微小芯片粘贴系统的拾取误差校正

1微小芯片粘贴系统的拾取误差校正刘轩1,2汤建华1黄波1（1长春光学精密机械与物理研究所,2中国科学院研究生院）摘要：为达到微小芯片粘贴系统高精度的性能要求，以二极管粘片机为例在系统分析微小芯片粘贴系统运动控制的各误差因素的基础上，提出了误差校正的方法。特别针对微小芯片粘贴系统的高精度要求，采用了全闭环控制、视觉定位等先进技术。校正方法在具体工作中校正效果良好，对精度提高作用很大。关键词：误差校正；运动控制；视觉定位；粘片机ErrorAdjustingforPickingUpofMicrochipBondingSystemAbstract:Inordertofulfillhighdemandofprecisioninthemicrochipbondingsystem.Basedontheanalysisofeveryerrorinthesystem,thepaperpresentsthemethodforerroradjusting.Andaimingespeciallyatthehighdemandofprecision,theadvancedtechnologyoffullclosedloopcontrolandvisuallocatinghasbeencarriedout.Themethodhasbeenprovedveryefficientforadjustinginthepracticalprojectandgreatlyimprovestheprecisionofsystem.Keywords:erroradjusting；movementcontrol；visuallocating；diebonder1.引言伴随着我国经济的高速增长，对各种IC的需求量和国内生产量都在不断增加，需要大量的IC封装关键设备。此类设备都是对很小的芯片进行加工，面临着对芯片进行精确定位的相同问题。分析定位误差及其校正方法对于此类设备的研制具有重要的意义。二极管粘片机用于把贴片二极管的管芯粘接到引线框架上，是一种很典型的IC封装设备，要求的精度很高。本文以二极管粘片机为例，介绍了微小芯片粘贴系统拾取误差的校正方法，对其他封装设备的定位方法也有参考价值。2.微小芯片粘贴系统的工作原理与结构微小芯片粘贴系统的加工对象是半导体晶圆上的晶粒，这些晶粒是由整块的晶圆经划片工序以后制成的，其尺寸很微小，而且要求的工作速度往往很高。二极管粘片机包括对微小芯片的拾取，而且其要粘的芯片顶部是半球形，要求更高的拾取精度。二极管粘片机的主要功能是从晶圆上拾取0.25mm×0.25mm的管芯晶粒，将其粘接到引线框架上的指定位置。系统要求误差小于±3um，粘接每一个晶粒的工作周期不大于0.5s。二极管粘片机的运动部分包括六个电机。各个运动部分构成了一个典型的微小芯片粘贴系统，结构组成如图1。管芯晶粒XY平台可作水平运动，完成晶粒运动到顶针正上方的动作。顶针机构完成顶起薄膜上的管芯晶粒的动作。吸头YZ运动机构与顶针配合完成吸起晶粒的动作并和引线框架X载台配合完成向引线框架粘接晶粒的动作。吸头YZ运动机构管芯晶粒引线框架X载台控制器顶针机构23.影响系统拾取精度的因素微小芯片粘贴系统的运动部分采用电机带动滚珠丝杠的运动方式，指令经控制器、驱动器、电动机、减速系统、滚珠丝杠副转换为精密定位平台的移动。定位的精度受到所有电气、机械装置结构设计、制造精度的综合影响,还受到微小芯片粘贴系统本身结构特点以及机构磨擦、震动、热变形等因素的影响。影响系统拾取精度的主要因素如下：(1)滚珠丝杠副引起的误差滚珠丝杠副处于传动链末级,其传动误差直接影响平台的定位精度。其中最主要的是螺距累积误差，其引起的误差影响传动精度和间隙。润滑、表面粗糙度及材料质量、热处理硬度等对其都有影响。加大预紧力可以提高接触刚度,但会增加摩擦温升,引起热变形。(2)导轨引起的误差当导轨副的导轨面存在直线度误差、平面度误差、两导轨间的平行度误差、导轨导向面的V形角误差及滚动体的形状和尺寸误差时,都会使运动体不能沿给定方向直线运动,产生运动轨迹非直线性，造成导向误差,直接影响定位精度。(3)热变形引起的误差由于长时间工作,由摩擦升温引起的热变形也会造成定位误差。包括电动机发热、滚珠丝杠副、轴承以及导轨副等相对运动部分的摩擦热和负载部分带来的热影响等。由丝杠和螺母相对运动产生的热伸长严重影响定位精度。热伸长与材料热膨胀系数、温升、平台行程有关。如果温升为1℃,行程为100mm,材料为GCr15钢,则热伸长量l∆为：umTLl2.1110010012.03=×××=∆⋅⋅=∆−α(1)(4)两轴的垂直度引起的误差如果装调时定位平台的两个轴没有严格垂直，则行程增大以后，会在直线方向发生偏移，影响定位精度。当XY轴两电机轴夹角α≤30″，行程L为100mm时，则横向偏移量∆x为：umtgtgLx5.1430100=×≤⋅=∆α(2)(5)晶圆放置引起的误差晶圆是粘贴在薄膜上，薄膜由扩边环展平，扩边环被放置在XY平台的卡盘上。每当粘完一块晶圆后，要手工更换，重新把带有晶圆的扩边环卡在卡盘上，如图2所示。即使操作过程非常仔细，仍会不可避免的带来误差，使芯片X方向（Y方向）与平台X轴方向（Y轴方向）不严格平行。(6)顶针与吸嘴各自的垂直度引起的误差晶粒的形状如图3左所示，由于顶部是半球形，所以要求对位非常精确。若吸嘴或扩边环晶圆XY平台卡盘图2.晶圆放置示意图晶粒吸嘴顶针3顶针不严格垂至于水平面，则严重时会出现如图3右所示的情况，导致拾取失败，所以对吸头的精度要求也很高。各个影响精度的因素中，热变形和摩擦等因素是随机的误差，只能通过工作中摸索规律，控制工作环境，尽量减小其对精度的影响；而间隙、线性度、垂直度等因素引起的误差可以通过精确装调得到减小。但即使非常注意，装调还是会有一些偏差，这就必须在电控方面采取特殊的方法校正误差。4.系统拾取误差的校正4.1合适的控制方式由于不同的伺服控制方法对拾取精度的影响也不同，采用适当的伺服控制方法可以相应的改善系统拾取的精度。与步进电机相比，交流伺服电机的控制精度更高，从根本上克服了步进电机的丢步问题，更适合用于定位精度高、动态响应快及转速高的微小芯片粘贴系统中。交流伺服系统可构成半闭环或全闭环系统。半闭环系统中，伺服电机轴上的编码器反馈既作速度环，又作位置环。由于大部分机械传动环节没有包括在系统闭环内，传动链上的间隙和误差不能通过反馈校正，只能采用软件定值补偿的方法适当提高精度。而闭环系统在移动台上安装了位置检测装置,把位移信号反馈到输入端与输入信号进行比较,实现对运动的反馈控制。如图4所示，此时定位误差主要取决于位置检测系统的误差,如分辨率、线性度等。控制器根据光栅尺反馈回的位置信息控制电机精确定位,校正了往复运动的回差以及累积误差等前述的系统各部分误差,大大提高XY平台及吸头Y轴的定位精度。电机直接定位误差可控制在3um左右，有效地消除了机械加工装调等系统误差。4.2视觉定位粘片机运动系统是典型的微小芯片粘贴系统，对精度和速度都有很高的要求。当吸头拾取晶粒时，晶粒的中心必须位于顶针的正上方，靠顶针将晶粒从薄膜上顶起，同时吸头的尖端要正对顶针的尖端。由于管芯晶粒大小只有0.25mm×0.25mm，半圆形的头部尺寸更小。芯片中心、顶针和吸头必须对成一条直线，误差应控制在几微米以内，否则或者无法拾取或者拾取上来的芯片是歪的。为了进一步提高精度及消除晶圆安装本身的随机误差，只有采用视觉定位的方法才能满足要求。视觉定位系统采用高倍数光学成像系统及图像处理技术、模式识别方法，对芯片图像进行分析和处理，完成芯片的定位及缺陷检测等功能，能够显著提高定位的精度。粘片机视觉定位系统的组成如图5所示，由光学系统、CCD成像器件、图像采集卡和工控机组成，光学系统采用10倍放大镜头，配合CCD系统可以使放大倍率达到300倍，识别控制器驱动器平台电机丝杠光栅尺图4.闭环控制系统4分辨率达到了1um。视觉定位系统工作时，由于顶针在晶圆薄膜的下方，不可见，应在工作前通过标定方法预先确定顶针的位置。图像识别程序把采到的管芯晶粒的图像进行分析处理，确定待粘晶粒的位置，将其和预先记下的顶针位置进行比较，计算出偏移量，用晶粒位置的精确信息驱动XY平台运动。通过全闭环系统的位置检测装置，确保控制器能够在实时状态下调整控制参数完成精确定位。图像识别得到的位置差是以像素为单位的，而控制器驱动XY平台所需要的位置差是以电机运行的脉冲数为单位的，其转换方法如下：先单独控制X向电机转动一定的脉冲数(StepX)，测量出晶粒在图像X，Y方向上移动的像素位移PixelX1和PixelY1；再单独控制Y向电机转动一定的脉冲数(StepY)，测量出晶粒在图像X，Y方向上移动的象素位移PixelX2、PixelY2。则将目标在图像上从点A（a1,b1）移动到点B(a2,b2)，实际XY轴电机走的脉冲数x和y的关系式为:12112121XPixelXStep1)(×+−+−×=kaabbkx(3)22212122YPixelYStep1)(×+−+−×=kbbaaky(4)其中K1=PixelY1/PixelX1；K2=PixelY2/PixelX2；按此公式计算，每次图像识别得到的偏移量就可以精确的控制XY工作台移动。识别时的实际图像如图6。图中“井”字格为检测区域，大十字为预先确定的顶针位置。定位处理过程如下：①应用模板匹配图像识别方法检测“井”字格区域内的九个芯片；②若中心芯片完好则执行④，否则执行③；③按照特定的算法检测周围的芯片，如检测右边的芯片。若完好则执行④，否则按逆时针方向的优先级依次检测其他的芯片；④测量芯片中心到顶针位置的距离，利用公式(3)(4)计算出偏移量ΔX和ΔY。若ΔX和ΔY都小于误差容许范围则执行⑥，否则执行⑤；图6.实际定位图像图5.视觉定位系统光学系统CCD主控制器图像采集卡工控机吸头x轴y轴顶针晶圆薄膜光源5⑤ΔX和ΔY被传送给控制器，驱动XY台电机运动,运动结束执行④；⑥吸头和顶针配合完成拾取操作；⑦重新识别，开始下一次定位。采用图像定位方法后，由于平台在每个晶粒被拾取前进行自校正，从而避免了位置误差累积，也能克服一定范围内的由平台垂直度及顶针吸头对准引起的误差，进一步提高了精度。4.小结本文阐述了提高微小芯片粘贴系统拾取精度的原理与方法。实际应用中，在粘片机系统里采用了上述方法，使粘片机的各项指标达到了设计要求。生产效率达到每小时7000粒以上，控制精度达到5um以内，而且各种参数均可设置，得到了用户的肯定。参考文献[1]周雪琴，张洪才.控制工程导论[M].西北工业大学出版社.2003[2]杨枝灵，王开等.VisualC++数字图像获取、处理、及实践应用[M].人民邮电出版社.2003[3]袁鹏，胡跃明，吴忻生，戚其丰，刘海明.基于视觉的高速高精度贴片机运动控制系统的设计与实现.计算机集成制造系统[J].2004.12[4]郭强生，靳卫国，周庆亚.集成电路粘片机视觉检测技术研究.电子工业专用设备[J].2005.7[5]安川II-∑系列伺服驱动器用户使用手册[M].日本安川电机株式会社.2002作者简介:刘轩（1977－），男，汉族，长春光机所，在读硕士，研究方向光学工程。E-mail:[e-mail]:Liu,Xuan,(1977-),Male,isnowanengineerandstudyingforamasterdegreeinChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics.HeisresearchingonOpticalEngineering.E-mail:[e-mail](130033吉林省长春市经济技术开发区营口路19号长春光机所光华公司)刘轩（CompanyGuangHua,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics