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1、全自动粘片机的结构及视觉系统研究 大连理工大学硕士学位论文全自动粘片机的结构及视觉系统的研究姓名:潘宝刚申请学位级别:硕士专业:控制工程指导教师:江崇礼20091201大连理大学专业学位硕士学位论文要摘全自动粘片机属于芯片生产中的后道工序的设备,对我国半导体封装产业的发展有着至关重要的意义。本文主要介绍了粘片机的结构和视觉系统:、结构设计的研究粘片机机构的设计,直接影响粘片机性能和特性,本文研究了粘片机主要机械结构的设计,包括进片机构、抓取焊接机构、晶片台等,总结出各个结构设计的优劣及对生产产品质量的影响、视觉系统的研究视觉系统决定了晶片的检测和定位精度。本文介绍了基于机器视觉的全自动粘片机的
2、芯片视觉检测系统的工作原理和设计结构,阐述了视觉系统的软件和硬件设计过程,以及用于晶片检测定位的图像处理算法。利用图像处理、模式识别技术,采用固定阈值分割、图像投影、像素统计、区域生长、边界坐标点提取、模板匹配等方法,完成了待检测芯片的定位与缺陷的检测。实现了贴装过程中芯片识别检测功能。关键词:粘片机;结构;视觉检测大连理工大学专业学位硕士学位论文. .、 ., , , ,. .、,刃始 ? .,. ., , , , .:;.大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用内容和致谢的地方外,本论文不包含其
3、他个人或集体已经发表的研究成果,也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目:笙百塑拦墨抑勘绑锄菇孑碰曲研疹作者签名:童窒因:日期:.竺年?上月一日大连理工大学专业学位硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定,在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学,允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、宿印
4、、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。笙瓦动粒片耙角鳓嘲话孙勘司穷学位论文题目:作者签名: 盛壅坦 日期:型 年?月日、 力 , .导师签名: 竺壑也 日期:皇 年月?日大连理工大学专业学位硕士学位论文绪 论.研究背景和意义装备制造业是国家工业的核心与命脉。是一个国家综合国力的体现。近年来我国在电子信息产业上发展迅速,但相应的在电子装备制造业上却长期停滞不前,这严重了制约了我国在电子信息产业方面的发展。目前,中国已经成为世界上最重要的集成电路市场之一,并且发展潜力巨大。据统计在年中国用于购买电子装备的资金将达到亿元。与此同时,中国的电子装备产业比较落后,生产能力低下。一些关键设备在国内需求十
5、分旺盛,但不得不从国外进口。这既浪费了资金,限制了我国电子装备的技术创新,又在技术上受制于人,对我过电子信息产业的发展极其不利。电子信息产业的发展,离不开半导体技术的进步。当前正处于新技术革命的时代,各种技术都在突飞猛进的发展,半导体技术作为最具代表性的新兴技术影响力最大。它已经渗透到当今社会的各个角落,无论在生产还是生活中都与人类息息相关。半导体封装测试是半导体产业的重要组成部分。对于资本密集、技术密集、高附加值的半导体产业,也是欧、美、日等发达国家赖一生存的产业之一。近年,一些国际大公司纷纷在中国投资资本密集型的半导体封装测试行业。其销售额已经占我国半导体产业的%左右,已经成为我国封装测试
6、产业的主力。从年开始美国、日本等厂商把封装测试产业向中国转移。到年,中国的半导体年封装产能已经提高到了亿。其中国有企业仅亿,仅占总额的%份额。封装测试业的从业厂家也由最开始的如上海先进、贝岭、华虹、首钢等国有厂商为主体的状况,众多国际大型厂商加入。半导体生产过程中。分为前道和后道两个工序,。前道是通过对芯片的扩散、快速热处理和硅片处理等工艺过程,在一片晶圆上生产出很多小型晶片。后道工序包括芯片质量检测和封装等过程,在这一过程中将晶片研磨到合适厚度,并用划片机将晶圆整齐的切割成晶粒,然后再通过粘片机从晶圆上依次拾取晶粒,粘贴到引线框架上,并在引线上加以固定,如图.。最后通过封胶、剪切、成型等工序
7、,完成对半导体生产的后道工序。仝白动枯片机的结构及视觉系统的研究图引线框架半导体自道工序主要使用的的设备包括 快速热处理装备、扩散炉、清洗机、匀胶显影装备等;后道工序主要使用的设备包括 材料制各装备、净化装备、检测装备和试验装备等。半导体制造前道工序在一片晶圆上制造了很多个晶片,这些晶片排列在晶圆上进行切割,然后将切割好的晶片装到相应的引线框架上,再利用超细的金属导线或者导电性树脂将晶片连接到基板的相应引脚,并构成所要求的电路;然后再对独立的晶片用塑料外壳加以封装保护。其中把晶片从晶圊上取出并装到相应的引线框架上的工序非常重要,所使用的设备就是粘片机。粘片机是半导体封装中的关键设备。相对于集成
8、电路制造业,我国的集成电路装备制造业从各个方面包括投资强度、生产规模、研发队伍水平以及可用人才培养等方面都和世界先进国家的技术水平存在着较大差距,尚未形成完整的产业链和可以支撑自身可持续发展的产业规模。由行业特点决定的,从业人员都需要在工作中进行时间的经验积累和培训,而我国的封状测试企业仍然处于起步阶段,仍处于相关专业人才短缺的情况。就我国目前的水平来看,我们必须提高集成电路制造业整体发展水平,国家也大力提倡这类企业的发展,但由于我国现阶段工业水平发展尚未达到国际先进行列,因此我们应该加强这类人材的培养及研发队伍的建设。半导体工业作为计算机、通信、工业控制、机电一体化、能源、交通、轻工、冶金乃
9、至家用电器等众多经济领域的支柱产业,其市场需求及生产需求持续增长,至年总需求将达亿块。随着现代半导体器件向微型化、集成化和高可靠性方向发展以及日益激烈的市场竞争,半导体产品的生产与制造设备正朝着高速、高精度、智能化、柔性制造系统、多功能等全自动化方向发展。大连理工大学专业学位硕士学位论文半导体生产通常分为前后两道工序,前工序指芯片扩散、快速热处理、硅片处理等过程;后工序指芯片质量检测,封装等过程。而每一过程都涉及到精密的特殊工具和设备。近年来经大规模的调整和发展,我国已有英寸.微米生产线及英寸.微米生产线,具备微米、英寸水平以下的前工序主要设备配套能力,但在后道工序的关键设备的研制方面尚处起步
10、阶段九。目前国家和省政府己将其作为重点科技攻关领域。将在国内现有的技术、人才队伍的基础上,对产业发展给予专项产业政策扶持。国际资金和技术向中国的转移、国内巨大市场的需求、政府的扶持,无疑会给本土的相关企业提供更好的发展机会。.国内外研究现状粘片机主要由进片机构、搬送机构、供锡整形机构、晶片台、拾取粘接机构、下料机构、突上项出机构等精密结构部件组成。通过视觉识别系统对芯片进行检测和筛选,并把检测结果反馈到控制系统中,通过控制系统,调节、控制各个机构进行协调运动。同时大量应用传感器等电子元件,使设备的信号反馈、安全预警、及时补偿等功能逐渐增加,逐渐形成了目前的高速、高精密、稳定的全自动粘片机。随着
11、当今社会科学技术的巨大进步,包括计算机技术、控制技术、视觉识别技术的发展。给全自动粘片机的发展提供了前所未有的发展机会。与此同时,由于所要进行封装的芯片的种类不断增加。这就对粘片机的通用性上提出了更高的要求。在设备的生产上,目前先进的封装设备基本上被国外大公司所垄断,如瑞士的、,日本的、,香港的、韩国的等。国外最先进的芯片粘片机运行速度己达到次/时,定位精度为微米级。而我国进入这类行业的企业仅是少数,且生产的设备的精密度和高速度等均未达到国际水平。随着各种机构组件的长足发展,国际上的大型公司积极采用先进的运动和控制结构。并且对影响粘片机性能的不稳定因素也在进行积极的研究。主要的设备生产企业都在
12、研制更加可靠、实用的、通用性更强的机械结构。随着电子和光学技术和工艺的发展,对于硬件的选择也有了越来越大的余地。在软件方面也在积极进行研究过程中。如图.,为瑞士的生产的全自动粘片机。全自动牯片机的结构及视觉系统的研究图 瑞士的全自动枯片机 由于前些年国内受计划经济体制的限制,国内半导体设备的研发一直处于落后的位置,这方面的研究长期停滞不前。同时,国际上在半导体设备的生产中,随着器件封装尺寸的进一步小型化、微型化,芯片的厚度也越来越薄,对芯片的的处理提出了越来越高的要求。对全自动粘片机的性能也提出了更高的要求。作为半导体芯片封装中的关键设备之一,全自动粘片机的重要作用不言而喻。研制出我国自己的高
13、速、高精度的全自动牯片机是摆在我国相关研究机构和生产单位的重要课题。目前得到国内相关的研究机构和生产厂家的重视,国家对枯片机的研发进行了更深的探索和研究。如广东工业大学在拾放片装置方面先后提出了两种解决方案:利用斜面四连杆机构实现拾放片功能,尽量缩短抬放片距离,提高速度;后来又提出了运用并联机构实现拾放片功能,具有刚度太、定位精度和运动精度高、质量轻等特点。就目前而言,我国在该设各的研发方面仍处于起步阶段。随着半导体器件及集成电路工艺制造技术的飞速发展,集成电路将会变得越来越小,越来越精,其内部结构也越来越复杂,加工要求也越来越高。但对于我们国家的现状来说,应该大力支持该类机构大连理工大学专业
14、学位硕士学位论文与企业的研究与发展这样才能提高其在国际的竞争位置,摆脱照搬照做的模式。进一步提高设备的性能也具有重要意义【。.本课题研究的主要内容本文主要对全自动粘片机的各个部分的机械结构及视觉识别系统进行了研究,以参与的.粘片机为基础,粘片机的机械结构设计和视觉系统的研究进行优化总结,并结合国外的设计,对各个部分单元做进一步的研究。内容如下:第一、介绍了对全自动粘片机研究的意义、目前国内外对全自动粘片机的研究情况、本课题研究的主要内容。第二、总体上介绍了全自动粘片机运行方式。着重介绍了粘片机的机械部分,就包括进片机构、搬送机构、供锡整形机构、平台、抓拾取粘接机构、下料机构、突上顶出机构等部分
15、结合国内外其他粘片机结构分析,总结各个结构设计的优劣及对生产产品质量的影响。第三、对现有视觉系统的硬件进行了研究,分析各种型号的优缺点,对本系统的适应性,总结各种硬件的选型和各个部分对图像识别的影响。第四、通过对图像识别系统的原理、特点和执行过程的研究讨论,结合生产中实际遇到的问题,得出最佳的图像识别和检测方法,完成了芯片的定位与芯片的检测。第五、对全文进行了总结,给出了主要的研究成果,得出的主要结论等。全自动粘片机的结构及视觉系统的研究粘片机整体结构设计.全自动粘片机机构运行介绍全自动粘片机是融合了机械、光学、电子控制等多门学科为一体的复杂的自动化设备。是依靠多种学科知识综合运用的产品。它主
16、要包括了:机械、系统控制、视觉检测等方面的应用。机械部分主要由进片机构、过片机构、供锡整形机构、晶片台、抓拾取粘接机构、下料机构、突上顶出机构等部件组成,通过电机、汽缸等元件的驱动,使设备完成各个部分的功能。系统控制部分主要包括、继电器、各种传感器及其它的电子器件等组成,通过传感器等电子元件的反馈信号和程序来控制电机等执行元件的运动来控制机械机构的运转。视觉检测则是通过镜头、相机等元件,对芯片的进行识别,并把识别信息反馈给控制系统,使其能够及时对设备运行进行调整。全自动粘片机是高精度、高速度、全自动的先进设备:首先通过上料机构从引线盒中取出一根引线,送入过片机构。过片机构的下方的工作台下预先加
17、装热电偶,对工作台的前半段进行加热。 过片机构通过钩针,步一步把引线向前推进。经过供锡整形部分时,供锡部分首先通过电机的驱动把定量的锡丝挤到引线上,使之融化成液态锡。在整形机构的作用下,由整形金属头对液态锡进行压模整形,使锡的大小、形状、厚度均达到所需要的标准。当引线运动到抓取机构处时,抓取头通过视觉识别系统对晶圆台上的芯片进行识别、检测、识别出缺陷芯片,并通过计算,控制执行元件的运动对合格芯片的实际位置进行补偿,使之到达正确的拾取位置。此时抓取机构从晶圆台上吸取芯片,粘接到工作台上的引线框架上。在过片机构的带动下,粘好片的引线继续向前运动,经过工作台的冷却区后,进入下料部的引线盒中。由下料部
18、控制取引线盒、装引线和排出装满的引线盒等动作。全自动粘片机的各个单元的结构构成如图.所示大连理工大学专业学位硕士学位论文机械结构晶圆处理单元框架处理单元 晶片处理单元出片鄯刽进片都多 过片部纠 移动晶圆工作台 顶出都绯。:锡整形鄯碱抓取部分窭.塞辐主乏蘑形夸瓠取熬辑乎苗下料部上料都 工作台扩晶 吸取头图.全自动粘片机的结构构成 .其中机械结构和视觉处理单元是是设备研发过程中,首先要解决的问题,是研发成功与否的关键。一个轻便、稳定、合理的机械结构是设备运行的基础。通过对.全自动粘片机的研究,本章内容主要就对全自动粘片机的机械结构设计的优劣性进行分析和讨论。.机械结构设计.全自动粘片机主要由上料机
19、构、过片机构、供锡整形机构、晶片台、拾取粘接机构、下料机构、突上顶出机构等精密结构部件组成,其中各个部分在整个设备中的位置是有关联的,如图.所示,对于.粘片机来说:首先引线由上料机构从引线容器中取出一片,通过搬送针间歇运动,使引线在工作台上一步一步的向前移动,途径晶片处理单元和晶圆处理单元,最后粘好晶片的引线通过下料部分,进入到引线盒中。在工作台上移动过程中,经由锡丝整形部供锡和压型,再经过抓取部把晶片芯片粘到压好型的锡上进行共晶粘合,经过冷却完成产品。其中,在抓取部抓取晶片芯片时,通过平台的移动,把要抓取的晶片移动到所需要的位置上,由突上顶出系统把晶片顶出,以便抓取头准确抓取。全自动粘片机的
20、结构及视觉系统的研究图.粘片机结构的优化 . 以上从整体上分析了粘片机的结构。尽管整体的结构原理比较相近,但是世界上粘片机的主要生产公司对各个结构单元的设计却相差很大,本次对。机型的开发之初也是对主要的各个公司的优秀的结构进行了仔细的分析,结合自身的研发和创新,力求开发出更为合理的结构。下面对于相关机构分别进行讨论:.上料机构上料机构负责粘片机的引线输送机构,目前粘片机的上引线结构有包括直线抽取式、真空吸取式、等其中真空吸取式又包括翻转吸取和垂直吸取等。各个吸取方式各有其优缺点。应在不同的引线中酌情使用。本文以直线抽取式为例:如图.引线抽取台在汽缸的作用下可以做直线往复运动,在引线抽送台的端部
21、制作成引线轮廓形状以便于对引线的抽取。当引线抽取出来后,电机转动带动传动皮带,最后由固定在皮带上的引线搬运针把引线推送出去。大连理工大学专业学位硕士学位论文接送针图.上料机构. 这种结构结构简单,运行可靠,有效的避免了用真空吸取方式中引线易脱落的可能性。同时进引线光电传感器检测引线是否完全进入引线传送台来准确控制汽缸的抽取引线,增强了结构的可靠性。.过片机构在粘片过程中,抓取臂粘片的位置是基本固定的,要使设备能够全自动、不间断的粘片,就要通过一个机构带动引线在工作台上进行间歇的进给运动,不断的把引线框架送到预定位置,这就是过片机构。目前国内外主要的过片机构有两种,下面简单的介绍一下目前常用的过
22、片机构:机型的过片结构为:通过伺服电机带动丝杠,通过电机的正反转带动丝杠,达到前后往复直线运动的目的,这样通过控制电机就可以容易的控制每一步带动引线移动的距离。同时,在钩针上下运动方面,运用电磁铁来实现。使钩针做上下往复运动,控制其拔出和插入引线框架】。这样协调两个方向上的运动后,可以控制钩针的直线往复运动和上下运动,达到过片的目的。全自动粘片机的结构及视觉系统的研究瑞士的机型的过片结构为:通过电机带动一个凸轮进行正转和反转控制连接杆前后往复运动,各个钩针固定在连接杆上,跟随运动。再通过一个电机带动另一个凸轮正转和反转,凸轮带动钩针上下进行往复运动,进而通过两个凸轮把电机的旋转运动转化为直线运
23、动,达到进片的目的。在.机型的研发过程中,开发小组对两种常见机构进行了对比和讨论。如表.所示:第一种机构中采用的电磁铁控制钩针上下往复运动,虽然可以达到控制效果,不过由于电磁铁产生的作用力较大,机构无法长时间承受这种冲击力,降低了使用寿命。当调试过程中,钩针没有对准引线的钩取位置时会直接撞到引线上,导致引线变形。第二种机构中,凸轮带动连接杆做往复运动过程中,由于凸轮形状的原因,使得用凸轮精确控制距离的难度较大。这样会使引线不能达到预定位置,粘片时产生位置误差,直接影响了粘片的精度。表.机构统计表.运动形式 采用机构 优点 缺点丝杆 运行平稳 体积较大直线运动凸轮结构紧凑 控制困难电磁铁 反应迅
24、速 冲击力大上下运动凸轮 结构紧凑 控制困难结合两种机构的优缺点,最终选择了把两者结合起来?前后运动控制选用电机带动丝杠控制;上下运动选用电机带动凸轮控制的方案。如图.所示,具体运动过程是:首先电机带动凸轮旋转,带动钩针做翻转运动,使钩针向下运动插入到引线的钩取位置。然后另一电机带动丝杠旋转,带动连接杆和钩针向前移动。大连理工大学专业学位硕士学位论文图.进片机构.为了避免直线运动和空间翻转运动互相干涉,使运动副之间出现滑动摩擦。一设备对原有的控制钩针上下运动的结构进行了改良。如图.所示,由电机带动凸轮旋转,使运动块上下运动带动钩爪及其固定杆在空间翻转实现插入和退出引线框架夹持部位,当凸轮高点向
25、上运动时带动运动块向上运动,此时钩爪向上退出引线,凸轮向下时,钩爪插入引线。当凸轮不断转动时,实现框架的持续进给。这样就减少了运动副之间的摩擦,减少了电机的负载。并通过传感器片旋转角度来指定运动原点。上下运动块凸轮图.上下运动副? . 全自动粘片机的结构及视觉系统的研究.抓取机构抓取机构负责把芯片从晶圆上取出,再焊接到引线框架上,这一机构运行质量的好坏,直接影响了芯片焊接的精度和焊接的速度。在粘片过程中,抓取机构要在取片和焊片两个位置之间进行运动,这就要求抓取臂在水平运动垂直运动过程中稳定、快速的运动。抓取头的种类很多,运动方式也不尽相同,以下就抓取机构种类分别进行介绍:旋臂式抓取机构通过电机
26、带动小转臂作圆周运动,小转臂带动抓取臂进行在圆周内进行旋转运动,而晶圆台垂直于工作台放置,这样就保证了抓取臂通过旋转即可经过晶圆台和芯片焊接位置,从而达到取片和粘片功能。如图.所示,把晶圆台放置在垂直于工作台的平面上,这样保证晶圆在抓取臂水平位置时刚好拾取到芯片。而工作台放置在水平台面上,引线在抓取臂下放的工作台上传输。小旋臂在伺服电机的带动下绕点,在、之间做圆周运动,此时抓取臂在小旋臂的带动下,绕点,在、两点间做圆周运动。此种机构的运动过程为:控制伺服电机,带动小旋臂运动到垂直位置点,小旋臂带动抓取臂运动到水平位置点。这时吸取头在晶圆上进行真空取片。再由电机的带动下小旋臂运动到水平位置点,推
27、动抓取彼运动到垂直位置点,到达位置后,吸取头撤除真空,把芯片焊接到引线框架上。旋转式抓取机构是近年讨论较多的一种拾取装置,它具有驱动较少只使用一个驱动电机,体积较小等特点,但是由于目前使用相对较少,在稳定性方面还需要进一步实验验证【】。大连理工大学专业学位硕士学位论文图.抓取焊接机构.直线传动式抓取机构目前主要使用的是直线传动形式的抓取机构,广泛的应用在为、东芝、等大型公司的粘片机中。其示意图如图.所示:抓取机构可以在水平和垂直两个方向上进行直线运动。框架传输系统位于抓取机构下方,晶片台设置在框架传输系统工作台的前下方。这一结构的工作原理:抓取机构沿垂直方向向下做直线运动,到达晶片台的位置,拾
28、取芯片,向上到达安全高度。抓取机构沿水平方向做直线运动,把芯片运送到工作台处焊接位置。向下做直线运动,把芯片焊接到引线框架上。全自动粘片机的结构及视觉系统的研究图.抓取焊接机构.在.设备的研发过程中,对多种设计方案进行的深入的讨论,最后在悬臂式抓取机构和直线传动式抓取机构之间进行取舍。对两种机构性能分析如下:如表.所示。悬臂式机构相对于直线传动式而言,由于是在一个平面内做圆周运动的、抓取臂的摆角为度,移动的范围较为固定,因此所需要的空间较小,速度也随之得以提高;只需要一个驱动电机提供圆周运动的动力即可,成本相对来说就可以降低;在取片和粘片过程中,芯片都需要一个垂直于晶片台和工作台的力,而不符和
29、这一结构的特点,稳定性较差;目前各个大型生产厂家正在对这一结构进行研究,以期发扬优点、去除缺陷。直线传动抓取机构应用于各个厂商生产的粘片机中,技术上较为成熟,由于分别提供水平和垂直方向的驱动力,因此稳定性也较好。不过由于运动范围较大、控制方向较多,也导致了结构偏大、速度不快、成本较高的问题。表.性能对照表. 抓取机构 结构紧凑 稳定性 速度 成本 技术成熟度悬臂式 略差紧凑 较快 较低 尚未成熟直线传动式 体积较大 较好 一般 较高 较成熟两种抓取机构中:大连理工大学专业学位硕士学位论文在.设备的研发过程中,对多种设计方案进行的深入的讨论,同时借鉴了国外的各种抓取机构,再国外的大型厂商采用直线
30、传动形式,已经由实践证明的能够较精确、平稳地实现对微小晶片传送和粘接【】。选定了直线传动机构。如图.所示。这一机构的垂直方向运动由一个伺服电机带动皮带和齿轮控制,水平方向的运动是由另一个电机带动摆杆转动,通过摆杆在竖直滑道中的滑动,把旋转运动转化为水平运动。从而实现了垂直方向和水平方向的联动。图.抓取焊接机构. .抓取头机构抓取头机构是粘片机的重要组成部分,它负责从晶圆上抓取芯片粘贴到引线上。由于芯片十分微小,并且抓取头要与视觉系统相配合,以能够正确的到达拾取位置,不但要有在,方向上的移动补偿,还要有角度的移动补偿。同时由于芯片属于精密器件,要防止机械作用力过大而产生损伤。因此采用真空吸取的方
31、式进行取片,并加装电机带动吸取头实现吸取头的角度移动。如图.全自动粘片机的结构及视觉系统的研究卷嚣图.抓取头机构. 当抓取头到达引线位置的时候,直接撤除真空放下芯片却有一定的风险,其风险在于芯片是否能够顺利的脱离吸取头而不被起粘连。因次本机加装了吹气系统以提高其可靠性,为了防止水蒸气及氧化的发生,我们选择了氢气【】。因此本系统采用了真空吸取头顶端连接真空管,通过三通管连接真空电磁阀和氢气电磁阀以控制真空和氮气之间的连通转换。如果抓取头吸头在拾取芯片或粘接时刚性压着芯片,就会压伤甚至击碎芯片。为了防止出现这种现象,在抓取头吸头安装了弹簧,如上图所示。吸头穿过直线轴承,用一根刚度很小的弹簧向下压,
32、使之贴紧下面的小档块.当抓取臂和抓取头吸头向下运动拾取芯片或粘接时,吸头压向芯片的力由小弹簧决定,从而保护芯片不致损坏。如果吸头的变形量过大,也会导致粘片的精度下降。橡胶吸头表面硬度和粗糙度对吸头的变形量影响很大,因此在选择吸头时,要经过实际的实验和相关资料的查阅,注意对这两个参数进行比较和选择。大连理工大学专业学位硕士学位论文平台机构扩晶装置结构元件的生产分为芯片制造的前工序和微电子封装的后工序。前工序大体是先将多晶硅融解拉出单晶硅晶棒,然后切割成一片一片薄薄的单晶硅圆片,即晶圆。经过研磨、抛光、光刻等工序,在一片晶圆片上制成数十万计的集成电路。按晶圆直径分为英寸、英寸、英寸、英寸等规格。晶
33、圆越大,同一圆片上可生产的就多,可降低成本。但要求生产技术更高。后工序即微电子封装工序,包括粘片、焊线、塑封、测试、分选、打标等,最后能生产出各种不同规格和性能的元件。在粘片之前,要把前工序制好的晶圆扩晶,以形成粘片机上可用的晶圆。具体过程见图。图中前工序生产出来的硅圆片、胶膜和金属衬架贴成一体。硅圆片经过横向和纵向切割,将硅圆片切割成一粒粒的芯片,靠胶膜贴和村架支承,方便进一步加工。扩晶上过程中,先将胶膜绷紧,使芯片与芯片之间的距离扩大至合理要求并均匀分布再通过外圈和内圈从胶膜的两面相箍,用内外圈将胶膜绷着最后沿外圈切断胶膜,与衬架分离,成为方便后面粘片工序操作的晶圆。本文提出的装置由片盒供
34、送、取片、送内外圈、压圈扩晶等机构组成。硅圆片一胶膜一衬架一外圈一内罔。一晶圆圈.晶圆的扩张.晷 .平台.平台常见的有分种结构全自动粘片机的结构及视觉系统的研究固定的晶圆和框架位置。该种布局需膜的剥离等功能,同时具有晶圆自动上下料功能。要拾放片机构在向和向均是可编程的,且都需要高的动态性。此种布局允许使用低性能的轴驱动晶片和框架。然而,此布局需要一个相对较大的工作区域。在向行程可变的拾放片机构。该结构需要框架传输系统和晶圆处理系统能在方向每次步进一行。因为框架传输系统无论如何都必须在向运动,故对框架传输系统不必增加其它的机构。固定行程拾放片机构。该结构形式需要能作二维运动的晶圆工作台和框架工作
35、台。因为在直线状态运行,所以可以使用高刚性的拾放片机构。.采用的是第一种结构,如图.。.平台的作用是把固定,压平,使芯片能够在,两个方向自由移动的机构。通过汽缸把压板升起,放入片,电热吹风启动吹热风,当塑料变软后落下汽缸,以便绷紧片。用两个电机控制,方向的运动。相对与后两个结构,由于在和方向都能够独立的驱动,而不许要其它部分的辅助运动,在稳定性方面比较有优势。汽撬电图. .平台?.突上顶出部突上顶出部在粘片机中属于重要的组成部分,它负责在抓取晶片时,利用顶针把晶片从晶圆上顶起。以便吸取头吸取。突上顶出部分由.向移动平台、汽缸、电机控制的顶针等组成。如图.所示,其中.向移动平台作为微调两个方向移
36、动的机构,在大连理工大学专业学位硕士学位论文各种自动化设备中非常常见。汽缸的存在使顶针部分可以大行程的移动,完成突上部分离和到达顶出位置。图. 突上顶出机构. 如图.为突上顶出部的关键部分,在抓取头到晶圆上的抓取位置前,突上顶出机构要通过真空的作用,拉下针帽,露出顶针,把芯片从晶圆上顶起,使抓取头可以顺利的取片。其中顶针可通过针头上缩紧孔的顺序调节针间距离,达到不同芯片的顶出。图.顶针夹持结构 .全自动粘片机的结构及视觉系统的研究.下料部下料部的作用是当引线上,焊接芯片完毕时,通过工作台进入下料不所夹持的引线盒中。下料部中,安装了电机驱动的螺杆机构,用来带动引线盒的升降。为了夹紧引线盒,使其向
37、下输送时不会落下,在下料部的中部安装了个汽缸,由检测引线盒的接近传感器控制。如图.所示。图.下料部.其它机构, 型工作台机构,搬送机构等,实现起来都相对比较简单一些,这里就不再一一叙及。当然在全自动粘片几所涉及到的其它子系统,如温控系统和气动系统等则不在此处讨论。大连理工大学专业学位硕士学位论文.小结本章以.全自动粘片机为例,叙述了全自动粘片机的整体运行方式,以及各个部分的机械结构、运行原理及各结构之间的配合情况。讨论了不同部分结构在粘片机上运用的优势及劣势,为设备的平稳、快速运行创造了条件。全自动粘片机的结构及视觉系统的研究视觉系统视觉系统是全自动粘片机的重要组成部分。视觉系统通过芯片进行检
38、测,得到芯片的质量信息,若芯片没有缺陷,则把通过对图象处理所得到的芯片的位置信息传递给运动控制模块,进而控制机构运动的相应的位置【。全自动粘片机视觉系统的硬件构成一般包括:光源、镜头、摄像头、图象采集卡等。运动控制系统一般是由、单片机系统等组成。在.设备研发过程中,由于公司一直采用作为控制系统,基于系统的成熟技术和运行相对稳定等特点,开发小组最终选用了为主的运动控制系统。设备开发过程中,在执行电机的选择上,从确保设备的精度、速度和可控性的角度考虑,主要选用步进电机、交流伺服电机和直流伺服电机等。全自动粘片机视觉系统对芯片的定位和对缺陷的检测的原理如图.所示:调整光源,使镜头能够清晰的观测到芯片
39、。摄像机通过镜头把芯片图象转化为数字信号。摄像机把图象通过图象采集卡传给计算机对图象进行分析。计算机把图象分析的结果进行处理,把计算的运动参数传递给运动控制系统。运动控制系统通过伺服放大器和伺服电机控制晶圆台芯片台运动到准确位置。图. 粘片机视觉检测系统结构. 大连理工大学专业学位硕士学位论文下面详细的介绍关于光源、镜头、摄像头、图像采集卡等图象采集系统的型号选择:.光源的设计与选择光源在图像采集系统中起到相当重要的作用。晶片的表面金属光泽对光线的反射,会给晶片的检测带来不利影响。另外,光源亮度分布以及光源的光谱成分等因素都会对传感器成像产生影响。因此对光源的正确选择非常重要。综合考虑晶片形状
40、、光滑程度、平坦度、表面光泽以及现场工作环境等因素。如表.所示,经过对光源和荧光灯进行对比可以清楚的看到:光源的发光效率是 /左右,是普通荧光灯的倍。比较节能。光源的使用寿命长明显长于普通荧光灯。光源的发热量较小,使用时对周围其它的元件影响较小。目前市场上价格越来越低,有利于降低生产成本。综上分析,最终开发小组决定使用作为光源。表.光源与荧光灯的区别.光源名称 光源 荧光灯发光效率 /左右 /左右寿命 长较短发热量 低 高目前,全自动粘片机光源的设置方式主要有以下几种:环型光源:环型光源是外形呈环型的光源,放置于物镜同侧,光源照射较为均匀,光强度较弱。前向光源:前向光源的光照是朝向同一个方向的
41、,针对性较强,调节较方便,光源照射相对不够均匀,成本较低,结构简单。同轴光源:同轴光源和物镜同侧,照明效果较好,结构和调节复杂,价格比较昂贵【。全自动粘片机的结构及视觉系统的研究表.光源的设置.环型光源 前向光源光源类型 同轴光源光源位置 同侧 同侧 同侧照明效果 偏弱、均匀 方向单一反光小、效果好中结构 简单 复杂成本 中 低 高图. 多点光源座 . 综合考虑各种效能,系统光源选用便于安装,成本低廉,性能可靠的前向白色多点光源作为主光源。如图.为.所选用的多点光源座,上面的机械结构可以保证随意调节光源的角度,把多排的白色光源固定在灯座上即可。这样可以使得物体足够明亮,有效地消除阴影,且便于安
42、装和调节,不易受到环境因素的影响。.镜头的设计与选用在视觉系统中,镜头成像的好坏,直接影响了图象采集质量的优劣。因此对镜头参数的选择要慎重考虑。要选择成像要比较清晰、图像的畸变较小的镜头一般要参考以下几个参数:视场:镜头的视场角是指相机的成像面边缘与镜头后节点所形成的夹角。工作距离:在选择型号的时候,要考虑根据镜头的工作距离选出焦距。大连理工大学专业学位硕士学位论文光圈和景深:光圈主要调节通光量的多少。景深指在焦距不变时沿光轴移动镜头仍能成清晰像的范剧】。为保证照明强度和减少环境光影响,镜头物距应越短越好,所选用的镜头的接口要和摄象机的接口要能够对应得上。在现场生产过程中,芯片的大小,镜头和的
43、距离镜头等也必须要考虑的内容。现场实际情况对镜头的要求:表.镜头参数. 项目 参数芯片尺寸范围 .、.个一次拍摄芯片数.视场范围摄像机到的距离镜头下端到的距离放大倍数 .由于所要生产的最小芯片尺寸.,最大.;需要拍摄最少的芯片数;最大芯片的视场范围约;摄像机到的距离要求;镜头下端到的距离;由此计算镜头的放大倍数要求为:.;从以上几点分析及性能和成本的综合考虑,本机选用了桂林迈特的型变焦镜头作为图象处理镜头;选择.型的定焦镜头作为监视镜头。全自动粘片机的结构及视觉系统的研究变焦镜头图.镜头的位置. 如图.所示,镜头与摄像头等图象采集机构结构,其中,变焦镜头是用于进行视觉识别,图像检测的。由于在生
44、产中芯片的大小需要经常变化,必须要使用变焦镜头。而另一镜头只是用于监视芯片粘结合格与否,不需要进行经常调节,选用定焦镜头即可。.摄像头的作用与选用有线型和面型两大类。两者都需要用光学成像系统将景物图像成像在的像敏面上。像敏面将入射到每个像敏单元上的光照度分布芯片转变为少数载流子密度分布信号,存储在像敏单元中。然后,再通过驱动脉冲的驱动,使其从的移位寄存器中转移出来,形成时序的视频信号.对于线型器件,它可以直接将接收到的一维光信号转换成时序的电信号输出,获得一维的图像信号。若想用线阵获得二维图像信号,必须使与二维图像做相对的扫描运动,所以用线阵对匀速运动物体进行扫描成像是非常方便的。面阵是二维的
45、图像传感器,它可以直接将二维图像转变为视频信号输出【】。本系统中由于芯片平台非匀速运动,并且需要获取二维图象,故采用面阵。.图像采集卡的选型图像采集卡具有高速图像采集功能,也具有部分图像处理功能。专业的图像处理卡常采用嵌入式处理器,多处理器设计的目的是为了获得更为强大的图像处理能力或特殊大连理工大学专业学位硕士学位论文的处理能力。主一般用于最终的判断及输出控制,嵌入式处理其具有强大的数据处理能力,适用于高速图像处理的硬件结构。图像采集卡可分为标准信号图像采集卡,非标准信号图像采集卡,数字信号图像采集卡。选择图像采集卡时,还需注意图像采集的精度,图像采集与数据传输速度,数据处理能力,系统可靠性【】。从成本、运行速度、稳定性等方面综合考虑,图像采集卡选择加拿大的公司的采集卡。经过.全自动粘片机的验证使用,可以很好的完成用户要求的指标。.小结.本章着重讨论了关于视觉识别系统的硬件组成,各个硬件所起的作用,在符合设备功能要求下,根据性价比和效能比进行选型。全自动粘片机的结构及视觉系统的研究图像处理及检测视觉系统是全自动粘片机的重要组成部分,其功能是对晶圆中每个要进行拾取的芯片进行识别检测并跳过不良芯片,对芯片进行精确定位。把定位信息传递给运动控制模块,使设备运行过程中芯片的中心与突上项出单元的顶针和抓取头的中心重合在一起并协同引线搬运的工作台单元,把芯片准确的焊接到引线上。
