位置值相對(duì)判斷標(biāo)記點(diǎn)有的接近，有的滯后，觸發(fā)信號(hào)的即時(shí)位置無法捕捉到；另外觸發(fā)信號(hào)發(fā)出到相機(jī)識(shí)別信號(hào)也有一定的延時(shí)，并且鍵合機(jī)構(gòu)移動(dòng)時(shí)的實(shí)際速度相對(duì)于目標(biāo)速度有一定的誤差，所以在延時(shí)的這段時(shí)間移動(dòng)的距離也無法精確獲得。如圖4所示，相機(jī)的中心位置和鍵合頭的中心位置Δx1無法確定，進(jìn)而Δd也無法獲得。

圖5 不清晰圖像

圖6 清晰圖像

由于工業(yè)相機(jī)的視場(chǎng)區(qū)間是固定的，當(dāng)速度快時(shí)，相機(jī)有可能捕捉不到圖像，因此發(fā)送觸發(fā)信號(hào)的判斷標(biāo)記點(diǎn)就需要提前。由圖7可看出，有的觸發(fā)位置值相對(duì)判斷標(biāo)記點(diǎn)上下波動(dòng)很大，造成的后果是部分相機(jī)能識(shí)別到，而另一部分由于采集到的圖像不完整或者采集不到圖像，造成識(shí)別失敗；有的波動(dòng)不大，考慮到裝片機(jī)的效率，設(shè)置成900 mm/s。由圖8可知，速度一定，掃描周期不同的情況下觸發(fā)位置值相對(duì)判斷標(biāo)記點(diǎn)上下波動(dòng)值相差不大，為了CCD能百分之百地采集到圖像，選擇相對(duì)波動(dòng)值最小的，因此我們選擇掃描周期為700 μs。

圖7 不同速度下T=100 μs時(shí)觸發(fā)位置值

圖8 不同掃描周期下v=900 mm/s時(shí)觸發(fā)位置值

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)VS2010軟件編程進(jìn)行芯片的位置識(shí)別和圓環(huán)的位置識(shí)別如圖9所示，在不同速度下測(cè)得的Δd精度如圖10所示，可以看出當(dāng)速度為100、200、300、450、550、850 mm/s時(shí)精度在3.5 μm以內(nèi)，考慮到裝片機(jī)的效率選擇速度為850 mm/s。因此在速度v=850 mm/s時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示，其中第一組數(shù)據(jù)為靜止時(shí)相機(jī)識(shí)別的芯片與輔助圓環(huán)的位置，其余為運(yùn)動(dòng)過程中相機(jī)識(shí)別的芯片與輔助圓環(huán)的位置，通過設(shè)定靜止時(shí)芯片的位置與圓環(huán)的位置之差為原點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)過程中的芯片位置與圓環(huán)的位置之差與靜止時(shí)的位置之差做對(duì)比，可以得出Δd精度范圍為3.5 μm以內(nèi)，如圖11所示。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出x精度直方圖和y精度直方圖，其中Δd中的x向精度和y向精度符合正太分布，如圖12、13所示。由于傳統(tǒng)視覺系統(tǒng)在經(jīng)過CCD時(shí)停留時(shí)間約60 ms，總共運(yùn)行時(shí)間約194 ms，通過設(shè)置輔助標(biāo)識(shí)，在經(jīng)過CCD時(shí)無需停留，就能得到芯片的位置偏差，效率提高了31%。

圖9 芯片和輔助圓環(huán)識(shí)別x、y值坐標(biāo)

圖11 Δd的位置精度

圖12 x向精度直方圖

圖13 y向精度直方圖

表1 芯片與輔助圓環(huán)的位置

3 結(jié) 論

本文通過分析IC高速裝片設(shè)備遇到的飛行視覺定位精度差的問題，提出在鍵合頭上添加輔助標(biāo)識(shí)，通過輔助標(biāo)識(shí)來確定芯片相對(duì)鍵合機(jī)構(gòu)上的吸嘴的即時(shí)位置，無需停留，就能得到芯片相對(duì)吸嘴的位置偏差Δd，其中在速度為v=850 mm/s掃描周期T為700 μs時(shí)，△d的精度范圍在3.5 μm以內(nèi)，效率提高31%，解決了飛行視覺定位精度差的問題，同時(shí)提高了裝片機(jī)的工作效率。

[1] 鮮飛.貼片機(jī)視覺系統(tǒng)綜述[C].張家界：2007中國高端SMT學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2007.139-145.

[2] 丁漢，朱利民，林忠欽.面向芯片封裝的高加速度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精確定位和操作[J].自然科學(xué)進(jìn)展-國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通訊，2003，(6)：568-574.

[3] 陳立國，朱吉鋒.基于旋轉(zhuǎn)式反射鏡的飛行視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)技術(shù)，2010，36(5)：677-681.

[4] 王立成.面陣列芯片封裝設(shè)備中的視覺定位技術(shù)[D].碩士學(xué)位論文，武漢：華中科技大學(xué)，2003.

[5] Edison T.Hudson.One camera system for component to substrate registration[P].United States Patent：20010055069，2001.

[6] 莊文波，朱文饒，葉樂志，潘峰.飛行視覺在半導(dǎo)體封裝設(shè)備中的應(yīng)用分析[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2016，(1)：27-30.

Research on A New Vision on-the-fly System of IC High-speed Die Attach Bonder

WANG Hongtao1，ZHUANG Wenbo2，YE Lezhi1，2，YAO Lixin2，LI Desheng1

(1.Beijing university of technology，Beijing 100124，China；2.CETC Beijing Electronic Equipment Co.，Ltd，Beijing 100176，China)

Aim at the high speed and high precision demand of IC high-speed die attach bonder，this paper proposes a new kind of auxiliary circle vision on-the-fly position system，to solve the problem of poor vision positioning accuracy of Vision on-the-fly existing in the current IC high-speed die attach bonder.Through making rings in the center of the bonding institution suction nozzle type auxiliary identifier and building Vision on-the-fly test platform，by optimizing the chip motion speed，exposure time，gain，matching relationship between the intensity of light source and the procedure scan cycle experiment，get velocity in 850 mm/s，exposure time in 50 μs，gain of 1000，the working distance is 170 mm，the intensity of light source is 300 best image value，The efficiency of the strip is improved by 31%in the recognition accuracy of 3.5 μm.

IC high-speed die attach bonder；Vision on-the-fly；Auxiliary identifier；Positioning

TN605

A

1004-4507(2017)04-0012-05

王紅濤（1990-）男，河北邯鄲人，北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備自動(dòng)化方向。

2017-04-01

北京市科技新星計(jì)劃項(xiàng)目(Z151100000315079)