狄希遠，閆 瑛，景 灝

(中國電子科技集團公司第二研究所,山西 太原 030024)

0 引言

倒裝焊接設備主要用于大規(guī)模集成電路器件制造的倒裝焊接工藝，完成芯片與基板的直接互連，使封裝具有更優(yōu)越的高頻、低延遲、低串擾的電路特性，能有效提高電路、部件或系統(tǒng)的組裝互連的可靠性。高精度倒裝焊接機主要用于紅外探測器的研制與生產(chǎn)。紅外探測器組件促進了紅外技術應用的發(fā)展，促使紅外武器裝備性能大幅提高，廣泛應用于偵察、監(jiān)視、精確制導、搜索跟蹤和光電對抗等軍事系統(tǒng)，成為先進光電武器系統(tǒng)的重要組成部分，同時在駕駛輔助、消防、安保、安全生產(chǎn)等民用領域也有廣泛應用前景[1]。

隨著紅外探測器向第三代紅外焦平面技術方向發(fā)展，基于激光調(diào)平的倒裝焊設備成為紅外探測器核心工藝設備。像元尺寸的變小對探測器芯片倒裝互連是一項巨大挑戰(zhàn)。采用具備激光調(diào)平功能的倒裝互連設備完成高精度互連，通過光學系統(tǒng)識別位于探測器芯片、讀出電路上特定位置處的對準標記，實現(xiàn)高精度的自動對準，降低倒裝焊接機對準時的誤差，提高了對準精度，從而提升互連導通率。電路基板與芯片的面與面平行是實現(xiàn)精確對位的基礎，本文主要介紹了光學系統(tǒng)的結(jié)構和實現(xiàn)精確對位、調(diào)平的功能。

1 光學系統(tǒng)的結(jié)構組成

光學系統(tǒng)由準直光路系統(tǒng)、成像光路系統(tǒng)和激光測距調(diào)平光路系統(tǒng)組成，光學原理如圖1所示，光學系統(tǒng)結(jié)構如圖2所示。

圖1 光學準直與激光測距原理圖

圖2 光學系統(tǒng)結(jié)構

1.1 準直光路系統(tǒng)

準直光路系統(tǒng)采用了雙光路共CCD的結(jié)構，避免了多相機相互間標定的誤差，也減小了硬件系統(tǒng)的復雜度；對分光棱鏡復用來實現(xiàn)同軸照明，相比于常用的機器視覺項目在物鏡的前端附加專用的同軸照明光源，不僅可以避免占用空間而減小工作距離(顯微物鏡前的工作距離都比較小，很難有合適的同軸光源能夠在其工作空間插入)，而且一定程度上加大了光源照射的數(shù)值孔徑，有利于增大物鏡分辨能力，明顯簡化了硬件結(jié)構。

使用準直光路時，一亮十字光自動加到照明光路中，十字在芯片上的反射圖像再同基板反射圖像疊加傳送到CCD，如果芯片和基板不平行，則在CCD上反饋回來的是兩個十字光，通過驅(qū)動PR搖擺臺，調(diào)節(jié)芯片十字光和基板十字光重合，完成芯片和基板的平行調(diào)節(jié)。如圖3所示。

圖3 準直檢測示意圖

1.2 成像光路系統(tǒng)

成像光路是由兩個可互換的物鏡安裝在同一個垂直軸上，通過電機校準使這個垂直軸平行于熱壓焊頭的垂直軸。芯片的圖像與基板圖像疊加后，并傳送至CCD。

1.3 激光測距光路系統(tǒng)

激光測距的依據(jù)是三角測量法，三角測量法的原理是激光發(fā)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據(jù)這個角度及已知的激光和相機之間的距離，數(shù)字信號處理器就能計算出傳感器和被測物體之間的距離。原理如圖4所示。

圖4 激光三角測量原理

利用激光三角測量法原理的高精度激光測距傳感器，最高分辨率可以達到0.03μm，最遠檢測距離可以達到5.4 mm。用三角測量法原理制成的傳感器可應用于位移、厚度、高度、寬度、直線度和平面度等精度要求較高的檢測中，面與面平行調(diào)節(jié)算法通過三角測量法原理進行測距，由算法得到兩平面的平行度。

通過激光檢測系統(tǒng)檢測到的距離，測算芯片和基板的平行度值，驅(qū)動搖擺臺對芯片和基板的平行度誤差進行校正。

建立數(shù)學模型，已知三個不共線的點可以確定一個平面，當激光測距傳感器在兩個平面間取3個位置，測出3個位置間上下工作面的3個距離值Z1、Z2和Z3，將一個工作面作為基準面，兩個平面的夾角可以轉(zhuǎn)換為兩平面的法向向量間的夾角，就可以計算兩平面角度。以一個工作面為基準，調(diào)節(jié)另外一個工作面(按計算的角度旋轉(zhuǎn))，直到兩個工作面平行。

2 光學系統(tǒng)的精度

光學系統(tǒng)精度主要影響因素有CCD相機像元尺寸和光學系統(tǒng)的放大倍率。因此在合理設計光學系統(tǒng)的基礎上,分析視覺系統(tǒng)精度的主要因素有視場大小和CCD相機分辨率等。CCD的分辨率越高，像元尺寸越小，精度就越高。圖像的光學放大倍數(shù)越大，對于給定面積的元數(shù)就越多，所以精度就越高。已知視場大小為870μm×690μm，相機CCD分辨率4242×2830，光學放大倍數(shù)為10X，可得到視覺系統(tǒng)的精度為0.2μm。

基板與芯片圖像自動對位算法如圖5所示，移動光學系統(tǒng)到A位置，通過芯片和基板第一個角的模型找到芯片和基板的Mark點，并記錄下它們的坐標；移動光學系統(tǒng)到B位置，通過芯片和基板第二個角的模型找到芯片和基板的Mark點，并記錄下它們的坐標；分別以芯片的兩個Mark點為中心，通過坐標點計算基板的Mark點的偏移量，并以此控制主工作臺沿X,Y方向的移動和繞Z軸的移動，使兩個Mark點在圖像中的位置重合。

圖5 芯片與基板MARK位置示意圖

其中Mark坐標旋轉(zhuǎn)位移為：

X2=cos(θ2)×R1=

Y2=sin(θ2)×R1=

對位軟件設計時，要考慮設備的系統(tǒng)誤差，并在系統(tǒng)軟件中進行補償。

3 結(jié)論

光學系統(tǒng)采用組合功能設計，將光學準直調(diào)平、顯微成像以及激光調(diào)平等集于一體。利用光路成像及激光高精度測距等原理實現(xiàn)基板和芯片平行度檢測和精確對位。該系統(tǒng)已成功應用于高精度倒裝焊接機上，解決了芯片與基板精確對位的難題，同時也可擴展應用到類似兩面精確對位的應用場合。