芯片焊接机光学探头的设计及标定

　　1　引　言

　　随着半导体集成电路技术的发展,大量的功能模块被集成在单个或者多个的芯片上,再通过焊接技术组合到合适的基板上组成所需要的电路系统,这样的技术随着通讯技术和计算机技术突飞猛进的发展已经广泛应用在各个领域。由于芯片集成技术的提高,故个体大小在几毫米、焊接点在几十微米的芯片的焊接必须借助高度精确的光学辅助对准的办法才能实现。受用户的委托,现负责研制了芯片焊接机的光学探头。

　　2　探头系统设计

　　芯片焊接机的探头部分由照明光学系统[1]、成像光学系统和准直光学系统[2]三部分以及伺服光学系统组件运动的精密机械[3]机构组成。

　　在工作状态时,探头将被移动到分别位于上位的芯片和位于下位的基板中间,其作用就是首先照亮上位和下位的目标,再把它们表面的标志点成像到一组CCD相机中,然后通过显示器显示出基板与芯片上的标志点的对准情况。所以,为了保证对已经对准的目标进行(将探头部分移走后)焊接的精度,基板和芯片之间的距离应该尽量地小。也就是说,探头应该做到尽量地薄。另外,为了保证焊接精度和牢固度,获得良好的焊接效果,基板和芯片的平行度必须得到表达和校正,这一要求可以采用自准直的原理实现,就是说,当从基板和芯片表面返回的准直像重合时,就可判定它们的平行。从实际的工作情况来看,成像光学系统属于小视场、小口径系统。

　　2.1　照明系统

　　如图2所示,光源1发出的光经过由聚光镜2和3组成的照明系统处理后,经反光镜4反射到棱镜组5上,该棱镜在此时起分光的作用,从而把从左右两个照明系统来的光分别反射到芯片和基板上,达到照亮目标的作用。由于采用的是近似柯拉照明[1],视场亮度比较均匀,故照明系统的任务到此完成。

　　2.2　成像系统

　　限于结构的要求,成像镜头不能离探头工作区太近,要保证有一个较长的成像工作物距,还得要把所成的像整理为正的实像。如图2所示,被照亮的基板(下面的目标)和芯片(上面的目标)表面的光分别从下面和上面进入到组合棱镜[4]5内,该棱镜在此时起合像的作用,从而把从上下两个目标来的光合成一束并折向同一方向输出,接着进入由物镜6和倒像镜7组成的显微放大成像系统中。通过这一系统的作用,来自芯片和基板的目标同时被放大并且实现像的倒置,如果没有倒像系统[1],通过物镜6作放大成像时,得到的倒立的实像,不便于在显示器上观察和操作控制。在成像系统的像方,光线又经过转向棱镜8的作用作90°转向后进入CCD相机,落到它的接收面上,并被视频传输系统送到计算机系统中显示出来。