視覺定位系統在晶片倒裝中的應用

陳天虎，姚澤鑫，蔡丹純，盧亮

（東莞高偉（COWELL）光學電子有限公司，廣東 東莞 523000）

1 灰階視覺定位系統在晶片倒裝中的構成

視覺定位系統包括多個精密運動平臺，如圖1所示。其一，綁定機構運動平臺完成芯片X、Y、Z、θ；其二，包括照明光源、鏡頭、CCD相機組合一體的光學系統的X、Y、Z3個方向的精密運動平臺，以及基板X方向的步進運動平臺。光學系統XY運動使基板的基準（Mark）點在CCD相機的視場內，Z向移動用于基板圖像的聚焦。綁定機構芯片平臺X、Y、θ運動用于實現芯片與基板的精確對準，Z向運動能實現對基板和芯片的聚焦功能。其光學系統伸入到基板和芯片之間，使基板和芯片的圖像分別顯示在CCD相機的視場內。當基板和芯片的基準（MARK）點被采集完成后，光學系統退出，系統會自動計算出綁定機構芯片在X、Y、θ應該運動的行程，使之和基板進行精確的定位。

圖1

2 視覺定位系統中基板與芯片圖像的采集原理與過程

視覺系統通過CCD相機采集模擬圖像，并通過數字化處理，使其轉換為數字信號并存儲在圖像存儲器中作為參考。在進行圖像識別時，系統通過相機獲取新的圖像，并根據最初設定在存儲器中的參考圖像作為參考，快速地識別到最匹配的圖像。

參考圖像的設置與關聯對比。參考圖像的設置是視覺系統作精準識別的重要依據，其設置的要點是圖像必須具有獨特且唯一性，如果設置的參考圖像在搜索區域內存在與其相似甚至一模一樣的圖像，會導致識別結果產生較大的誤差。

視覺系統在進行參考圖像識別時，系統通過相機獲取新的圖像，會根據最初設定的且存儲在存儲器中的參考圖像，在新的圖像識別區域內，以圖像歸一化處理的原則，如圖2所示，將設置好的參考圖像置于實時圖像的左上角，并與實時圖像作對比，然后參考圖像會由從左到右、從上到下的順序逐步掃描至右下角，在這一過程中，系統會持續地與參考圖像作關聯對比，并找到與之最匹配的點，從而計算該點的像素坐標值。

圖2

3 視覺定位系統中基準（MARK）點的設定

為了使視覺識別定位系統在生產時，能高效、精確的對基板和芯片進行圖像的識別和定位，在此前，須對視覺系統在進行識別的過程中創建一定的規則。且視覺系統可以適應于多種尺寸型號的產品，根據產品型號的不同，而創建不同的規則，以滿足其精確定位的要求。

首先，在CCD相機視窗內確定基板和芯片的兩個基本點（a、b）、（a`、b`），并確定基板和芯片的識別Mark點（A、B）、（A`、B`），識別Mark點的創建原則2.1所講。其次，對基板和芯片進行eye-point的設定，根據產品的特點，可以在基板和芯片上設定多個eye-point，且必須保證基板和芯片上的eye-point一一對應，如圖3所示基板（i/N） 芯片（i/n）。注：i為當前eye-point數，N、n 為系統總eye-point。最后CCD相機在設定過程中，系統會逐一進行記錄，將獲取的圖像存儲到特定的存儲器中，作為參考圖像，如圖4所示。在后續識別定位中以此作為標準，對基板與芯片的位置、夾角進行計算并定位。

圖3

4 視覺識別系統的定位過程

4.1 視覺系統對基板和芯片位置的定位

系統在對基板和芯片參考圖像識別時，CCD相機平臺可以根據需要設定先后的運行順序，以圖5 為例，CCD相機的運行順序為：基板A B,芯片 A` B`。

圖4

圖5

（1）CCD相機在4個識別位置的坐標分別為：A(X1,Y1), B(X2,Y2), A`(X3,Y3) ,B`(X4,Y4)；（2）CCD 相機通過校正后的基板的識別分辨率為：T（um/pix），芯片的識別分辨率為：T`（um/pix）;（3）在進行識別時綁定機構的坐標為N（XN,YN ），識別定位完成后，進行綁定的坐標為M（XM,YM）。

CCD相機在4個識別位置進行基板和芯片的Mark圖像獲取時，會分別以相機4個位置的坐標為原點來判斷Mark圖像的像素坐標點位置。A(XApix ,YApix),B(XBpix ,YBpix), A`(XA` pix, YA` pix) ,B`(XB` pix, YB`pix)。已知CCD相機的識別分辨率T、T`，所以可以通過像素坐標轉換為基板和芯片的Mark圖像的系統坐標：A =（X1+T um/pix ·XApix ，Y1+T um/pix ·YApix ）；B =（X2+T um/pix·XBpix，Y2+T um/pix·YBpix ）；A` =（X3+T` um/pix·XA` pix，Y3+T`um/pix·YA` pix ）；B` =（X4+T` um/pix·XB` pix，X4+T` um/pix·YB` pix ）；在得,4個Mark圖像的系統坐標后，就可以計算出基板和芯片的中心點P和P`的最終位置坐標；注：LX、LY為系統常量。

基板位置P = {[X1+X2+ (XApix + XBpix)★ T um/pix]/2 + LX,

芯片位置P`= {[X1+X2+ (XA` pix + XB` pix)★ T`um/pix]/2 + LX,

根據基板和芯片的位置就可以算出基板和芯片的距離差，確定綁定機構的移動距離，使基板和芯片能精確的定位。

4.2 芯片旋轉角度的確定

如圖6所示，已知基板A、B坐標與芯片A`、B`的坐標，可以得出A和B之間的距離并定義為L，芯片A`與B`之間的距離定義為L`，識別過程中基板A與芯片A`的距離定義為L``。制定綁定規則時，基板與芯片Mark點的常量夾角為θ`；cos∠θ=[（L`/2）2+(L/2)2 -（L``）2]/[2★（L`/2）★(L/2)]；∠θ=arccos∠θ，∠θ=∠θ`+∠θ``；所以芯片的旋轉角度為：∠θ``=arccos∠θ-∠θ`。

需要注意的是芯片旋轉的基準點可以根據產品特性選定在任意一點，但其旋轉的基準點必須為同一點，以確保芯片順時針和逆時針旋轉的相對穩定性。

4.3 芯片偏移量的補償

圖6

圖7

圖7所示，當準確獲取基板和芯片圖像后，經過圖像預處理可以計算出基板與芯片模板的偏移量，實現精確定位。但是實際情況由于機械部件的加工和裝配誤差，以及光學系統的安裝誤差，坐標系相互之間會存在三維空間的偏差，運行時出現運動平臺的單向運動，而使基板圖像的雙向位移值發生變化，所以在實際情況下，需要進行手動補償，補償值分別定義為（u,v,α）。

前面定義了在進行芯片識別時綁定機構的坐標為N（XN，YN），識別定位完成后，進行綁定的坐標為M（XM,YM）;并計算出基板和芯片的位置坐標分別為P（PX,PY）、P`(P`X,P`Y),旋轉夾角∠θ``= arccos∠θ-∠θ`；所以可以得出，綁定機構從N點移動到M點應向X方向的運行距離為：X=(PX-P`X)±u；Y方向的運行距離為：Y=(PY- P`Y)±V；旋轉夾角∠θ``=（arccos∠θ-∠θ`）±α。

5 結語

灰階識別定位系統在晶片倒裝工藝中，能有效的將芯片定位到基板上，以保證產品質量焊接的可靠性。其定位系統的機構緊湊，同時也能滿足不同型號尺寸的產品，增強了生產線的柔性化。

[1] 楊 青，裴仁清.精密對位系統中共平面UVW 工作平臺的研究 [J]. 機械制造，2007，45（7）：39-41.

[2] 張永聰. 倒裝焊機中視覺系統的應用及對位算法研究[J]. 電子工業專用設備，2009，179（12）：33-35.