莊文波，朱文饒，葉樂志，潘峰

（北京中電科電子裝備有限公司，北京100176）

飛行視覺在半導(dǎo)體封裝設(shè)備中的應(yīng)用分析

莊文波，朱文饒，葉樂志，潘峰

（北京中電科電子裝備有限公司，北京100176）

根據(jù)視覺技術(shù)在半導(dǎo)體封裝設(shè)備上的應(yīng)用分析，提出了一種新的飛行視覺技術(shù)，通過設(shè)計(jì)標(biāo)記點(diǎn)輔助視覺定位，解決了飛行視覺在半導(dǎo)體設(shè)備中精確定位的應(yīng)用難題，從而解決了傳統(tǒng)視覺技術(shù)需要拾取執(zhí)行機(jī)構(gòu)先要運(yùn)行到CCD視野中停止，然后等待CCD識別完成后再運(yùn)行到工作位的問題，大大提高了設(shè)備的工作效率和競爭力。

半導(dǎo)體封裝；飛行視覺；標(biāo)記點(diǎn)；定位

半導(dǎo)體、電子設(shè)備市場是機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用的巨大市場之一，機(jī)器視覺計(jì)術(shù)本身也隨著半導(dǎo)體、電子、光學(xué)、自動化等技術(shù)的發(fā)展而不斷完善、發(fā)展［1］。目前國內(nèi)外的半導(dǎo)體封裝設(shè)備大都與視覺系統(tǒng)相結(jié)合，以獲得優(yōu)良的封裝精度［2］。同時隨著市場需求的不斷發(fā)展，對半導(dǎo)體設(shè)備的工作效率也要求越來越高。

傳統(tǒng)的視覺應(yīng)用往往是需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)先要運(yùn)行到相機(jī)視野中停止，然后等待相機(jī)識別完成后再運(yùn)行到工作位，這樣會損失設(shè)備的工作效率。從而飛行視覺技術(shù)的應(yīng)用隨之被提出來，而飛行視覺在半導(dǎo)體設(shè)備的某些應(yīng)用中會存在難以確定相機(jī)捕捉芯片圖像的即時位置的問題，這樣會造成芯片與拾取執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的相對偏移難以確定。

本文通過分析飛行視覺的特點(diǎn)，提出在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)一個標(biāo)記點(diǎn)，通過標(biāo)記點(diǎn)與拾取執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相對位移關(guān)系，經(jīng)過圖像識別，算出標(biāo)記點(diǎn)和芯片分別與相機(jī)中心的位置，從而得到芯片在拾取機(jī)構(gòu)上的相對位置偏移，這樣執(zhí)行機(jī)構(gòu)在經(jīng)過相機(jī)時不需停止而能得到芯片的偏移位置，提高了設(shè)備的工作效率，同時也提高了設(shè)備的競爭力。

1　機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用分析

1.1機(jī)器視覺系統(tǒng)原理

機(jī)器視覺系統(tǒng)的簡易示圖如圖1所示，整機(jī)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、CCD、運(yùn)動拾取執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。拾取機(jī)構(gòu)拾取芯片運(yùn)行到CCD視野中心，經(jīng)CCD進(jìn)行圖像采集并進(jìn)行圖像識別，圖像識別會得到芯片的中心與CCD中心的差值即芯片與拾取頭中心的差值。這樣，計(jì)算機(jī)會將此差值反饋到拾取執(zhí)行機(jī)構(gòu)，拾取執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)位置反饋進(jìn)行位置校正，然后將芯片精確地運(yùn)送到指定工位。

圖1　機(jī)器視覺系統(tǒng)

1.2視覺技術(shù)應(yīng)用存在的弱點(diǎn)

在視覺技術(shù)實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，為了滿足半導(dǎo)體設(shè)備高精度的要求，需要機(jī)器視覺精確定位，而機(jī)器視覺需要得到比較清晰和對比度明顯的圖像，然后與模板進(jìn)行匹配得到位置差值。這就需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)先運(yùn)行到CCD中心位置，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)高速運(yùn)動存在的慣性使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)在進(jìn)入相機(jī)視野后不能立刻停穩(wěn)，需要一段延時后CCD進(jìn)行采集，得到清晰的圖像后再進(jìn)行識別。這種方式就會使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)會經(jīng)歷一個運(yùn)動、停止、再運(yùn)動的過程如圖2所示，這樣就會使得整個工作過程中，拾取機(jī)構(gòu)的運(yùn)行時間加長，造成工作效率的下降。

圖2　執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程

2　飛行視覺技術(shù)分析

由于傳統(tǒng)視覺技術(shù)在半導(dǎo)體封裝設(shè)備應(yīng)用中存在的弱點(diǎn)，而市場需求又對封裝設(shè)備的運(yùn)行效率提出了高要求。這樣飛行視覺的概念便被引入進(jìn)來，拾取機(jī)構(gòu)拾取芯片在經(jīng)過CCD的過程中便完成了對芯片位置的檢測，這種技術(shù)又被稱為飛行對中技術(shù)［3］。

2.1飛行視覺的應(yīng)用要點(diǎn)

要完成CCD對芯片在拾取頭上的位置偏移量做出精確識別，飛行視覺需要滿足以下三個方面要求：

（1）拾取機(jī)構(gòu)拾取芯片在經(jīng)過CCD時不會停止；

（2）芯片在經(jīng)過CCD時能夠被捕捉到圖像，而且圖像要比較清晰便于進(jìn)行識別；

（3）能夠精確記錄CCD捕捉到芯片圖像時的電機(jī)即時位置，位置偏差要在3 μm內(nèi)；

飛行視覺應(yīng)用示意圖如圖3所示。

注：圖3中P1為拾取頭放置芯片位置點(diǎn)；P2為拾取頭拾取芯片位置點(diǎn)；P3為發(fā)送相機(jī)觸發(fā)信號的位置判斷點(diǎn)；P4為拾取頭在CCD中心位置點(diǎn)。

為完成拾取機(jī)構(gòu)拾取芯片在經(jīng)過CCD時完成圖像采集，需要給CCD發(fā)送觸發(fā)信號。圖像的清晰度與CCD的曝光時間、外部光源強(qiáng)度、相機(jī)增益有關(guān)。如果這些因素設(shè)置不當(dāng)，得到的芯片圖像清晰度就差，如圖4所示，圖像的清晰度差就會造成CCD識別精度變差甚至識別不到結(jié)果。實(shí)驗(yàn)當(dāng)中將曝光時間設(shè)置成30 μs，光源強(qiáng)度為200，得到圖像就比較清晰如圖5所示。

圖3　飛行視覺應(yīng)用簡易圖

圖4　不清晰的圖像

圖5　清晰的圖像

觸發(fā)信號的發(fā)送時機(jī)與拾取機(jī)構(gòu)經(jīng)過CCD時的速度有關(guān)，若速度較快，則發(fā)送觸發(fā)信號的位置判斷點(diǎn)P3就需要提前，否則得到的圖像就會超出CCD的視場區(qū)域造成識別失敗。

2.2飛行視覺實(shí)際應(yīng)用中存在的問題

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，由于位置P3是判斷標(biāo)記點(diǎn)，所以給相機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號的即時位置有可能是P3點(diǎn)，也可能會滯后于P3點(diǎn)。從理論上講，發(fā)送觸發(fā)信號的位置不同而造成的偏差應(yīng)該與得到的圖像識別后的偏差有一一對應(yīng)關(guān)系。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中首先保證芯片在拾取機(jī)構(gòu)上沒有相對偏移，然后讓拾取機(jī)構(gòu)快速經(jīng)過CCD時進(jìn)行圖像采集并識別，觸發(fā)判斷位置點(diǎn)P3是172 mm，一個像素對應(yīng)4.4 μm，先后采集10組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　識別差值與觸發(fā)位置差值表

相應(yīng)地識別差值與觸發(fā)位置差值對應(yīng)圖如圖6所示。

圖6　識別差值與觸發(fā)位置差值對應(yīng)圖

從表1及圖6中可以看出，發(fā)送觸發(fā)信號的偏差并不一致，這一點(diǎn)主要是因?yàn)閺陌l(fā)送觸發(fā)信號到CCD開始采圖之間存在一定的時間延時誤差，這與CCD本身硬件相關(guān)。CCD識別芯片后的識別值包含拾取頭中心與CCD中心的差值以及芯片與拾取頭之間的相對偏移，飛行視覺的最終目的是得到芯片與拾取頭之間的相對偏移，這就需要知道CCD采集到圖像時的即時位置P，而通過表1及圖6可知，即時位置P不能確切得到。這樣飛行視覺在應(yīng)用中就不能得到很好利用。

3　輔助識別標(biāo)記點(diǎn)

只要能夠得到CCD采集圖像時的即時位置P，這樣CCD識別芯片后的識別值與即時位置P之間的差值即是芯片與拾取頭之間的相對偏移。為此，我們在拾取機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)一個輔助標(biāo)記點(diǎn)，此標(biāo)記點(diǎn)的作用就是利用飛行視覺技術(shù)，得到這個標(biāo)記點(diǎn)圖像并通過識別計(jì)算出其與CCD中心的位置差，從而得出CCD采集圖像時的即時位置P。原理設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

圖7　輔助標(biāo)記點(diǎn)設(shè)計(jì)原理圖

輔助標(biāo)記點(diǎn)需要滿足以下三個條件：、

（1）標(biāo)記點(diǎn)需要是規(guī)則的圖案，以便CCD能夠?qū)ζ鋱D像進(jìn)行識別；

（2）標(biāo)記點(diǎn)在拾取機(jī)構(gòu)上比芯片最低端高度略高，不影響拾取頭放置芯片，最大不能超過相機(jī)的景深；

（3）標(biāo)記點(diǎn)距離拾取頭距離要近，而且標(biāo)記點(diǎn)與拾取頭之間是一可知的確切距離，以便CCD能夠同時抓取芯片和標(biāo)記點(diǎn)的圖像。

在滿足上面三個條件下，我們通過實(shí)驗(yàn)只需驗(yàn)證發(fā)送觸發(fā)信號的位置偏差是否與圖像識別后的偏差有一一對應(yīng)關(guān)系即可。實(shí)驗(yàn)中每間隔2 μm發(fā)送一次相機(jī)觸發(fā)信號，CCD采圖并識別，觸發(fā)判斷位P3是175 mm，得到的觸發(fā)信號位置差值及圖像識別差值如表2所示。

表2中，Δd是觸發(fā)位置差與圖像識別差之間的差值，都在1 μm以下，這說明觸發(fā)信號的位置偏差與圖像識別后的偏差一一對應(yīng)，這證明了所設(shè)計(jì)的標(biāo)記點(diǎn)能夠確定飛行視覺中拾取頭與CCD中心的位置P，因此也就得到了芯片在拾取頭上的相對位置偏移值。

表2　觸發(fā)信號位置差值及圖像識別差值表

4　結(jié)論

本文通過分析飛行視覺在半導(dǎo)體封裝設(shè)備中應(yīng)用存在的問題，提出在拾取頭上設(shè)計(jì)輔助標(biāo)記點(diǎn)，由標(biāo)記點(diǎn)來確定飛行視覺中捕捉到芯片時的拾取頭電機(jī)位置，從而推算出芯片在拾取頭上的相對位置偏移，這樣拾取機(jī)構(gòu)在經(jīng)過CCD時無需停留便能得到芯片的位置偏差，從而提高了設(shè)備的工作效率，提高了設(shè)備的競爭力。

［1］曹亮，魏怡，姚思勤.機(jī)器視覺技術(shù)及其發(fā)展和應(yīng)用［J］.中國科技信息.2008，（11）：40-41.

［2］丁漢，朱利民，林忠欽.面向芯片封裝的高加速度運(yùn)動系統(tǒng)的精確定位和操作［J］.自然科學(xué)進(jìn)展-國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通訊，2003，（6）：568-574.

［3］鮮飛.貼片機(jī)視覺對中系統(tǒng)［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2006，（7）：29-31.

Application Analysis of Vision on-the-fly in Semiconductor Packaging Equipment

ZHUANG Wenbo，ZHU Wenrao，YE Lezhi，PAN Feng
（CETC Beijing Electronic Equipment Co.，Ltd，Beijing 100176，China）

Application analysis based on vision technology in semiconductor packaging equipment，a new vision on-the-fly technology is proposed in this paper.A mark point was designed to assist precise positioning，this solved the vision on-the-fly application problemsin semiconductor equipment.Also the traditional technology which needpick head running to CCD firstly and waiting for identify then running to work place was solved The efficiency and competitiveness were improved greatly.

Semiconductor packaging；Vision on-the-fly；Mark point；Positioning

TN605

B

1004-4507（2016）01-0027-04

莊文波（1980-）男，山東濰坊人，研究生學(xué)歷，工程師，主要從事半導(dǎo)體封裝設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。

2015-12-30