倒裝熱壓鍵合設(shè)備中熱氣流對視覺定位系統(tǒng)影響研究

韓微微，趙萬利，李 愷

(1.北京中電科電子裝備有限公司，北京100176；

2.光電信息控制與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北三河065201)

倒裝熱壓鍵合設(shè)備中熱氣流對視覺定位系統(tǒng)影響研究

韓微微1，趙萬利2，李 愷1

(1.北京中電科電子裝備有限公司，北京100176；

2.光電信息控制與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北三河065201)

利用加熱裝置對晶片樣片進(jìn)行加熱，采用機(jī)器視覺定位系統(tǒng)對晶片進(jìn)行拍照采樣，并利用圖像處理軟件進(jìn)行位置識別，分析了在加熱對圖像定位系統(tǒng)的影響，并采取了措施降低熱氣流的影響，取得了比較滿意的結(jié)果。

封裝設(shè)備；倒裝熱壓鍵合；熱氣流；視覺定位

由于機(jī)器視覺系統(tǒng)具有精確度高，重復(fù)性好，速度快，成本低的特點(diǎn)，廣泛用于工業(yè)設(shè)備中。應(yīng)用時(shí)，需要利用機(jī)器視覺系統(tǒng)對樣本進(jìn)行定位，以便對樣片進(jìn)行下一步動作或處理。在倒裝熱壓鍵合設(shè)備中，對經(jīng)過加熱的高溫度晶片及基板的定位精度直接影響成品質(zhì)量。該定位精度要求很高，通常在微米量級。而加熱時(shí)所產(chǎn)生的流動熱空氣對光線的偏折，使得機(jī)器視覺定位變得困難。本文使用以倒裝晶片為樣本進(jìn)行加熱試驗(yàn)，采集了將晶片加熱至140℃時(shí)的大量圖像，通過計(jì)算機(jī)圖像處理軟件進(jìn)行處理，識別晶片上的凸點(diǎn)，得到在試驗(yàn)條件下熱氣流對機(jī)器視覺定位準(zhǔn)確性影響分布，并進(jìn)行分析。采取排除熱空氣的方法降低熱氣流的影響，取得了滿意的結(jié)果。

1 機(jī)器視覺定位原理

1.1 機(jī)器視覺定位系統(tǒng)的模型

機(jī)器視覺定位系統(tǒng)將樣片表面反射的光線經(jīng)光學(xué)鏡頭及相機(jī)成像，使用圖像采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，并利用數(shù)字圖像處理軟件進(jìn)行處理、分析，得到樣片的圖像、位置等信息，再傳送給主控制程序，以便進(jìn)行下一步動作。圖1為典型的圖像定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意。

圖1 圖像定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

典型的機(jī)器視覺定位系統(tǒng)包括：

①成像器件-相機(jī)與鏡頭，②輔助成像器件-光源，③傳感器，④圖像采集卡，⑤計(jì)算機(jī)平臺，⑥視覺處理軟件，⑦控制單元

1.2 熱空氣對視覺定位系統(tǒng)的影響

樣片表面反射的光線如果能夠直線傳播，那么在成像過程就可以得到清晰，穩(wěn)定的圖像。根據(jù)光的直線傳播定律，光線在均勻介質(zhì)里沿直線傳播。直線傳播定律決定了在均勻介質(zhì)中，可以通過成像系統(tǒng)對樣品進(jìn)行清晰成像。但在非均勻介質(zhì)中光線因折射而發(fā)生彎曲。在倒裝熱壓鍵合設(shè)備中，光線從晶片到鏡頭前端的傳播路徑中，空氣的折射率因晶片被加熱而改變。

在理論上，空氣折射率與空氣密度、水蒸氣的折射率、空氣中二氧化碳的含量等因素有關(guān)。根據(jù)1966年的埃德林（Edlen）（公式1），及Birch和Downs在1993年對該公式的修改（公式2）[1]，可以看出在其他條件不發(fā)生變化的情況下，空氣溫度的與空氣折射率的關(guān)系。

公式(1)是標(biāo)準(zhǔn)干燥空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(t= 15℃，P=0.1 MPa)的色散公式。公式中(n-1)s表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣折射率，R是真空中的波數(shù)。公式2中(n-1)tp是標(biāo)準(zhǔn)干燥空氣在溫度t(以℃為單位)，壓力P(以Pa為單位)時(shí)的折射率。在試驗(yàn)條件下，認(rèn)為試驗(yàn)時(shí)空氣為標(biāo)準(zhǔn)干燥空氣，壓力P不發(fā)生變化。因此有，在溫度升高時(shí)，空氣折射率隨之減小。

晶片附近的空氣被加熱，溫度升高，與周圍的冷空氣由于熱傳遞而形成對流，而該對流不穩(wěn)定形成湍流，加上周圍空氣的流動，導(dǎo)致空氣這個(gè)傳播介質(zhì)內(nèi)部的折射率一直在隨機(jī)發(fā)生變化，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生湍流效應(yīng)。使得通過其中的光束發(fā)生漂移、丟失，造成圖像模糊，抖動，數(shù)據(jù)丟失等退化，給圖像識別定位帶來困難，見圖2所示。

圖2 加熱空氣層示意圖

2 解決途徑

對于這種湍流造成的圖像退化的現(xiàn)象可以通過以下幾種途徑解決或者降低其影響：

（1）對得到的湍流圖像進(jìn)行處理。目前在國內(nèi)外對湍流圖像復(fù)原技術(shù)，主要有3種圖像復(fù)原方式。a.建立退化模型，在退化模型確定和已知的情況下，利用逆濾波或維納濾波等方法恢復(fù)圖像；b.幸運(yùn)成像，多次成像。按照一定的標(biāo)準(zhǔn)將拍攝圖像中一些接近衍射極限的好圖像選取出來再進(jìn)行配準(zhǔn)疊加；c.多幀圖像重建，多次成像。對所拍攝的圖像序列進(jìn)行平均化處理，然后利用非感性圖像配準(zhǔn)技術(shù)所得的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，得到圖像的變形矩陣，利用貝葉斯圖像重建算法對圖像進(jìn)行重建，從而得到更加清晰的圖像[3]。

（2）從湍流形成原因入手，消除湍流。如果使光的傳播路徑內(nèi)呈真空狀態(tài)，則加熱晶片不造成熱空氣流動，排除湍流，就完全阻隔了空氣對成像質(zhì)量的影響。

（3）消除熱空氣。使得晶片到鏡頭的空氣層充滿溫度一致的常溫狀態(tài)下的空氣，即使有湍流存在，在空氣折射率仍為定值的情況下，也不會對成像產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

以上方法中，方法（1）對圖像處理的3種方式需要大量的計(jì)算，重復(fù)的拍照，準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)性很差，不適合用于要求效率很高的倒裝熱壓鍵合設(shè)備中。方法（2）需要將設(shè)備的機(jī)械手、晶片臺等多個(gè)部件進(jìn)行密封，實(shí)施困難，且成本較高。綜合以上原因分析，本文中使用了方法（3）的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，得到了好的效果。

3 熱氣流影響分析及解決方法

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了對這種現(xiàn)象進(jìn)行研究，建立實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)架構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了防止樣片在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生位移而使數(shù)據(jù)失去真實(shí)性，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置固定在光學(xué)平臺上，并使用真空吸附裝置固定樣片。根據(jù)倒裝熱壓鍵合設(shè)備中對定位精度的要求，成像器件中，鏡頭采用6倍遠(yuǎn)心顯微鏡頭，分辨率3 μm，采用遠(yuǎn)心鏡頭的目的是防止因?yàn)槲锞嘧兓斐煞糯蟊堵实淖兓?，影響測試結(jié)果。相機(jī)采用五百萬像素的CCD相機(jī)，像素尺寸為3.75 μm。并具有全局快門技術(shù)以防止圖像變形。系統(tǒng)像素分辨力Lp與CCD像元尺寸S、鏡頭放大倍數(shù)E有如下關(guān)系：

帶入各個(gè)參數(shù)，得出拍照得到的圖像像素分辨率為0.625 μm。

在圖像處理方面，采用技術(shù)成熟的創(chuàng)科圖像處理軟件，利用基于形狀的邊緣檢測算法對晶片圖像位置進(jìn)行分析。該分析方法精度可達(dá)到1/4像素。

綜合以上實(shí)驗(yàn)條件，該實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)分析精度可達(dá)0.156 μm，完全能夠滿足實(shí)際應(yīng)用中對精度的要求。

3.2 加熱對圖像定位的影響研究

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先采集加熱前晶片圖像作為原始圖像，然后對晶片加熱到140℃后，再多次采集圖像，圖中分別展示了室溫下及加熱后的晶片圖像，見圖4所示。

從圖4中可以看出，加熱后圖像變的更加模糊，也給圖像處理帶來困難。

圖4 加熱前后圖像數(shù)據(jù)對比

共采集加熱后的圖像50幅，使用圖像處理軟件進(jìn)行處理，選取未加熱時(shí)圖像上的凸點(diǎn)作為模板（如圖4），進(jìn)行匹配識別。識別加熱后圖像上凸點(diǎn)的位置，并計(jì)算該位置與加熱前的模板位置坐標(biāo)偏差，并換算至長度單位，得到數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖如圖5所示。

圖5 加熱后位置偏移數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

該組數(shù)據(jù)中，x方向坐標(biāo)偏移值最大為14 μm，y方向偏移值最大為13.57 μm，已經(jīng)超出設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)的精度誤差允許范圍。為了減小定位誤差，本文中采用在光路側(cè)方加入吹氣和吸氣裝置的方法以達(dá)到這一目的。

3.3 裝置設(shè)計(jì)

為達(dá)到此目的，設(shè)計(jì)了如圖6所示的裝置。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)中，吹氣裝置如圖6中所示，采用一排小圓孔進(jìn)行吹氣，鴨嘴形扁圓口進(jìn)行吸氣，小圓孔直徑為2 mm，共6個(gè)，間距4 mm，鴨嘴形吸口為2 mm×20 mm，氣壓為0.3 MPa，見圖7。

圖7 吹氣及吸氣口末端模型圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)首先采集晶片未加熱時(shí)圖像，再對晶片加熱到140℃，之后啟動吹氣及吸氣裝置，再采集圖像進(jìn)行處理與分析，得到圖像及坐標(biāo)散點(diǎn)圖見8所示。

圖8 加排氣裝置后位置偏移數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

其中有絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)因與坐標(biāo)原點(diǎn)重合而在圖中無法顯示，從該組數(shù)據(jù)中可以看出，圖像采集得到的坐標(biāo)偏差很小，最大為x方向0.17 μm，y方向?yàn)?.24 μm，能夠符合應(yīng)用需求。

4 結(jié) 論

本文分析了倒裝熱壓鍵合設(shè)備中，熱壓系統(tǒng)使視覺定位系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的原因，闡述了多種對這種現(xiàn)象進(jìn)行解決方式，并利用加熱裝置對晶片樣片進(jìn)行加熱，利用數(shù)字圖像處理軟件對得到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)了排除熱空氣的裝置，并檢驗(yàn)了其有效性，能夠滿足倒裝熱壓鍵合設(shè)備目前的應(yīng)用需求。

[1] 倪育才，空氣折射率埃德林公式的修改[J].計(jì)量技術(shù)，1998(3)：22-27.

[2] 戚康男，秦克城.統(tǒng)計(jì)光學(xué)導(dǎo)論[M].天津：南開大學(xué)出版社，1987.592-630.

Study of Hot Airstream Effect on Machine Vision System in Flip Chip Hot-Press Bond Equipment

HAN Weiwei1，ZHAO Wanli2，LI Kai1

(1.CETC Beijing Electronic Equipment CO.，LTD，Beijing 100176，China
2.Science And Technology On Electro-Optical Information Security Control Laboratory，Sanhe 065201，China)

Machine Vision system and image software is used to posit hot chip.Paper analyzed the hot airstream effect on the vision system，raised a method and designed a device to avoid the effect.

Encapsulated Equipment；Flip chip hot-press bond；Hot stream；Machine vision

TN405.96

B

1004-4507(2015)01-0025-05

韓微微(1981-)，女，工程師，碩士，從事電子專用設(shè)備研制開發(fā)工作。

2014-12-23