CN105486995A - 全自动探针台图像定位装置及视觉对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动探针台图像定位装置及视觉对准方法，包括基座，设于基座上的XY平台、第一相机支架和向下开口的U形支撑架；第一相机支架上设有第一相机，XY平台上设有载片台和第二相机支架，U形支撑架上设有探针卡，载片台上设有晶圆，晶圆上设有m块被检测芯片，每块芯片设有n个焊盘，第二相机支架上设有第二相机和可水平伸缩的气缸。本发明具有能够根据针痕的位置对探针台的运动部件误差进行补偿，提高了设备的精度；能够自主完成对针操作，对针成功率高，效率高，为准确检测芯片提供了可靠基础的特点。

Description

全自动探针台图像定位装置及视觉对准方法

技术领域

本发明涉及集成电路测试设备技术领域，尤其是涉及一种对针精度高、效率高的全自动探针台图像定位装置及视觉对准方法。

背景技术

晶圆测试是集成电路制造的一道重要工序，准确的测试能够及时剔除不良品，减少封装测试成本的浪费，提高产品良率。探针台是用于晶圆测试的设备，与测试机连接后能够自动完成对集成电路的电性能测试。探针台的主要功能是实现晶圆焊盘与探针卡针尖的精密对位，即对针。对针的准确度对测试结果有重要影响。

如今，视觉系统已广泛应用于自动化生产线，利用图像的模板识别、自动定位、尺寸测量等功能，引导设备自动进行校准、加工、测试等动作。由于图像坐标系与工作台坐标系并不相同，因此，必须建立图像坐标系与工作台坐标系间的精准映射关系，映射关系的准确性直接决定设备的性能。现有的视觉对准系统存在映射关系不准确，设备定位精度低等问题，不能满足探针台的功能需求。

中国专利授权公开号：CN103486969A，授权公开日2014年1月1日，公开了一种机器视觉对准方法，包括如下步骤：固定第一相机和分辨率高于所述第一相机的第二相机；对所述第一相机和第二相机进行标定，确定相机坐标系与待对准对象的物理位置坐标系之间的坐标转换关系；在待对准对象上选定粗对准标记点和精对准标记点，在所述粗对准标记点上选定至少一个第一特征点，在所述精对准标记点上选定至少两个第二特征点，并分别指定所述第一特征点和第二特征点的目标物理位置坐标；利用所述第一相机采集待对准对象的粗对准标记点的图像。该发明的不足之处是，功能单一，无法用于探针台图像定位装置的视觉对准。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的探针台对针精度低、效率低的不足，提供了一种对针精度高、效率高的全自动探针台图像定位装置及视觉对准方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种全自动探针台图像定位装置，包括基座，设于基座上的XY平台、第一相机支架和向下开口的U形支撑架；第一相机支架上设有第一相机，XY平台上设有载片台和第二相机支架，U形支撑架上设有探针卡，载片台上设有晶圆，晶圆上设有m块被检测芯片，每块芯片设有n个焊盘，第二相机支架上设有第二相机和可水平伸缩的气缸，气缸的伸缩杆端部与标定块连接，标定块下表面位于第二相机上表面的上方，标定块上表面位于第一相机下表面的下方，探针卡上设有n个探针，晶圆位于第一相机下方，基座通过驱动装置与XY平台连接，XY平台通过旋转升降装置与载片台连接，驱动装置、旋转升降装置、第一相机、气缸、各个探针、第二相机均与计算机电连接。

驱动装置用于带动XY平台移动，从而带动载片台和第二相机移动；旋转升降装置用于带动载片台升降及旋转，标定块可在气缸的带动下移动至第一相机下方及第二相机上方，晶圆上分布有待测芯片。各个探针扎到各个焊盘上后，各个探针和各个焊盘形成电连接，计算机可以根据各个探针上信号的变化，对被测芯片的质量好坏做出判断。

每个芯片有n个焊盘，焊盘分布在芯片的外缘，具体的分布方式根据芯片的类型而定。对应于n个焊盘，探针卡上相应的分布有n根探针，探针的分布与焊盘分布一致，以保证焊盘与探针能够准确对位。

只有各个探针的针尖与各个焊盘精确对准，才能保证焊盘与针尖的可靠电气连接，计算机才能根据针尖上的信号判断芯片的质量是否合格，从而使不合格的芯片被检测出来，后道封装时可将不合格芯片及时剔除，减少封测成本的浪费，提高芯片的良率。

与传统的视觉对准方法相比，本发明能够借助视觉系统自主建立图像坐标系与工作台坐标系间的坐标转换关系；能够根据针痕的位置对探针台的运动部件误差进行补偿，提高了设备的精度；能够自主完成对针操作，对针成功率高，效率高，为准确检测芯片提供了可靠基础。

作为优选，所述驱动装置包括x轴直线电机和y轴直线电机，x轴直线电机和y轴直线电机均与计算机电连接；

所述XY平台上设有竖槽，所述旋转升降装置位于竖槽中，旋转升降装置包括用于带动载片台旋转的旋转电机和用于带动载片台升降的升降结构；

所述升降结构包括设于旋转电机下部的永磁铁和设于竖槽底部的电磁铁，永磁铁下表面上设有缓冲垫，电磁铁与计算机电连接。

计算机可以控制电磁铁的磁极改变，需要载片台上升时，使电磁铁和永磁铁相近端极性相同，从而使旋转电机上升，旋转电机的转轴与载片台连接，用于带动载片台旋转。

竖槽的内侧壁上设有至少2条导向槽，旋转电机上设有与每条导向槽相配合的滑块，各条导向槽上端均设有挡板。

作为优选，所述标定块包括支撑条和透光玻璃，所述透明玻璃上刻有宽度为0.10至0.24mm的十字光标。

作为优选，第一相机和第二相机均包括可切换的高倍镜头和低倍镜头。

一种全自动探针台图像定位装置的视觉对准方法，包括如下步骤：

(5-1)相机标定：

获得第一相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系，第二相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系，修正第一相机坐标系、第二相机坐标系原点间的位置偏差；

(5-2)焊盘位置获取与校准：

获取晶圆上的各个焊盘在工作台坐标系中的坐标，并使焊盘的排列方向与工作台X轴方向一致；

(5-3)探针针尖位置获取与对针：

获取各个探针针尖在工作台坐标系中的坐标，各个探针针尖的排列方向与工作台X轴间的夹角，并使焊盘的排列方向与探针针尖的排列方向一致；

(5-4)针痕检查与位置补偿：

根据针痕位置确定角度修正值与XY方向的位置补偿值。

作为优选，所述获得第一相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系包括如下步骤：

(6-1-1)将晶圆从载片台上取下，计算机通过驱动装置控制XY平台移动，第一相机拍摄载片台的图像；

计算机在拍摄的图像中查找设于载片台上的特征字符位于A点，记录A点的图像坐标值和工作台坐标值；

(6-1-2)计算机控制XY平台沿X轴方向移动Δx，沿Y轴方向移动Δy，计算机在第一相机拍摄的载片台图像中找到特征字符位于A′点，记录下A′点的图像坐标值与工作台坐标值；

(6-1-3)计算机利用下述公式计算图像坐标系与工作台坐标系间的像素转换因子：

$\begin{array}{c}\mathrm{Re}X=\frac{M_{2}X-M_{1}X}{m_{2}x-m_{1}x}\\ \mathrm{Re}Y=\frac{M_{2}Y-M_{1}Y}{m_{2}y-m_{1}y}\end{array},$

其中，ReX是X轴的像素转换因子，ReY是Y轴的像素转换因子，M₁X是A点在X轴方向的工作台坐标值，M₂X是A′点在X轴方向的工作台坐标值，M₁Y是A点在Y轴方向的工作台坐标值，M₂Y是A′点在Y轴方向的工作台坐标值，m₁x是A点在X轴方向的图像坐标值，m₂x是A′点在X轴方向的图像坐标值，m₁y是A点在Y轴方向的图像坐标值，m₂y是A′点在Y轴方向的图像坐标值；

(6-1-4)计算机利用公式 $\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{M_{2}Y-M_{1}Y}{M_{2}X-M_{1}X}\right)-\arctan \left(\frac{m_{2}y-m_{1}y}{m_{2}x-m_{1}x}\right)$ 计算第一相机坐标系与工作台坐标系X轴间的角度偏差值Δθ，

利用公式 $\begin{array}{c}OX=M_{1}X-m_{1}x\×\mathrm{Re}X\\ OY=M_{1}Y-m_{1}y\×\mathrm{Re}Y-m_{1}x\×\mathrm{Re}X\×tan\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\end{array}$ 计算第一相机坐标系原点的工作台坐标值OX，OY；

(6-1-5)得到第一相机坐标系与工作台坐标系间的坐标转换关系： $\begin{array}{c}DX=OX+dx\×\mathrm{Re}X\\ DY=OY+dy\×\mathrm{Re}Y+dx\×\mathrm{Re}X\×tan\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\end{array};$

其中，DX是X轴方向的工作台坐标值，DY是Y轴方向的工作台坐标值；dx是X轴方向的图像坐标值，dy是Y轴方向的图像坐标值；

所述获得第二相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系包括如下步骤：

(6-2-1)计算机通过驱动装置控制XY平台移动，第二相机拍摄第一相机外壳图像；

计算机在拍摄的图像中找到设于第一相机外壳上的十字线位于B点，记录B点的图像坐标值和工作台坐标值；

(6-2-2)计算机控制XY平台沿X轴方向移动Δx，沿Y轴方向移动Δy，计算机在第二相机拍摄的第一相机外壳图像中找到十字线位于B′点，记录下B′点的图像坐标值与工作台坐标值；

(6-2-3)计算机利用下述公式计算图像坐标系与工作台坐标系间的像素转换因子： $\begin{array}{c}\mathrm{Re}{X}^{\′}=\frac{M_2{X}^{\′}-M_1{X}^{\′}}{m_2{x}^{\′}-m_1{x}^{\′}}\\ \mathrm{Re}{Y}^{\′}=\frac{M_2{Y}^{\′}-M_1{Y}^{\′}}{m_2{y}^{\′}-m_1{y}^{\′}}\end{array},$

其中，ReX′是X轴的像素转换因子，ReY′是Y轴的像素转换因子，M₁X′是B点在X轴方向的工作台坐标值，M₂X′是B′点在X轴方向的工作台坐标值，M₁Y′是B点在Y轴方向的工作台坐标值，M₂Y′是B′点在Y轴方向的工作台坐标值，m₁x′是B点在X轴方向的图像坐标值，m₂x′是B′点在X轴方向的图像坐标值，m₁y′是A点在Y轴方向的图像坐标值，m₂y′是A′点在Y轴方向的图像坐标值；

(6-2-4)计算机利用公式

${\mathrm{\Δ\θ}}^{\′}=\arctan \left(\frac{M_2{Y}^{\′}-M_1{Y}^{\′}}{M_2{X}^{\′}-M_1{X}^{\′}}\right)-\arctan \left(\frac{m_2{y}^{\′}-m_1{y}^{\′}}{m_2{x}^{\′}-m_1{x}^{\′}}\right)$ 计算第二相机坐标系与工作台X轴间的角度偏差值Δθ′，

利用公式 $\begin{array}{c}{\mathrm{OX}}^{\′}=M_1{X}^{\′}-m_1{x}^{\′}\×\mathrm{Re}{X}^{\′}\\ {\mathrm{OY}}^{\′}=M_1{Y}^{\′}-m_1{y}^{\′}\×\mathrm{Re}{Y}^{\′}-m_1{x}^{\′}\×\mathrm{Re}{X}^{\′}\×{\mathrm{tan\Δ\θ}}^{\′}\end{array}$ 计算第二相机坐标系原点的工作台坐标值OX′，OY′；

(6-2-5)得到第二相机坐标系与工作台坐标系间的坐标转换关系： $\begin{array}{c}{\mathrm{DX}}^{\′}={\mathrm{OX}}^{\′}+{\mathrm{dx}}^{\′}\×\mathrm{Re}{X}^{\′}\\ {\mathrm{DY}}^{\′}={\mathrm{OY}}^{\′}+{\mathrm{dy}}^{\′}\×\mathrm{Re}{Y}^{\′}+{\mathrm{dx}}^{\′}\×\mathrm{Re}{X}^{\′}\×{\tan \mathrm{\Δ\θ}}^{\′}\end{array};$

其中，DX′是X轴方向的工作台坐标值，DY′是Y轴方向的工作台坐标值；dx′是X轴方向的图像坐标值，dy′是Y轴方向的图像坐标值；

(6-3)所述修正第一相机坐标系、第二相机坐标系原点间的位置偏差包括如下步骤：

计算机通过气缸控制标定块移动，使标定块十字线位于第一相机和第二相机镜头中心位置，第一相机和第二相机分别获得获取标定块上的十字标记中心在第一相机坐标系中的坐标(C_x，C_y)和第二相机坐标系中的坐标点(C′_x，C′_y)，计算机将第二相机坐标系的原点坐标修正为(OX′+C_x-C_x′，OY′+C_y-C_y′)。

作为优选，所述步骤(5-2)包括如下步骤：

计算机中预先设有焊盘图像模板，将放置有m块待测芯片的晶圆放置到载片台上，第一相机捕捉晶圆的图像，计算机利用焊盘图像模板识别出一块待测芯片的n个焊盘，获取各个焊盘在第一相机坐标系的坐标，利用第一相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系，获得各个焊盘在工作台坐标系的坐标；

将第一相机的十字光标与第一个焊盘中心对齐，然后控制XY平台沿X轴方向移动距离d，将十字光标与第N个焊盘中心对齐，获取两个焊盘中心在Y轴方向的坐标偏差ΔY，利用公式计算焊盘与工作台X轴的角度偏差值θ₁，N＜n；

计算机通过旋转电机控制载片台旋转角度θ₁，使焊盘排列方向与工作台X轴方向一致，完成晶圆校准。

作为优选，所述步骤(5-3)包括如下具体步骤：

计算机中预设有针尖图像模板，第二相机获取探针卡的图像，计算机获得各个探针的针尖在第二相机坐标系的坐标，并利用第二相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系，获得各个探针的针尖在工作台坐标系的坐标；

计算机控制XY平台移动，使第二相机镜头的十字光标与第一根探针的针尖对齐，然后计算机控制XY平台带动第二相机移动距离d，使十字光标与第N根探针的针尖中心对齐，获取两根探针的针尖在Y方向的坐标偏差值ΔY′，计算机利用公式计算探针针尖与工作台X轴的角度偏差值θ₂；

计算机通过旋转升降装置控制载片台旋转，旋转角度为θ₂-θ₁，使焊盘的排列方向与探针卡针尖的排列方向一致。

作为优选，所述步骤(5-4)包括如下步骤：

根据步骤(5-1)至(5-3)计算得到第一根探针针尖与第一个焊盘的理论位置，计算机控制XY平台移动，使第一根探针的针尖与第一个焊盘的理论中心对准，然后通过旋转升降装置控制载片台上升，使针尖扎到焊盘并留下针痕；

计算机控制XY平台移动，分别得到第一个针痕与最后一个针痕的工作台坐标值。第一个针痕与最后一个针痕偏转角度可利用公式 ${\mathrm{\θ}}_3=\frac{Y_N-Y_1}{X_N-X_1}$ 计算得到；

其中X₁为第一个针痕的X轴坐标，X_N为最后一个针痕的X轴坐标，Y₁为第一个针痕的Y轴坐标，Y_N为最后一个针痕的Y轴坐标，得到的第一个针痕的坐标值为H₁(X₁，Y₁)；

计算XY方向的补偿值：计算机控制XY平台移动，获取第一个焊盘中心的坐标值P₁(P_1X，P_1Y)，利用公式 $\begin{array}{c}{X}_{err}=P_{1X}-X_1\\ Y_{err}=P_{1Y}-Y_1\end{array}$ 计算得到XY方向的补偿值；

计算机控制旋转升降装置带动载片台旋转θ₃，并且每次对针时都加上XY方向的补偿值，保证晶圆的焊盘与针尖的中心的实际位置重合，即针痕在焊盘的中心位置，实现晶圆的焊盘与针尖的精密对位。因此，本发明具有如下有益效果：能够借助视觉系统自主建立图像坐标系与工作台坐标系间的坐标转换关系；能够根据针痕的位置对探针台的运动部件误差进行补偿，提高设备的精度；能够自主完成对针操作，对针成功率高，效率高。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图；

图2为本发明的标定块的一种结构示意图；

图3为本发明的第一相机与工作台坐标转换的一种示意图；

图4为本发明的焊盘与针尖相对于工作台X轴角度计算的一种示意图；

图5为本发明的针痕检查角度的一种修正示意图；

图6为本发明的旋转升降装置的一种结构示意图；

图7为本发明的一种原理框图；

图8为本发明的实施例的一种流程图。

图中：基座1、XY平台2、第一相机支架3、U形支撑架4、第一相机5、载片台6、第二相机支架7、探针卡8、气缸9、标定块10、晶圆11、第二相机12、驱动装置13、旋转升降装置14、竖槽15、计算机16、探针81、支撑条101、透光玻璃102、十字光标103、x轴直线电机131、y轴直线电机132、旋转电机141、升降结构142、永磁铁1421、电磁铁1422。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示的实施例是一种全自动探针台图像定位装置，包括基座1，设于基座上的XY平台2、第一相机支架3和向下开口的U形支撑架4；第一相机支架上设有第一相机5，XY平台上设有载片台6和第二相机支架7，U形支撑架上设有探针卡8，载片台上设有晶圆11，晶圆上设有25000块被检测芯片，每块芯片上有16个焊盘，第二相机支架上设有第二相机12和可水平伸缩的气缸9，气缸的伸缩杆端部与标定块10连接，标定块下表面位于第二相机上表面的上方，标定块上表面位于第一相机下表面的下方，探针卡上设有16个探针81，晶圆位于第一相机下方，基座通过驱动装置13与XY平台连接，XY平台通过旋转升降装置14与载片台连接，如图7所示，驱动装置、旋转升降装置、第一相机、气缸、各个探针、第二相机均与计算机16电连接。

驱动装置包括x轴直线电机131和y轴直线电机132，x轴直线电机和y轴直线电机均与计算机电连接；

如图6所示，XY平台上设有竖槽15，旋转升降装置位于竖槽中，旋转升降装置包括用于带动载片台旋转的旋转电机141和用于带动载片台升降的升降结构142；

升降结构包括设于旋转电机下部的永磁铁1421和设于竖槽底部的电磁铁1422，永磁铁下表面上设有缓冲垫，电磁铁与计算机电连接。

如图2所示，标定块包括支撑条101和透光玻璃102，透明玻璃上刻有宽度为0.2mm的十字光标103。

第一相机和第二相机均包括可切换的高倍镜头和低倍镜头。

如图8所示，一种全自动探针台图像定位装置的视觉对准方法，包括如下步骤：

步骤100，相机标定

步骤110，获得第一相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系：

步骤111，将晶圆从载片台上取下，计算机通过驱动装置控制XY平台移动，第一相机拍摄载片台的图像；

如图3所示，计算机在拍摄的图像中查找设于载片台上的特征字符位于A点，记录A点的图像坐标值和工作台坐标值；

步骤112，计算机控制XY平台沿X轴方向移动Δx，沿Y轴方向移动Δy，计算机在第一相机拍摄的载片台图像中找到特征字符位于A′点，记录下A′的图像坐标值与工作台坐标值；

步骤113，计算机利用下述公式计算图像坐标系与工作台坐标系间的像素转换因子：

$\begin{array}{c}\mathrm{Re}X=\frac{M_{2}X-M_{1}X}{m_{2}x-m_{1}x}\\ \mathrm{Re}Y=\frac{M_{2}Y-M_{1}Y}{m_{2}y-m_{1}y}\end{array},$

其中，ReX是X轴的像素转换因子，ReY是Y轴的像素转换因子，M₁X是A点在X轴方向的工作台坐标值，M₂X是A′点在X轴方向的工作台坐标值，M₁Y是A点在Y轴方向的工作台坐标值，M₂Y是A′点在Y轴方向的工作台坐标值，m₁x是A点在X轴方向的图像坐标值，m₂x是A′点在X轴方向的图像坐标值，m₁y是A点在Y轴方向的图像坐标值，m₂y是A′点在Y轴方向的图像坐标值；

步骤114，计算机利用公式 $\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{M_{2}Y-M_{1}Y}{M_{2}X-M_{1}X}\right)-\arctan \left(\frac{m_{2}y-m_{1}y}{m_{2}x-m_{1}x}\right)$ 计算第一相机坐标系与工作台坐标系X轴间的角度偏差值Δθ，

利用公式 $\begin{array}{c}OX=M_{1}X-m_{1}x\×\mathrm{Re}X\\ OY=M_{1}Y-m_{1}y\×\mathrm{Re}Y-m_{1}x\×\mathrm{Re}X\×tan\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\end{array}$ 计算第一相机坐标系原点的工作台坐标值OX，OY；

步骤115，得到第一相机坐标系与工作台坐标系间的坐标转换关系： $\begin{array}{c}DX=OX+dx\×\mathrm{Re}X\\ DY=OY+dy\×\mathrm{Re}Y+dx\×\mathrm{Re}X\×tan\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\end{array};$

其中，DX是X轴方向的工作台坐标值，DY是Y轴方向的工作台坐标值；dx是X轴方向的图像坐标值，dy是Y轴方向的图像坐标值；

步骤120，获得第二相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系：

步骤121，计算机通过驱动装置控制XY平台移动，第二相机拍摄第一相机外壳图像；

计算机在拍摄的图像中找到设于第一相机外壳上的十字线位于B点，记录B点的图像坐标值和工作台坐标值；

步骤122，计算机控制XY平台沿X轴方向移动Δx，沿Y轴方向移动Δy，计算机在第二相机拍摄的第一相机外壳图像中找到十字线位于B′点，记录下B′的图像坐标值与工作台坐标值；

步骤123，计算机利用下述公式计算图像坐标系与工作台坐标系间的像素转换因子： $\begin{array}{c}\mathrm{Re}{X}^{\′}=\frac{M_2{X}^{\′}-M_1{X}^{\′}}{m_2{x}^{\′}-m_1{x}^{\′}}\\ \mathrm{Re}{Y}^{\′}=\frac{M_2{Y}^{\′}-M_1{Y}^{\′}}{m_2{y}^{\′}-m_1{y}^{\′}}\end{array},$

其中，ReX′是X轴的像素转换因子，ReY′是Y轴的像素转换因子，M₁X′是B点在X轴方向的工作台坐标值，M₂X′是B′点在X轴方向的工作台坐标值，M₁Y′是B点在Y轴方向的工作台坐标值，M₂Y′是B′点在Y轴方向的工作台坐标值，m₁x′是B点在X轴方向的图像坐标值，m₂x′是B′点在X轴方向的图像坐标值，m₁y′是A点在Y轴方向的图像坐标值，m₂y′是A′点在Y轴方向的图像坐标值；

步骤124，计算机利用公式

${\mathrm{\Δ\θ}}^{\′}=\arctan \left(\frac{M_2{Y}^{\′}-M_1{Y}^{\′}}{M_2{X}^{\′}-M_1{X}^{\′}}\right)-\arctan \left(\frac{m_2{y}^{\′}-m_1{y}^{\′}}{m_2{x}^{\′}-m_1{x}^{\′}}\right)$ 计算第二相机坐标系与工作台X轴间的角度偏差值Δθ′，

利用公式 $\begin{array}{c}{\mathrm{OX}}^{\′}=M_1{X}^{\′}-m_1{x}^{\′}\×\mathrm{Re}{X}^{\′}\\ {\mathrm{OY}}^{\′}=M_1{Y}^{\′}-m_1{y}^{\′}\×\mathrm{Re}{Y}^{\′}-m_1{x}^{\′}\×\mathrm{Re}{X}^{\′}\×{\mathrm{tan\Δ\θ}}^{\′}\end{array}$ 计算第二相机坐标系原点的工作台坐标值OX′，OY′；

步骤125，得到第二相机坐标系与工作台坐标系间的坐标转换关系： $\begin{array}{c}{\mathrm{DX}}^{\′}={\mathrm{OX}}^{\′}+{\mathrm{dx}}^{\′}\×\mathrm{Re}{X}^{\′}\\ {\mathrm{DY}}^{\′}={\mathrm{OY}}^{\′}+{\mathrm{dy}}^{\′}\×\mathrm{Re}{Y}^{\′}+{\mathrm{dx}}^{\′}\×\mathrm{Re}{X}^{\′}\×{\tan \mathrm{\Δ\θ}}^{\′}\end{array};$

其中，DX′是X轴方向的工作台坐标值，DY′是Y轴方向的工作台坐标值；dx′是X轴方向的图像坐标值，dy′是Y轴方向的图像坐标值；

步骤130，修正第一相机坐标系、第二相机坐标系原点间的位置偏差：

计算机通过气缸控制标定块移动，使标定块十字线位于第一相机和第二相机镜头中心位置，第一相机和第二相机分别获得获取标定块上的十字标记中心在第一相机坐标系中的坐标(C_x，C_y)和第二相机坐标系中的坐标点(C′_x，C′_y)，然后，计算机将第二相机坐标系的原点坐标修正为(OX′+C_x-C_x′，OY′+C_y-C_y′)。

步骤200，焊盘位置获取与校准

获取晶圆上的各个焊盘在工作台坐标系中的坐标，并使焊盘的排列方向与工作台X轴方向一致；

计算机中预先设有焊盘图像模板，将放置有25000块待测芯片的晶圆放置到载片台上，第一相机捕捉晶圆的图像，计算机利用焊盘图像模板识别出一块待测芯片的焊盘，获取各个焊盘在第一相机坐标系的置坐标，利用第一相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系，获得各个焊盘在工作台坐标系的坐标；

如图4所示，将第一相机的十字光标与第一个焊盘中心对齐，然后控制XY平台沿X轴方向移动距离d，将十字光标与第N个焊盘中心对齐，获取两个焊盘中心在Y轴方向的坐标偏差ΔY，利用公式计算焊盘与工作台X轴的角度偏差值θ₁；

计算机通过旋转电机控制载片台旋转角度θ₁，使焊盘排列方向与工作台X轴方向一致，完成晶圆校准。

步骤300，探针针尖位置获取与对针

获取各个探针针尖在工作台坐标系中的坐标，各个探针针尖的排列方向与工作台X轴间的夹角，并使焊盘的排列方向与探针针尖的排列方向一致；

计算机中预设有针尖图像模板，第二相机获取探针卡的图像，计算机获得各个探针的针尖在第二相机坐标系的坐标，并利用第二相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系，获得各个探针的针尖在工作台坐标系的坐标；

如图4所示，计算机控制XY平台移动，使第二相机镜头的十字光标与第一根探针的针尖对齐，然后计算机控制XY平台带动第二相机移动距离d，使十字光标与第N根探针的针尖中心对齐，获取两根探针的针尖在Y方向的坐标偏差值ΔY′，计算机利用公式计算探针针尖与工作台X轴的角度偏差值θ₂，N＜16；

计算机通过旋转升降装置控制载片台旋转，旋转角度为θ₂-θ₁，使焊盘的排列方向与探针卡针尖的排列方向一致。

步骤400，针痕检查与位置补偿

根据针痕位置确定角度修正值与XY方向的位置补偿值：

根据上述三个步骤可以计算得到第一根探针针尖与第一个焊盘的理论位置，然后计算机控制XY平台移动，使第一根探针的针尖与第一个焊盘的理论中心对准，然后通过旋转升降装置控制载片台上升，使针尖扎到焊盘并留下针痕；

如图5所示，计算机控制XY平台移动，分别得到第一个针痕与最后一个针痕的工作台坐标值。第一个针痕与最后一个针痕偏转角度可利用公式计算得到；

其中X₁为第一个针痕的X轴坐标，X_N为最后一个针痕的X轴坐标，Y₁为第一个针痕的Y轴坐标，Y_N为最后一个针痕的Y轴坐标；

然后计算XY方向的补偿值。计算机控制XY平台移动，获取第一个焊盘中心的坐标值P₁(P_1X，P_1Y)，上一步得到的第一个针痕的坐标值为H₁(X₁，Y₁)，则XY方向的补偿值可利用公式 $\begin{array}{c}{X}_{err}=P_{1X}-X_1\\ Y_{err}=P_{1Y}-Y_1\end{array}$ 计算得到；

计算机控制旋转升降装置带动载片台旋转θ₃，并且每次对针时都加上XY方向的补偿值，就可以保证晶圆的焊盘与针尖的中心的实际位置重合，即针痕在焊盘的中心位置，由此实现了晶圆的焊盘与针尖的精密对位。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种全自动探针台图像定位装置，其特征是，包括基座(1)，设于基座上的XY平台(2)、第一相机支架(3)和向下开口的U形支撑架(4)；第一相机支架上设有第一相机(5)，XY平台上设有载片台(6)和第二相机支架(7)，U形支撑架上设有探针卡(8)，载片台上设有晶圆(11)，晶圆上设有m块被检测芯片，每块芯片设有n个焊盘，第二相机支架上设有第二相机(12)和可水平伸缩的气缸(9)，气缸的伸缩杆端部与标定块(10)连接，标定块下表面位于第二相机上表面的上方，标定块上表面位于第一相机下表面的下方，探针卡上设有n个探针(81)，晶圆位于第一相机下方，基座通过驱动装置(13)与XY平台连接，XY平台通过旋转升降装置(14)与载片台连接，驱动装置、旋转升降装置、第一相机、气缸、各个探针、第二相机均与计算机(16)电连接。

2.根据权利要求1所述的全自动探针台图像定位装置，其特征是，所述驱动装置包括x轴直线电机(131)和y轴直线电机(132)，x轴直线电机和y轴直线电机均与计算机电连接；

所述XY平台上设有竖槽(15)，所述旋转升降装置位于竖槽中，旋转升降装置包括用于带动载片台旋转的旋转电机(141)和用于带动载片台升降的升降结构(142)；

所述升降结构包括设于旋转电机下部的永磁铁(1421)和设于竖槽底部的电磁铁(1422)，永磁铁下表面上设有缓冲垫，电磁铁与计算机电连接。

3.根据权利要求1所述的全自动探针台图像定位装置，其特征是，所述标定块包括支撑条(101)和透光玻璃(102)，所述透明玻璃上刻有宽度为0.10mm至0.24mm的十字光标(103)。

4.根据权利要求1或2或3所述的全自动探针台图像定位装置，其特征是，第一相机和第二相机均包括可切换的高倍镜头和低倍镜头。

5.一种适用于权利要求1所述的全自动探针台图像定位装置的视觉对准方法，其特征是，包括如下步骤：

(5-1)相机标定：

获得第一相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系，第二相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系，修正第一相机坐标系、第二相机坐标系原点间的位置偏差；

(5-2)焊盘位置获取与校准：

获取晶圆上的各个焊盘在工作台坐标系中的坐标，并使焊盘的排列方向与工作台X轴方向一致；

(5-3)探针针尖位置获取与对针：

获取各个探针针尖在工作台坐标系中的坐标，各个探针针尖的排列方向与工作台X轴间的夹角，并使焊盘的排列方向与探针针尖的排列方向一致；

(5-4)针痕检查与位置补偿：

根据针痕位置确定角度修正值与XY方向的位置补偿值。

6.根据权利要求5所述的全自动探针台图像定位装置的视觉对准方法，其特征是，所述获得第一相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系包括如下步骤：

(6-1-1)将晶圆从载片台上取下，计算机通过驱动装置控制XY平台移动，第一相机拍摄载片台的图像；

计算机在拍摄的图像中查找设于载片台上的特征字符位于A点，记录A点的图像坐标值和工作台坐标值；

(6-1-2)计算机控制XY平台沿X轴方向移动Δx，沿Y轴方向移动Δy，计算机在第一相机拍摄的载片台图像中找到特征字符位于A′点，记录下A′点的图像坐标值与工作台坐标值；

(6-1-3)计算机利用下述公式计算图像坐标系与工作台坐标系间的像素转换因子：

$\mathrm{Re}X=\frac{M_{2}X-M_{1}X}{m_{2}x-m_{1}x}$

$\mathrm{Re}Y=\frac{M_{2}Y-M_{1}Y}{m_{2}y-m_{1}y},$

其中，ReX是X轴的像素转换因子，ReY是Y轴的像素转换因子，M₁X是A点在X轴方向的工作台坐标值，M₂X是A′点在X轴方向的工作台坐标值，M₁Y是A点在Y轴方向的工作台坐标值，M₂Y是A′点在Y轴方向的工作台坐标值，m₁x是A点在X轴方向的图像坐标值，m₂x是A′点在X轴方向的图像坐标值，m₁y是A点在Y轴方向的图像坐标值，m₂y是A′点在Y轴方向的图像坐标值；

(6-1-4)计算机利用公式 $\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{M_{2}Y-M_{1}Y}{M_{2}X-M_{1}X}\right)-arctan\left(\frac{m_{2}y-m_{1}y}{m_{2}x-m_{1}x}\right)$ 计算第一相机坐标系与工作台坐标系X轴间的角度偏差值Δθ，

利用公式 $\begin{array}{c}OX=M_{1}X-m_{1}x\×\mathrm{Re}X\\ OY=M_{1}Y-m_{1}y\×\mathrm{Re}Y-m_{1}x\×\mathrm{Re}X\×tan\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\end{array}$ 计算第一相机坐标系原点的工作台坐标值OX，OY；

(6-1-5)得到第一相机坐标系与工作台坐标系间的坐标转换关系： $\begin{array}{c}DX=OX+dx\×\mathrm{Re}X\\ DY=OY+dy\×\mathrm{Re}Y+dx\×\mathrm{Re}X\×tan\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\end{array};$

其中，DX是X轴方向的工作台坐标值，DY是Y轴方向的工作台坐标值；dx是X轴方向的图像坐标值，dy是Y轴方向的图像坐标值；

所述获得第二相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系包括如下步骤：

(6-2-1)计算机通过驱动装置控制XY平台移动，第二相机拍摄第一相机外壳图像；

计算机在拍摄的图像中找到设于第一相机外壳上的十字线位于B点，记录B点的图像坐标值和工作台坐标值；

(6-2-2)计算机控制XY平台沿X轴方向移动Δx，沿Y轴方向移动Δy，计算机在第二相机拍摄的第一相机外壳图像中找到十字线位于B′点，记录下B′点的图像坐标值与工作台坐标值；

(6-2-3)计算机利用下述公式计算图像坐标系与工作台坐标系间的像素转换因子： $\begin{array}{c}{\mathrm{ReX}}^{\′}=\frac{M_2{X}^{\′}-M_1{X}^{\′}}{m_2{x}^{\′}-m_1{x}^{\′}}\\ {\mathrm{ReY}}^{\′}=-\frac{M_2{Y}^{\′}-M_1{Y}^{\′}}{m_2{y}^{\′}-m_1{y}^{\′}}\end{array},$

其中，ReX′是X轴的像素转换因子，ReY′是Y轴的像素转换因子，M₁X′是B点在X轴方向的工作台坐标值，M₂X′是B′点在X轴方向的工作台坐标值，M₁Y′是B点在Y轴方向的工作台坐标值，M₂Y′是B′点在Y轴方向的工作台坐标值，m₁x′是B点在X轴方向的图像坐标值，m₂x′是B′点在X轴方向的图像坐标值，m₁y′是A点在Y轴方向的图像坐标值，m₂y′是A′点在Y轴方向的图像坐标值；

(6-2-4)计算机利用公式

${\mathrm{\Δ\θ}}^{\′}=arctan\left(\frac{M_2{Y}^{\′}-M_1{Y}^{\′}}{M_2{X}^{\′}-M_1{X}^{\′}}\right)-arctan\left(\frac{m_2{y}^{\′}-m_1{y}^{\′}}{m_2{x}^{\′}-m_1{x}^{\′}}\right)$ 计算第二相机坐标系与工作台X轴间的角度偏差值Δθ′，

利用公式 $\begin{array}{c}{\mathrm{OX}}^{\′}=M_1{X}^{\′}-m_1{x}^{\′}\×{\mathrm{ReX}}^{\′}\\ {\mathrm{OY}}^{\′}=M_1{Y}^{\′}-m_1{y}^{\′}\×{\mathrm{ReY}}^{\′}-m_1{x}^{\′}\×{\mathrm{ReX}}^{\′}\×{\mathrm{tan\Δ\θ}}^{\′}\end{array}$ 计算第二相机坐标系原点的工作台坐标值OX′，OY′；

(6-2-5)得到第二相机坐标系与工作台坐标系间的坐标转换关系： $\begin{array}{c}{\mathrm{DX}}^{\′}={\mathrm{OX}}^{\′}+{\mathrm{dx}}^{\′}\×{\mathrm{ReX}}^{\′}\\ {\mathrm{DY}}^{\′}={\mathrm{OY}}^{\′}+{\mathrm{dy}}^{\′}\×{\mathrm{ReY}}^{\′}+{\mathrm{dx}}^{\′}\×{\mathrm{ReX}}^{\′}\×{\mathrm{tan\Δ\θ}}^{\′}\end{array};$

其中，DX′是X轴方向的工作台坐标值，DY′是Y轴方向的工作台坐标值；dx′是X轴方向的图像坐标值，dy′是Y轴方向的图像坐标值；

(6-3)所述修正第一相机坐标系、第二相机坐标系原点间的位置偏差包括如下步骤：

计算机通过气缸控制标定块移动，使标定块十字线位于第一相机和第二相机镜头中心位置，第一相机和第二相机分别获得获取标定块上的十字标记中心在第一相机坐标系中的坐标(C_x，C_y)和第二相机坐标系中的坐标点(C′_x，C′_y)，计算机将第二相机坐标系的原点坐标修正为(OX′+C_x-C_x′，OY′+C_y-C_y′)。

7.根据权利要求5所述的全自动探针台图像定位装置的视觉对准方法，其特征是，所述步骤(5-2)包括如下步骤：

计算机中预先设有焊盘图像模板，将放置有m块待测芯片的晶圆放置到载片台上，第一相机捕捉晶圆的图像，计算机利用焊盘图像模板识别出一块待测芯片的n个焊盘，获取各个焊盘在第一相机坐标系的坐标，利用第一相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系，获得各个焊盘在工作台坐标系的坐标；

将第一相机的十字光标与第一个焊盘中心对齐，然后控制XY平台沿X轴方向移动距离d，将十字光标与第N个焊盘中心对齐，获取两个焊盘中心在Y轴方向的坐标偏差ΔY，利用公式计算焊盘与工作台X轴的角度偏差值θ₁，N＜n；

计算机通过旋转电机控制载片台旋转角度θ₁，使焊盘排列方向与工作台X轴方向一致，完成晶圆校准。

8.根据权利要求5所述的全自动探针台图像定位装置的视觉对准方法，其特征是，所述步骤(5-3)包括如下具体步骤：

计算机中预设有针尖图像模板，第二相机获取探针卡的图像，计算机获得各个探针的针尖在第二相机坐标系的坐标，并利用第二相机坐标系与工作台坐标系的坐标转换关系，获得各个探针的针尖在工作台坐标系的坐标；

计算机控制XY平台移动，使第二相机镜头的十字光标与第一根探针的针尖对齐，然后计算机控制XY平台带动第二相机移动距离d，使十字光标与第N根探针的针尖中心对齐，获取两根探针的针尖在Y方向的坐标偏差值ΔY′，计算机利用公式计算探针针尖与工作台X轴的角度偏差值θ₂；

计算机通过旋转升降装置控制载片台旋转，旋转角度为θ₂-θ₁，使焊盘的排列方向与探针卡针尖的排列方向一致。

9.根据权利要求5或6或7或8所述的全自动探针台图像定位装置的视觉对准方法，其特征是，步骤(5-4)包括如下步骤：

根据步骤(5-1)至(5-3)计算得到第一根探针针尖与第一个焊盘的理论位置，计算机控制XY平台移动，使第一根探针的针尖与第一个焊盘的理论中心对准，然后通过旋转升降装置控制载片台上升，使针尖扎到焊盘并留下针痕；

计算机控制XY平台移动，分别得到第一个针痕与最后一个针痕的工作台坐标值。第一个针痕与最后一个针痕偏转角度可利用公式 ${\mathrm{\θ}}_3=\frac{Y_N-Y_1}{X_N-X_1}$ 计算得到；

其中X₁为第一个针痕的X轴坐标，X_N为最后一个针痕的X轴坐标，Y₁为第一个针痕的Y轴坐标，Y_N为最后一个针痕的Y轴坐标，得到的第一个针痕的坐标值为H₁(X₁，Y₁)；

计算XY方向的补偿值：计算机控制XY平台移动，获取第一个焊盘中心的坐标值P₁(P_1X，P_1Y)，利用公式 $\begin{array}{c}{X}_{err}=P_{1X}-X_1\\ Y_{err}=P_{1Y}-Y_1\end{array}$ 计算得到XY方向的补偿值；

计算机控制旋转升降装置带动载片台旋转θ₃，并且每次对针时都加上XY方向的补偿值，保证晶圆的焊盘与针尖的中心的实际位置重合，即针痕在焊盘的中心位置，实现晶圆的焊盘与针尖的精密对位。