CN103594398A - 一种用于多自由度倒装键合过程的芯片控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于多自由度倒装键合过程的芯片控制方法，其主要控制过程包括：获取芯片的贴装位置信息；键合头拾取芯片，获取芯片Z旋转轴和X/Y直线轴的角度及位置粗调偏差值，然后在执行粗调的同时，实现X/Y直线轴的闭环跟随控制；获取芯片X/Y旋转轴的当前实际角度值，并在逐次选择X/Y旋转轴执行角度闭环控制的同时，实现另外两直线轴的位置闭环跟随控制；获取芯片Z旋转轴和X/Y直线轴的角度及位置精调偏差值，然后在执行精调的同时，实现X/Y直线轴的闭环跟随控制。通过本发明，可使得芯片在角度调整的同时实现位置跟随控制，并能显著提高倒装键合过程的精度和效率，从而保证芯片最终的键合质量。

Description

一种用于多自由度倒装键合过程的芯片控制方法
技术领域
本发明属于半导体封装技术领域，更具体地，涉及一种用于多自由度倒装键合过程的芯片控制方法。
背景技术
所谓芯片倒装（Flip Chip）技术，是将半导体芯片以凸点阵列结构与基板直接键合互连的一种封装工艺方法，其通过将芯片电极面朝下经焊接或导电胶等工艺，从而将芯片凸点与封装基板互连。与引线键合技术相比，倒装键合方式具备精度高，I/O密度高，引线寄生电阻小等优点，因而成为当今芯片封装领域的主流技术之一。
现有技术中对多自由度倒装键合过程的芯片控制方案，主要是以被动调节为主，如Karl Suss公司开发的FC250键合设备，通过机械元件如球面副等来被动保证芯片角度。然而，进一步的研究表明，上述现有方案仍然存在以下的缺陷或不足：首先，由于缺乏对芯片实际角度的实时反馈及主动控制，往往会造成位置调整（通常也称之为对准操作）缺乏角度调整反馈值而无法精确补偿，而且球面副在键合压力作用下或外界干扰下产生的转动也可能导致键合失效；其次，由于键合过程I/O密度高，对于芯片Z旋转轴角度及XY直线轴位置测量提出了微米甚至亚微米级的精度要求，尽管可以采用光栅尺与高像素相机配合的方式来执行测量，但高像素相机相应会带来测量视野范围减小的问题；此外，对于芯片控制过程中的XY旋转轴角度的调整，目前的直接测量方式较为困难，并造成实际操作工作的不便。相应地，相关领域中亟需寻找一种更为完善的芯片控制方法，以便实现高精度、高效率和高鲁棒性的多自由度倒装键合过程。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于多自由度倒装键合过程的芯片控制方法，其中通过对关键工艺的步骤及其操作方式进行优化设计和调整，相应可使得芯片在角度调整的同时实现位置跟随控制，并能进一步提高倒装键合过程的精度和效率，同时具备便于操控和高鲁棒性等优点，因而尤其适用于多自由度倒装键合过程的芯片控制用途。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于多自由度倒装键合过程的芯片控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
（a）确定芯片贴装位置的操作：
对拟贴装芯片的基板测量获取Z旋转轴的角度粗调偏差值和X/Y两直线轴的位置粗调偏差值；将所述基板X/Y两直线轴的位置粗调偏差值作为位置闭环补偿信号，驱动贴装头分别对其X/Y两直线轴位置进行粗调；然后，进一步获取基板Z旋转轴的角度精调偏差值、X/Y两直线轴的位置精调偏差值以及X/Y两旋转轴的当前实际角度值，并根据所述角度精调偏差值和位置精调偏差值来确定芯片在基板上的贴装位置；
（b）芯片Z旋转轴和X/Y直线轴的粗调操作：
多自由度倒装键合头拾取芯片，获取芯片Z旋转轴的角度粗调偏差值及其X/Y两直线轴的位置粗调偏差值；将该芯片角度粗调偏差值作为闭环补偿信号对芯片Z旋转轴的角度进行粗调，与此同时，将所述芯片角度粗调偏差值转换输入至芯片X/Y直线轴位置闭环作为控制信号，由此实现X/Y直线轴对于Z旋转轴的闭环跟随控制；此外，将所述芯片X/Y两直线轴的位置粗调偏差值作为位置闭环补偿信号，分别对X/Y两直线轴的位置进行粗调；
（c）芯片X/Y旋转轴的调整操作：
对芯片X/Y旋转轴的当前实际角度值进行测量，然后逐次选择所述X/Y旋转轴，并将芯片X/Y旋转轴和基板X/Y旋转轴的当前实际角度值作为反馈信号、将期望角度值作为控制信号执行角度闭环控制；与此同时，将当前实际角度值与期望角度值之间的偏差值转换输入至X/Y/Z三直线轴中另外两轴的位置闭环作为控制信号，由此实现另外两直线轴的闭环跟随控制；
（d）芯片Z旋转轴和X/Y直线轴的精调操作：
基于芯片的所述角度和位置粗调偏差值，进一步获取芯片Z旋转轴的角度精调偏差值及其X/Y两直线轴的位置精调偏差值；将该芯片Z旋转轴角度精调偏差值作为闭环补偿信号对芯片Z旋转轴的角度进行精调，与此同时，将所述芯片角度精调偏差值转换输入至芯片X/Y直线轴位置闭环作为控制信号，由此实现X/Y直线轴对于Z旋转轴的闭环跟随控制；此外，将所述芯片X/Y直线轴位置精调偏差值作为位置闭环补偿信号，分别对X/Y两直线轴的位置进行精调；
（e）芯片的贴装操作：
倒装键合头按照芯片调整后的最终位置及角度，携带芯片一同运动至基板上的所述贴装位置，由此执行完成芯片的贴装过程。
作为进一步优选地，对于上述有关基板、芯片的Z旋转轴角度偏差值和X/Y直线轴位置偏差值的获取过程，优选由多套相机来执行，所述多套相机包括镜头像素相对较低的第一CCD相机、以及镜头像素相对较高的第二CCD相机和第三CCD相机；其中，该第一CCD相机配备在倒装键合头上并与安装在机座上的平面镜组件共同组成飞行视觉系统，用于分别获取芯片和基板的所述Z旋转轴角度粗调偏差信号和XY直线轴位置粗调偏差信号；该第二CCD相机安装于机座上，用于在第一CCD相机的测量视野范围内，进一步获取芯片的所述Z旋转轴角度精调偏差信号和X/Y直线轴位置精调偏差信号；该第三CCD相机配置于键合头上，用于在第一CCD相机的测量视野范围内，进一步获取基板的所述Z旋转轴角度精调偏差信号和X/Y直线轴位置精调偏差信号。
作为进一步优选地，所述第一CCD相机被设定为150万～300万的镜头像素值，所述第二CCD相机和第三CCD相机分别被设定为500万以上的镜头像素值。
作为进一步优选地，其特征在于，对于上述位置闭环控制过程，优选采用分别固定设置在机座X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的光栅尺来测量键合头也即芯片的X/Y/Z直线轴实际坐标值，并将其作为反馈信号，由此与所述控制信号来共同构建位置闭环控制。
作为进一步优选地，所述获取基板、芯片的X/Y旋转轴的当前实际角度值的过程具体如下：
（i）在基板或芯片对象上以三点连线构成直角三角形的方式，相应选取三个测量点A、B和C，并且其中的两条直角边AB和BC分别沿着X轴方向和Y轴方向；、
（ii）通过所述分别固定设置在机座X轴方向和Y轴方向的光栅尺，获取上述三个测量点的X轴实际坐标值xA、xB和xC，以及Y轴实际坐标值yA、yB和yC；此外，通过分别设置在键合头和机座上的Z直线轴激光位移传感器，分别获取上述三个测量点的Z轴实际坐标值zA、zB和zC；
（iii）根据公式
Figure BDA0000413514980000041
分别计算得出基板或芯片X旋转轴和Y旋转轴的当前实际角度值θX、θY。
作为进一步优选地，所述分别固定设置在机座X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的光栅尺的精度优选高于0.1μm；两套所述Z直线轴激光位移传感器的位置精度优选高于0.05μm，其动态响应频率优选为10kHz以上，并且高于所述X/Y/Z直线轴位置闭环的更新频率。
作为进一步优选地，所述位置闭环控制过程优选采用前馈模糊PID算法来实现，所述角度闭环控制过程优选采用比例积分算法来实现。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、通过在实现XYZ旋转轴任一轴角度闭环控制的同时，执行其余直线轴对该轴的实时反馈和跟随控制，相应可对位置调整进行适当补偿，并且进一步提高键合的精确度；
2、通过将Z旋转轴和XY直线轴的角度和位置调整划分为粗调和精调两个阶段，并分别利用低像素相机和高像素相机来执行测量，这样可保证芯片能处于较大测量范围内的同时保证测量精度；与此同时，有助于更好地实现XY直线轴的闭环跟随控制过程；
3、通过采用飞行视觉技术、高像素精测相机、光栅尺和激光位置传感器的相互配合来执行芯片的位置及角度检测，测试表明能够获得更高的整体测量精度，同时提高系统的测量效率；
4、此外，由于在角度和位置环控制过程中采用了比例积分（PI）算法以及前馈模糊PID算法，此类算法实现难度较小，同时能够提高系统的动态响应性，较小系统的稳态误差，提高系统角度控制以及位置控制的精度并增强系统的鲁棒性。
附图说明
图1是按照本发明的用于多自由度倒装键合过程的芯片控制方法的工艺流程图；
图2是按照本发明的芯片控制方法的控制原理图；
图3是按照本发明优选实施例的用于多自由度倒装键合过程的芯片控制系统图；
图4是按照本发明优选实施例的倒装键合头的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的用于多自由度倒装键合过程的芯片控制方法的工艺流程图。如图1中所示，该倒装键合过程的芯片控制方法主要包括下列步骤：
第一步骤，确定芯片贴装位置的操作
在此步骤中，对拟贴装芯片的基板测量获取Z旋转轴的角度粗调偏差值和X/Y两直线轴的位置粗调偏差值；将所述基板X/Y两直线轴的位置粗调偏差值作为位置闭环补偿信号，驱动贴装头分别对贴装头的X/Y两直线轴位置进行粗调；然后，进一步获取基板Z旋转轴的角度精调偏差值、X/Y两直线轴的位置精调偏差值以及X/Y两旋转轴的当前实际角度值，并根据所述角度精调偏差值和位置精调偏差值来确定芯片在基板上的贴装位置。
第二步骤：芯片Z旋转轴和X/Y直线轴的粗调操作
在此步骤中，多自由度倒装键合头拾取芯片，通过各种适当方式获取芯片Z旋转轴的角度粗调偏差值及其X/Y两直线轴的位置粗调偏差值；将该芯片角度粗调偏差值作为闭环补偿信号对芯片Z旋转轴的角度进行粗调，与此同时，将所述芯片角度粗调偏差值转换输入至芯片X/Y直线轴位置闭环作为控制信号，由此实现X/Y直线轴对于Z旋转轴的闭环跟随控制；此外，将所述芯片X/Y两直线轴的位置粗调偏差值作为位置闭环补偿信号，分别对X/Y两直线轴的位置进行粗调。
具体而言，对于实现芯片的Z旋转轴角度粗调操作以及XY直线轴位置粗调操作的控制方式，可以将Z旋转轴角度粗调偏差信号作为Z旋转轴角度闭环补偿信号，可经由角度控制器处理后，输入对应伺服放大器驱动马达调整Z旋转轴角度，在此同时，将角度偏差信号譬如通过三角变换作为位置偏差信号输入X/Y直线轴位置闭环作为偏差信号，由此实现X/Y直线轴对于Z旋转轴的闭环跟随控制，实现角度调整粗调操作；
任选X/Y直线轴之一或者两轴同时，利用其偏差信号作为位置闭环补偿信号，经由位置控制器处理输入对应伺服放大器驱动马达调整对应直线轴位置，由此实现直线轴位置粗调操作；
第三步骤，芯片X/Y旋转轴的调整操作
在完成芯片Z旋转轴角度粗调操作以及X/Y直线轴位置粗调操作后，通过各种适当方式获取芯片XY旋转轴的实际角度，并通过以下控制方式来实现芯片的XY旋转轴调整操作：
任选XY旋转轴之一，例如X旋转轴，利用该轴实际角度作为反馈信号，同时将期望角度作为控制信号构建角度闭环控制，获取的角度偏差信号经由角度控制器处理后输入对应伺服放大器驱动对应马达，调整芯片该旋转轴角度；与此同时，该轴角度偏差信号例如通过三角变换输入另外两轴也即XYZ直线轴中的YZ直线轴的位置环作为偏差信号，实现另外两直线轴对于该旋转轴的跟随控制；
完成上述X旋转轴中的角度调整后，使用同样的方法完成剩余另外一轴也即Y轴的角度调整，在此过程中该轴的角度偏差信号例如通过三角变换，输入另外两轴也即XYZ直线轴中的XZ直线轴的位置环作为偏差信号，实现另外两直线轴对于该旋转轴的跟随控制。
第四步骤，芯片Z旋转轴和X/Y直线轴的精调操作
完成XY旋转轴角度调整后，通过各种适当方式获取对应角度精调偏差以及位置精调偏差，并按以下方式精调对应角度及位置：
首先将Z旋转轴角度精调偏差信号作为Z旋转轴角度闭环补偿信号，经由角度控制器处理后输入对应伺服放大器驱动马达调整Z旋转轴角度，在此同时将角度偏差信号譬如通过三角变换作为位置偏差信号输入XY直线轴位置闭环作为偏差信号，实现XY直线轴对于Z旋转轴的闭环跟随控制，实现Z旋转轴角度精调操作；
完成角度精调操作后，再次测量XY直线轴位置精调偏差，然后任选XY直线轴之一或者两轴同时，利用其精调偏差信号作为位置闭环补偿信号，经由位置控制器处理输入对应伺服放大器驱动马达调整对应直线轴位置，实现直线轴位置粗调操作；
第五步骤，芯片的贴装操作
在精调操作完成后，倒装键合头按照芯片调整后的最终位置及角度，携带芯片一同运动至基板上的所述贴装位置，由此执行完成芯片的贴装过程。贴装操作完成后，倒装键合头可运动到基板偏差测量位，通过测量基板贴装位三个不同测量点坐标获取基板的XY旋转轴实际角度，通过倒装键合头上的相机获取其Z旋转轴实际角度以及XY直线轴位置角度。
图2是按照本发明的芯片控制方法的控制原理图。如图2中所示，其中
Figure BDA0000413514980000081
分别为第i轴期望角度，
Figure BDA0000413514980000082
分别为第i轴位置控制信号及反馈信号，
Figure BDA0000413514980000083
为根据几何关系以及第j轴角度偏差得出的其角度调整造成第i轴的位置闭环跟随偏差，
Figure BDA0000413514980000084
为位置闭环中的位置偏差，Cm(xi,yi,zi)为芯片上第m测量点处的空间坐标，
Figure BDA0000413514980000085
为由第i轴角度偏差以及键合头实际尺寸决定的第i轴三角变换关系。
考虑到背景技术中所提及的由于键合过程I/O密度高，对于芯片Z旋转轴角度及XY直线轴位置测量提出了微米甚至亚微米级的精度要求，而高像素相机会带来测量视野范围减小的问题，针对此问题，按照本发明的一个优选实施方式，对于上述有关基板、芯片的Z旋转轴角度偏差值和X/Y直线轴位置偏差值的获取过程，由多套相机来执行，所述多套相机包括镜头像素相对较低的第一CCD相机、以及镜头像素相对较高的第二CCD相机和第三CCD相机。其中，配备在倒装键合头上的第一CCD相机以及机座上的平面镜组件共同组成飞行视觉系统，用于分别获取芯片和基板的所述Z旋转轴角度粗调偏差信号和XY直线轴位置粗调偏差信号；安装于机座上的第二CCD相机用于在第一CCD相机的测量视野范围内，进一步获取芯片的所述Z旋转轴角度精调偏差信号和X/Y直线轴位置精调偏差信号；配置于键合头上的第三CCD相机用于在第一CCD相机的测量视野范围内，进一步获取基板的所述Z旋转轴角度精调偏差信号和X/Y直线轴位置精调偏差信号。更优选地，所述第一CCD相机被设定为150万～300万的镜头像素值，所述第二CCD相机和第三CCD相机分别被设定为500万以上的镜头像素值。
此外，针对现有的芯片控制过程中的XY旋转轴角度难以直接测量的问题，按照本发明的一个优选实施方式，所述获取基板、芯片的X/Y旋转轴的当前实际角度值的过程具体如下：
（i）在基板或芯片对象上以三点连线构成直角三角形的方式，相应选取三个测量点A、B和C，并且其中的两条直角边AB和BC分别沿着X轴方向和Y轴方向；、
（ii）通过所述分别固定设置在机座X轴方向和Y轴方向的光栅尺，获取上述三个测量点的X轴实际坐标值xA、xB和xC，以及Y轴实际坐标值yA、yB和yC；此外，通过分别设置在键合头和机座上的Z直线轴激光位移传感器，分别获取上述三个测量点的Z轴实际坐标值zA、zB和zC；
（iii）根据公式
Figure BDA0000413514980000091
分别计算得出基板或芯片X旋转轴和Y旋转轴的当前实际角度值θX、θY。
按照本发明的另一优选实施方式，对于上述位置闭环控制过程，优选采用分别固定设置在机座X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的光栅尺来测量键合头也即芯片的X/Y/Z直线轴实际坐标值，并将其作为反馈信号，由此与所述控制信号来共同构建位置闭环控制。此外，所述分别固定设置在机座X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的光栅尺的精度优选高于0.1μm；两套所述Z直线轴激光位移传感器的位置精度优选高于0.05μm，其动态响应频率优选为10kHz以上，并且高于所述X/Y/Z直线轴位置闭环的更新频率。
按照本发明的又一优选实施方式，对于上述位置闭环控制过程，优选采用前馈模糊PID算法来实现，而对于上述角度闭环控制过程，优选采用比例积分算法来实现。由于在角度和位置环控制过程中采用了比例积分（PI）算法以及前馈模糊PID算法，此类算法实现难度较小，同时能够提高系统的动态响应性，较小系统的稳态误差，提高系统角度控制以及位置控制的精度并增强系统的鲁棒性。
下面将对上述优选实施方式给出更为具体的解释和说明。
首先，多自由度倒装键合头从初始位置运动至拟贴装芯片的基板所在位置PS，在此过程中，通过上述飞行视觉系统来获得基板位置X/Y直线轴和Z旋转轴的角度粗调偏差值，将所述基板基板X/Y两直线轴的位置粗调偏差值作为位置闭环补偿信号，驱动贴装头分别对贴装头的X/Y两直线轴位置进行粗调；然后，基于X/Y直线轴粗调偏差值，倒装键合头继续运动至位置PZ，并采用上述镜头像素较高的第三CCD相机、光栅尺和Z直线轴激光位移传感器来获取基板X/Y直线轴的位置精调偏差值、基板Z旋转轴的角度精调偏差值、以及基板X/Y旋转轴的当前实际角度值，所获得基板的各项偏差值将作为芯片贴装过程中芯片运动的补偿值,根据基板X/Y直线轴的位置精调偏差值和Z旋转轴的角度精调偏差值可确定芯片在基板上的贴装位置P0。
接着，多自由度倒装键合头从初始位置运动至芯片拾取位置P1，并完成对芯片的拾取动作；多自由度倒装键合头拾取芯片后，从飞行视觉起始位置P2运动至飞行视觉结束位置P3，在此过程中利用上述飞行视觉技术获得芯片Z旋转轴的角度粗调偏差值、以及芯片X/Y直线轴的位置粗调偏差值；将所述角度粗调偏差值作为闭环补偿信号对Z旋转轴的角度进行粗调，与此同时，将此角度粗调偏差值转换输入至X/Y直线轴位置闭环作为控制信号，由此实现XY直线轴对于Z旋转轴的闭环跟随控制；接着，将所述位置粗调偏差值作为位置闭环补偿信号，分别对X/Y两直线轴的位置进行粗调。
接着，倒装键合头继续运动至芯片X/Y旋转轴角度调整位置P4，并利用上述光栅尺和Z直线轴激光位移传感器来获取芯片XY旋转轴的当前实际角度值，然后，逐次选择XY旋转轴并将其当前芯片实际角度值和基板XY旋转轴的当前实际角度值作为反馈信号、将期望角度值作为控制信号执行角度闭环控制；与此同时，将当前实际角度值与期望角度值之间的偏差值转换输入至X/Y/Z直线轴中另外两轴的位置闭环作为控制信号，由此实现另外两直线轴的闭环跟随控制；
接着，倒装键合头继续运动至位置P5，并利用镜头像素较高的第二CCD相机在第一CCD相机的测量视野范围内进一步精确获取芯片Z旋转轴的角度精调偏差值、以及芯片X/Y直线轴的位置精调偏差值；将该芯片Z旋转轴角度精调偏差值作为闭环补偿信号对Z旋转轴的角度进行精调，与此同时，将此角度精调偏差值转换输入至X/Y直线轴位置闭环作为控制信号，由此实现XY直线轴对于Z旋转轴的闭环跟随控制；此外，将该芯片X/Y直线轴位置精调偏差值作为位置闭环补偿信号，分别对X/Y两直线轴的位置进行精调。
通过将Z旋转轴的角度调整划分为粗调和精调两个阶段，并分别利用低像素相机和高像素相机来执行测量，这样可保证芯片能处于较大测量范围内的同时保证测量精度；与此同时，有助于更好地实现XY直线轴的闭环跟随控制过程。此外，在测量过程中通过采用飞行视觉技术、精测CCD相机、光栅尺和激光位置传感器的相互配合来执行芯片的位置及角度检测，测试表明能够获得更高的整体测量精度，同时提高系统的测量效率。
图3是按照本发明优选实施例的用于多自由度倒装键合过程的芯片控制系统。如图3中所示，该芯片调整系统主要包括：倒装键合头201，X直线轴马达，放大器及光栅尺202、213、209，Y直线轴马达、放大器及光栅尺203、214、210，Z直线轴马达、放大器及光栅尺204、215、208,X旋转轴马达及放大器205、216，Y旋转轴马达及放大器206、217，Z旋转轴马达及放大器207、218，两套高像素CCD相机212，一套低像素CCD相机211，运动控制装置219以及Z直线轴激光位移传感器220。
更具体而言，倒装键合头201例如具有6个自由度，且任意两自由度之间实现解耦，可分别用不同马达驱动。倒装键合头的驱动马达连接放大器以及倒装键合头，接受放大器的驱动信号从而驱动倒装键合头。Z直线轴激光位移传感器220固定在装置的机座上，用于获取芯片的Z向坐标。X直线轴、Y直线轴Z直线轴光栅尺209、210、208，分别固定在装置机座的X向、Y向及Z向上，用于提供芯片XYZ直线轴位置闭环中的反馈信号，同时XY直线轴光栅尺209、210还用于获取芯片的X坐标及Y坐标。低像素CCD相机211用于获取芯片Z旋转轴粗调角度偏差以及XY直线轴粗调位置偏差，保证芯片位于高像素CCD相机212视野范围内；与此相配合地，两套高像素CCD相机212分别用于获取芯片和基板的Z旋转轴精调角度偏差以及XY直线轴精调位置偏差。放大器213-218则分别与所述运动控制装置219和所述倒装键合头201中马达202-207相连，用于根据所述的位置或者角度偏差来驱动马达，由此实现对芯片的角度及位置调整。
此外，所述运动控制装置219优选具备六轴以上的伺服控制能力，且其伺服更新频率在2kHz以上，其编码器采样频率在10MHz以上。该运动控制装置与光栅尺209、210、220，激光位移传感器208、高像素CCD相机212、低像素相机211以及放大器213-218相连，其作用在于从光栅尺209、210，激光位移传感器220中接受A、B、C三个测量点的坐标并通过公式变换获取芯片X/Y旋转轴实际角度信号作为反馈信号，构建X/Y角度闭环控制，从光栅尺208、209、210获取Z/X/Y直线轴的实际信号作为反馈信号，构建位置闭环控制，或者从高像素CCD相机212以及低像素CCD相机211中获取Z旋转轴以及XY直线轴粗调及精调偏差信号，实现芯片Z旋转轴角度及XY直线轴位置的粗调及精调操作；同时将角度闭环或者位置闭环中的偏差信号，经由角度或位置控制器输出给伺服放大器213-218驱动对应马达，实现角度及位置闭环调整。此外，该运动控制装置19通过将XYZ旋转轴的任一轴角度闭环中的角度偏差信号作为另外两轴的位置闭环补偿信号，经由位置控制器输入放大器13-18驱动对应马达，实现直线轴对于旋转轴的跟随控制。
图4是按照本发明优选实施例的倒装键合头的结构示意图。如图4中所示，其中301为整个键合头机座，为整体键合头提供支撑以及基准，302为X直线轴马达，用以实现芯片X直线轴调整，303为Y向连接板，串联连接Y直线轴马达304及X直线轴马达302，304为Y直线轴马达，用以实现芯片Y直线轴运动，305为Z向连接板，串联连接Z直线轴马达306及Y直线轴马达304，306为Z直线轴马达，用以实现芯片Z直线轴运动，此三自由度例如呈串联连接方式，307为调平连接板，连接X旋转轴马达309，Y旋转轴马达310以及Z旋转轴马达308，其中X旋转轴马达309，Y旋转轴马达310为并联连接，实现芯片X旋转轴角度及Y旋转轴角度的独立调整，而后与Z旋转轴马达308串联连接，实现芯片的Z旋转轴角度调整。
以上虽然对芯片控制系统及倒装键合头的组成及其各自作用作出简要说明，然而本领域的技术人员容易理解，这些描述仅仅为示范性说明，并可以在具体形式上作出适当性调整，只要能够达到上述的芯片控制过程即可。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于多自由度倒装键合过程的芯片控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
（a）确定芯片贴装位置的操作：
对拟贴装芯片的基板测量获取Z旋转轴的角度粗调偏差值和X/Y两直线轴的位置粗调偏差值；将所述基板X/Y两直线轴的位置粗调偏差值作为位置闭环补偿信号，驱动贴装头分别对其X/Y两直线轴位置进行粗调；然后，进一步获取基板Z旋转轴的角度精调偏差值、X/Y两直线轴的位置精调偏差值以及X/Y两旋转轴的当前实际角度值，并根据所述角度精调偏差值和位置精调偏差值来确定芯片在基板上的贴装位置；
（b）芯片Z旋转轴和X/Y直线轴的粗调操作：
多自由度倒装键合头拾取芯片，获取芯片Z旋转轴的角度粗调偏差值及其X/Y两直线轴的位置粗调偏差值；将该芯片角度粗调偏差值作为闭环补偿信号对芯片Z旋转轴的角度进行粗调，与此同时，将所述芯片角度粗调偏差值转换输入至芯片X/Y直线轴位置闭环作为控制信号，由此实现X/Y直线轴对于Z旋转轴的闭环跟随控制；此外，将所述芯片X/Y两直线轴的位置粗调偏差值作为位置闭环补偿信号，分别对X/Y两直线轴的位置进行粗调；
（c）芯片X/Y旋转轴的调整操作：
对芯片X/Y旋转轴的当前实际角度值进行测量，然后逐次选择所述X/Y旋转轴，并将芯片X/Y旋转轴和基板X/Y旋转轴的当前实际角度值作为反馈信号、将期望角度值作为控制信号执行角度闭环控制；与此同时，将当前实际角度值与期望角度值之间的偏差值转换输入至X/Y/Z三直线轴中另外两轴的位置闭环作为控制信号，由此实现另外两直线轴的闭环跟随控制；
（d）芯片Z旋转轴和X/Y直线轴的精调操作：
基于芯片的所述角度和位置粗调偏差值，进一步获取芯片Z旋转轴的角度精调偏差值及其X/Y两直线轴的位置精调偏差值；将该芯片Z旋转轴角度精调偏差值作为闭环补偿信号对芯片Z旋转轴的角度进行精调，与此同时，将所述芯片角度精调偏差值转换输入至芯片X/Y直线轴位置闭环作为控制信号，由此实现X/Y直线轴对于Z旋转轴的闭环跟随控制；此外，将所述芯片X/Y直线轴位置精调偏差值作为位置闭环补偿信号，分别对X/Y两直线轴的位置进行精调；
（e）芯片的贴装操作：
倒装键合头按照芯片调整后的最终位置及角度，携带芯片一同运动至基板上的所述贴装位置，由此执行完成芯片的贴装过程。
2.如权利要求1所述的芯片控制方法，其特征在于，对于上述有关基板、芯片的Z旋转轴角度偏差值和X/Y直线轴位置偏差值的获取过程，优选由多套相机来执行，所述多套相机包括镜头像素相对较低的第一CCD相机、以及镜头像素相对较高的第二CCD相机和第三CCD相机；其中，该第一CCD相机配备在倒装键合头上，并与安装在机座上的平面镜组件共同组成飞行视觉系统，用于分别获取芯片和基板的所述Z旋转轴角度粗调偏差信号和XY直线轴位置粗调偏差信号；该第二CCD相机安装于机座上，用于在第一CCD相机的测量视野范围内，进一步获取芯片的所述Z旋转轴角度精调偏差信号和X/Y直线轴位置精调偏差信号；该第三CCD相机配置于键合头上，用于在第一CCD相机的测量视野范围内，进一步获取基板的所述Z旋转轴角度精调偏差信号和X/Y直线轴位置精调偏差信号。
3.如权利要求2所述的芯片控制方法，其特征在于，所述第一CCD相机被设定为150万～300万的镜头像素值，所述第二CCD相机和第三CCD相机分别被设定为500万以上的镜头像素值。
4.如权利要求1-3任意一项所述的芯片控制方法，其特征在于，对于上述位置闭环控制过程，优选采用分别固定设置在机座X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的光栅尺来测量键合头也即芯片的X/Y/Z直线轴实际坐标值，并将其作为反馈信号，由此与所述控制信号来共同构建位置闭环控制。
5.如权利要求4所述的芯片控制方法，其特征在于，所述获取基板、芯片的X/Y旋转轴的当前实际角度值的过程具体如下：
（i）在基板或芯片对象上以三点连线构成直角三角形的方式，相应选取三个测量点A、B和C，并且其中的两条直角边AB和BC分别沿着X轴方向和Y轴方向；、
（ii）通过所述分别固定设置在机座X轴方向和Y轴方向的光栅尺，获取上述三个测量点的X轴实际坐标值xA、xB和xC，以及Y轴实际坐标值yA、yB和yC；此外，通过分别设置在键合头和机座上的Z直线轴激光位移传感器，分别获取上述三个测量点的Z轴实际坐标值zA、zB和zC；
（iii）根据公式
Figure FDA0000413514970000031
分别计算得出基板或芯片X旋转轴和Y旋转轴的当前实际角度值θX、θY。
6.如权利要求5所述的芯片控制方法，其特征在于，所述分别固定设置在机座X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的光栅尺的精度优选高于0.1μm；两套所述Z直线轴激光位移传感器的位置精度优选高于0.05μm，其动态响应频率优选为10kHz以上，并且高于所述X/Y/Z直线轴位置闭环的更新频率。
7.如权利要求1-6任意一项所述的芯片控制方法，其特征在于，所述位置闭环控制过程优选采用前馈模糊PID算法来实现，所述角度闭环控制过程优选采用比例积分算法来实现。
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