IC高速装片设备飞行视觉系统研究

王红涛，庄文波，叶乐志,，姚立新，李德胜

(1.北京工业大学，北京 100124；2.北京中电科电子装备有限公司，北京 100176)

IC高速装片设备飞行视觉系统研究

王红涛1，庄文波2，叶乐志1,2，姚立新2，李德胜1

(1.北京工业大学，北京 100124；2.北京中电科电子装备有限公司，北京 100176)

针对IC高速装片设备高速高精度的装片需求，提出了一种新型辅助标识飞行视觉定位方法，解决了目前IC高速装片设备存在飞行视觉定位精度差的问题。通过在键合机构吸嘴中心制作圆环型辅助标识并搭建飞行视觉测试平台进行试验，通过优化芯片运动速度、曝光时间、增益、光源强度和程序扫描周期之间匹配关系的实验，得到运动速度在850 mm/s，曝光时间在50 μs增益为1 000，工作距离为170 mm、光源强度为300最佳图像值，在识别精度为3.5 μm下装片效率提高了31%。

IC高速装片设备；飞行视觉；辅助标识；定位

微电子工业的迅猛发展使电子设备的制造和生产正朝着高速度、高精度、高智能化等全方位发展。IC装片机作为电子封装制造设备的重要一部分，它的性能代表着芯片的优劣，其中视觉系统作为IC装片机的一个重要组成部分，直接影响着IC装片机的装片速度与装片精度。传统的IC装片机视觉系统要求装片芯片在经过芯片检测的上视相机上方时需停留一段时间来进行采集图像工作，虽然停留的时间很短，但也增加了芯片的装片周期，降低了IC装片机的装片效率。因此为了提高生产效率，飞行视觉技术应用而生[1，2]。

国内外学者对飞行视觉做了大量研究，哈尔滨工业大学的陈立国等人提出的基于旋转式反射镜的飞行视觉系统设[3]，该方案利用齿轮齿条将吸嘴的升降运动转化为反射镜的旋转运动，实现了反射镜不干涉吸嘴的拾放功能，并实现了相机、元件、反射镜的相对静止；上海交通大学的王立成等提出了一种静止双反射镜方案[4]，该方案使用2个呈45°倾角的反射镜，当吸嘴通过反射镜的上方时无需停留，即可获取芯片的位置；美国人Hudson提出基于可伸缩式反射镜的飞行视觉方案，该方案当反射镜伸出时可得到芯片的图像，反射镜缩回时可得到安装工位的图像[5]。

本文针对飞行视觉在IC高速装片设备中存在飞行视觉定位精度差的问题，设计一种基于吸嘴的中心位置与辅助标识的中心位置相重合的飞行视觉系统，键合机构在经过相机时无需停留就能得到芯片的偏移位置，提高了IC装片机的效率。

1 IC装片机的视觉系统分析

传统的视觉系统示意图如图1所示，键合机构吸取芯片运行到CCD视野中心时，键合机构暂停一段时间，等待CCD图像采集并图像识别，识别结果得到芯片中心位置与CCD中心位置之间的差值，即：芯片与键合头中心的差值[6]。通过计算机把差值反馈给键合机构，键合机构根据芯片的偏移位置进行校准，并将芯片准确地运送到指定位置。由于键合机构在运动过程中会暂停一段时间，进行图像识别，运动时间将会延长，这样会牺牲装片机的工作效率。

图1 传统的视觉系统示意图

2 辅助标识飞行视觉设计

2.1 飞行视觉工作原理

如图2所示，飞行视觉结构主要由CCD、辅助圆环、键合机构等组成；实物图如图3所示。其中辅助圆环的中心位置和键合头的吸嘴中心位置是重合的，辅助圆环的高度应低于吸嘴的高度，而且他们的高度差值应在CCD的景深范围之内。当键合机构运动到P3时，给CCD一个触发信号进行采集图像，芯片和辅助圆环正好在CCD的视场区间中采集完成，通过图像识别得到辅助圆环中心位置与CCD中心位置之间的差值Δx1和芯片中心位置与CCD中心位置之间的差值Δx3根据公式（1）得出芯片相对吸嘴的位置偏差Δd，如图4所示，键合机构经过CCD时不会停止，为后续的芯片键合提高精度。

图2 飞行视觉示意图

图3 飞行视觉实物图

图4 飞行视觉原理图

2.2 飞行视觉精度的影响因素

图像识别对于IC高速装片设备的精度非常重要，如果相机捕捉到的图像不清晰就会造成相机识别精度变差甚至会造成相机识别不到图像。图像的清晰度与相机的增益、曝光时间、工作距离、光源强度等有关。如果这几个因素有一个处理不当就会造成图像不清晰，如图5所示。因此我们把增益设置为1 000、曝光时间设置为50 μs、工作距离设置为170 mm、光源强度设置为300，如图6所示。

2.3 辅助标识飞行视觉实验设计

为了分析飞行视觉，我们选取判断标记点P3为155 mm，当键合机构运动到判断标记点时，给相机发送触发信号。设置扫描周期为100 μs，实验次数20次的不同速度下的触发位置值，工业相机分辨率选取782×582，如图5所示，触发位置值相对判断标记点有的接近，有的滞后，触发信号的即时位置无法捕捉到；另外触发信号发出到相机识别信号也有一定的延时，并且键合机构移动时的实际速度相对于目标速度有一定的误差，所以在延时的这段时间移动的距离也无法精确获得。如图4所示，相机的中心位置和键合头的中心位置Δx1无法确定，进而Δd也无法获得。

图5 不清晰图像

图6 清晰图像

由于工业相机的视场区间是固定的，当速度快时，相机有可能捕捉不到图像，因此发送触发信号的判断标记点就需要提前。由图7可看出，有的触发位置值相对判断标记点上下波动很大，造成的后果是部分相机能识别到，而另一部分由于采集到的图像不完整或者采集不到图像，造成识别失败；有的波动不大，考虑到装片机的效率，设置成900 mm/s。由图8可知，速度一定，扫描周期不同的情况下触发位置值相对判断标记点上下波动值相差不大，为了CCD能百分之百地采集到图像，选择相对波动值最小的，因此我们选择扫描周期为700 μs。

图7 不同速度下T=100 μs时触发位置值

图8 不同扫描周期下v=900 mm/s时触发位置值

2.4 实验结果

根据VS2010软件编程进行芯片的位置识别和圆环的位置识别如图9所示，在不同速度下测得的Δd精度如图10所示，可以看出当速度为100、200、300、450、550、850 mm/s时精度在3.5 μm以内，考虑到装片机的效率选择速度为850 mm/s。因此在速度v=850 mm/s时测得的数据如表1所示，其中第一组数据为静止时相机识别的芯片与辅助圆环的位置，其余为运动过程中相机识别的芯片与辅助圆环的位置，通过设定静止时芯片的位置与圆环的位置之差为原点，运动过程中的芯片位置与圆环的位置之差与静止时的位置之差做对比，可以得出Δd精度范围为3.5 μm以内，如图11所示。通过对数据进行分析，得出x精度直方图和y精度直方图，其中Δd中的x向精度和y向精度符合正太分布，如图12、13所示。由于传统视觉系统在经过CCD时停留时间约60 ms，总共运行时间约194 ms，通过设置辅助标识，在经过CCD时无需停留，就能得到芯片的位置偏差，效率提高了31%。

图9 芯片和辅助圆环识别x、y值坐标

图11 Δd的位置精度

图12 x向精度直方图

图13 y向精度直方图

表1 芯片与辅助圆环的位置

3 结 论

本文通过分析IC高速装片设备遇到的飞行视觉定位精度差的问题，提出在键合头上添加辅助标识，通过辅助标识来确定芯片相对键合机构上的吸嘴的即时位置，无需停留，就能得到芯片相对吸嘴的位置偏差Δd，其中在速度为v=850 mm/s扫描周期T为700 μs时，△d的精度范围在3.5 μm以内，效率提高31%，解决了飞行视觉定位精度差的问题，同时提高了装片机的工作效率。

[1] 鲜飞.贴片机视觉系统综述[C].张家界：2007中国高端SMT学术会议论文集，2007.139-145.

[2] 丁汉，朱利民，林忠钦.面向芯片封装的高加速度运动系统的精确定位和操作[J].自然科学进展-国家重点实验室通讯，2003，(6)：568-574.

[3] 陈立国，朱吉锋.基于旋转式反射镜的飞行视觉系统设计[J].光学技术，2010，36(5)：677-681.

[4] 王立成.面阵列芯片封装设备中的视觉定位技术[D].硕士学位论文，武汉：华中科技大学，2003.

[5] Edison T.Hudson.One camera system for component to substrate registration[P].United States Patent：20010055069，2001.

[6] 庄文波，朱文饶，叶乐志，潘峰.飞行视觉在半导体封装设备中的应用分析[J].电子工业专用设备，2016，(1)：27-30.

Research on A New Vision on-the-fly System of IC High-speed Die Attach Bonder

WANG Hongtao1，ZHUANG Wenbo2，YE Lezhi1，2，YAO Lixin2，LI Desheng1

(1.Beijing university of technology，Beijing 100124，China；2.CETC Beijing Electronic Equipment Co.，Ltd，Beijing 100176，China)

Aim at the high speed and high precision demand of IC high-speed die attach bonder，this paper proposes a new kind of auxiliary circle vision on-the-fly position system，to solve the problem of poor vision positioning accuracy of Vision on-the-fly existing in the current IC high-speed die attach bonder.Through making rings in the center of the bonding institution suction nozzle type auxiliary identifier and building Vision on-the-fly test platform，by optimizing the chip motion speed，exposure time，gain，matching relationship between the intensity of light source and the procedure scan cycle experiment，get velocity in 850 mm/s，exposure time in 50 μs，gain of 1000，the working distance is 170 mm，the intensity of light source is 300 best image value，The efficiency of the strip is improved by 31%in the recognition accuracy of 3.5 μm.

IC high-speed die attach bonder；Vision on-the-fly；Auxiliary identifier；Positioning

TN605

A

1004-4507(2017)04-0012-05

王红涛（1990-）男，河北邯郸人，北京工业大学机械工程与应用电子技术学院硕士研究生，主要研究方向为电气设备自动化方向。

2017-04-01

北京市科技新星计划项目(Z151100000315079)