大板扇出型封装芯片的漂移定位测量方法及装置与流程

1.本发明涉及瓷砖智能检测领域，尤其涉及大板扇出型封装芯片的漂移定位测量方法及装置。


背景技术：

2.芯片在封装过程中一般需要经过临时键合、重构晶圆、塑封到再布线及凸点制作这几个步骤。由于芯片漂移的问题，芯片封装的后续打孔，布线等需要芯片精确位置信息的工序都受到影响，最后会影响到芯片封装的成品率。
3.如今的先进封装技术主要分为扇入型封装和扇出型封装，近几年随着扇出型封装的进一步发展出现了大尺寸面板级扇出型封装。大板扇出型封装基板一般大小为600mm x 600mm，基板上放置的待封装的芯片数量非常多，同时定位精度要求在微米级。大板扇出封装芯片在封装过程中由于塑封框架和环氧树脂之间的热膨胀系数的差异，异质材料之间的失配等因素会导致芯片出现漂移等问题。
4.对漂移问题的理解，如图1所示，实线为图纸芯片理论位置，虚线为芯片发生漂移后的实际位置，其中偏转角度为θ，x坐标偏移d1距离，y轴偏移d2距离。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了至少解决现有技术的不足之一，提供大板扇出型封装芯片的漂移定位测量方法及装置。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
7.具体的，提出大板扇出型封装芯片的漂移定位测量方法，包括以下：
8.构建误差补偿模型，包括，
9.获取激光干涉仪采集的第一数据，根据所述第一数据得到运动平台的直线度以及垂直度相关信息，
10.根据所述第一数据计算进而建立所述误差补偿模型；
11.漂移定位测量，包括，
12.获取机器视觉系统采集的第二数据，所述第二数据包括大板扇出型封装芯片的图像信息，
13.获取所述运动平台的x、y、z轴搭载的光栅尺采集的第三数据，所述第三数据用于反馈所述运动平台的实时位置信息，
14.根据所述图像信息结合所述第三数据得到所述芯片的误差信息，所述误差信息包括芯片在实际位置与在理论位置时的中心位置的偏移量以及芯片的偏转角度，
15.根据所述误差信息，结合建立的所述误差补偿模型，对所述芯片进行误差补偿。
16.进一步，所述运动平台的直线度以及垂直度相关信息具体通过如下方式进行获取，
17.保持运动平台的y，z轴保持不动，通过移动运动平台的x轴，每隔第一阈值距离记
录一次激光干涉仪测量的数据，通过控制运动平台在有效行程内进行多次重复测量，记录激光干涉仪测量到的运动平台x轴的定位精度和直线度，同理，测量出y轴的定位精度和直线度，而激光干涉仪测量运动平台的垂直度是通过测量运动平台第一轴的直线度并拟合直线作为垂直度测量的基准轴，保持第一轴测量基准不变的条件下测量第二轴的直线度，通过拟合直线求出运动平台的x、y轴的水平垂直度为θ。
18.进一步，所述根据所述第一数据计算进而建立所述误差补偿模型，具体包括以下，
19.由运动平台产生的定位误差建立的定位误差模型如下，
20.通过激光干涉仪进行11个测量目标点等间隔测量，由运动平台的定位误差建立定位误差模型如下式，
21.δ
x
＝a1x b1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
22.δ
y
＝a2y2 b2y c2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
23.式中δ
x
为x轴定位误差，δ
y
为y轴定位误差，x为运动平台的位移，a1、a2、b1、b2、c2均为常数；
24.获得第二轴由第一轴的直线度导致的误差产生的误差模型，
25.利用五阶多项式拟合x、y轴的直线度误差曲线，
26.ε＝a3x5 b3x4 c3x3 d3x2 e3x f3ꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
27.由运动平台直线度和定位精度建立运动平台定位误差模型为：
28.δ
x
＝δ
x
ε
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
29.δ
y
＝δ
y
ε
y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
30.其中δ
x
为x轴的定位误差、δ
y
为y轴的定位误差；
31.则运动平台的实际坐标为：
32.x
actual
(x
ideal
δ
x
) (y
ideal
δ
y
)sinθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
33.y
actual
＝(y
ideal
δ
y
)cosθ(19)。
34.进一步，所述第二数据的获取方式具体包括以下，
35.控制机器视觉系统的工业相机移动至初始位置；
36.控制工业相机通过规划好的路径循环采集图像直到采集到完整的图像后结束；
37.路径在规划时需遵循以下规则，
38.为工业相机预设多个图像采集区域，为保证所有芯片的图像都能完整采集到，保证工业相机在位于相邻的图像采集区域时，采集的图像有重合部分。
39.进一步，所述根据所述图像信息结合所述第三数据得到所述芯片的误差信息，具体包括以下，
40.对采集到的图像进行图像预处理，以减少图像的噪声；
41.将预处理后的图像通过边缘检测算子进行边缘检测得到图像中的轮廓；
42.将检测到的轮廓按每个芯片分类好，并去除不完整芯片的轮廓；
43.结合所述第三数据读取每个轮廓的像素级边缘对应原图位置，在原图位置沿梯度方向左右各获取有限个像素点的灰度值，利用有限个像素点的灰度值进行三次多项式拟合，将拟合到的曲线的拐点视为亚像素边缘点；
44.将获得的亚像素边缘点按每个芯片对应分类形成多个亚像素边缘点集，并使得每个芯片只对应一个亚像素边缘点集；
45.将每个芯片对应的亚像素边缘点集进行直线拟合，求出每个芯片的误差信息。
46.进一步，所述第一阈值距离具体为5mm。
47.本发明还提出大板扇出型封装芯片的漂移定位测量装置，包括，
48.误差补偿模型构建模块，包括，
49.运动平台数据获取单元，用于获取激光干涉仪采集的第一数据，根据所述第一数据得到运动平台的直线度以及垂直度相关信息，
50.模型建立单元，用于根据所述第一数据计算进而建立所述误差补偿模型；
51.漂移定位测量模块，包括，
52.芯片数据获取单元，用于获取机器视觉系统采集的第二数据，所述第二数据包括大板扇出型封装芯片的图像信息，
53.运动平台位置数据获取单元，用于获取所述运动平台的x、y、z轴搭载的光栅尺采集的第三数据，所述第三数据用于反馈所述运动平台的实时位置信息，
54.误差信息计算单元，用于根据所述图像信息结合所述第三数据得到所述芯片的误差信息，所述误差信息包括芯片在实际位置与在理论位置时的中心位置的偏移量以及芯片的偏转角度，
55.误差补偿单元，用于根据所述误差信息，结合建立的所述误差补偿模型，对所述芯片进行误差补偿。
56.本发明还提出一种计算机可读存储的介质，所述计算机可读存储的介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1
‑
6中任一项所述方法的步骤。
57.本发明的有益效果为：
58.本发明结合了软件测量和机械补偿的优点，通过利用激光干涉仪预先对运动平台的直线度，定位精度和垂直度进行测量，建立误差补模型，减少相机采集图像过程产生的累积误差。图像定位过程中，通过亚像素边缘检测算法对每个芯片的轮廓进行亚像素边缘定位，使定位精度达到亚像素级别。同时通过运动平台误差补偿，可以有效减少累积误差。综合两个优点大板扇出封装芯片定位系统定位精度能达到微米级，能满足芯片封装定位的要求。
附图说明
59.通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：
60.图1所示为本发明大板扇出型封装芯片的漂移定位测量方法的误差原理示意图；
61.图2所示为本发明大板扇出型封装芯片的漂移定位测量方法的运行流程图；
62.图3所示为本发明大板扇出型封装芯片的漂移定位测量方法的工业相机采集图像的路径；
63.图4所示为本发明的运动平台的结构示意图；
64.图5所示为本发明大板扇出型封装芯片的漂移定位测量方法的x轴定位精度示意图；
65.图6所示为本发明大板扇出型封装芯片的漂移定位测量方法的y轴定位精度示意图；
66.图7所示为本发明大板扇出型封装芯片的漂移定位测量方法的激光干涉仪进行垂直度测量的原理图；
67.图8所示为本发明大板扇出型封装芯片的漂移定位测量方法的相机坐标系与机床坐标系示意图；
68.图9所示为本发明大板扇出型封装芯片的漂移定位测量方法的大板坐标系下的芯片坐标。
具体实施方式
69.以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。附图中各处使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。
70.参照图1、图2、图3以及图4，实施例1，本发明提出大板扇出型封装芯片的漂移定位测量方法，包括以下：
71.构建误差补偿模型，包括，
72.获取激光干涉仪采集的第一数据，根据所述第一数据得到运动平台的直线度以及垂直度相关信息，
73.根据所述第一数据计算进而建立所述误差补偿模型；
74.漂移定位测量，包括，
75.获取机器视觉系统采集的第二数据，所述第二数据包括大板扇出型封装芯片的图像信息，
76.获取所述运动平台的x、y、z轴搭载的光栅尺采集的第三数据，所述第三数据用于反馈所述运动平台的实时位置信息，
77.根据所述图像信息结合所述第三数据得到所述芯片的误差信息，所述误差信息包括芯片在实际位置与在理论位置时的中心位置的偏移量以及芯片的偏转角度，
78.根据所述误差信息，结合建立的所述误差补偿模型，对所述芯片进行误差补偿。
79.其中，硬件方面参照图4，运动平台主要为大理石平台主要由可移动x，y，z三轴加搭载的高精度光栅尺组成。
80.机器视觉系统主要由相机、光源和电脑控制端组成。
81.本发明采用单个工业相机对大板扇出封装芯片进行图像采集和定位测量。如图4所示图像采集系统中的相机安装在运动平台的z轴上，通过移动z轴对相机进行调焦，移动运动平台的x，y轴移动相机到合适位置。为了保证采集到单像素精度高的图像，采集到的图像的视野通常很小，需要多次通过移动运动平台的x，y轴移动相机对大幅图像进行图像采集。
82.作为本发明的优选实施方式，所述运动平台的直线度以及垂直度相关信息具体通过如下方式进行获取，
83.保持运动平台的y，z轴保持不动，通过移动运动平台的x轴，每隔第一阈值距离记
录一次激光干涉仪测量的数据，通过控制运动平台在有效行程内进行多次重复测量，记录激光干涉仪测量到的运动平台x轴的定位精度和直线度，同理，测量出y轴的定位精度和直线度，而激光干涉仪测量运动平台的垂直度是通过测量运动平台第一轴的直线度并拟合直线作为垂直度测量的基准轴，保持第一轴测量基准不变的条件下测量第二轴的直线度，通过拟合直线求出运动平台的x、y轴的水平垂直度为θ。
84.如图7所示，5529a
‑
动态校准仪(激光干涉仪)测量运动平台的垂直度是通过测量运动平台第一轴的直线度并拟合直线作为垂直度测量的基准轴，保持第一轴测量基准不变的条件下测量第二轴的直线度，通过拟合直线求出运动平台的x、y轴的水平垂直度为θ。
85.在进行芯片定位测量前需要对运动平台的运动误差测量进行，并建立误差模型，用于后续芯片定位的位置补偿。本发明使用的是高精度的激光干涉仪对运动平台进行误差测量。具体测量方法如下：运动平台的y，z轴保持不动，通过移动运动平台的x轴，每隔5mm记录一次激光干涉仪测量的数据，通过控制运动平台在有效行程内进行多次重复测量，记录激光干涉仪测量到的运动平台x轴的定位精度和直线度。同理，测量出y轴的定位进度和直线度和x，y轴的垂直度。通过利用测量到的运动平台的x，y轴的定位精度和垂直度以及x，y轴的直线度建立运动平台的运动误差模型。通过误差模型可以计算出运动平台从任意一个位置运动到另一位置的理论位置和实际位置之间的误差。
86.作为本发明的优选实施方式，所述根据所述第一数据计算进而建立所述误差补偿模型，具体包括以下，
87.由运动平台产生的定位误差建立的定位误差模型如下，
88.根据待测面板大小确定x轴和y轴的测量行程为500mm，同时根据国标gb/t 17421.2_2000的相关规定，实验取11个测量目标点等间隔测量。利用激光干涉仪进行重复测量，结果如图5、6所示：通过激光干涉仪进行11个测量目标点等间隔测量，由运动平台的定位误差建立定位误差模型如下式，
89.δ
x
＝a1x b1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
90.δ
y
＝a2y2 b2y c2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
91.式中δ
x
为x轴定位误差，δ
y
为y轴定位误差，x为运动平台的位移，a1、a2、b1、b2、c2均为常数；
92.获得第二轴由第一轴的直线度导致的误差产生的误差模型，
93.利用五阶多项式拟合x、y轴的直线度误差曲线，
94.ε＝a3x5 b3x4 c3x3 d3x2 e3x f3ꢀꢀꢀꢀ
(15)
95.由运动平台直线度和定位精度建立运动平台定位误差模型为：
96.δ
x
＝δ
x
ε
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
97.δ
y
＝δ
y
ε
y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
98.其中ε
x
为由y轴直线度引起的x轴定位误差，将y轴的位移代入式(15)可得由y轴直线度引起的x轴定位误差ε
x
。ε
y
同理可得。
99.其中δ
x
为x轴的定位误差、δ
y
为y轴的定位误差；
100.则运动平台的实际坐标为：
101.x
actual
＝(x
ideal
δ
x
) (y
ideal
δ
y
)sinθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
102.y
actual
＝(y
ideal
δ
y
)cosθ(19)。
103.作为本发明的优选实施方式，所述第二数据的获取方式具体包括以下，
104.控制机器视觉系统的工业相机移动至初始位置；
105.控制工业相机通过规划好的路径循环采集图像直到采集到完整的图像后结束；
106.路径在规划时需遵循以下规则，
107.为工业相机预设多个图像采集区域，为保证所有芯片的图像都能完整采集到，保证工业相机在位于相邻的图像采集区域时，采集的图像有重合部分。
108.作为本发明的优选实施方式，所述根据所述图像信息结合所述第三数据得到所述芯片的误差信息，具体包括以下，
109.对采集到的图像进行图像预处理，以减少图像的噪声；
110.将预处理后的图像通过边缘检测算子进行边缘检测得到图像中的轮廓；
111.将检测到的轮廓按每个芯片分类好，并去除不完整芯片的轮廓；
112.结合所述第三数据读取每个轮廓的像素级边缘对应原图位置，在原图位置沿梯度方向左右各获取有限个像素点的灰度值，利用有限个像素点的灰度值进行三次多项式拟合，将拟合到的曲线的拐点视为亚像素边缘点；
113.将获得的亚像素边缘点按每个芯片对应分类形成多个亚像素边缘点集，并使得每个芯片只对应一个亚像素边缘点集；
114.将每个芯片对应的亚像素边缘点集进行直线拟合，求出每个芯片的误差信息。
115.具体的，包括以下过程，采用最小二乘法对亚像素边缘进行拟合，直线边缘数学模型如下：
116.y＝ax b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
117.将其中一条芯片直线边缘的点集(x1，y1)，(x2，y2)......(x
n
，y
n
)，(i＝1，2，
…
，n)代入公式(7)求得实际边缘与拟合边缘的残差平方和q。
[0118][0119]
上式对a、b求导，令导数为零，通过最小残差平方和求边缘的参数a和b。
[0120][0121][0122][0123]
拟合芯片四条边缘得到芯片四条边缘直线，求四条直线的交点a(x
a
，y
a
)、b(x
b
，y
b
)、c(x
c
，y
c
)、d(x
d
，y
d
)。则芯片的中心位置(x0，y0)为
[0124][0125]
其中l
width
为图像的宽度，l
height
为图像的高度。
[0126]
求四条边缘直线与图像坐标系的两坐标轴的最小夹角为θ1、θ2、θ3、θ4。则芯片的偏移的角度为
[0127][0128]
作为本发明的优选实施方式，所述第一阈值距离具体为5mm。
[0129]
具体的，本发明提出的方法在应用时，
[0130]
相机标定，如图8所示，p0(x0，y0)为芯片中心在图像坐标系u
‑
v下的坐标，p1(x1，y1)为相机中心点在世界坐标系x
‑
y下的坐标。相机安装过程中图像坐标系v轴与世界坐标轴y不能保证绝对的平行，同时图像坐标系上的坐标向世界坐标系转换过程中需要知道单个像素代表的物理尺寸，因此需要对相机进行标定。
[0131]
本文利用高精度的马尔量仪放大器和平晶辅助测量相机偏角。平晶摆放位置和运动平台y轴平行，由于y轴直线度的干扰，y轴在运动过程中观察马尔量仪放大器上的起始点测量数据与结束点的读数之差如果小于3um则表明平晶摆放与y轴平行，相机采集10组平晶边缘的图像，利用亚像素边缘检测求平晶边缘，获得平晶边缘与相机坐标系v轴的偏角φ1、φ2…
φ
10
。则相机水平偏角φ0为：
[0132][0133]
测量图像的单像素精度，本文利用标准校正板进行标定。将标准校正板随机摆放在测量平台上，控制相机采集10张不同摆放位置的校正板上的同一个圆形孔，提取10个圆形孔的轮廓，通过亚像素边缘检测求得圆形孔的亚像素边缘。最后通过椭圆拟合的方式计算圆形孔的半径ri则相机单像素代表的物理尺寸δd为：
[0134][0135]
式中r
actual
为校正板上圆形孔的实际尺寸。
[0136]
因此由式(11)、(12)、(15
‑
20)得相机在点(x
ideal
，y
ideal
)上测量到芯片实际位置(x
actual_1
，ya
ctual_1
)为：
[0137]
[x
actual_1 y
actual_1 1]＝[x
actual y
actual 1]
[0138][0139]
芯片的偏角θ
actual
为：
[0140]
θ
actual
＝θ0‑
φ0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0141]
如图9所示，图中黑色小矩形为基板上待检测的若干个芯片，黑色圆点a(x
a
，y
a
)、b(x
b
，y
b
)、c(x
c
，y
c
)为基板上的基准点的圆心，φ为大板坐标系与运动平台坐标系的夹角。点(x2，y2)为运动平台坐标系下运动平台运动的实际位置，而芯片加工图纸上芯片位置是基于大板坐标系下的坐标，因此需要将芯片坐标由机床坐标系转换到大板坐标系下。
[0142]
芯片在大板坐标系下的实际位置为：
[0143][0144]
本发明提出大板扇出型封装芯片的漂移定位测量装置，包括，
[0145]
误差补偿模型构建模块，包括，
[0146]
运动平台数据获取单元，用于获取激光干涉仪采集的第一数据，根据所述第一数据得到运动平台的直线度以及垂直度相关信息，
[0147]
模型建立单元，用于根据所述第一数据计算进而建立所述误差补偿模型；
[0148]
漂移定位测量模块，包括，
[0149]
芯片数据获取单元，用于获取机器视觉系统采集的第二数据，所述第二数据包括大板扇出型封装芯片的图像信息，
[0150]
运动平台位置数据获取单元，用于获取所述运动平台的x、y、z轴搭载的光栅尺采集的第三数据，所述第三数据用于反馈所述运动平台的实时位置信息，
[0151]
误差信息计算单元，用于根据所述图像信息结合所述第三数据得到所述芯片的误差信息，所述误差信息包括芯片在实际位置与在理论位置时的中心位置的偏移量以及芯片的偏转角度，
[0152]
误差补偿单元，用于根据所述误差信息，结合建立的所述误差补偿模型，对所述芯片进行误差补偿。
[0153]
本发明还提出一种计算机可读存储的介质，所述计算机可读存储的介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1
‑
6中任一项所述方法的步骤。
[0154]
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例中的方案的目的。
[0155]
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
[0156]
所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储的介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
[0157]
尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有
用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。
[0158]
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。