侯一雪，張晨曦，王 雁，曹國(guó)斌

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

實(shí)現(xiàn)芯片高精度拾放的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

侯一雪，張晨曦，王 雁，曹國(guó)斌

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

以全自動(dòng)精密組裝設(shè)備為例，從設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等方面，對(duì)芯片拾放精度的影響因素做了詳細(xì)分析，并指出解決辦法。這些理論和方法可在全自動(dòng)貼片機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)、晶圓芯片拾取機(jī)等設(shè)備中進(jìn)一步驗(yàn)證。

芯片拾放；影響因素；高精度

現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展要求微組裝設(shè)備制造技術(shù)不斷推進(jìn)，在國(guó)外通常是先進(jìn)的設(shè)備成就了先進(jìn)的工藝，一代設(shè)備引領(lǐng)了一代工藝。目前微電子行業(yè)組裝的最小芯片尺寸約為0.2 mm左右，全自動(dòng)貼片設(shè)備對(duì)位精度一般為±10 μm左右，在降低效率的前提下，有要求更高的精度達(dá)到±1 μm，因此小芯片高精度的拾放要求對(duì)設(shè)備拾放技術(shù)提出更高層次的挑戰(zhàn)。芯片拾放技術(shù)是微組裝設(shè)備的基礎(chǔ)功能，點(diǎn)膠、共晶、倒裝等工藝完成的前提條件是芯片的精確拾放。

精密組裝系統(tǒng)是近年來新興的微組裝設(shè)備，具有高精度、高速度、多功能的特點(diǎn)，其中實(shí)現(xiàn)芯片高精度拾放是設(shè)備的核心技術(shù)。精密組裝系統(tǒng)適用于微波器件、光電器件等微電子組裝中的共晶、點(diǎn)膠、倒裝貼片工藝，實(shí)現(xiàn)微電子器件后道封裝中的芯片與基板互聯(lián)。同時(shí)設(shè)備具備多種微電子封裝常用的上料方式，如華夫盤、晶圓上料。本設(shè)備采用高精度運(yùn)動(dòng)部件與視覺系統(tǒng)自動(dòng)定位方式，結(jié)合先進(jìn)的控制系統(tǒng)協(xié)同完成芯片與基片自動(dòng)拾放，可實(shí)現(xiàn)高精度、多種封裝功能，以滿足微電子器件多種工藝技術(shù)要求。本文以精密組裝系統(tǒng)設(shè)備為例，分析了影響芯片拾放精度的主要因素、設(shè)計(jì)要素，并指出對(duì)應(yīng)的解決措施。

精密組裝系統(tǒng)拾放精度設(shè)計(jì)為±10 μm，最終實(shí)際檢測(cè)的最高精度為±2.307 μm。

1　拾放機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度

精密組裝系統(tǒng)拾放機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度決定于x、y、z、θ軸的運(yùn)動(dòng)精度。運(yùn)動(dòng)精度受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、部件裝配、電機(jī)選擇、參數(shù)設(shè)置與控制模式的影響。在本設(shè)備中y軸選用懸臂結(jié)構(gòu)，x軸穩(wěn)定的固定在鋼結(jié)構(gòu)與蜂窩板支撐的平臺(tái)上，y軸懸臂結(jié)構(gòu)通過斜拉支架固定在x軸上，z軸、θ軸固定于y軸動(dòng)子。結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。此結(jié)構(gòu)使吸頭與相機(jī)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、靈活，難度是懸臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括材料的選擇、電機(jī)匹配與質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

圖2　x軸運(yùn)動(dòng)曲線圖

計(jì)算電機(jī)負(fù)載要考慮的因素之一為負(fù)載質(zhì)量，這里設(shè)定為50 kg；RMSForce（持續(xù)推力）的安全系數(shù)增加20%～30%，特別是在忽略摩擦力和反向作用力的時(shí)候。

根據(jù)以下公式可以計(jì)算出電機(jī)所應(yīng)達(dá)到的加速度、最大速度、峰值推力值。通過這些參數(shù)選擇合適的電機(jī)。

圖1　拾放機(jī)構(gòu)示意圖

1.1x、y、z、θ軸電機(jī)與控制方式選型

執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制方式也是影響芯片拾放精度的重要因素

本機(jī)x、y軸電機(jī)選用目前較先進(jìn)的直線電機(jī)加光柵反饋的控制方式。下面以x軸直線電機(jī)的選型為例，說明選型計(jì)算方法。

根據(jù)拾放運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，拾放效率以2 000個(gè)/h往返動(dòng)作為目標(biāo)，每個(gè)拾放動(dòng)作用時(shí)1.8 s，x軸行程900 mm，其運(yùn)動(dòng)曲線如圖2所示。

由公式1、公式2、公式3和運(yùn)動(dòng)曲線及已知參數(shù)可以得出：電機(jī)可達(dá)到的最大速度Vmax為2.5 m/s，加速度為12.5 m/s2，峰值推力PF為625 N，持續(xù)推力為346 N。

根據(jù)以上參數(shù)選擇x軸電機(jī)，y軸的選型方法同上。根據(jù)運(yùn)行響應(yīng)速度與分辨率要求，選用分辨率為0.1 μm直線光柵。通過以上配置x、y軸的重復(fù)定位精度用激光干涉儀測(cè)試，滿足重復(fù)定位精度±0.5 μm的要求。

z、θ軸根據(jù)安裝空間與運(yùn)動(dòng)行程，以及控制精度要求，選用了伺服系統(tǒng)加光柵反饋的方式。由控制程序完成二次閉環(huán)控制，光柵尺的最小分辨率為0.1 μm，使用這套控制系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以達(dá)到重復(fù)定位精度±0.3 μm。

1.2拾取頭結(jié)構(gòu)與裝配

芯片貼片和倒裝焊工藝對(duì)貼片壓力控制要求非常高，壓力控制范圍：0.098～3.922 N。芯片材料輕、薄、小，且易碎，其上電路圖形復(fù)雜，施加的壓力過大會(huì)對(duì)芯片本身造成傷害，過小影響焊接質(zhì)量；z軸上包括視覺探頭、壓力檢測(cè)裝置、8工位轉(zhuǎn)塔頭，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)壓力分辨率0.0196 N，難度較大。因此貼片壓力的精確控制是重要因素之一。

本設(shè)備壓力控制采用小導(dǎo)程絲杠推進(jìn)方式，壓力傳動(dòng)裝置與伺服電機(jī)精密反饋配合，吸嘴柔性緩沖等多項(xiàng)措施，配合z軸精確控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了±0.0196 N的壓力控制精度。

2　視覺系統(tǒng)精度

決定拾放精度的第二個(gè)重要因素是視覺系統(tǒng)的精度，本機(jī)為視覺系統(tǒng)分配的最高精度是±2.5 μm。視覺系統(tǒng)是為設(shè)備植入的眼睛，它的定位精度直接影響到最終定位精度。

本設(shè)備采用了新穎的雙視覺、雙鏡頭切換方案，由仰視相機(jī)（或稱LookUp）和俯視相機(jī)（或稱LookDown）的兩個(gè)鏡頭（或稱Mag1、Mag2)組成3個(gè)視場(chǎng)。俯視相機(jī)在拾放過程中定位目標(biāo)位置，通過對(duì)檢驗(yàn)孔的校驗(yàn)定位仰視相機(jī)的機(jī)械位置；仰視相機(jī)校驗(yàn)俯視相機(jī)與拾取吸頭間的相對(duì)位置坐標(biāo)、像素尺寸、視場(chǎng)坐標(biāo)與機(jī)械坐標(biāo)關(guān)系的系數(shù)，校驗(yàn)拾放過程中的角度偏移參數(shù)。

視覺的定位精度受相機(jī)鏡頭參數(shù)、光源、安裝位置、算法等因素的影響。

本設(shè)備的視覺定位需經(jīng)過表1中的數(shù)據(jù)校驗(yàn)：

表1　相機(jī)校驗(yàn)數(shù)據(jù)

以像素校驗(yàn)為例，每個(gè)相機(jī)都應(yīng)進(jìn)行像素檢驗(yàn)，俯視相機(jī)配置不同放大倍數(shù)的鏡頭，像素大小也不同，精確測(cè)量出像素尺寸對(duì)于達(dá)到系統(tǒng)精度是很重要步驟之一。

三個(gè)視場(chǎng)（Mag1、Mag2、LookUp）測(cè)試像素尺寸的方法基本一樣，唯一的區(qū)別是成相對(duì)像的所處位置不同。俯視相機(jī)（Mag1、Mag2）的成相對(duì)像是工作平臺(tái)上的一處固定參照物；仰視相機(jī)（LookUp)的成相對(duì)像是吸頭吸取的一個(gè)校驗(yàn)片。

由于視場(chǎng)坐標(biāo)系與機(jī)械坐標(biāo)系平面必然存在角度，因此像素校驗(yàn)分x方向和y方向兩步。選取視場(chǎng)中圖像的某一點(diǎn)，分別在x方向左右移動(dòng)某個(gè)位移，原則是這個(gè)位移量不能出視場(chǎng)，分別記錄不同位置的視場(chǎng)坐標(biāo)和機(jī)械坐標(biāo)，經(jīng)過相對(duì)位置公式計(jì)算，可得出x方向視場(chǎng)與機(jī)械坐標(biāo)的夾角及x方向的像素尺寸。同理，對(duì)y方向單獨(dú)進(jìn)行像素校驗(yàn)。

本視覺系統(tǒng)的最終精度最高能達(dá)到1個(gè)像素偏差，一個(gè)像素校驗(yàn)后的尺寸為0.86 μm。

3　控制軟件

控制軟件是設(shè)備的大腦，它要處理大量執(zhí)行部件發(fā)來的請(qǐng)求并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，協(xié)調(diào)各運(yùn)動(dòng)部件的邏輯動(dòng)作。軟件需完成芯片的自動(dòng)拾取與放置，共晶焊接或自動(dòng)點(diǎn)膠粘接，倒裝放片等功能。上料方式為晶圓上料或華夫盤上料。晶圓上料通過自動(dòng)拾取裝置完成從晶圓上取片功能；華夫盤上料需人工提前放置裝有芯片或基板的華夫盤到上料臺(tái)上，然后由拾取裝置拾取。為了配合完成自動(dòng)定位功能，通過視覺系統(tǒng)示教完成初始數(shù)據(jù)設(shè)置，控制軟件存儲(chǔ)了運(yùn)動(dòng)參數(shù)與邏輯順序。軟件具備的主要功能有系統(tǒng)初始化、示教功能、參數(shù)設(shè)置、診斷功能、軸測(cè)試及其它單元功能測(cè)試、校驗(yàn)功能、自動(dòng)工藝過程運(yùn)行功能、維護(hù)功能等。

控制軟件要實(shí)現(xiàn)與圖像采集卡、溫控模塊、運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)字量及模擬量數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)通訊，同時(shí)具備接受界面輸入的參數(shù)，經(jīng)過運(yùn)算、控制邏輯，完成設(shè)備的控制。為了保證軟件控制的可靠性，需配備診斷功能、維護(hù)功能。為保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性、高精度，需配備示教功能、校驗(yàn)功能。

4　結(jié)　論

通過系統(tǒng)分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配通常是影響芯片拾放精度的主要原因，視覺與控制軟件的影響在設(shè)備驗(yàn)證的前期就會(huì)顯現(xiàn)出來，與工藝緊密配合，改進(jìn)后在長(zhǎng)期運(yùn)行中出現(xiàn)問題的概率較小。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配的影響通常要經(jīng)過長(zhǎng)期的磨合才能發(fā)現(xiàn)，而有一些設(shè)計(jì)是不可逆的，因此，在設(shè)計(jì)之初，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論分析與經(jīng)驗(yàn)顯得尤為重要。

[1]黃波.全自動(dòng)共晶粘片機(jī)實(shí)時(shí)多目標(biāo)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010，22(25)：299-300.

[2]沈海寧.高精度全視覺貼片機(jī)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，(06)：85-87.

[3]張世浩.貼片機(jī)視覺系統(tǒng)校正技術(shù)研究[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

The Influencing Precision Factor Analysis of Picking and Placing Chip Equipment

HOU Yixue，ZHANG Chenxi，WANG Yan，CAO Guobin
(The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)

The paper is directed against the Ultra-Precision Assembly Workcell's mechanical structure、electric control、software、progress design，discusses the Influencing Precisely Factor.And points out the resolving method.They can apply to accurately picking and placing chip.These methods is appropriate for Die Bonder、Dispenser machine、Wafer Die Picking and Placing machine，etc.

Picking and placing chip；Influencing factor；High-precision

TH248

B

1004-4507(2016)11-0034-04

2016-09-14

侯一雪（1972-），女，高級(jí)工程師，主要從事微組裝電子專用設(shè)備及工藝技術(shù)的研發(fā)工作。