芯片拾取頭旋轉(zhuǎn)精度測(cè)量方法研究

侯一雪，曹國(guó)斌，田志峰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024）

芯片拾取頭旋轉(zhuǎn)精度測(cè)量方法研究

侯一雪，曹國(guó)斌，田志峰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024）

在全自動(dòng)貼片設(shè)備中，采用吸頭吸取芯片的方式是常用功能之一。由于對(duì)位高精度要求，吸頭通常具有旋轉(zhuǎn)功能，旋轉(zhuǎn)精度是非常重要的技術(shù)指標(biāo)，如何判定顯得尤為重要，因此吸頭旋轉(zhuǎn)精度的測(cè)量方法成為關(guān)鍵技術(shù)之一。以精密組裝系統(tǒng)的吸附機(jī)構(gòu)為例，采用5種方法測(cè)量芯片拾取頭的旋轉(zhuǎn)精度，通過(guò)實(shí)際測(cè)量與數(shù)據(jù)分析，比較了幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，推薦了較為可信的測(cè)試方法，可為類似結(jié)構(gòu)的測(cè)試提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

芯片拾放；旋轉(zhuǎn)精度；測(cè)量方法。

先進(jìn)微組裝設(shè)備要滿足微小芯片高精度貼片對(duì)位要求，芯片吸附機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)功能是必要選項(xiàng)。由于吸附機(jī)構(gòu)與工作平面的垂直度存在實(shí)際偏差，造成旋轉(zhuǎn)時(shí)吸頭在工作平面x、y方向的偏差，這個(gè)偏差會(huì)影響貼片精度。通常高精度的貼裝要求旋轉(zhuǎn)重復(fù)定位精度要達(dá)到±0.01°，通過(guò)正確的測(cè)量方法，可以擬合出旋轉(zhuǎn)曲線，從而提高貼放精度。而旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)精度能否達(dá)到要求，需通過(guò)科學(xué)的測(cè)量方法來(lái)驗(yàn)證。本文以精密組裝系統(tǒng)的芯片吸附機(jī)構(gòu)為實(shí)物模型，采用了5種旋轉(zhuǎn)重復(fù)定位精度的測(cè)量方法，通過(guò)理論研究與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，說(shuō)明了這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)與可行性，指出符合精度要求的最佳測(cè)量方法，為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1　芯片吸附結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

精密組裝系統(tǒng)的芯片吸附結(jié)構(gòu)如圖1所示，芯片吸附結(jié)構(gòu)是一套八轉(zhuǎn)塔頭組件，與俯視相機(jī)并列安裝在Z軸上，Z軸、θ軸與Y軸動(dòng)子相連，Y軸懸臂結(jié)構(gòu)通過(guò)斜拉支架固定在X軸上，X軸穩(wěn)定在鋼結(jié)構(gòu)與蜂窩板支撐的平臺(tái)上，在本結(jié)構(gòu)中Y軸選用懸臂結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)使吸頭與相機(jī)穩(wěn)定、靈巧地運(yùn)動(dòng)于工作平臺(tái)上方。

圖1　芯片吸附機(jī)構(gòu)示意圖

圖1所示的芯片吸附旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)控制，安裝有高精度圓光柵；上位機(jī)實(shí)時(shí)讀取定位信號(hào)，采用閉環(huán)控制。

2　芯片吸附結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)精度測(cè)量方法

2.1采用激光干涉的測(cè)量方法

本方法采用的測(cè)試儀器為激光干涉儀。具體是在旋轉(zhuǎn)軸上選取一位置固定輔助測(cè)量塊，其角度定義為A角。調(diào)試激光干涉儀測(cè)量元件，旋轉(zhuǎn)軸以1°為行程，往返轉(zhuǎn)動(dòng)5次，記錄每次到位后的旋轉(zhuǎn)度數(shù)，計(jì)算出定位精度；旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)大角度（幾十度）到另外任選的兩個(gè)位置B、C，再按上述方法測(cè)量這兩個(gè)位置的定位精度，最終的旋轉(zhuǎn)重復(fù)定位精度取A、B、C三點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的最大值。測(cè)試點(diǎn)示意圖如圖2所示。

圖2　測(cè)試點(diǎn)選取的位置示意圖

此結(jié)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)軸選取圓光柵的精度是2.06"，也就是0.000572°，從光柵實(shí)時(shí)返饋回的數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)控制步距0.001°是可行的，這比目標(biāo)指標(biāo)要求的0.01°高一個(gè)數(shù)量級(jí)，也就是說(shuō)無(wú)論從分辨率、控制方式還是執(zhí)行機(jī)構(gòu)上考慮，如果旋轉(zhuǎn)大角度時(shí)有累積誤差，由于光柵的精度和控制方式的作用，最終的定位與重復(fù)定位誤差都能控制在小于0.01°的范圍內(nèi)。換句話說(shuō)，這種測(cè)量方式是可以指征旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)精度的。

這種測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)是非接觸測(cè)量，直接指征了設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸的重復(fù)定位精度。

2.2采用關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)擬合線的測(cè)量方法

本方法采用的測(cè)試儀器為關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)。關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)是接觸式測(cè)量，可采用不同的測(cè)量頭采集數(shù)據(jù)。把測(cè)試點(diǎn)設(shè)定在靠近旋轉(zhuǎn)中心的位置，減少接觸測(cè)量時(shí)軸向推力造成的誤差。

此方法為了驗(yàn)證關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)是否能勝任旋轉(zhuǎn)軸的精度測(cè)量，設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸不動(dòng)，用關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x采集數(shù)據(jù)，采用兩點(diǎn)擬合一線（兩個(gè)點(diǎn)是固定不變的），線線之間的角度應(yīng)為0度。每個(gè)點(diǎn)采集5次，擬合10條線；換用關(guān)節(jié)臂提供的3個(gè)測(cè)量頭測(cè)量相同的點(diǎn)；實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果如表1～3所示。

表1　采用直徑為3 mm紅寶石測(cè)量頭的測(cè)量結(jié)果

表2　采用直徑6 mm紅寶石測(cè)量頭的測(cè)量結(jié)果

表3　采用不銹鋼測(cè)量頭的測(cè)量結(jié)果

從以上數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：用這種測(cè)量方式不能滿足旋轉(zhuǎn)精度±0.01°的要求。

從理論上也能證明這種測(cè)試方法不可行，如圖4模型分析圖所示。當(dāng)擬合的線與旋轉(zhuǎn)軸面完全平行時(shí)，以上方法是可行的；但當(dāng)其間存在一定角度時(shí)，就不能驗(yàn)證。如下面的模型，當(dāng)測(cè)試的線與旋轉(zhuǎn)軸面有1°的夾角時(shí)（這個(gè)角度在設(shè)定測(cè)量點(diǎn)是無(wú)法控制的，1°已經(jīng)是盡量小了。）利用模型模擬，測(cè)量結(jié)果如表4所示。

以上數(shù)據(jù)表明，當(dāng)測(cè)試線與旋轉(zhuǎn)面成一定角度時(shí)，測(cè)量誤差與旋轉(zhuǎn)角度形成正態(tài)分布曲線，如圖3所示。

表4　線與旋轉(zhuǎn)面的夾角為1°時(shí)的數(shù)據(jù)

圖3　當(dāng)選取的測(cè)試線與旋轉(zhuǎn)軸面存在1°夾角時(shí)的正態(tài)分布圖

圖4　測(cè)試線與旋轉(zhuǎn)面的夾角為1°時(shí)模型分析圖

結(jié)論：在實(shí)際測(cè)量時(shí)，不可能選擇的測(cè)試線與旋轉(zhuǎn)面完全平行，且旋轉(zhuǎn)角度不同時(shí)，誤差在360°內(nèi)成正態(tài)分布，180°時(shí)最大；測(cè)試線和旋轉(zhuǎn)面的夾角越大，誤差越大。

2.3采用關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)擬合面的測(cè)量方法

測(cè)試儀器仍為關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x，采用線擬合成面，測(cè)量面與面間的角度。用這種測(cè)量方式，需要把標(biāo)準(zhǔn)量塊固定在旋轉(zhuǎn)軸上，同線測(cè)量一樣，安裝量塊的平面與旋轉(zhuǎn)軸面必然存在一定夾角，當(dāng)夾角為1°時(shí)，模型旋轉(zhuǎn)后模擬數(shù)據(jù)如表5所示。

表5中數(shù)據(jù)表明，當(dāng)量塊安裝面與旋轉(zhuǎn)面成一定角度時(shí)（或者說(shuō)量塊安裝面與旋轉(zhuǎn)軸向面不平行時(shí)），測(cè)量誤差與旋轉(zhuǎn)角度形成正態(tài)分布曲線，同圖3所示。模型分析如圖5所示。

表5　量塊安裝面與旋轉(zhuǎn)面的夾角為1°時(shí)的數(shù)據(jù)

圖5　量塊安裝面與旋轉(zhuǎn)軸向面的夾角為1°時(shí)模型分析圖

結(jié)論：選擇的安裝標(biāo)準(zhǔn)量塊的方式也無(wú)法指征旋轉(zhuǎn)精度。現(xiàn)象同線擬合的方式相同。實(shí)際上，面的平面度還會(huì)影響面的擬合，夾角同樣的情況下，比線擬合的誤差會(huì)更大。只是在做模型時(shí)沒(méi)有考慮平面度的問(wèn)題，看起來(lái)誤差規(guī)律與線擬合是一致的。

另外接觸式測(cè)量方式因?yàn)槭鞘殖质降模€存在操作時(shí)的人為誤差。

2.4采用拾放校驗(yàn)片的測(cè)量方法

利用拾放玻璃校驗(yàn)片的方式，間接驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)角度精度。

之所以選擇玻璃材料的校驗(yàn)片，是因?yàn)轵?yàn)證需采用3D圖像測(cè)量?jī)x，材料必須有透視特性。

用這種方式指征旋轉(zhuǎn)精度，必然要引入兩個(gè)因素直接影響最終的測(cè)量結(jié)果：

（1）視場(chǎng)的角度誤差。因?yàn)槭胺判枰曈X(jué)定位，首先玻璃校驗(yàn)片的放置就存在角度，視覺(jué)定位又加入一個(gè)角度誤差，這時(shí)已不能單純的指征旋轉(zhuǎn)精度了。

（2）拾放誤差。在拾放過(guò)程中，x、y向的誤差不是單獨(dú)存在的，尤其在拾起和放下的動(dòng)作過(guò)程中，不可避免地存在角度的旋轉(zhuǎn)，盡管這個(gè)誤差很小，但是是不確定因素。

基于以上兩點(diǎn)的原因，這種測(cè)量方式也是不可行的。

2.5采用設(shè)備自裝圓光柵的測(cè)量方法

利用設(shè)備上的圓光柵進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)光柵返饋?zhàn)x數(shù)計(jì)算定位精度。圓光柵的精度根據(jù)出廠證明可得到。直接從系統(tǒng)軟件界面可讀取實(shí)時(shí)位置反饋。但測(cè)量依據(jù)為設(shè)備自帶圓光柵及控制系統(tǒng)，不符合第三方測(cè)量的原則。

3　結(jié)論

芯片拾取頭旋轉(zhuǎn)是目前全自動(dòng)設(shè)備需具備的主要功能，本文通過(guò)5種方法的比較與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果分析，第一種方法為非接觸測(cè)量，通過(guò)第三方測(cè)量?jī)x器檢測(cè)，可減少誤差源，能最好地指征芯片拾取頭旋轉(zhuǎn)精度的測(cè)量結(jié)果，認(rèn)為這種方法較為合理、可信。其他4種方法都有各自不確定性，存在采點(diǎn)特殊要求及累積誤差，當(dāng)旋轉(zhuǎn)重復(fù)定位精度指標(biāo)為±0.01°時(shí)，不易采用。

［1］李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYSWorkbench設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化［M］.北京：清華大學(xué)出版社.2008.

［2］沈海寧.高精度全視覺(jué)貼片機(jī)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造2010（06）：85-87.

［3］張世浩.貼片機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)校正技術(shù)研究［C］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

Study of The Circumrotation Accuracy Measure of Chip Picking And Placing Machine

HOU Yixue，CAO Guobin，TIAN ZhiFeng

（The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China）

In the fully automatic equipment，the use of suction head picking and placing chip is one of the commonly used functions.Due to the high alignment accuracy requirements，suction head usually has function of rotation，rotation accuracy is very important technical indicators，to determine how to appear particularly important.Therefore，the head rotation accuracy measurement method has become the key technology.The adsorption mechanism of the precision assembly system for example，by 5 kinds of method for measuring the chip pickup head rotation accuracy，through the actual measurement and data analysis，comparing the advantages and disadvantages of several methods and more reliable testing method is recommended，a more reliable test method is recommended，which can provide theoretical and practical basis for the test of similar structure.

Picking and placing chip；Rotation accuracy；Measure method

TN305

A

1004-4507（2016）10-0022-04

2016-09-14

侯一雪（1972-），女，高級(jí)工程師，主要從事微組裝電子專用設(shè)備及工藝技術(shù)的研發(fā)工作。