景 灝，王瑞鵬，閆 瑛，狄希遠

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

紅外探測器主要用于紅外熱成像、紅外遙感等方面，隨著加工工藝技術(shù)的不斷進步，探測器逐漸向高探測率、大面陣方向發(fā)展[1]。倒裝互連作為探測器的主要互連工藝，它的互連過程包含調(diào)平、對位和壓焊[2]，如圖1所示，其影響成品率的關(guān)鍵因素有兩點，一是芯片和基板能夠準確調(diào)平，使壓焊后銦球產(chǎn)生均勻形變，二是通過精確對位，使芯片和基板上的焊點可以相互對準，從而保障產(chǎn)品的光、機、電特性[3]。因此，倒裝焊機需要解決的關(guān)鍵問題就是倒裝互連時芯片與基板的調(diào)平和對位問題。本文將針對該問題，介紹一種多視場的視覺系統(tǒng)，通過視覺圖像分析和算法處理，配合精密運動系統(tǒng)，實現(xiàn)倒裝焊機的調(diào)平和對位。

圖1 紅外探測器倒裝互連示意圖

1 視覺系統(tǒng)工作原理

倒裝焊機視覺系統(tǒng)由大視場、準直視場和對位視場組成。大視場視野大，分辨率低，用于基板的粗定位。準直視場可投射特定十字靶標圖形，通過分析芯片和基板平面反射回的圖像，確定平行度調(diào)節(jié)量。對位視場視野小，分辨率高，可識別芯片和基板的標記圖形，精確計算對位調(diào)節(jié)量。

設備配備精密運動系統(tǒng)，包含5個平臺和9個運動軸，各個平臺對應的運動軸名稱和數(shù)量如表1所示，對應的編號和分布如表1和圖2所示?；鍖ξ黄脚_實現(xiàn)基板的平移和旋轉(zhuǎn)運動，光學運動平臺實現(xiàn)準直和對位視場的平移運動，半球搖擺俯仰平臺以基板平面為基準實現(xiàn)芯片和基板的調(diào)平運動，ZUBA運動平臺實現(xiàn)芯片取料、芯片聚焦和壓焊運動，聚焦平臺實現(xiàn)基板聚焦運動。

表1 精密運動系統(tǒng)運動軸分配表

圖2 精密運動系統(tǒng)工作原理圖

2 視覺系統(tǒng)設計

目前，紅外探測器焊點加工尺寸均為微米級，其高精度的倒裝互連工藝對倒裝焊機的調(diào)平和對位能力提出了更高的要求。針對該要求，現(xiàn)將設備視覺系統(tǒng)和精密運動系統(tǒng)的設計介紹如下。

2.1 多視場視覺系統(tǒng)設計

2.1.1 大視場設計

大視場的安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，CCD相機和鏡頭采用斜裝的方式，拍攝放置于基板夾具上的基板，由于相機傾斜拍攝，需要對圖像進行梯形校正，并基于基板對位平臺進行標定。大視場將基板相對于芯片對齊的位置作為基準位置，手動放置基板后，運行大視場粗定位功能，可以對基板的位置進行粗調(diào)整，使基板和芯片的標記圖形能夠同時處于對位視場內(nèi)。

圖3 大視場設計原理圖

2.1.2 準直視場設計

準直視場的安裝位置如圖2所示，分別將明亮的十字靶標圖形打在芯片和基板的反射面上，反射圖形傳送到CCD上。根據(jù)光學準直原理，若CCD上顯示兩個不重合的十字靶標圖形，則芯片和基板不平行，通過驅(qū)動半球搖擺俯仰平臺，調(diào)節(jié)兩個十字靶標圖形至完全重合，則可以完成芯片和基板的調(diào)平。

2.1.3 對位視場設計

對位視場的安裝位置如圖2所示，拍攝芯片時，打開芯片光源，關(guān)閉基板光源，物鏡固定不動，ZUBA運動平臺帶動芯片，調(diào)整芯片高度來實現(xiàn)芯片聚焦；拍攝基板時，打開基板光源，關(guān)閉芯片光源，聚焦平臺帶動物鏡，調(diào)整物鏡高度來實現(xiàn)基板聚焦。視覺對位時，將標記圖形制作為模板，分別拍攝芯片和基板的標記圖形進行定位，以芯片位置為基準，分析計算出基板的旋轉(zhuǎn)和平移的調(diào)節(jié)量，驅(qū)動基板對位平臺進行對位調(diào)整。

2.1.4 多視場視覺系統(tǒng)的關(guān)系

多視場視覺系統(tǒng)包括大視場、準直視場和對位視場，三者既功能獨立，又相互聯(lián)系。大視場視覺系統(tǒng)斜裝在工作臺側(cè)面，基于基板對位平臺進行標定，實現(xiàn)基板的粗定位。準直和對位視場統(tǒng)一安裝于光學運動平臺。對位視場和大視場的共同點是，兩視場均基于基板對位平臺進行標定，即兩者空間坐標統(tǒng)一，兩者的區(qū)別是對位視場相比于大視場視野更小，分辨率更高，可用于微米級標記圖形的精確定位。

2.2 精密運動系統(tǒng)設計

精密運動系統(tǒng)的各平臺分布如圖2所示。其中，基板對位平臺、光學運動平臺、ZUBA運動平臺和聚焦平臺運動機構(gòu)進行了整體搭建，保證對位平臺的穩(wěn)定性，統(tǒng)一采用光柵組反饋進行閉環(huán)運動控制，采用UP級低摩擦系數(shù)線性導軌導向，能夠滿足設備的運動精度要求。

半球搖擺俯仰平臺采用氣浮導向，使用兩臺步進電機驅(qū)動精密螺旋推桿，使球凸產(chǎn)生運動，從而實現(xiàn)芯片和基板的調(diào)平運動。旋轉(zhuǎn)中心位于芯片位置附近，可降低搖擺運動對XY方向的影響。

半球搖擺俯仰平臺的設計原理如圖4所示。已知步進電機推桿和球面連接桿交點到球面頂點的距離為A，球面半徑為R，轉(zhuǎn)角分辨率為B，轉(zhuǎn)角行程為C，步進電機導程為S，傳動裝置的綜合傳動效率為η，減速比為i，保持轉(zhuǎn)矩為HT，設：D為步進電機單脈沖行程，θs為步進電機步距角，E為整個行程允許位移，F(xiàn)為推力，計算過程如下：

D=(A+R)×tan(B).

(1)

(2)

E=(A+R)×tan(C).

(3)

HT=(F×S)/(2π×η×i).

(4)

圖4 半球搖擺平臺設計原理圖

2.3 視覺軟件功能及算法

視覺軟件是視覺系統(tǒng)的大腦，識別輸入的圖像信息，完成數(shù)據(jù)的分析和輸出。倒裝焊機配備了多視場視覺系統(tǒng)，準直視場采集用于調(diào)平的十字靶標圖形，對位視場采集用于對位的標記圖形。于是，倒裝焊機的調(diào)平和對位能否實現(xiàn)，很大程度取決于視覺軟件對圖像信息的識別和分析效果。

1) 模板：在圖像識別的方法當中，基于形狀的模板匹配法具有處理時間短，精度高，可通過切換模板靈活適應不同工件圖形等優(yōu)勢，更加符合本系統(tǒng)視覺軟件需求。制作模板和對位時對圖像采集的要求為，通過聚焦使圖像有清晰的輪廓，通過調(diào)整光源和相機參數(shù)使圖像呈現(xiàn)鮮明的對比特征。

2) 標定：視覺標定的作用是建立視場中像素坐標系和空間坐標系之間的關(guān)系。大視場和對位視場均基于基板對位平臺進行標定，將基板放在基板夾具上，分別使用兩個視場進行模板制作，然后采用傳統(tǒng)的九點標定方法完成視場標定。準直視場的標定方式在下一節(jié)討論。

3) 準直視場調(diào)平：準直視場基于半球搖擺俯仰平臺進行標定，視場分別采集芯片和基板平面反射的十字靶標圖形，以基板平面為基準，可得出兩圖形中心位置像素偏差(pix)，執(zhí)行機構(gòu)為步進電機，其運動量單位為脈沖(pulse)。設基板平面反射的十字靶標圖形位置為原點，兩圖形像素偏差為(px,py)，ZP軸運動量為zp，ZR軸運動量為zr，則有：

zp=k1·px+c1.

(5)

zr=k2·py+c2.

(6)

其中，k1，k2，c1，c2均為常數(shù)，通過多點擬合，得出上述公式的系數(shù)，則準直視場中分析得出的像素偏差可以直接轉(zhuǎn)化為電機的運動調(diào)節(jié)量，從而實現(xiàn)調(diào)平。

4)大視場粗定位：大視場將整個基板圖形作為模板，以基板相對于芯片對齊時的位置為基準，得到坐標位置(x0,y0)和角度r0。手動放置基板后，大視場采集基板的當前圖形，得到坐標位置(x,y)和角度r。設坐標位置偏差為(Δx,Δy)，角度偏差為Δr，則：

Δx=x-x0.

(7)

Δy=y-y0.

(8)

Δr=r-r0.

(9)

根據(jù)運算結(jié)果，驅(qū)動基板對位平臺，分別進行旋轉(zhuǎn)和平移運動調(diào)整，完成基板的粗定位。

5) 對位視場精對位：本文采用四點對位方式，對位原理如圖5所示。A、B為芯片上的兩個標記圖形，C、D為基板上的兩個標記圖形，其中A、C為一組，B、D為另一組，均形成對應關(guān)系。對位視場分別采集A、B、C、D圖形，分析得到各圖形對應坐標(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，(x4,y4)。對位過程分為兩步，第一步為計算旋轉(zhuǎn)偏差，進行旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，第二步為計算平移偏差，進行平移調(diào)節(jié)，公式推導如下：

a)向量AB與向量CD夾角就是基板相對于芯片的偏轉(zhuǎn)角，其公式為：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

圖5 對位原理示意圖

3 結(jié)束語

本文從紅外探測器倒裝互連工藝需求出發(fā)，提出了多視場視覺系統(tǒng)的設計方案，給出了相應的視覺算法，配合精密運動系統(tǒng)實現(xiàn)倒裝焊機的調(diào)平和對位，能夠滿足紅外探測器生產(chǎn)的實際需求。