CN1276702C - 在基底上定位和安置半导体小片的视点特征的方法 - Google Patents

Abstract

使用一种具有向下视频系统及水平视频系统的拾取和安置机器在拾取元件前利用拾取预览系统对元件的表面进行检测。拾取后，在元件向基底安置位置输送的过程中，用水平视频系统确定元件的形心和零度旋转轴，以及在元件上到所期望的有效特征的偏移修正量。然后，将元件上期望的有效特征在最短时间内以最小误差安置在基底上的精确的预定位置上。

Description

在基底上定位和安置半导体小片的视点特征的方法

技术领域

本发明涉及在基底和印刷电路板等上装配元件所使用的拾取和安置机器。更具体地讲，本发明涉及一种新的方法，该方法用于将半导体小片的视点或特征精确地与目标视点对准并安置到基底、载体或者印刷电路板上。

背景技术

本发明涉及对现有技术的拾取和安置机器的使用，目前世界上有二十家以上的生产商制造和出售此类拾取和安置机器。此前，如半导体芯片、电阻器、电容器和电感器等元件从送料带格或晶片包(waffle packs)等中被拾取，而后被准确地安置在基底或PC板的目标位置。要安置的元件不能以最佳的方位被拾取，因此需要在元件被拾取后及安置前使用某种类型的视频系统以保证适当的安置对准。

现代的拾取和安置机器具有配备真空吸嘴的可沿垂直或Z方向运动的拾取头。拾取头安置在X-Y机架上，可从供料位置拾取任一元件后输送到目标位置或安置位置，并安置在基底或PC板上。高精确度定位问题可以通过在输送拾取的元件过程中，从与安置位置具有已知物理距离的上视视频系统上方越过的方式加以解决。通过视频系统很容易确定小片底部或小片边缘的图案的实际位置。通过拾取和安置机器内的机架驱动装置和编码器可对X-Y和角度(θ)的方位拾取误差进行修正，将元件安置在准确位置。Cognex、ICOS和AISI及其它同类公司向拾取和安置机器生产商提供此类视频系统。

为了保证较高的元件拾取精度，拾取和安置机器生产商在拾取头上设置了下视视频系统，可在用真空吸嘴拾取元件前确定元件的尺寸、类型和方位。当元件放置在晶片盘(waffle trays)中，由于元件会在此处移动而失去其原来方位，故需要这样的视频系统。

另一种备选方案是，可使用如美国专利No5,559,727示出和描述的拾取头水平图像系统以代替上视视频系统。由于水平视频系统在移动中工作，可节省大量时间。

所有类型的视频系统可组合到大多数的应用于在基底上安置元件的拾取和安置机器中。建议通过对这些机器进行改进以解决光纤连接器或接口的制作所引起的问题。认识到，可使用上视视频系统将元件底部特征或边缘精确地安置在基底的目标位置上。然而，如果在小片的上表面上有光纤二极管检测器，上视视频系统仅能以将该特征定位到小片边缘的特征精度进行安置。由于多数小片是从晶片上裁剪的，所以表面图案外的小片边缘会有千分之几英寸的变化。如果多个二极管驱动器或传感器芯片带有由电路图案外的周边材料(street material)的宽度不同带来的偏差而安置在基底连接器上，会产生同一基底上不同小片之间的累积误差。

因此，当从小片边缘到有效特征的距离变化发生变化时，需要有一种消除不同小片之间偏离误差的简单方法。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种新方法，用以安置具有有效表面特征的小片或元件，以便把此特征而不是小片的预定边缘安置到目标位置。

本发明的主要目的是提供一种方法，该方法用于把小片顶部上的特征定位到基底上，以便将此特征而不是小片的边缘彼此相对定位，且定位精度和拾取和安置机器所能将小片定位到目标位置的精度相同。

本发明的主要目的是提供一种具有多个小片的基底，以便在不同小片上彼此定位有效特征，且定位精度和拾取和安置机器所能将小片定位到目标位置的精度相同。

本发明的一般目的是提供一种带有多个光敏检测器或光发射器的基底，该检测器或光发射器以已知或标准的间隔或间距彼此分离、并以具有最小偏差的方式定位。

本发明的一般目的是提供一种在拾取和安置机器的头上使用现有技术的下视摄像机来在拾取前决定小片位置、并使用标准向下视觉系统来决定小片的中心目标和方位以便用真空吸嘴拾取的方法。此外，利用从下视摄像机获取的信息，可以决定有效特征相对周围边缘安置的位置，从而可以将元件的有效特征而不是其边缘安置在希望的X-Y目标位置上。

本发明的一般目的是为连接器提供一种基底，使用现有拾取和安置机器可精确地将多个有效定位特征或元件或小片彼此分开地安置在该基底上。

本发明的一般目的是提供一种已知的具有拾取预览视频摄像系统和可编程的水平图像系统的拾取和安置机器，从而将小片上的表面特征安置到基底上预定X和Y目标位置处。

本发明的一般目的是提供一种方法，该方法可应用在已知的市场可得到的拾取和安置机器中，其不需要上视视频系统，并可连续移动安置具有有效表面特征的元件。

根据本发明的这些和其它目的，提供了一种拾取和安置机器，其在拾取头上具有用于获得特征在待安置的小片上的、关于待安置的小片的至少两条边的X-Y位置的拾取预览视频系统，并具有在同一拾取头上的水平移动视频系统，该水平移动视频系统用于确定空间中相同两边相对于视频系统的位置，所以，该拾取和安置机器允许控制系统确定偏移误差，以便将小片上的表面特征精确地安置在基底的预定的X-Y位置上。

附图说明

图1是现有技术的拾取和安置机器的简图，该机器具有下视视频系统和上视视频系统；

图2是现有技术的拾取头的简图，该拾取头具有安装在可移动头上的水平视频系统；

图3是现有技术的水平视频系统的侧视图，该水平视频系统安置在图1和图2所示的现有技术的拾取和安置机器的拾取头上；

图4是当小片的图案相对于小片周边的位置为已知时，现有技术的将小片安置到目标位置放置区域的方法的方框图；

图5是基底或PC板的顶视图或平面视图，表示容纳待安置的小片元件外周边线的安置目标或安置位置；

图6是光纤组件或连接器的分解简图，包括图5所示类型的基底，基底上分布有光电二极管或光电检测器，与基底并列的导向板用于使光缆准确定位，与小片上的有效要素或特征相重合；

图7是优选实施例方法步骤的方框图或流程图，该方法用于将元件的有效预定视点安置到基底上的准确的X-Y位置；

图8是修改的实施例方法步骤的方框图或流程图，该方法用于将元件的多个有效预定特征视点安置到基底上各自精确的X-Y安置点。

具体实施方式

参考图1所示典型的现有技术拾取和安置机器10的等角图，在拾取和安置机器的可移动拾取头12上设置有下视摄像机11。下视摄像机11用于几个目的。当组装机器10时，视频系统和摄像机11用于确定拾取吸嘴13在机器10中的X-Y坐标系的位置，以及确定基底14在同一坐标系中的位置。在拾取小片或元件14前，同一个摄像机被用于建立送料带(未示出)拾取站的位置，并建立由升降供料系统16设置的小片托盘15的位置。

完成建立后，便已知小片托盘15的格的坐标以及在基底14上的目标位置或安置位置。所不知的是，在拾取前小片托盘15内的元件17的确切位置，及拾取后元件相对于吸嘴13的X、Y和角度的方位。

完成建立后，现有技术的典型顺序包括用包含待拾取元件格上方的X-Y机架给下视摄像机定位。得到对元件17的帧图抓取，并将其输送至图像处理器18。商业上可得的视频系统包括图像处理器18，它能够确定元件的形心或元件区域的中心及其在机器坐标系中的X和Y位置。这样的图像处理器18也可以确定元件是否存在以及元件的旋转方向和尺寸，这使图像处理器18能够识别元件，并在拾取前确定在四个可能的90度旋转位置中哪一个位置对元件进行拾取。称为“拾取预览”的操作顺序可使控制和排序系统19引导移动头及其拾取吸嘴13到达元件拾取点，通常该拾取点是元件面积的形心。根据要安置元件的类型，如具有衬垫或引线的暴露表面集成电路，在元件的上表面上可能有或者可能没有暴露的电路图案。然而，当电路图案被暴露时，存储在图像处理器18中的帧图抓取中的数据可使控制系统19确定电路图案上任何点或线的旋转，以及面积形心相对于元件侧或相对于从电路图案形心区分出的元件面积形心的位置X，Y。

吸嘴13拾取元件后，拾取和安置系统10使用上视视频系统21确定元件22的X和Y的旋转位置。尽管可能确定元件在基底14的位置，但利用上视视频系统21确定吸嘴13上的元件的实际位置。如果可从下方观察的元件具有引线、管脚或凸起，上视视频系统21可确定相对于视频系统21的实际位置，并计算出在X、Y和角度(θ)的修正量而使元件17精确地安置在基底14的预定位置上。

现参考图2所示拾取头12的正视简图，拾取头12具有与其一同移动的水平视频系统24。在美国专利5,559,727中有关于此视频系统的陈述，至少从1996年该系统便被引用在图1所示的现有技术拾取和安置机器中。水平视频系统24的优点是计算处于吸嘴13上的元件17或22的偏移位置可与元件从拾取位置向安置位置输送过程同时进行，输送中没有停顿、减速或绕行上视摄像机。在上述专利中所描述的水平视频系统的优点是能够观察元件的侧部和/或引线和管脚或表面安置装置(SMT)的凸起，并将电路图案中的引线、管脚或凸起以最小偏差或计算安置到基底上或电路板上。

参考图3，图3示出本发明优选使用的水平视频系统24的主要部分。不相干光源26和滤光镜(defusing lens)27产生细扇形光线28，该光线28通过正像准直透镜29产生薄而宽的平行光束带31。光束带31通过从元件17延伸的多个引线32。将拾取工具13或吸嘴13安装在拾取头12内，用以垂直运动及转动，拾取头12如前所述可沿X-Y移动。经过引线32的光33被引导至直角棱镜34上，此处，光线被向上引导并通过正像物镜35。光33通过孔隙板36会聚并穿过屋脊状或180度棱镜37，然后通过中继透镜38到达高清晰CCD(HDCCD)线性阵列39。利用图3的焦阑系统将穿过或经过引线32的光线作为亮图像清晰地重聚焦在线性阵列39上。优选的操作模式是在光路径中转动元件17，并确定其零度或90度正交轴位置，且无需始终知道其确切的拾取旋转方向。元件的中心或引线的中心用于确定相对于线性阵列39在X或Y方向的偏移量。这样测量出来的偏移量德耳塔X和德耳塔Y允许在以最小计算量进行安置前修正偏移量。这一过程有效地确定引线32和/或元件17的形心位置，并将其与拾取和安置机器10的坐标系联系在一起。

应该明白，控制系统19不局限于仅以零度或90度安置元件。所确定的元件或引线的形心能以任何角度将元件安置在基底14或PC板的预定安置位置上。

参考图4，图4示出现有技术的将小片安置到目标安置区域的方法，以使小片顶部电路图案的位置安置到基底上的所需的小片对准区域上或其上方。在方框41中，下视视频系统12可安置在由黏性输送带携带的由多个小片(未示出)构成的晶片的上方。锯开的晶片可使光线从下方穿过输送带照射在小片边缘，以在晶片中勾画小片的具体轮廓，该轮廓被获取并被存储到图像处理器18中，如方框42所示。在方框43中，小片前表面上的电路图案特征被照亮并变为可见。在方框44中，电路图案和小片的外边缘被扫描到图像处理器中用于分析。在方框45中，对存储的信息进行分析，其过程将在下文中描述。在方框46中，以极坐标的形式提取小片的边缘。在方框47中，计算出形成小片周边的边缘的中心值。如方框48所示，用计算出的小片边缘就可计算小片电路图案的外围边界，并确定电路图案的形心。在方框49中，进行另一计算，包括计算以上形心的偏移向量。在方框51中，为小片周边的中心计算第二形心。方框52中，使用步骤46和47中所提取的形心的信息为小片图案计算修正因子，最后如方框53所示将修正因子提供给拾取和安置机器10的X-Y机械传动系统。可以看出，以上计算需要电路图案的形心，以及使用极坐标计算的小片外周边的大概区域的形心。还可看出，小片元件外周边的形心不会与前面描述的水平视频系统检测信息观察到的形心相同。图4所描述方法存在的问题是计算高度复杂且假设小片的外周边与电路图案边缘不平行，因而，通过下视视频系统11的观察，可放置成小片边缘方位与图案零度旋转方向具有某一微小角度旋转偏差。

图4所示及描述的方法在美国专利6,031,242中有详细描述，该专利在此引作参考。图4所提出的方法是设计用于从安装在柔性粘性输送带，例如Nitto^TM输送带，上的锯开或切开的晶片上拾取小片。切开的晶片经过晶片而不是经过胶带被锯开，这样在小片之间留下透明的通道，以便可在板背面照明并使通道对于现有技术视频系统所使用类型的下视视频系统13成为视觉上高亮的。这样可使修改过的控制系统能够确定小片周边的形心和小片图案的形心，但是为得到这样的信息使用了复杂的计算，该信息可能与如图3所示类型的水平视频系统得到的高精确信息相同，也可能与之不同。

例如，如果要安置的元件17是带有高精度的伸出管脚或球的表面安置元件，所述管脚或球作为表面上的图案的指示，可使用如图3所示的现有技术系统将元件精确地安置到基底或印刷电路板的期望目标或安置位置，并忽略元件上部的图案或目标。然而，当要放置的元件17不具备这样的一套连接器管脚或球时，则需要确定期望的表面图案的位置，并使用这一信息将元件17安置到基底14上。

参考图5，图5示出了将基底或PC板14的俯视或平面图，该基底或PC板14被用作光纤连接器设备的一部分。示情况而定，优选地，需要以125或250微米的间距将元件22精确地安置到基底14上。元件22上的目标或特征54是典型的光电二极管发射器或接收器，并具有1到2密耳的直径，必须以±12微米的精度安置以保证光纤电缆的对准，光纤电缆在图中未示出。以所示实施例中，基底14设置有高精度对准孔55，其用于将在下文中描述的连接器基底的机械校准。

参考图6所示的光纤连接器或组件的侧视图，侧视图包括图5所示处和描述的基底14。图6的连接器组件包括设置有圆锥形会聚孔57的校准或导向板56，会聚孔57使光缆以精确的X-Y位置与元件22上的目标54相对准。假定连接器组件有很高的制作精度并较好地位于公差范围之内，这样，光缆通过校准孔57进行安置，可精确地与视点54重合，视点54由光电二极管传感器或接收器的有效元件的中心构成。可看出，即使元件22的图案相对小片外周边轻微旋转，安置在基底14上的元件22能够在其目标位置精确地对准特征54并且可与孔57对准。因此，可以省略现有技术的多个步骤及计算，与使用以前现有技术的拾取和安置机器相比，使特征54的安置达到更高的精度。

参照图7，其示出了优选实施例的方法步骤的方框图或流程图，该方法用于将元件特征的有效预定视点54精确地安置到基底14上的X、Y确切位置。图7的方框图或方法步骤考虑了具有图2所示改进的图1中示出的现有技术的拾取和安置机器。从这一方面，方框58示出：下视视频系统12设置在要被拾取和安置在基底14上的元件的上方。在下一步骤中，视频系统对要安置的元件进行帧图抓取或获取像素图像或像素位图，并将获取的信息存储到图像处理器18中。在方框61中，图像处理器确定元件外周边的形心和视点相对于待安置特征的偏移。在方框61中，吸嘴13拾取元件，拾取位置尽所能达到的机械精度尽可能接近形心，如方框62所示，元件17被输送到或靠近基底14上的安置位置。在方框63中，在元件17的输送过程，用水平视频系统24确定元件外周边的形心并将元件的旋转位置减小到零度或预定角度。需注意，从方框58到方框63所示的步骤是在现有技术系统中已使用的步骤。在方框64中，当输送元件到基底14时，可以确定在X和Y方向上偏移修正量，将特征的视点54安置到预定的X和Y的安置位置，而无需知道元件17上的图案是否倾斜或通过水平视频系统24和元件的各边完美地平行校准。在最后步骤中，元件17的特征的视点54可被安置在基底上的用于视点的精确的X和Y位置上，而忽略图案可能存在的微小旋转。在上述系统中，使用现有技术的水平视频系统，例如美国专利5,559,727所陈述的Quad对准系统，可使所确定的视点的位置精度在3到5微米之内。

现参考图8，图8示出了经改进的实施例方法的方框图或流程图，该实施例方法用于将元件上多个有效预定视点特征精确地安置到它们在基底14上的X和Y安置位置。

方框58到方框59使用图1到图3所示的视频系统，与上文参考图7所述相同，此处不再重述。方框66确定元件外周边的形心及主视点特征的偏移，该主视点特征的使用将在下文中说明。在方框67中，通过在元件17上设置的一个或两个视点确定元件上的图案相对于外周边的旋转偏差。方框62与图7中的方框62相同，在拾取形心处或附近拾取元件。在方框63中，当将元件输送安置位置处或附近的过程，使用图7中所用类型的水平视频系统确定元件外周边的形心和元件用于安置的零度或正交方向，该过程在图7的方框64中进行。然而，为对准两个或更多的视点，对微小的旋转修正进行附加计算。在方框64中，当输送元件时，如图7的方框64中所述对元件在X和Y的偏移进行修正，随后在方框69将主视点特征安置在基底上用于主视点的预定位置上，并在方框63中转动元件，使得所有视点与用于多个视点的预定安置位置重合。

描述不同地，图8与图7的不同之处在于：仅有主视点被安置在预定X-Y目标上或安置位置上，并确定其它视点相对于主安置视点的旋转，以便在方框63中对旋转进行修正，其导致多个视点安置在确切的目标或安置位置内或上。

经过对本发明优选实施例的解释，应认识到，对于商业可得的拾取和安置机器，例如Willow Grove，Pa中的Tyco International提供的APS1，仅需要在软件上作细小修改即可。然而，对于例如Universal Instrument、西门子和几家日本公司所制造的机器，可使用在此描述的发明进行改进。

Claims (5)

1.一种在基底上安置元件从而使元件的视点特征精确地与基底上的预定目标或安置特征相重合的方法，包括以下步骤：

在拾取前使用下视视频系统对元件进行检测；

将元件的像素图像存储在处理装置中；

确定待拾取元件外周边的形心以及待安置在基底上的一个或更多视点特征的形心；

在元件的形心处或附近拾取元件，并将其输送到安置位置或附近；

在输送元件过程，用水平视频系统确定元件外周边的形心及其正交或零度旋转位置；

在输送元件过程，确定X和Y轴上的任何偏差修正量，以便将预定视点安置在基底上的预定的X和Y安置目标位置上；以及

将所述元件的特征的视点安置在所述基底上的所述预定位置。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述元件在水平视频系统的观察下以零度旋转安置在所述基底上。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定任何偏差修正量的步骤包括确定多于一个视点的形心和确定所述元件的特征的转动位置；所述输送步骤还包括修正所述元件的转动位置从而使得所有视点与所述基底上预定安置位置一致的步骤。

4.一种将元件安置到基底或载体上的预定安置位置的方法，包括如下步骤：在使用下视视频系统拾取元件之前，检测所述元件的有效特征的外周边缘的位置；

利用拾取和安置工具以及拾取和安置机器的拾取头从供应源拾取所述元件；

将所述元件提升到一个水平视频系统中，并将该元件输送到基底或载体上方的大约安置位置；

计算所述元件的有效特征的ΔX和ΔY位置从其周边的偏差距离；

确定所述元件的周边相对所述安置系统的位置；以及

将所述元件的有效特征的视点安置在所述基底或载体的预定X和Y位置。

5.一种将元件的选定特征安置到基底或载体上的精确预定安置位置的方法，包括如下步骤：

在利用下视视频系统拾取元件之前检测该元件的选定特征和外周边缘；

通过将所述元件的顶部与真空拾取工具配合，拾取所述元件；

将所述元件提升到一个水平视频系统；

确定待安置的所述元件的形心并且确定用于所述元件形心的X和Y修正位置，然后将所述元件上的所述特征的视点安置到所述基底的预定位置。

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