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        基于最小二乘法的晶片臺(tái)防撞保護(hù)研究

        2018-03-16 02:32:29崔潔霍杰郎平沈會(huì)強(qiáng)
        電子工業(yè)專用設(shè)備 2018年1期
        關(guān)鍵詞:頂針晶片防撞

        崔潔,霍杰,郎平,沈會(huì)強(qiáng)

        (北京中電科電子裝備有限公司,北京100176)

        電子產(chǎn)品的制造過程包括半導(dǎo)體器件的制造、器件封裝和整機(jī)系統(tǒng)集成。在半導(dǎo)體器件的制造過程中,以晶圓是否被切分成芯片為界,分為前道和后道工序。芯片級(jí)封裝作為后道工序,主要負(fù)責(zé)芯片同其他元件通過輸入輸出(I/O)進(jìn)行互連,保證電氣的連接。芯片的封裝工藝始于將芯片分離成單個(gè)芯片,然后單個(gè)芯片從晶圓中分離出來,接著使用裝片工藝完成芯片到引線框架或芯片載體上的安裝。在封裝技術(shù)中,封裝設(shè)備為實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)芯片有效可靠的封裝互連提供了有力工藝技術(shù)保障。芯片的裝片封裝工藝主要采用芯片鍵合設(shè)備(Die Bonder)來完成,芯片承載機(jī)構(gòu)作為Die Bonder的關(guān)鍵部件,主要實(shí)現(xiàn)芯片在晶圓上的準(zhǔn)確定位和有效分離。

        1 晶片臺(tái)運(yùn)動(dòng)原理

        晶片承載機(jī)構(gòu)主要由晶片臺(tái)(又叫X-Y承載臺(tái))和頂針臺(tái)兩個(gè)部件組成,如圖1所示,晶片臺(tái)主要負(fù)責(zé)承載芯片的藍(lán)膜框架,在芯片拾取過程中,在X、Y兩個(gè)相互垂直方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)芯片準(zhǔn)確定位和頂針臺(tái)剝離芯片。頂針臺(tái)負(fù)責(zé)把芯片從藍(lán)膜上頂起,使芯片與藍(lán)膜脫離,與鍵合頭配合以便芯片有效拾取。

        圖1 晶片承載機(jī)構(gòu)示意圖

        從圖1中不難看出頂針臺(tái)在工作位時(shí),晶片臺(tái)X、Y運(yùn)動(dòng)范圍是固定的,如超出范圍就會(huì)與頂針臺(tái)發(fā)生碰撞;而頂針臺(tái)在安全低位時(shí),晶片臺(tái)在X、Y方向限位范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)是安全的,與頂針臺(tái)不會(huì)發(fā)生碰撞。因此,對(duì)于晶片臺(tái)和頂針臺(tái)的碰撞關(guān)系,防撞保護(hù)有兩種,一種是硬件上添加觸發(fā)式防撞環(huán),另一種是軟件上晶片臺(tái)X、Y運(yùn)動(dòng)范圍的保護(hù),防撞環(huán)的保護(hù)雖然是有效的,但軟件防護(hù)是必不可少的。另外在芯片承載機(jī)構(gòu)中,頂針臺(tái)在X和Y向無電機(jī)控制,位置是固定的,通過晶片臺(tái)的X、Y向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)芯片的定位,這樣,從圖1不難看出,當(dāng)頂針臺(tái)在工作位時(shí),晶片臺(tái)的有效運(yùn)動(dòng)范圍是一個(gè)圓,所以晶片臺(tái)的軟件防撞保護(hù)范圍是可以計(jì)算的。然而如何計(jì)算該保護(hù)范圍,實(shí)現(xiàn)晶片臺(tái)的防撞,下面將重點(diǎn)介紹。

        2 基于最小二乘法的防撞保護(hù)

        從上面討論的晶片臺(tái)運(yùn)動(dòng)原理,我們知道當(dāng)頂針臺(tái)在工作位時(shí),晶片臺(tái)的安全運(yùn)動(dòng)范圍是一個(gè)圓,所以晶片臺(tái)的軟件防護(hù)范圍就是這個(gè)圓。如何計(jì)算確定這個(gè)圓,不難想到根據(jù)圓上的點(diǎn),即晶片臺(tái)運(yùn)動(dòng)到和頂針臺(tái)臨界的位置計(jì)算,理論上通過三點(diǎn)就可以確定一個(gè)圓,但這三點(diǎn),由于是晶片臺(tái)運(yùn)動(dòng)確定的三點(diǎn),所以無論是手動(dòng)確定還是自動(dòng)化確定,都很難確保這三點(diǎn)確定的理論圓C1與實(shí)際的防護(hù)圓C2完全重合,所以綜合實(shí)際,為使C1與C2的范圍盡可能的一致,我們選擇使用多點(diǎn)(三點(diǎn)以上)應(yīng)用最小二乘法來擬合圓C1,作為晶片臺(tái)安全運(yùn)動(dòng)范圍。

        2.1 最小二乘法擬合圓

        作為一種數(shù)學(xué)優(yōu)化算法,最小二乘法通過最小化誤差的平方,找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。最小二乘法是用最簡單的方法求得一些絕對(duì)不可知的真值,而令誤差平方之和為最小。最小二乘法通常用于曲線擬合(least squares fitting)。下面主要介紹基于最小二乘法擬合圓C1。

        圓C1圓心設(shè)為O(a,b),半徑為R,C1表示為R2=(x-a)2+(y-b)2,展開為R2=x2+y2-2ax-2by+a2+b2,下面令u=-2a,v=-2b,m=-2a+b2-R2,得到圓C1方程為:x2+y2+ux+vy+m=0。這樣只要求出參數(shù)u、v和m即可,對(duì)應(yīng)就可以得到圓心O(a,b)和半徑R,即:

        如圖2所示,已知樣本集點(diǎn)A(Xi,Yi),i∈(1,2,3...N)求樣本點(diǎn)A(Xi,Yi)(最小二乘法擬合的圓C1,即求所有樣本點(diǎn)到圓上的距離總和最小值的圓C1,圓心為O(a,b)、半徑是R。樣本點(diǎn)到圓心O(a,b)的距離di可以表示為di2=(xi-a)2+(Yi-b)2,樣本點(diǎn)A(Xi,Yi)到圓C1上的距離為Δd=|di-R|,求樣本集中的點(diǎn)到圓心的距離和最小,等價(jià)于求式(1)的最小值。根據(jù)已知di2和R2,式(1)可以變化為式(2),可以用Q(u,v,m)表示式(2)如式(3)所示,然后求使得Q(u,v,m)值最小的參數(shù)u、v和m,進(jìn)而求得擬合圓C1的圓心O(a,b)和半徑R。

        圖2 樣本點(diǎn)與擬合圓的關(guān)系

        經(jīng)過對(duì)式(3)進(jìn)行極小值的求值計(jì)算,最后求的解為:

        可以解:Pu+Qv+E=0,Qu+Gv+H=0得u=

        這樣,最后通過計(jì)算,可以得到擬合圓C1,圓心O和半徑R具體值為:

        2.2 防撞保護(hù)的設(shè)置

        通過上面介紹的最小二乘法擬合圓方法,我們可以通過設(shè)置多個(gè)(3個(gè)以上)樣本點(diǎn),來擬合出晶片臺(tái)的防撞保護(hù)范圍。但選擇多少個(gè)樣本點(diǎn)也是我們需要考慮的,綜合實(shí)際設(shè)備的易操作性等因素,我們選擇4個(gè)樣本點(diǎn)來確定保護(hù)范圍,但這4個(gè)樣本點(diǎn)是有要求的,要求在上、下、左、右4個(gè)位置附近,保證保護(hù)范圍擬合的準(zhǔn)確性,綜上,防撞保護(hù)設(shè)置計(jì)算的具體流程如圖3所示。

        圖3 防撞保護(hù)計(jì)算的流程圖

        防撞保護(hù)設(shè)置之前,首先需要通過頂針臺(tái)Z向運(yùn)動(dòng),確定頂針臺(tái)安全位,在該位置,晶片臺(tái)可以自由運(yùn)動(dòng),不存在與頂針臺(tái)碰撞的可能,一般設(shè)置位置稍高過于零位(假設(shè)零位在最低位)。然而在設(shè)置晶片臺(tái)防撞保護(hù)時(shí),需要把頂針臺(tái)移動(dòng)到工作位,然后移動(dòng)晶片臺(tái)到左邊與頂針臺(tái)碰撞的臨界位置確定第一點(diǎn),依次順時(shí)針確定上、右和下等其他3個(gè)臨界點(diǎn),設(shè)置正確,保存4點(diǎn)位置,如果中途有設(shè)置不正確,可以回退上一步重新設(shè)置,或者取消重新從頭設(shè)置。最后,利用最小二乘法對(duì)4個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行圓擬合,確定晶片臺(tái)防撞保護(hù)圓C1。

        3 結(jié)論

        綜合上述,晶片承載機(jī)構(gòu)作為芯片鍵合設(shè)備的關(guān)鍵部件,晶片臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)與頂針臺(tái)的防撞保護(hù),無論是機(jī)械硬件設(shè)計(jì)還是軟件范圍保護(hù),兩者都是不可或缺的,相輔相成的。然而,研究軟件范圍的防撞保護(hù)方法具有重要的意義,一方面,當(dāng)遇到防撞檢測裝置出現(xiàn)故障不能及時(shí)解決,但急需生產(chǎn)情況下,防撞軟件的保護(hù)將會(huì)發(fā)揮關(guān)鍵保護(hù)作用;另一方面,在軟件防撞保護(hù)范圍較準(zhǔn)確設(shè)置完成后,可以通過Offset進(jìn)行微調(diào)半徑,從而范圍設(shè)置較為靈活,滿足一些特殊應(yīng)用。

        軟件防撞范圍保護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是防撞保護(hù)圓的確定。在實(shí)際設(shè)備應(yīng)用中,確定4個(gè)樣本點(diǎn),利用最小二乘法來擬合防撞保護(hù)范圍,會(huì)減少手動(dòng)設(shè)置點(diǎn)帶來的誤差,提高晶片臺(tái)運(yùn)動(dòng)的安全性。另外,在硬件防撞檢測裝置正確有效的狀態(tài)下,晶片臺(tái)可以全自動(dòng)移動(dòng),確定4個(gè)樣本點(diǎn),擬合計(jì)算出軟件防撞保護(hù)范圍,相比手動(dòng)確定4點(diǎn),誤差將會(huì)進(jìn)一步減少。這樣,晶片臺(tái)防撞保護(hù)范圍被確定,當(dāng)頂針臺(tái)在工作位時(shí),晶片臺(tái)運(yùn)動(dòng)的防撞保護(hù)生效,通過判定晶片臺(tái)即將運(yùn)動(dòng)到的位置是否在圓C1內(nèi)實(shí)現(xiàn),如在圓內(nèi)就運(yùn)動(dòng),否則就停止、報(bào)錯(cuò)。

        [1]杜中一.電子制造與封裝[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

        [2]曹占倫.芯片鍵合裝置的開發(fā)與研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2008.

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