《半導(dǎo)體封裝中高精度倒裝貼片效率優(yōu)化研究10000字（論文）》

目錄III緒論1.1研究背景及意義1.1.1課題研究來源與意義在我國電子產(chǎn)品的制造過程中，表面貼裝技術(shù)是生產(chǎn)線自動(dòng)化的關(guān)鍵部分，這種技術(shù)也廣泛應(yīng)用于其他行業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)。由于表面貼裝技術(shù)具有高精度、高速度等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過多年的研究，電子元器件發(fā)生了重大變化，以自動(dòng)精準(zhǔn)組裝取代手工組裝，不斷優(yōu)化高質(zhì)量裝配工藝，而自動(dòng)化裝配技術(shù)在未來將不斷升級，自動(dòng)化組裝技術(shù)的發(fā)展使集成芯片封裝向著高性能、高密度的方向發(fā)展。目前，大多數(shù)芯片仍然是通過引線鍵合的方式連接到基板上的，而封裝的性能主要是由于長引線的設(shè)置，對于一些高端精密器件來說，引線鍵合技術(shù)有很大的局限性，工業(yè)上的芯片封裝結(jié)構(gòu)有很多種，且仍然在不斷更新。倒裝芯片技術(shù)(flip-chip)是將芯片進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，將元器件的正面朝下互連到Carrier基板或電路板上，與傳統(tǒng)的引線鍵合技術(shù)相比，芯片在基板上會形成最短的電路，減小了電阻以及封裝尺寸，從而提高芯片的電性能。特別是它可以通過類似于SMT技術(shù)的方法進(jìn)行加工處理，因此倒裝芯片技術(shù)近年來受到越來越多的關(guān)注。貼片機(jī)具有高速和高精度的優(yōu)勢，這是一種高科技的自動(dòng)化工藝，結(jié)合了激光和微電子技術(shù)，快速準(zhǔn)確的機(jī)械設(shè)備，因此對技術(shù)和設(shè)備配置具有嚴(yán)格的高要求。結(jié)合現(xiàn)代電子封裝體積越來越小，集成度高，密度高，產(chǎn)品成本低，基于晶圓級電子封裝面臨的技術(shù)遇到更高的挑戰(zhàn)，因此要實(shí)現(xiàn)高精度倒裝芯片技術(shù)是非常困難的REF_Ref1463\w\h[1]。1.1.2表面貼裝技術(shù)的介紹表面貼裝技術(shù)，簡稱SMT(SurfaceMountedTechnology)技術(shù)，是電子制造技術(shù)的關(guān)鍵部分。隨著科技的發(fā)展以及自動(dòng)化生產(chǎn)線上的需求，表面貼裝技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的電子產(chǎn)品組裝中，同時(shí)也越來越多樣化。目前，中國貼裝設(shè)備在市場上缺乏自主技術(shù)品牌，導(dǎo)致國內(nèi)貼片的供應(yīng)幾乎依靠海外進(jìn)口，在這種艱難的背景下，我國應(yīng)該提高對貼裝設(shè)備相關(guān)技術(shù)的研究與開發(fā)。貼裝設(shè)備作為SMT生產(chǎn)線上的重要部分，是集機(jī)械技術(shù)、微電子與激光等技術(shù)一體的智能化設(shè)備。因此，加快對SMT設(shè)備的升級與技術(shù)的開發(fā)，對實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線制造自動(dòng)化有重大意義，由于SMT表面貼裝技術(shù)具有高精度、高速度、高密度等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過多年的研究，使電子組裝技術(shù)發(fā)生了巨大的變化，傳統(tǒng)的手工組裝被自動(dòng)化精準(zhǔn)組裝所代替，低質(zhì)量的組裝技術(shù)不斷迭代優(yōu)化，自動(dòng)化組裝技術(shù)在未來不斷升級。SMT有三個(gè)關(guān)鍵工藝：印刷、貼片和回流焊。其中貼片技術(shù)是SMT生產(chǎn)線中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[2]，結(jié)合位移定位功能，可以快速、準(zhǔn)確地將SMT器件組裝到Carrier基板指定的位置。貼片時(shí)的速度，貼片后的精度以及貼片機(jī)械設(shè)備的集成度決定了貼片的技術(shù)工作能力。高精度貼片是典型的集機(jī)械、電、液、氣、光為一體的典型高新技術(shù)，它可以滿足高性能和大量I/O數(shù)量的應(yīng)用要求REF_Ref1939\w\h[3]。1.2倒裝貼片工藝原理倒裝貼片技術(shù)又稱flip-chip技術(shù)，過去集成芯片的有源區(qū)域是正面朝上，然后將背面與Carrier基板粘合在一起，F(xiàn)C技術(shù)是集成芯片的有源區(qū)域面向Carrier基板，即將集成芯片的正面與Carrier基板互連，通過翻轉(zhuǎn)的方法將集成芯片安裝在載板上，從芯片引出I/O端口，互連長度大大縮短，RC延遲時(shí)間減少，電氣性能得到明顯的改善，顯然，這種集成芯片倒裝互連的方法可以體現(xiàn)出更高的I/O密度，倒裝芯片的所占的總面積基本上與集成芯片的規(guī)格相同，在表面貼裝技術(shù)中，某些倒裝芯片可以完成超小超薄的封裝。倒裝芯片封裝技術(shù)的一部分使集成芯片和基板根據(jù)焊球連接，清除了導(dǎo)線連接，并在集成芯片和封裝之間建立最少的連接通道，適用于諸如CPU和GPU（圖形處理單元）之類的電子產(chǎn)品，與COB相比，這種封裝集成芯片結(jié)構(gòu)的I/O端方向朝下，I/O端引線遍布集成芯片的整個(gè)表面，因此某些倒裝芯片技術(shù)在響應(yīng)速度和封裝的相對密度已達(dá)到峰值。1.3倒裝貼片工藝的發(fā)展倒裝芯片技術(shù)始于1960年代的分立晶體管時(shí)代[4]，而封裝技術(shù)是熱壓焊接技術(shù)。眾所周知，在熱壓焊的整個(gè)過程中，點(diǎn)焊的底部很容易引起裂紋，這將立即降低電焊的抗壓強(qiáng)度，增加電阻，最終損害封裝的穩(wěn)定性。另外，電焊后的芯片必須密封于管殼內(nèi)，包裝成本將非常高，因此，IBM企業(yè)和貝爾實(shí)驗(yàn)室正在逐步探索一些方法來防止此問題。Bell實(shí)驗(yàn)室將氮化硅用作鈍化層來保護(hù)集成芯片，并使用細(xì)金線進(jìn)行互連以避免焊點(diǎn)被腐蝕，IBM應(yīng)用了玻璃鈍化層將芯片表面和鋁線氣密地連接在一起，然后根據(jù)在集成芯片表面電極區(qū)域中產(chǎn)生的焊球?qū)⒓尚酒突灞舜诉B接[5]。IBM和Bell實(shí)驗(yàn)室都通過將芯片的正面與基板連接，然后在基板上進(jìn)行電源電路布線，安裝無源組件，最后將集成芯片用硅膠進(jìn)行封裝，這種倒裝芯片技術(shù)是倒裝芯片互連的原始形狀。IBM逐漸在360系統(tǒng)的固態(tài)技術(shù)混合集成晶體管組件中使用上述倒裝芯片結(jié)構(gòu)，直到最近幾年，一些倒裝芯片早已成為高密度封裝的一種流行的封裝。如今，當(dāng)一些倒裝芯片技術(shù)被廣泛使用時(shí)，封裝類型也變得越來越多樣化，隨著二十一世紀(jì)電子產(chǎn)品體積的進(jìn)一步縮小，對倒裝芯片技術(shù)的要求也隨之提高。1.4影響倒裝貼片工藝精度的因素1.4.1CCD影像的檢測高速度高精度的貼片設(shè)備普遍采用視覺檢測系統(tǒng)，即采用CCD影像。貼片設(shè)備的檢測系統(tǒng)包括兩部分：貼片元件的位置估計(jì)和Carrier基板的基準(zhǔn)定位。其中，貼片元件的位置估計(jì)包括對貼片元件的旋轉(zhuǎn)角度與中心位置進(jìn)行快速精確定位，Carrier基板的精準(zhǔn)定位需要精準(zhǔn)定位Carrier基板的基準(zhǔn)點(diǎn)中心，通過定位中心的信息傳遞給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，對存在的位置進(jìn)行誤差補(bǔ)償，完成貼片元件與基準(zhǔn)點(diǎn)的中心偏移校正，其定位精度與定位速度直接影響貼片設(shè)備的貼片精度和貼片速度，因此，貼片的檢測系統(tǒng)（CCD影像）是提供貼片設(shè)備的貼裝精度與速度的突破口之一。1.4.2運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不僅會影像視覺識別系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，而且還將影響測高過程和生產(chǎn)過程設(shè)計(jì)、工藝控制系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是貼片設(shè)備的基礎(chǔ)，貼片型機(jī)器設(shè)備的關(guān)鍵程序模塊是拾放系統(tǒng)軟件，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)將影響其最終貼片的精度。在整個(gè)貼片過程中，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對于貼片精度的關(guān)鍵影響因素有：(1)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝精度。結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性在很大程度上決定了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度一致性。(2)拾放機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度；一般情況下，當(dāng)芯片從晶圓上被拾取時(shí)，需要拾取系統(tǒng)與晶圓頂針配合完成。拾取系統(tǒng)、頂針機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、以及力的大小決定了芯片能否能從藍(lán)膜上被順利拾??；當(dāng)芯片從放置系統(tǒng)被鍵合到Carrier基板時(shí)，放置系統(tǒng)與基板運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)之間的穩(wěn)定性，芯片拾放角度與位置偏差會影響貼裝精度。(3)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性；傳輸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和拾取放置運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)空間中的兩個(gè)平面坐標(biāo)，同軸線具有一定的相交角，視覺識別系統(tǒng)的主要參數(shù)不能精確說明整個(gè)行程的情況，導(dǎo)致不同檢測位置的精度誤差不一致，這也將影響倒裝貼片的精度REF_Ref10417\w\h[6]。1.5論文結(jié)構(gòu)通過分析，本課題優(yōu)化的主要技術(shù)指標(biāo)包括：芯片與Carrier基板之間的貼片精度（x、y方向偏移）達(dá)到±4μm、貼片機(jī)構(gòu)與調(diào)平機(jī)構(gòu)的角度θ的精度為±0.1°，即貼片后芯片與Carrier基板的相對角度為±0.1°。具體的章節(jié)安排為：第一章介紹本課題的研究背景與意義，對倒裝貼片技術(shù)的原理和發(fā)展以及國內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行概括，并分析了影響倒裝貼片精度的主要因素；第二章主要對CCD影像進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對芯片的圖像定位以及誤差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)貼片設(shè)備對芯片中心位置的識別；第三章主要對拾取系統(tǒng)和鍵合系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對于拾取系統(tǒng)優(yōu)化其參數(shù)工藝，鍵合系統(tǒng)則進(jìn)行優(yōu)化調(diào)平校正機(jī)構(gòu)，這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在很大程度上決定了倒裝貼片最終的精度；第四章通過精度測試的實(shí)驗(yàn)對改進(jìn)的圖像識別以及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化效果進(jìn)行分析；第五章總結(jié)全文。CCD影像設(shè)計(jì)2.1圖像定位預(yù)處理2.1.1利用區(qū)域增長法求取特征點(diǎn)SMT貼片機(jī)的視覺效果成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接影響視覺識別系統(tǒng)、制造智能管理系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)之間的協(xié)作程度。此外，圖像質(zhì)量也是對貼片設(shè)備視覺識別系統(tǒng)的定位精度產(chǎn)生了直接的影響，因此，它已成為影響SMT貼片機(jī)精度的不可忽略的因素。一方面，它顯示了視覺定位識別特征，在對Carrier基板和元器件的檢測中，特征點(diǎn)的提取通常不固定，常用的有矩形、圓孔、以及十字形。區(qū)域增長法是一種基于相同對象區(qū)域中像素的相似特征來收集像素點(diǎn)的方法[7]，基本概念是基于一些原始的生長種子（種子可以是單獨(dú)定義的像素），并且此類種子的周圍區(qū)域具有相似的定義，并合并到種子定義所屬的區(qū)域中，從而產(chǎn)生新的種子像素[8]，直到當(dāng)前的區(qū)域不能再這樣合并。將圖像二值化后，所有圖像均顯示出明顯的黑白實(shí)際效果，背景區(qū)域是灰黑色，而白色區(qū)域是包含組件的特征點(diǎn)，如圖2-1所示。區(qū)域增長法的目的是檢索所有的白色區(qū)域，圖2-1中背景的閾值是0，為黑色，前景的閾值是255為白色，這樣就將整張圖像分成了黑色的背景和白色的前景[9]，同時(shí)又沒有了其他灰度值像素點(diǎn)的干擾。一個(gè)二值化圖像中任何一點(diǎn)的灰階值都可以由函數(shù)表示，則(x，y)表示其中一個(gè)像素的點(diǎn)的位置。從圖像的起點(diǎn)(x0，y0)開始逐漸搜索，當(dāng)檢索到第一個(gè)白色點(diǎn)，即f(x，y)=255時(shí)，記錄下該點(diǎn)的坐標(biāo)(x1，y1)。從這一刻開始，該區(qū)域的第一輪區(qū)域增長開始，看其灰階值是否為255，如果灰階值為255的像素，則該點(diǎn)將被放入堆棧中，如果沒有，則從堆棧中移出到下一個(gè)點(diǎn)，并從頭開始檢索直到堆棧中的最后一個(gè)點(diǎn)為止，然后就完全檢索出此白色區(qū)域。算法流程如圖2-2所示。圖2-1提取芯片白色特征點(diǎn)示意圖圖2-2區(qū)域生長法的算法流程2.1.2元器件的缺陷識別對于不同類型的芯片，取決于它們的準(zhǔn)確度水平，成像條件和表面質(zhì)量[10]，在前期制程就很可能會造成損壞，或者在自然環(huán)境中促使元器件表面上會存在崩邊、臟污、劃痕等，這將對最終檢測的圖像產(chǎn)生各種影響。區(qū)域增長法的設(shè)計(jì)主要是基于芯片的總面積來進(jìn)行影響點(diǎn)的去除，根據(jù)區(qū)域增長法計(jì)算出的電子元件閾值為A(i)，設(shè)置電子元器件的總面積極限閾值為maxA和下限閾為值minA，如果minA<A(i)<maxA，則該電子元件為標(biāo)準(zhǔn)電子元件，否則為非標(biāo)準(zhǔn)電子元件。同時(shí)可獲取該元器件的圖像中心的偏移角度、中心坐標(biāo)位置偏移等特征，且此類特征均以矩陣形式保存[11]，可將待測芯片的特征區(qū)域與相應(yīng)的模板芯片特征區(qū)域進(jìn)行比對，并設(shè)以一定誤差范圍，可以準(zhǔn)確地區(qū)分和識別缺陷芯片，檢測的缺陷芯片如圖2-3所示。圖2-3缺陷芯片示意圖2.2誤差補(bǔ)償2.2.1元器件的偏移貼片元器件在整個(gè)精確定位過程中都有可能會發(fā)生偏移，偏移情況如圖2-4所示，其中圖2-4(a)表示元器件理想狀態(tài)，圖2-4(b)表示元器件中心位置偏移，圖2-4(c)表示元器件的角度發(fā)生偏移，圖2-4(d)表示元器件的中心位置和角度均發(fā)生偏移。圖2-4元器件偏移示意圖2.2.2元器件中心與角度的誤差補(bǔ)償隨著電子生產(chǎn)對貼裝效率和精度的要求越來越高，視覺定位方法由于其高精度、高效率而成為現(xiàn)階段的核心精密定位方法，是未來貼片設(shè)備定位系統(tǒng)發(fā)展的流行方向[12]。在識別電子元件的整個(gè)過程中，拾取系統(tǒng)不可避免地會出現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的差異，這很容易導(dǎo)致系統(tǒng)的拾取系統(tǒng)對于元件的定位估計(jì)不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致電子元器件產(chǎn)生角度偏移或位置偏差，但是對于貼片的精度會有很大差異。因此，除了用于貼片元器件的視覺識別系統(tǒng)的特征點(diǎn)之外，電子元件的角度偏差θ和位置偏差(?x，?y)的檢測也不能忽略[13]。由于電子元器件基本上都是矩形或類似的矩形，因此采用圖像分割的檢測邊緣法獲得更清晰的邊緣，并根據(jù)最大的內(nèi)接矩形框和最小二乘法計(jì)算得出電子元器件的中心坐標(biāo)，用線性合成平行線的方法[14]以獲得元器件的偏轉(zhuǎn)角和中心位置的偏移位置，并且可以精確地定位，最大的內(nèi)接矩形框的優(yōu)化算法是檢查電子元器件的中心位置和角度合理而準(zhǔn)確的方法[15]，最大的內(nèi)接矩形框的法的理論基礎(chǔ)是，從目標(biāo)幾何輪廓的總錨點(diǎn)到距錨點(diǎn)最遠(yuǎn)的4個(gè)像素，如圖2-5所示。圖2-5最大內(nèi)接矩形示意圖P1，P2，P3，P4是在總體輪廓邊緣與目標(biāo)中心相距最遠(yuǎn)的4個(gè)點(diǎn)，將這4個(gè)點(diǎn)依次進(jìn)行連接以獲得整體目標(biāo)輪廓的最大內(nèi)切矩形框。充分考慮電子芯片的外觀標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)邊緣點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，采用輪廓重心法測量基本電子元器件圖像的中心位置坐標(biāo)，計(jì)算中心坐標(biāo)方法如公式(2-1)所示：(2-1)xc和yc為電子元器件的理論的中心位置坐標(biāo)，輪廓點(diǎn)將第i個(gè)像素的平面坐標(biāo)居中，其中n是像素?cái)?shù)，以獲取整個(gè)目標(biāo)圖像的中心位置(xc，yc)，當(dāng)獲得最大的內(nèi)切矩形框時(shí)，可以明確電子元器件的中心位置坐標(biāo)，中心位置坐標(biāo)的計(jì)算方法如公式(2-2)所示： (2-2)式中，xc1和yc1表示電子元器件的實(shí)際的中心位置坐標(biāo)，盡管在理論上電子元器件是矩形框，但距離整個(gè)目標(biāo)中心較遠(yuǎn)的4個(gè)像素的連接線可能不是標(biāo)準(zhǔn)的矩形框（也就是說，四條邊不一定是直線），即在θ1，θ2，θ3，θ4中，平均角度偏差會較大。因此，取出平均偏差超過5%的夾角，并計(jì)算剩余夾角的平均值作為偏差角度。如果P1，P2，P3和P4的像素點(diǎn)坐標(biāo)分別為(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，y4)，則線P1P2和線P3P4分和水平方向之間的交角以及線P1P4和線P2P3為和垂直方向的夾角，這些夾角是圖像所形成的旋轉(zhuǎn)的角度，角度由公式(2-3)計(jì)算： (2-3)則元器件的偏轉(zhuǎn)角θ以及元器件的中心位置的水平偏移量?x和垂直偏移量?y的計(jì)算方法如公式(2-4)所示：(2-4)2.3本章小結(jié)本章主要是通過對CCD影像識別的提高進(jìn)行對精度的優(yōu)化，通過區(qū)域增長法提取芯片的特征點(diǎn)以及對缺陷芯片的檢測剔除，用最小二乘法和最大的內(nèi)接矩形框計(jì)算出芯片的中心位置，利用線性合成平行線的方法獲得芯片偏轉(zhuǎn)角和中心位置的偏移位置并補(bǔ)償，視覺系統(tǒng)處理CCD影像，并完成芯片與基板的精確對準(zhǔn)。第三章運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化第三章運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化3.1拾取系統(tǒng)3.1.1頂針與拾取頭通常，當(dāng)從晶圓中拾取芯片時(shí)，拾放系統(tǒng)必須與晶圓頂針機(jī)構(gòu)配合使用。拾取放置系統(tǒng)、晶圓頂針機(jī)構(gòu)的可靠性和準(zhǔn)確性以及晶圓頂針的頂起高度決定了是否可以從藍(lán)膜上順利拾取芯片，芯片拾取角度和位置誤差也將對最終的貼片精度有影響。如圖3-1所示，晶圓頂針向上頂起的軌跡應(yīng)與芯片垂直，并且取放系統(tǒng)軟件的軌跡也應(yīng)垂直于芯片，這樣芯片挑揀的位置誤差小，準(zhǔn)確度高。但是通常由于安裝會存在一定的誤差并且軌道不是垂直的，所以芯片拾取通過率較低，并且精度水平很差，因此，在安裝過程中應(yīng)確保垂直度以及平行度，因?yàn)槭叭☆^的旋轉(zhuǎn)軸在安裝后會存在誤差，并且拾取頭旋轉(zhuǎn)時(shí)在x和y方向上會有偏移，因此，在最終定位中要進(jìn)行吸嘴的定位。拾取系統(tǒng)也受到許多重要工藝參數(shù)的影響，包括頂針的直徑、頂出的高度、頂針的真空壓力以及拾取頭與頂針之間的垂直距離等，并且頂針的頂出高度和拾取頭之間的垂直距離是最重要的工藝參數(shù)，必須合理布局。這個(gè)過程中，可以優(yōu)化工藝參數(shù)和頂針的幾何形狀，為設(shè)計(jì)和操作拾取系統(tǒng)提供了信息，也可以對一些有不同機(jī)制的拾取系統(tǒng)，如薄晶片的多端式拾取機(jī)和不同機(jī)械類型的拾取機(jī)進(jìn)行分析[16]。利用這種技術(shù)，可以研究不同因素的影響，也可以繪制一個(gè)過程的工作窗口，從而縮短工藝工程師的調(diào)試時(shí)間，還可以實(shí)現(xiàn)在最短時(shí)間內(nèi)的最佳工藝參數(shù)，這是大批量生產(chǎn)中最重要的經(jīng)濟(jì)問題，芯片的發(fā)展趨勢是更薄更輕，拾取過程將成為整個(gè)裝配過程的一個(gè)重要問題。圖3-1芯片拾取過程示意圖3.2運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性針對晶圓級芯片封裝來說，芯片的對位不僅是只有運(yùn)動(dòng)平臺的X、Y、Z軸，還有夾角T軸的偏差。四軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精度決定了芯片拾放系統(tǒng)的精度，運(yùn)動(dòng)的精度受總體工藝設(shè)計(jì)，電機(jī)選擇，組件安裝，主要參數(shù)的影響。此外，X和Y軸必須嚴(yán)格垂直，否則擴(kuò)展的行程將導(dǎo)致平行面的方向發(fā)生誤差，這將影響精確定位的準(zhǔn)確性。夾角T越大，偏差越大，與行程裝置L的長度有關(guān)，測量偏差ΔX計(jì)算如公式(3-1)所示：(3-1)可以看出，當(dāng)相交角T≤10°且行程為200mm時(shí)，，安裝角度會嚴(yán)重影響精度。此外，加熱系統(tǒng)還會影響運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，倒裝貼片設(shè)備的拾取和放置結(jié)構(gòu)是一種快速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，在長期工作中，由摩擦和溫度升高引起的原材料熱變形也會對精度有影響，包括電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，滑軌，滾動(dòng)軸承等相對運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦生熱，熱量會改變原料的長度，這也是長期運(yùn)行和精度不穩(wěn)定的要素。以GCr15軸承鋼材料為例，其瞬時(shí)膨脹系數(shù)α在1.5×10-5~8×10-5/℃之間，當(dāng)變化溫度Δt為1℃，行程為100mm時(shí)，其熱拉伸量ΔL計(jì)算如公式(3-2)所示：(3-2)測得的熱拉伸量ΔL為1.5-8μm。因此，有必要選擇線性膨脹系數(shù)小的原材料，并最小化運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的熱值，以提高系統(tǒng)精度的可靠性，位置工作過程是將反饋回來的X、Y、Z、T軸的實(shí)際位置與預(yù)先設(shè)定的位置進(jìn)行比較，差值為其跟隨誤差[18]，因此為了減小偏差，當(dāng)設(shè)備貼裝運(yùn)行一段時(shí)間后，需要對設(shè)備進(jìn)行精度校準(zhǔn)。鍵合頭端的設(shè)計(jì)思路如圖3-2所示。盡量使加熱元件加熱鍵合頭尖端，使熱源與芯片的距離縮小，從而提高熱效率，降低熱源功率需求。熱源功率越小，加熱過程對整個(gè)機(jī)臺的影響越小。兩個(gè)措施減少對精度的影響：(1)合理選擇材料（陶瓷連接件），保證隔熱的同時(shí)，減少熱變形量；(2)通過強(qiáng)制氣冷，降低加熱元件對其他部分的影響。圖3-2鍵合頭設(shè)計(jì)示意圖3.3鍵合系統(tǒng)3.3.1鍵合頭與基板鍵合系統(tǒng)的精度是指在拾取芯片之后，通過鍵合運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的相對運(yùn)動(dòng)后，芯片到達(dá)的實(shí)際位置與理想位置之間的誤差[19]。影響鍵合精度的主要誤差包括：(1)每個(gè)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌的水平面和垂直面的平行度誤差、直線度誤差以及垂直度誤差；(2)安裝誤差。雖然旋運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作中旋轉(zhuǎn)量很小，但是會影響芯片的角度精度，因此對芯片貼裝的位置精度影響較大。3.3.2鍵合頭的調(diào)平機(jī)構(gòu)高密度封裝集成芯片具有大的總面積，并且集成芯片上的凸點(diǎn)的總數(shù)多。為了使各凸點(diǎn)的受力均勻，使各凸點(diǎn)與焊料層的連接強(qiáng)度必須保持一致，保證芯片與Carrier基板平行。但是，由于存在生產(chǎn)和貼裝引起的幾何差異和運(yùn)動(dòng)差異等差異源，如果不調(diào)整芯片的姿態(tài)，則鍵合時(shí)芯片通常不可能與Carrier基板（通常固定在基板上，姿態(tài)無法自動(dòng)調(diào)整）平行，而是存在一定的傾斜角度，此時(shí)芯片與基板間的相對位置關(guān)系如圖3-3所示，這些情況會導(dǎo)致的不利影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：(1)芯片不同位置的凸點(diǎn)與基板具有不同的鍵合強(qiáng)度，當(dāng)芯片與基板面積較大或者兩者不平行度較大時(shí)某些位置的凸點(diǎn)甚至不能與基板鍵合。在圖3-3(a)所示的狀態(tài)中，芯片在a處未接觸到基板，b處已與基板連接，這兩個(gè)位置的鍵合壓力顯然不同；(2)鍵合時(shí)芯片將產(chǎn)生裂紋甚至碎裂。在圖3-3(b)所示的狀態(tài)中，芯片b處與基板接觸后，隨著鍵合力的增加，芯片在a處左側(cè)附近未與基板接觸的位置將產(chǎn)生應(yīng)力集中，由于芯片是一種又硬又脆的物體，此時(shí)芯片極易產(chǎn)生裂紋甚至碎裂。為了降低各種誤差對芯片與Carrier基板不平行導(dǎo)致的不利影響，高精度倒裝貼片設(shè)備還必須配備一個(gè)調(diào)平校正機(jī)構(gòu)，以調(diào)整芯片的位置。當(dāng)調(diào)平校正機(jī)構(gòu)調(diào)整芯片位置時(shí)，還需要考慮它作用在芯片上的壓力，這在倒裝貼片設(shè)備的成品率中起著特別重要的作用，必須具有較小的體積，較強(qiáng)的承載能力和較快的運(yùn)動(dòng)速度以及精度較高的特點(diǎn)[20]。圖3-3調(diào)平機(jī)構(gòu)對芯片姿態(tài)的影響3.3.3鍵合頭與基板的平整度檢測芯片和Carrier基板的平整度檢查和調(diào)節(jié)是為了確保精確對位，另一目的是更好地使芯片在貼片的過程中受到的壓力一致，并防止在傾斜條件下發(fā)生碰撞最后造成機(jī)器的光、機(jī)械和電氣特性失效。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)專用光學(xué)系統(tǒng)來檢測基板與芯片的平行度；面與面平行調(diào)節(jié)算法通過三點(diǎn)定面原理進(jìn)行測算[21]，并獲得兩個(gè)平面圖的平面度。創(chuàng)建一個(gè)數(shù)學(xué)分析模型，如圖3-4所示。眾所周知，三個(gè)非共線的點(diǎn)確定一平面圖。當(dāng)光學(xué)激光測距系統(tǒng)在2個(gè)平面圖之間取3個(gè)特征點(diǎn)時(shí)，使用下工作表面作為參考點(diǎn)，上下工作表面之間的三個(gè)間距值Z1，Z2和Z3，可以將兩個(gè)平面圖的相交角轉(zhuǎn)換為兩個(gè)平面圖的法向空間相交角，并且可以測量兩個(gè)平面圖之間的角度，以一個(gè)工作面為標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整另一個(gè)工作面（根據(jù)計(jì)算的角度旋轉(zhuǎn)），直到兩個(gè)工作面平行。圖3-4 三點(diǎn)法平面空間角度圖3.3.4鍵合頭的校正機(jī)構(gòu)校正機(jī)構(gòu)用于調(diào)整芯片的姿勢，以完成芯片與Carrier基板的平行貼裝。因此會有兩種檢測裝置。一組用于檢查芯片和Carrier基板的中心位置，為貼裝機(jī)構(gòu)提供運(yùn)動(dòng)位移補(bǔ)償?shù)男畔ⅲ酝瓿啥叩亩ㄎ?。另一套用于精確測量芯片和Carrier基板的偏斜度，為調(diào)平矯正機(jī)構(gòu)提供角度偏移的信息以完成兩者校正平行[22]。并且有兩個(gè)加熱裝置，加熱裝置分別嵌入在鍵合頭和Carrier基板的工作臺中，加熱裝置是為了提供芯片以及Carrier基板在工作時(shí)所需要的能量，鍵合原型裝置實(shí)物圖如圖3-5所示。圖3-5鍵合頭原型裝置3.4本章小結(jié)本章通過對拾取系統(tǒng)、鍵合系統(tǒng)以及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的特性進(jìn)行優(yōu)化。貼片設(shè)備的各個(gè)系統(tǒng)在對芯片進(jìn)行貼裝時(shí)要求快速準(zhǔn)確的對各個(gè)芯片進(jìn)行貼裝，因此可以根據(jù)調(diào)整頂針的頂出高度和拾取頭與頂針之間的垂直距離等工藝參數(shù)，經(jīng)過檢測系統(tǒng)檢測芯片和基板之間的平行度，鍵合系統(tǒng)的調(diào)平校正機(jī)構(gòu)根據(jù)平行度偏差自動(dòng)校正芯片，提高了鍵合系統(tǒng)端的貼裝效率以及精度。第四章最終精度驗(yàn)證第四章最終精度驗(yàn)證最終精度驗(yàn)證4.1精度驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)采用CCD攝像機(jī)測試系統(tǒng)，完成對芯片圖像處理的同時(shí)完成圖像的對準(zhǔn)定位任務(wù)。首先從CCD攝像機(jī)收集的芯片模板圖像執(zhí)行過濾以獲取邊緣，然后提取特征點(diǎn)，在定位跟蹤的情況下，加載整個(gè)目標(biāo)圖像以及芯片模板圖像，并進(jìn)行精準(zhǔn)定位。圖4-1為元件標(biāo)記的位置圖，所有偏差值均在誤差范圍內(nèi)。圖4-1芯片定位圖為了測試穩(wěn)定性和精度，進(jìn)行實(shí)際貼裝過程的模擬實(shí)驗(yàn)，并且隨機(jī)進(jìn)行測量精度，測得的x方向的偏移散點(diǎn)圖如圖4-2所示，y方向的偏移散點(diǎn)圖如圖4-3所示，角度θ的偏移散點(diǎn)圖如圖4-3所示。圖4-2x方向偏移散點(diǎn)圖圖4-3y方向偏移散點(diǎn)圖圖4-4角度θ偏移散點(diǎn)圖4.2本章小結(jié)本章在上述提到的優(yōu)化倒裝貼片精度的方法進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，根據(jù)本課題設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，貼片的精度設(shè)計(jì)需要達(dá)到±4μm，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測得數(shù)據(jù)可知，完全滿足±4μm的精度要求，元件偏轉(zhuǎn)角度的檢測精度為±0.1°，從圖4-4中看出對于元件的角度均在誤差以內(nèi)，滿足精度要求。從中心位置、偏移誤差以及角度誤差來看，本文提出優(yōu)化精度的方法具有較好的穩(wěn)定性。致謝參考文獻(xiàn)主要結(jié)論本文針對提高貼片元件的貼裝精度的問題，提出一種基于機(jī)器視覺和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)方法。為了更好地減小誤差并提高精度，因此需要擬合電子元器件的邊緣所屬的直線，并測量芯片的傾斜角。最小二乘法簡單易行，測量量小，并且線性擬合精度高。重復(fù)的精度測試已證實(shí)，此方法可確保芯片的精確定位和識別以及檢查的高精度。此外，它提高了芯片識別和檢測的速度，并優(yōu)化了貼片元件的精確定位和識別，提高了貼裝的效率。在這項(xiàng)工作上，對倒裝貼片技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析以達(dá)到優(yōu)選的高對準(zhǔn)精度。此外，這些結(jié)果極大地促進(jìn)了的晶圓級無尺寸微電子管集成方法的實(shí)際應(yīng)用，隨著半導(dǎo)體集成封裝技術(shù)的發(fā)展，倒裝貼片技術(shù)在晶片級芯片規(guī)模封裝(WLCSP)開發(fā)良好，因此，WLCSP被認(rèn)為是用集成電路組裝MEMS的最有前途的方法之一，因?yàn)樗c芯片上的系統(tǒng)(SOC)或封裝中的系統(tǒng)(SIP)技術(shù)相比，它提供了更高的效率。參考文獻(xiàn)程海林.貼片設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)及現(xiàn)狀[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2020,49(02):7-11.唐永泉.對電子元器件表面組裝工藝質(zhì)量改進(jìn)及應(yīng)用研究[J].信息通信,2017(03):276-277.LeeNC.IntroductiontoSurfaceMountedTechnology[J].ReflowSolderingProcesses,2001:1-18.董輝,張圻,周瑾,陳子豪,姜濤.基于STM32的全自動(dòng)貼片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2019,27(03):79-82+90.高鋒.倒裝焊接技術(shù)及其發(fā)展[J].印制電路信息,2007(06):14-16+27.侯一雪,王敏.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)對微小芯片貼片精度的影響[J].電子工藝技術(shù),2020,