熱超聲倒裝鍵合機視覺定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、熱超聲倒裝鍵合機視覺定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)李建平，鄒中升，王福亮 時間:2008年04月23日 字 體: 大 中 小關(guān)鍵詞:基板熱超聲倒裝視覺系統(tǒng)倒裝定位系統(tǒng)摘要： 通過對芯片倒裝 title=熱超聲倒裝熱超聲倒裝鍵合工藝過程的研究，結(jié)合國內(nèi)外熱超聲倒裝鍵合設(shè)備發(fā)展的現(xiàn)狀，研制了一臺用于芯片的熱超聲倒裝鍵合機。關(guān)鍵詞： 熱超聲倒裝 機械視覺? 運動控制? HexSight20世紀90年代以來，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的大力驅(qū)動，微電子封裝技術(shù)獲得了日新月異的發(fā)展，目前主要的一級封裝技術(shù)有引線鍵合和倒裝鍵合兩種。引線鍵合技術(shù)是用金屬絲將集成電路芯片上的電極引線與集成電路底座外引線連接在一起，通過減小引線直徑和

2、引線間距獲得封裝密度的提高，但小直徑引線的強度和剛性更差，這將給引線彎曲的操作帶來難度，降低引線鍵合的可靠性。在芯片封裝I/O數(shù)目不斷增加，內(nèi)部連接可靠性要求越來越高的形式下，芯片鍵合工藝表現(xiàn)出由引線鍵合向倒裝鍵合發(fā)展的趨勢。倒裝鍵合方式是一種基于面陣焊球鍵合的封裝工藝，目前倒裝鍵合工藝主要有熱超聲鍵合、再回流焊、熱壓鍵合、環(huán)氧樹脂導電膠鍵合等。再回流焊可靠性比較高，而且凸點數(shù)量多，但采用Sn/Pb焊料，對環(huán)境和人體的保護極為不利。環(huán)氧樹脂導電膠工藝簡單，且在低溫下鍵合，但存在可靠性不高、寄生電阻太大等不足。熱壓連接工藝沒有污染，效率高，但存在可靠性不高、鍵合條件要求苛刻等缺點。熱超聲倒裝鍵合

3、是在超聲能量、壓力及熱的共同作用下，實現(xiàn)芯片I/O端口與基板之間的直接互連。熱超聲倒裝鍵合具有封裝可靠性高、連接效率高、工藝簡單、成本低、適應(yīng)性強等優(yōu)點，較低的鍵合溫度降低了在凸點與焊盤間形成Au-Al金屬間化合物的可能性，同時又是一種無鉛的綠色焊接，被認為是滿足下一代芯片封裝要求的具有發(fā)展?jié)摿Φ男鹿に嚭托录夹g(shù)。美國Colorado大學的S Y Kang等人已經(jīng)成功地將帶有64個金凸點的GaAs芯片利用熱超聲倒裝連接到硅基板上,而且結(jié)合強度達0.23 N/bump。此芯片已經(jīng)應(yīng)用于多道存儲系統(tǒng)和光電組件中。日本Toshiba公司、新加坡ASM公司也在研究和采用熱超聲倒裝連接工藝。國內(nèi)相關(guān)的研究

4、還處于起步階段，除中南大學外僅有少數(shù)研究所及合資公司在進行此類研究。在熱超聲倒裝芯片封裝鍵合過程中，芯片凸點和基板焊盤位置對準精度要求非常嚴格，誤差要求小于m。通過對全自動引線鍵合機圖像視覺定位系統(tǒng)的研究，結(jié)合熱超聲倒裝鍵合工藝的特點和要求，在HexSight視覺軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)了適用于熱超聲倒裝鍵合機的圖像識別定位系統(tǒng)。本文介紹此視覺定位系統(tǒng)的組成和實現(xiàn)過程。1 熱超聲倒裝鍵合原理1.1 芯片熱超聲倒裝鍵合工藝流程熱超聲倒裝鍵合工藝過程中使用的芯片與基板如圖1所示。此鍵合工藝流程可以分為以下4個步驟：(1)芯片的拾取。開始鍵合工作前，芯片與基板放置在指定工作臺，如果芯片與基板不在視覺系統(tǒng)的視

5、覺范圍內(nèi)，驅(qū)動平動臺，按指定算法搜索芯片與基板；待獲取芯片位置后，根據(jù)基板擺放位置，假設(shè)芯片被基板吸取后不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，對芯片位置進行調(diào)整，實現(xiàn)對準（通過坐標變換實現(xiàn)對準，在物理上仍相差一固定位差并由程序記錄），驅(qū)動真空吸附系統(tǒng)，吸嘴位置下降，利用真空吸力將芯片吸附，完成芯片拾取。同時啟動基板加熱系統(tǒng)，將基板加熱到150左右。(2)芯片與基板的對準。完成芯片吸附后，驅(qū)動平動臺移動一固定位差，完成芯片與基板的物理對準。但實驗中發(fā)現(xiàn)，在芯片被拾取的過程中會發(fā)生偏移，所以必須在芯片運動到基板正上方對準之前再次啟動視覺系統(tǒng)從芯片下方仰視被吸附后的芯片，獲取芯片被吸附后實際位置，根據(jù)吸嘴吸附芯片的實際偏移和

6、轉(zhuǎn)角，再次調(diào)整極板位置，實現(xiàn)芯片凸點與基板焊盤的對準（通過坐標變換實現(xiàn)對準，在物理上仍相差一固定位差，程序記錄后由機械運動機構(gòu)實現(xiàn)物理對準）。(3)施加鍵合力。芯片與基板對準后，芯片運動至基板正上方（物理上對準），保持真空吸力，吸嘴緩慢下降，直至芯片凸點和基板焊盤為一微小距離時，驅(qū)動鍵合壓力控制系統(tǒng)，對芯片緩慢施加鍵合壓力。理想情況下，芯片表面與基板平行，鍵合力與基板方向垂直。(4)施加超聲波。在鍵合力達到預定壓力時，凸點與基板接觸并在一定程度上被壓扁和變形；這時啟動超聲波發(fā)生器，換能器通過吸嘴在與基板的平行方向上對芯片施加超聲波能量，使凸點與基板結(jié)合界面發(fā)生摩擦，除去凸點表面的氧化物和污染層

7、，溫度劇烈上升，凸點發(fā)生變形，凸點與基板焊盤的原子相互滲透達到相互連接的效果。(5)鍵合頭復位。鍵合工作完成之后釋放吸嘴真空吸力，芯片與吸嘴分離，提升吸嘴，完成一個鍵合周期。熱超聲倒裝芯片與基板連接步驟如圖2所示。1.2 鍵合機的構(gòu)成根據(jù)以上工藝流程，本文研究設(shè)計的倒裝鍵合機由以下部分組成：(1)芯片吸附臺。以真空吸附的方式將芯片固定在平臺上，同時平臺在視覺系統(tǒng)的驅(qū)動下調(diào)整芯片、平面位置及軸轉(zhuǎn)角。(2)鍵合工作臺（即基板吸附臺）。除具有芯片吸附臺的功能外，還能對基板加熱，裝有溫度傳感器，可以實時監(jiān)測鍵合過程中的溫度。(3)鍵合頭。具有真空吸附功能，后端與超聲換能器鍵合壓力控制器相連，在芯片吸附

8、臺拾取芯片，當芯片與基板對準后，施加鍵合壓力和超聲波能量。(4)機械視覺系統(tǒng)。采集芯片、基板位置圖像，為整機的機械運動提供位置參數(shù)，指導機械機構(gòu)運動。各個部分相互關(guān)系如圖3所示。?2 熱超聲倒裝鍵合機視覺定位系統(tǒng)硬件組成2.1 機械視覺單元設(shè)計視覺系統(tǒng)是一個相對獨立的模塊，它與計算機通過PCI局部總線相連，圖像數(shù)據(jù)通過總線傳入計算機控制系統(tǒng)以控制鍵合機的X、Y平動臺和W、R旋轉(zhuǎn)臺運動。視覺系統(tǒng)由以下部分組成： (1)光學系統(tǒng)。光學系統(tǒng)主要是一個定焦距物鏡，它把來自觀察目標的光線聚焦到CCD傳感器光敏器件上。由于CCD傳感器對物距非常敏感，在CCD攝像頭后安裝調(diào)整螺釘，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺釘使成像達到

9、最佳效果。在鍵合機工作過程中不能對焦距進行調(diào)整，調(diào)焦是針對芯片的表面進行。而對于基板對準來說，即使圖像離焦也不能改變焦距,但是基板和芯片厚度相當，這種圖像離焦對圖像影響并不是很嚴重，而且此系統(tǒng)對圖像離焦有一定的允差。(2)CCD攝像機。CCD攝像機是圖像采集的前驅(qū)部件，由光敏二極管線性陣列或矩形陣列構(gòu)成。它按一定順序輸出每個二極管的電壓脈沖，將圖像光信號轉(zhuǎn)換成電信號。輸出的電壓脈沖序列可以直接以RS-170制式輸入標準顯示器，或者輸入計算機的內(nèi)存進行數(shù)值化處理。(3)圖像數(shù)據(jù)采集卡。采用加拿大Matrox公司研制生產(chǎn)的黑白圖像采集卡Matrox Meteor-/Standard。該卡實用性強，

10、價格低廉?？蓪⒉杉降膱D像實時傳遞到計算機內(nèi)存或在計算機顯示器顯示，但不支持外部觸發(fā)，所以采用軟件觸發(fā)的工作方式控制圖像數(shù)據(jù)傳輸。(4)照明系統(tǒng)。照明是影響機械視覺系統(tǒng)識別精度的重要因素，它直接影響輸入圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。為達到最佳效果，必須選擇合適的照明裝置和安裝位置。照明裝置按發(fā)光類型可以分為可見光和不可見光。不可見光主要是指X射線、超聲波等，主要應(yīng)用于某些要求高的檢測任務(wù)，但操作性差，價格較高，所以目前在實際應(yīng)用中，仍多選用可見光作為光源。本系統(tǒng)采用LED光源，此光源與普通可見光源相比具有穩(wěn)定性高、使用壽命長、成本低等優(yōu)點。安裝時采用前置照明方式，圖像無陰影且亮度一致。(5)圖像系統(tǒng)的安裝。

11、整個鍵合臺采用兩個攝像頭分別在不同工步對芯片和基板進行圖像數(shù)據(jù)的采集。攝像頭1安裝在Z向固定支架上，在整個鍵合過程中不作任何運動，在芯片吸取、芯片與基板對中過程中提供參考，在吸取和鍵合前，將芯片XY位置、WR軸旋轉(zhuǎn)角度與攝像頭靶心對準。攝像頭2與芯片吸附臺和鍵合工作臺固定，共同進行XY平面運動，在芯片吸取后獲取芯片偏移情況，對基板進行微小調(diào)整。(6)圖像處理軟件。以美國Adept公司開發(fā)的高性能機器視覺軟件HexSight為基礎(chǔ)進行二次開發(fā)。此軟件采用幾何輪廓定位原理，可以在極短（10ms）時間內(nèi)在0360范圍內(nèi)尋找對象，能快速精確地識別出多個對象及模式。在外部光源亮度發(fā)生均勻性變化、芯片表面

12、局部出現(xiàn)打光現(xiàn)象時仍可以精確定位。2.2 運動單元設(shè)計鍵合機運動部分主要是接收視覺系統(tǒng)輸出，完成芯片和基片的定位和對中。系統(tǒng)共有5個自由度：Z方向的平動實現(xiàn)鍵合進給動作；X方向的平動、Y方向的平動共同完成芯片、基板在XY平面上的位置調(diào)整；W軸方向、R軸方向的旋轉(zhuǎn)運動固定在XY平動機構(gòu)上，分別完成芯片、基板的角度調(diào)整。電子產(chǎn)品需求量的增加，要求提高芯片封裝作業(yè)的效率；而芯片封裝工藝過程的特點，要求執(zhí)行機構(gòu)定位精確。綜合以上兩方面因素，鍵合機機械運動系統(tǒng)采用宏動系統(tǒng)和微動系統(tǒng)相結(jié)合的方式。X、Y、Z定位工作采用伺服控制的宏動系統(tǒng)完成，在滿足鍵合過程中定位精度的同時兼顧系統(tǒng)效率的提高。由于芯片強度低

13、，在受到過大壓力時容易破壞，為獲得較好的鍵合強度和保護芯片必須嚴格控制Z軸方向的鍵合力，在此將微驅(qū)動技術(shù)引入到鍵合力的控制應(yīng)用中。如圖4所示。鍵合機微動系統(tǒng)采用壓電陶瓷驅(qū)動精密定位工作臺。此系統(tǒng)附著在Z軸上，與Z軸平動臺組成一個位置力控制裝置，在宏動部分完成快速精確定位后，利用微控制臺低慣量、高精度的特性，對芯片緩慢施加鍵合壓力。這樣可以精確控制倒裝鍵合壓力,獲得良好的結(jié)合強度，保護芯片不被破壞，便于對倒裝鍵合工藝的分析。3 熱超聲倒裝鍵合機視覺定位軟件的開發(fā)3.1 圖像處理軟件圖像數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進入計算機后，必須經(jīng)過圖像預處理，提取圖像信息完成定位工作。HexSight提供了豐富的處理過程

14、。本軟件的開發(fā)正是在HexSight提供的ActiveX組件的基礎(chǔ)上進行的，添加方法與其他標準組件相同。修改組件屬性，添加應(yīng)用程序處理過程，在此僅使用了圖像獲?。℉SAcquisitionDevice）、定位（HSLocator）這兩個處理過程。圖像獲取處理過程將圖像采集到公共數(shù)據(jù)庫，同時完成對像素畸變、鏡頭畸變和投影畸變的補償。定位處理過程完成對象輪廓幾何特征的提取和搜索，采用最先進的輪廓檢測技術(shù)識別對象和模式。這一技術(shù)在圖像零亂、光源亮度波動、對象重疊時仍可以獲得較好效果。3.1.1 建立搜索模型模型的效果直接影響到系統(tǒng)的定位精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，一個好的模型可提供精確有效的對象輪廓特征

15、。為提高系統(tǒng)的魯棒性，模型應(yīng)滿足下列特性：(1)模型圖像應(yīng)在照明系統(tǒng)及光學系統(tǒng)最理想的情況下獲取。(2)模型圖像背景應(yīng)具有單一性。(3)圖像應(yīng)盡量體現(xiàn)待識別對象共同的幾何輪廓特征。(4)模型中使用的圖形特征（尺寸、形狀）必須是后繼圖像中穩(wěn)定的元素。本應(yīng)用中模型建立的結(jié)果如圖5所示。3.1.2 視覺定位主程序本應(yīng)用使用兩個攝像頭分別對應(yīng)兩個處理系統(tǒng)在不同的時刻工作。程序通過接收運動單元的事件驅(qū)動不同的相機進行圖像采集，加載相應(yīng)模型庫，對圖像進行識別定位，給出芯片與基準位置之間X、 Y坐標差及W、R軸的旋轉(zhuǎn)角度，指導鍵合頭拾取芯片，獲取基板的位置進行坐標變換完成芯片與基板的對準。倒裝鍵合機運動控制

16、軟件是圍繞視覺軟件開發(fā)的。視覺系統(tǒng)采集的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后，輸出芯片和基板的具體位置，然后將此數(shù)據(jù)傳給運動部分，驅(qū)動外部伺服控制卡。3.2 運動控制軟件本系統(tǒng)中,基本的運動控制主要有二方面：(1)位置運動控制。主要包括XY平面的位置運動控制，Z軸豎直方向的位置運動控制以及R軸、W軸的旋轉(zhuǎn)角度控制。本系統(tǒng)中，位置反饋信號由光柵尺提供,屬于閉環(huán)控制。上位機進行路徑規(guī)劃，將運動指令和位置數(shù)據(jù)傳給伺服控制器，伺服控制器進行插補、加減速控制，生成路徑。位置控制原理如圖6所示。(2)微動控制。在宏動臺運動到指定位置后，啟動微動控制給芯片施加鍵合力。預定鍵合壓力由用戶在上位機設(shè)定，上位機將數(shù)據(jù)傳遞到下位機

17、，同時控制權(quán)也交給下位機，下位機控制壓電陶瓷驅(qū)動電源，控制微控臺給出微小位移，達到預設(shè)鍵合壓力。如果在微控臺達到最大行程后仍不能達到預定壓力，下位機反饋信號到主控機，再次驅(qū)動宏動臺給出適量位移。微動控制原理如圖7所示。本文介紹了熱超聲倒裝鍵合機的倒裝鍵合工藝流程、視覺定位的系統(tǒng)構(gòu)成及視覺定位軟件的實現(xiàn)?；贖exSight視覺軟件開發(fā)了機械視覺定位系統(tǒng)。實際運行表明，以芯片輪廓、凸點等主要輪廓曲線作為特征屬性時，對任意角度的芯片定位時間僅20ms左右。此視覺軟件與閉環(huán)伺服運動控制系統(tǒng)相結(jié)合，已成功完成對8個凸點芯片從拾取到芯片與基板的對準工作，但是在系統(tǒng)整體效率和精度上與國外芯片封裝設(shè)備存在一

18、定差距，特提出以下改進方案：(1)對運動控制系統(tǒng)應(yīng)通過優(yōu)化機構(gòu)運動方案和控制算法來進一步提高其性能。(2)對于視覺系統(tǒng)，由于采用了兩個攝像機，芯片與基板的對準在程序上是通過坐標變換來實現(xiàn)，物理上并不對準，在實際應(yīng)用中，視覺系統(tǒng)的定位很大程度上取決于坐標變換的精度，所以提高視覺系統(tǒng)的定位精度必須對兩個攝像頭進行高精度的參數(shù)標定。參考文獻1 葛勱沖.微電子封裝中芯片焊接技術(shù)及其設(shè)備的發(fā)展J.電子工業(yè)專用設(shè)備，2000；（12）2 Kang S Y，Williams P M，Lee Y C.Modeling and experiment studies onthermosonic flip chip bonding.IEEE Trans.onComponents，Packaging，and ManufacturingTechnology-Part B.1995；4(11)：7287333 Rao R，Tummala.微電子封裝手冊M.中國電子學會電子封裝專業(yè)委員會譯，20014 Luk C F，Chan Y C，Hung K C.Deve