司志寧，曹國斌，董永謙

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

點膠貼片機是半導體封裝行業(yè)中的關鍵設備之一，其服務的領域包括電子、航空航海、石油化工、運輸、機械制造等各行各業(yè)，具有系統(tǒng)結構復雜、功能多樣、精度要求高等特點[1]。隨著微電子封裝技術的不斷發(fā)展，電子元器件的小型化、精確化要求越來越高，使得提高貼片設備精度的需求日益迫切[2]。

本文通過分析視覺系統(tǒng)、硬件結構等多方面因素，設計采用雙俯視相機系統(tǒng)，結合激光干涉儀對電機軸進行分段線性補償和分段角度補償，通過驗證提高了系統(tǒng)的貼片精度。

1 點膠貼片機控制系統(tǒng)

點膠貼片機控制系統(tǒng)主要由上位工控機、下位PLC和硬件結構組成[3]，上位工控機設計人機交互界面，主要功能包括：系統(tǒng)初始化、參數(shù)設置功能模塊、調試測量功能模塊、點膠功能模塊、共晶功能模塊、幫助功能模塊等。下位PLC搭建邏輯控制，主要功能包括：信號監(jiān)測、電機定位、系統(tǒng)報警、模塊運動等。硬件結構主要有直線電機、伺服電機、點膠系統(tǒng)、共晶加熱臺、機器視覺系統(tǒng)、吸嘴壓力檢測系統(tǒng)、光源控制器、I/O信號等。

點膠貼片機的工作流程包括芯片識別、芯片吸取、基板識別、基板點膠、芯片貼裝、貼后檢測等。視覺識別和電機定位貫穿于工作流程中的各個環(huán)節(jié)，因此，提高視覺識別精度和電機定位精度顯得尤為重要。

2 雙俯視相機系統(tǒng)結構

由于芯片產品種類的多樣，單模的視覺系統(tǒng)存在一定缺陷，要么由于視場大小局限，無法完全將芯片Mrak都顯示于視場當中，導致無法識別；要么由于像素分辨率過大，無法達到識別精度要求[4]。

為了同時滿足系統(tǒng)兼容性和識別精確性的要求，設計出雙俯視相機系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)結構特點是：視覺系統(tǒng)共包含兩組相機結構，分別為小視場俯視相機和大視場俯視相機，與芯片吸取結構、點膠結構一同安裝于X軸電機支架上，如圖所示，靠近吸取結構的是小視場俯視相機，其視場大小僅為1.4mm*1.2mm，像素分辨率為0.575um，用于精確識別。其右側結構為大視場俯視相機，視場大小為42mm*31mm，像素分辨率為11.5um，用于粗略識別。該系統(tǒng)能夠同時滿足0.5mm～30mm的芯片尺寸識別，識別精度可以達到±1um。

圖1 結構示意圖

雙俯視相機系統(tǒng)工作原理：

1)學習過程：首先通過小視場俯視相機對芯片中心及角度進行設定，然后使用大視場俯視相機對芯片上的Mark0進行學習，最后使用小視場俯視相機對芯片上的Mark1進行學習，并保存芯片位置及學習參數(shù)。

2)識別過程：首先大視場俯視相機在華夫盒中自動識別芯片Mark0，計算得到芯片的粗略中心及角度，通過映射關系換算至小視場俯視相機Mark1粗略位置，而后小視場俯視相機移動至對應Mark1粗略位置精準識別，通過重新識別Mark1位置精確計算芯片中心及角度，完成識別。

3 定位精度補償

影響直線電機定位精度的因素較為復雜，主要因素有[5]：

1) 光柵尺的制造及安裝誤差，光柵尺的讀數(shù)部件與絕對尺分別在電機軸的動子和定子結構中，產生一定的線性誤差在所難免。

2) 直線電機的定位精度容易受到環(huán)境因素的影響，如：溫度、濕度、震動等，均有可能會對電機定位精度產生隨機誤差。

3) 貼片系統(tǒng)采用吊裝式結構安裝于頂板上，優(yōu)點是使臺面可利用面積擴大，而帶來的問題是直線導軌的安裝存在起伏，導致電機運動產生偏擺現(xiàn)象，而且這種偏擺誤差是非線性的，無法通過線性補償解決，從而影響系統(tǒng)定位精度。

為了提高系統(tǒng)定位精度，使用雷尼紹激光干涉儀對電機軸垂直偏擺角度進行定位測試，如圖2所示，其測量原理與線性測量原理基本相同，需要用到角度干涉鏡和角度反射鏡，其中激光探頭與角度干涉鏡安裝于固定位置，角度反射鏡安裝于運動軸上，運動過程中若存在角度偏擺現(xiàn)象，反射鏡和干涉鏡之間會產生相對旋轉，從而導致角度測量的兩束光的光程差發(fā)生變化，進而被激光探測儀探測出來，通過軟件計算將線性位置的變化轉化為角度變化顯示出來[6]。

分段角度補償公式：

X1=X0+k*tanθ.

其中：X軸根部電機值X0；

X軸底部真實值X1；

X軸運動垂直偏擺角θ；

X軸根部與底部間距k。

圖2 偏擺角度測量原理圖

4 分析對比

以兩相機視場中心固定間距為測量值，測量方法是將標志物放置于不同位置，使大小視場中心分別對準該標志物中心，通過讀取電機值做差計算間距。分別對不采用精度補償方式、僅采用分段線性補償方式和采用分段線性+分段角度補償方式進行對比，結果如表1所示。

表1 測量數(shù)據(jù)表

分析表中數(shù)據(jù)可以得出，在不進行精度補償時，兩相機視場中心間距誤差范圍約為74um；僅采用分段線性補償時，誤差范圍約為44um；采用分段線性補償+分段角度補償時，誤差范圍約為8um，較大程度上改善了系統(tǒng)定位精度問題。

5 結語

本文根據(jù)實際生產項目需要，系統(tǒng)分析了影響點膠貼片機精度的因素，通過設計雙俯視相機系統(tǒng)，提升系統(tǒng)兼容性及視覺精度，通過激光干涉儀對電機軸進行分段線性補償和分段角度補償，提高了定位精度。通過在客戶現(xiàn)場的長時間使用驗證，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，滿足客戶提出的工藝及精度要求。