倒裝貼裝機貼裝頭旋轉中心算法及優化

黃云龍

摘要：貼裝機是芯片封裝工藝的重要設備，在簡要的介紹了高精度自動倒裝貼片機系統結構和實現過程的基礎上，提出為了提高倒裝貼裝機貼片精度，優化上照視覺系統檢測貼裝頭旋轉中心的算法，并在貼裝位置補償計算后XY及角度的偏差，通過此方法對全自動倒裝貼片機的每小時的產出量（UPH）和貼裝精度有了明顯提高。

關鍵詞：倒裝貼裝機；精度補償；旋轉中心；貼裝頭

0引言

全自動倒裝貼裝機是針對國際先進封裝工藝——倒裝工藝所研制的專用封裝設備，此設備所生產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、智能化發展的必然趨勢。主要應用在無線局域網絡天線、系統封裝、多芯片模塊、圖像傳感器、微處理器、醫用傳感器以及無線射頻識別等等領域[1]。此技術替換常規打線接合，使封裝后的芯片體積革命性減小，同時，產品性能大幅度提高。

全自動倒裝貼裝機是封裝大規模集成電路（ IC ）的專用封裝設備，是一種集機械、電氣控制、軟件、圖像識別、光學、材料以及熱學等多學科交叉的高科技產品，目前國外只有少數幾家技術領先的公司可以研發出此類設備，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，通過貼裝頭 R 旋轉軸和上照視覺系統檢測不同角度下，視覺系統給出的數據，根據數據計算旋轉中心，在貼裝過程中補償旋轉角度引起的 XY 方向偏差值進行修正后，提高了全自動倒裝貼裝機的貼裝精度和每小時的產出量（ UPH ）。

全自動倒裝貼裝機的廣泛應用將大大降低芯片生產成本，促進我國集成電路封裝產業的健康發展，并帶動產業鏈上下游企業共同發展，全方位地提升我國集成電路產業的整體競爭優勢。

1貼裝精度的重要性

隨著高密度化、微型化、輕薄化、高集成化成為新一代芯片的發展趨勢，具備互連長度低、減小干擾、降低容抗、尺寸超小、成品率高、成本低等技術優勢的倒裝芯片技術成為了新的發展熱潮。

隨著時間推移，高性能芯片的焊凸（ Solder Bump）數量不斷提高，基板變得越來越薄，要獲得滿意的裝配良率，貼裝精度要求越來越高。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。建立一個簡單的假設模型[2]：

1）假設倒裝芯片的焊凸為球形，基板上對應的焊盤為圓形，且具有相同的直徑；

2）在回流焊接過程中，器件具有自對中性，焊凸與潤濕面50%的接觸在焊接過程中可以被“拉正”。那么，基于以上的假設，直徑25μm 的焊凸如果其對應的圓形焊盤的直徑為50μm 時，左右位置偏差（ X 軸）或前后位置偏差（ Y 軸）在焊盤尺寸的50%，焊凸都始終在焊盤上，對于焊凸直徑為25μm 的倒裝芯片，工藝能力Cpk要達到1.33的話，要求設備的最小精度必須達到12μm @3sigma。所以全自動倒裝貼裝機的貼裝精度成為了設備的主要性能指標。

2系統結構及實現過程

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

當貼裝頭拾取芯片完成后，移動到上照視覺系統上檢測芯片拾取姿態，根據上照視覺系統數據給出的特征點 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

基于以上出現問題，需要解決兩個問題。

1）通過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。

問題1）是個算法問題，坐標系內一個點（ x0，y0）繞一點（ a，b）旋轉一定角度θ之后的坐標（ x，y ）可由算法公式

通過以上分析，現采用貼裝頭旋轉36°每1°使用上照系統進行數據采集，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點進行圓心計算后，再計算每個圓心到其他點距離和的最小值，確定最終圓心坐標 x0=0.1457283，y0=0.1043651，半徑 R =0.2067638。

進行重復數據采集后，上照視覺系統給出數據誤差在2μm毫米范圍內，通過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

貼裝頭在取片過程中所使用角度有限，一般都在±5°之內，所以在±6°進行多組測試實驗，首先貼裝頭 X 軸 Y 軸在上照視覺系統固定位置，使 R 軸在不同角度下，進行視覺系統采集數據，根據視覺系統給出數據，通過編程軟件對兩個旋轉中心坐標進行計算，在使旋轉 R 軸為零，對比 R 軸旋轉為零時的數據。并進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5μm，但是全自動倒裝貼片機對精度要求非常高，所有還需要和實際軸運動后的偏差值進行比較。通過和角度為零后數據比較，最短距離的方法和實際情況更加接近，擬合出來的原點坐標值更加準確。

通過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1μm 的提升，并且幾乎不受干擾點影響。

通過此方法優化后的設備減少了拍照次數和在上照視覺系統上停留的時間提高了整體的 UPH 和精度。

5結束語

本文分析了全自動倒裝貼裝機對貼裝精度的重要性，并對芯片在上照視覺系統上可能出現的精度誤差進行分析和優化。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。

通過實際驗證，不同3點進行圓心計算后，在計算每個圓心到其他點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，減少測點誤差對旋轉中心的影響。算法具有可行性和科學性，提高了貼裝精度和效率，縮短了貼裝時間，實現了高精度貼裝機貼裝位置補償功能。

參考文獻：

[1]周德儉.國產貼片機研發現狀與分析[J].電子機械工程， 2016，32（1）：1-4.

[2]李憶.Fc裝配技術.電子電路與貼裝[J].2007（6）：33-38.

[3]程海林.貼片設備的關鍵技術及現狀.電子工業專用設備[J].2020， 49（2）：7-11.

[4]石振東.誤差理論與曲線擬合[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010：201-203.

[5]同濟大學數學系.線性代數[M].北京：北京高等教育出版社，2009：57-65.