專利名稱：在基底上定位和安置半導(dǎo)體小片的視點特征的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對現(xiàn)有技術(shù)的拾取和安置機器的使用，目前世界上有二十家以上的生產(chǎn)商制造和出售此類拾取和安置機器。此前，如半導(dǎo)體芯片、電阻器、電容器和電感器等元件從送料帶格或晶片包(waffle packs)等中被拾取，而后被準(zhǔn)確地安置在基底或PC板的目標(biāo)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種類型的視頻系統(tǒng)以保證適當(dāng)?shù)陌仓脤?zhǔn)。
現(xiàn)代的拾取和安置機器具有配備真空吸嘴的可沿垂直或Z方向運動的拾取頭。拾取頭安置在X-Y機架上，可從供料位置拾取任一元件后輸送到目標(biāo)位置或安置位置，并安置在基底或PC板上。高精確度定位問題可以通過在輸送拾取的元件過程中，從與安置位置具有已知物理距離的上視視頻系統(tǒng)上方越過的方式加以解決。通過視頻系統(tǒng)很容易確定小片底部或小片邊緣的圖案的實際位置。通過拾取和安置機器內(nèi)的機架驅(qū)動裝置和編碼器可對X-Y和角度(θ)的方位拾取誤差進(jìn)行修正，將元件安置在準(zhǔn)確位置。Cognex、ICOS和AISI及其它同類公司向拾取和安置機器生產(chǎn)商提供此類視頻系統(tǒng)。
為了保證較高的元件拾取精度，拾取和安置機器生產(chǎn)商在拾取頭上設(shè)置了下視視頻系統(tǒng)，可在用真空吸嘴拾取元件前確定元件的尺寸、類型和方位。當(dāng)元件放置在晶片盤(waffle trays)中，由于元件會在此處移動而失去其原來方位，故需要這樣的視頻系統(tǒng)。
另一種備選方案是，可使用如美國專利No5,559,727示出和描述的拾取頭水平圖像系統(tǒng)以代替上視視頻系統(tǒng)。由于水平視頻系統(tǒng)在移動中工作，可節(jié)省大量時間。
所有類型的視頻系統(tǒng)可組合到大多數(shù)的應(yīng)用于在基底上安置元件的拾取和安置機器中。建議通過對這些機器進(jìn)行改進(jìn)以解決光纖連接器或接口的制作所引起的問題。認(rèn)識到，可使用上視視頻系統(tǒng)將元件底部特征或邊緣精確地安置在基底的目標(biāo)位置上。然而，如果在小片的上表面上有光纖二極管檢測器，上視視頻系統(tǒng)僅能以將該特征定位到小片邊緣的特征精度進(jìn)行安置。由于多數(shù)小片是從晶片上裁剪的，所以表面圖案外的小片邊緣會有千分之幾英寸的變化。如果多個二極管驅(qū)動器或傳感器芯片帶有由電路圖案外的周邊材料(street material)的寬度不同帶來的偏差而安置在基底連接器上，會產(chǎn)生同一基底上不同小片之間的累積誤差。
因此，當(dāng)從小片邊緣到有效特征的距離變化發(fā)生變化時，需要有一種消除不同小片之間偏離誤差的簡單方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種新方法，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預(yù)定邊緣安置到目標(biāo)位置。
本發(fā)明的主要目的是提供一種方法，該方法用于把小片頂部上的特征定位到基底上，以便將此特征而不是小片的邊緣彼此相對定位，且定位精度和拾取和安置機器所能將小片定位到目標(biāo)位置的精度相同。
本發(fā)明的主要目的是提供一種具有多個小片的基底，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機器所能將小片定位到目標(biāo)位置的精度相同。
本發(fā)明的一般目的是提供一種帶有多個光敏檢測器或光發(fā)射器的基底，該檢測器或光發(fā)射器以已知或標(biāo)準(zhǔn)的間隔或間距彼此分離、并以具有最小偏差的方式定位。
本發(fā)明的一般目的是提供一種在拾取和安置機器的頭上使用現(xiàn)有技術(shù)的下視攝像機來在拾取前決定小片位置、并使用標(biāo)準(zhǔn)向下視覺系統(tǒng)來決定小片的中心目標(biāo)和方位以便用真空吸嘴拾取的方法。此外，利用從下視攝像機獲取的信息，可以決定有效特征相對周圍邊緣安置的位置，從而可以將元件的有效特征而不是其邊緣安置在希望的X-Y目標(biāo)位置上。
本發(fā)明的一般目的是為連接器提供一種基底，使用現(xiàn)有拾取和安置機器可精確地將多個有效定位特征或元件或小片彼此分開地安置在該基底上。
本發(fā)明的一般目的是提供一種已知的具有拾取預(yù)覽視頻攝像系統(tǒng)和可編程的水平圖像系統(tǒng)的拾取和安置機器，從而將小片上的表面特征安置到基底上預(yù)定X和Y目標(biāo)位置處。
本發(fā)明的一般目的是提供一種方法，該方法可應(yīng)用在已知的市場可得到的拾取和安置機器中，其不需要上視視頻系統(tǒng)，并可連續(xù)移動安置具有有效表面特征的元件。
根據(jù)本發(fā)明的這些和其它目的，提供了一種拾取和安置機器，其在拾取頭上具有用于獲得特征在待安置的小片上的、關(guān)于待安置的小片的至少兩條邊的X-Y位置的拾取預(yù)覽視頻系統(tǒng)，并具有在同一拾取頭上的水平移動視頻系統(tǒng)，該水平移動視頻系統(tǒng)用于確定空間中相同兩邊相對于視頻系統(tǒng)的位置，所以，該拾取和安置機器允許控制系統(tǒng)確定偏移誤差，以便將小片上的表面特征精確地安置在基底的預(yù)定的X-Y位置上。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的拾取和安置機器的簡圖，該機器具有下視視頻系統(tǒng)和上視視頻系統(tǒng)；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的拾取頭的簡圖，該拾取頭具有安裝在可移動頭上的水平視頻系統(tǒng)；圖3是現(xiàn)有技術(shù)的水平視頻系統(tǒng)的側(cè)視圖，該水平視頻系統(tǒng)安置在圖1和圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)的拾取和安置機器的拾取頭上；圖4是當(dāng)小片的圖案相對于小片周邊的位置為已知時，現(xiàn)有技術(shù)的將小片安置到目標(biāo)位置放置區(qū)域的方法的方框圖；圖5是基底或PC板的頂視圖或平面視圖，表示容納待安置的小片元件外周邊線的安置目標(biāo)或安置位置；圖6是光纖組件或連接器的分解簡圖，包括圖5所示類型的基底，基底上分布有光電二極管或光電檢測器，與基底并列的導(dǎo)向板用于使光纜準(zhǔn)確定位，與小片上的有效要素或特征相重合；圖7是優(yōu)選實施例方法步驟的方框圖或流程圖，該方法用于將元件的有效預(yù)定視點安置到基底上的準(zhǔn)確的X-Y位置；圖8是修改的實施例方法步驟的方框圖或流程圖，該方法用于將元件的多個有效預(yù)定特征視點安置到基底上各自精確的X-Y安置點。
具體實施例方式
參考圖1所示典型的現(xiàn)有技術(shù)拾取和安置機器10的等角圖，在拾取和安置機器的可移動拾取頭12上設(shè)置有下視攝像機11。下視攝像機11用于幾個目的。當(dāng)組裝機器10時，視頻系統(tǒng)和攝像機11用于確定拾取吸嘴13在機器10中的X-Y坐標(biāo)系的位置，以及確定基底14在同一坐標(biāo)系中的位置。在拾取小片或元件14前，同一個攝像機被用于建立送料帶(未示出)拾取站的位置，并建立由升降供料系統(tǒng)16設(shè)置的小片托盤15的位置。
完成建立后，便已知小片托盤15的格的坐標(biāo)以及在基底14上的目標(biāo)位置或安置位置。所不知的是，在拾取前小片托盤15內(nèi)的元件17的確切位置，及拾取后元件相對于吸嘴13的X、Y和角度的方位。
完成建立后，現(xiàn)有技術(shù)的典型順序包括用包含待拾取元件格上方的X-Y機架給下視攝像機定位。得到對元件17的幀圖抓取，并將其輸送至圖像處理器18。商業(yè)上可得的視頻系統(tǒng)包括圖像處理器18，它能夠確定元件的形心或元件區(qū)域的中心及其在機器坐標(biāo)系中的X和Y位置。這樣的圖像處理器18也可以確定元件是否存在以及元件的旋轉(zhuǎn)方向和尺寸，這使圖像處理器18能夠識別元件，并在拾取前確定在四個可能的90度旋轉(zhuǎn)位置中哪一個位置對元件進(jìn)行拾取。稱為“拾取預(yù)覽”的操作順序可使控制和排序系統(tǒng)19引導(dǎo)移動頭及其拾取吸嘴13到達(dá)元件拾取點，通常該拾取點是元件面積的形心。根據(jù)要安置元件的類型，如具有襯墊或引線的暴露表面集成電路，在元件的上表面上可能有或者可能沒有暴露的電路圖案。然而，當(dāng)電路圖案被暴露時，存儲在圖像處理器18中的幀圖抓取中的數(shù)據(jù)可使控制系統(tǒng)19確定電路圖案上任何點或線的旋轉(zhuǎn)，以及面積形心相對于元件側(cè)或相對于從電路圖案形心區(qū)分出的元件面積形心的位置X，Y。
吸嘴13拾取元件后，拾取和安置系統(tǒng)10使用上視視頻系統(tǒng)21確定元件22的X和Y的旋轉(zhuǎn)位置。盡管可能確定元件在基底14的位置，但利用上視視頻系統(tǒng)21確定吸嘴13上的元件的實際位置。如果可從下方觀察的元件具有引線、管腳或凸起，上視視頻系統(tǒng)21可確定相對于視頻系統(tǒng)21的實際位置，并計算出在X、Y和角度(θ)的修正量而使元件17精確地安置在基底14的預(yù)定位置上。
現(xiàn)參考圖2所示拾取頭12的正視簡圖，拾取頭12具有與其一同移動的水平視頻系統(tǒng)24。在美國專利5,559,727中有關(guān)于此視頻系統(tǒng)的陳述，至少從1996年該系統(tǒng)便被引用在圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)拾取和安置機器中。水平視頻系統(tǒng)24的優(yōu)點是計算處于吸嘴13上的元件17或22的偏移位置可與元件從拾取位置向安置位置輸送過程同時進(jìn)行，輸送中沒有停頓、減速或繞行上視攝像機。在上述專利中所描述的水平視頻系統(tǒng)的優(yōu)點是能夠觀察元件的側(cè)部和/或引線和管腳或表面安置裝置(SMT)的凸起，并將電路圖案中的引線、管腳或凸起以最小偏差或計算安置到基底上或電路板上。
參考圖3，圖3示出本發(fā)明優(yōu)選使用的水平視頻系統(tǒng)24的主要部分。不相干光源26和濾光鏡(defusing lens)27產(chǎn)生細(xì)扇形光線28，該光線28通過正像準(zhǔn)直透鏡29產(chǎn)生薄而寬的平行光束帶31。光束帶31通過從元件17延伸的多個引線32。將拾取工具13或吸嘴13安裝在拾取頭12內(nèi)，用以垂直運動及轉(zhuǎn)動，拾取頭12如前所述可沿X-Y移動。經(jīng)過引線32的光33被引導(dǎo)至直角棱鏡34上，此處，光線被向上引導(dǎo)并通過正像物鏡35。光33通過孔隙板36會聚并穿過屋脊?fàn)罨?80度棱鏡37，然后通過中繼透鏡38到達(dá)高清晰CCD(HDCCD)線性陣列39。利用圖3的焦闌系統(tǒng)將穿過或經(jīng)過引線32的光線作為亮圖像清晰地重聚焦在線性陣列39上。優(yōu)選的操作模式是在光路徑中轉(zhuǎn)動元件17，并確定其零度或90度正交軸位置，且無需始終知道其確切的拾取旋轉(zhuǎn)方向。元件的中心或引線的中心用于確定相對于線性陣列39在X或Y方向的偏移量。這樣測量出來的偏移量德耳塔X和德耳塔Y允許在以最小計算量進(jìn)行安置前修正偏移量。這一過程有效地確定引線32和/或元件17的形心位置，并將其與拾取和安置機器10的坐標(biāo)系聯(lián)系在一起。
應(yīng)該明白，控制系統(tǒng)19不局限于僅以零度或90度安置元件。所確定的元件或引線的形心能以任何角度將元件安置在基底14或PC板的預(yù)定安置位置上。
參考圖4，圖4示出現(xiàn)有技術(shù)的將小片安置到目標(biāo)安置區(qū)域的方法，以使小片頂部電路圖案的位置安置到基底上的所需的小片對準(zhǔn)區(qū)域上或其上方。在方框41中，下視視頻系統(tǒng)12可安置在由黏性輸送帶攜帶的由多個小片(未示出)構(gòu)成的晶片的上方。鋸開的晶片可使光線從下方穿過輸送帶照射在小片邊緣，以在晶片中勾畫小片的具體輪廓，該輪廓被獲取并被存儲到圖像處理器18中，如方框42所示。在方框43中，小片前表面上的電路圖案特征被照亮并變?yōu)榭梢姟Ｔ诜娇?4中，電路圖案和小片的外邊緣被掃描到圖像處理器中用于分析。在方框45中，對存儲的信息進(jìn)行分析，其過程將在下文中描述。在方框46中，以極坐標(biāo)的形式提取小片的邊緣。在方框47中，計算出形成小片周邊的邊緣的中心值。如方框48所示，用計算出的小片邊緣就可計算小片電路圖案的外圍邊界，并確定電路圖案的形心。在方框49中，進(jìn)行另一計算，包括計算以上形心的偏移向量。在方框51中，為小片周邊的中心計算第二形心。方框52中，使用步驟46和47中所提取的形心的信息為小片圖案計算修正因子，最后如方框53所示將修正因子提供給拾取和安置機器10的X-Y機械傳動系統(tǒng)。可以看出，以上計算需要電路圖案的形心，以及使用極坐標(biāo)計算的小片外周邊的大概區(qū)域的形心。還可看出，小片元件外周邊的形心不會與前面描述的水平視頻系統(tǒng)檢測信息觀察到的形心相同。圖4所描述方法存在的問題是計算高度復(fù)雜且假設(shè)小片的外周邊與電路圖案邊緣不平行，因而，通過下視視頻系統(tǒng)11的觀察，可放置成小片邊緣方位與圖案零度旋轉(zhuǎn)方向具有某一微小角度旋轉(zhuǎn)偏差。
圖4所示及描述的方法在美國專利6,031,242中有詳細(xì)描述，該專利在此引作參考。圖4所提出的方法是設(shè)計用于從安裝在柔性粘性輸送帶，例如NittoTM輸送帶，上的鋸開或切開的晶片上拾取小片。切開的晶片經(jīng)過晶片而不是經(jīng)過膠帶被鋸開，這樣在小片之間留下透明的通道，以便可在板背面照明并使通道對于現(xiàn)有技術(shù)視頻系統(tǒng)所使用類型的下視視頻系統(tǒng)13成為視覺上高亮的。這樣可使修改過的控制系統(tǒng)能夠確定小片周邊的形心和小片圖案的形心，但是為得到這樣的信息使用了復(fù)雜的計算，該信息可能與如圖3所示類型的水平視頻系統(tǒng)得到的高精確信息相同，也可能與之不同。
例如，如果要安置的元件17是帶有高精度的伸出管腳或球的表面安置元件，所述管腳或球作為表面上的圖案的指示，可使用如圖3所示的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)將元件精確地安置到基底或印刷電路板的期望目標(biāo)或安置位置，并忽略元件上部的圖案或目標(biāo)。然而，當(dāng)要放置的元件17不具備這樣的一套連接器管腳或球時，則需要確定期望的表面圖案的位置，并使用這一信息將元件17安置到基底14上。
參考圖5，圖5示出了將基底或PC板14的俯視或平面圖，該基底或PC板14被用作光纖連接器設(shè)備的一部分。示情況而定，優(yōu)選地，需要以125或250微米的間距將元件22精確地安置到基底14上。元件22上的目標(biāo)或特征54是典型的光電二極管發(fā)射器或接收器，并具有1到2密耳的直徑，必須以±12微米的精度安置以保證光纖電纜的對準(zhǔn)，光纖電纜在圖中未示出。以所示實施例中，基底14設(shè)置有高精度對準(zhǔn)孔55，其用于將在下文中描述的連接器基底的機械校準(zhǔn)。
參考圖6所示的光纖連接器或組件的側(cè)視圖，側(cè)視圖包括圖5所示處和描述的基底14。圖6的連接器組件包括設(shè)置有圓錐形會聚孔57的校準(zhǔn)或?qū)虬?6，會聚孔57使光纜以精確的X-Y位置與元件22上的目標(biāo)54相對準(zhǔn)。假定連接器組件有很高的制作精度并較好地位于公差范圍之內(nèi)，這樣，光纜通過校準(zhǔn)孔57進(jìn)行安置，可精確地與視點54重合，視點54由光電二極管傳感器或接收器的有效元件的中心構(gòu)成?？煽闯?，即使元件22的圖案相對小片外周邊輕微旋轉(zhuǎn)，安置在基底14上的元件22能夠在其目標(biāo)位置精確地對準(zhǔn)特征54并且可與孔57對準(zhǔn)。因此，可以省略現(xiàn)有技術(shù)的多個步驟及計算，與使用以前現(xiàn)有技術(shù)的拾取和安置機器相比，使特征54的安置達(dá)到更高的精度。
參照圖7，其示出了優(yōu)選實施例的方法步驟的方框圖或流程圖，該方法用于將元件特征的有效預(yù)定視點54精確地安置到基底14上的X、Y確切位置。圖7的方框圖或方法步驟考慮了具有圖2所示改進(jìn)的圖1中示出的現(xiàn)有技術(shù)的拾取和安置機器。從這一方面，方框58示出下視視頻系統(tǒng)12設(shè)置在要被拾取和安置在基底14上的元件的上方。在下一步驟中，視頻系統(tǒng)對要安置的元件進(jìn)行幀圖抓取或獲取像素圖像或像素位圖，并將獲取的信息存儲到圖像處理器18中。在方框61中，圖像處理器確定元件外周邊的形心和視點相對于待安置特征的偏移。在方框61中，吸嘴13拾取元件，拾取位置盡所能達(dá)到的機械精度盡可能接近形心，如方框62所示，元件17被輸送到或靠近基底14上的安置位置。在方框63中，在元件17的輸送過程，用水平視頻系統(tǒng)24確定元件外周邊的形心并將元件的旋轉(zhuǎn)位置減小到零度或預(yù)定角度。需注意，從方框58到方框63所示的步驟是在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中已使用的步驟。在方框64中，當(dāng)輸送元件到基底14時，可以確定在X和Y方向上偏移修正量，將特征的視點54安置到預(yù)定的X和Y的安置位置，而無需知道元件17上的圖案是否傾斜或通過水平視頻系統(tǒng)24和元件的各邊完美地平行校準(zhǔn)。在最后步驟中，元件17的特征的視點54可被安置在基底上的用于視點的精確的X和Y位置上，而忽略圖案可能存在的微小旋轉(zhuǎn)。在上述系統(tǒng)中，使用現(xiàn)有技術(shù)的水平視頻系統(tǒng)，例如美國專利5,559,727所陳述的Quad對準(zhǔn)系統(tǒng)，可使所確定的視點的位置精度在3到5微米之內(nèi)。
現(xiàn)參考圖8，圖8示出了經(jīng)改進(jìn)的實施例方法的方框圖或流程圖，該實施例方法用于將元件上多個有效預(yù)定視點特征精確地安置到它們在基底14上的X和Y安置位置。
方框58到方框59使用圖1到圖3所示的視頻系統(tǒng)，與上文參考圖7所述相同，此處不再重述。方框66確定元件外周邊的形心及主視點特征的偏移，該主視點特征的使用將在下文中說明。在方框67中，通過在元件17上設(shè)置的一個或兩個視點確定元件上的圖案相對于外周邊的旋轉(zhuǎn)偏差。方框62與圖7中的方框62相同，在拾取形心處或附近拾取元件。在方框68中，當(dāng)將元件輸送安置位置處或附近的過程，使用圖7中所用類型的水平視頻系統(tǒng)確定元件外周邊的形心和元件用于安置的零度或正交方向，該過程在圖7的方框64中進(jìn)行。然而，為對準(zhǔn)兩個或更多的視點，對微小的旋轉(zhuǎn)修正進(jìn)行附加計算。在方框64中，當(dāng)輸送元件時，如圖7的方框64中所述對元件在X和Y的偏移進(jìn)行修正，隨后在方框69將主視點特征安置在基底上用于主視點的預(yù)定位置上，并在方框68中轉(zhuǎn)動元件，使得所有視點與用于多個視點的預(yù)定安置位置重合。
描述不同地，圖8與圖7的不同之處在于僅有主視點被安置在預(yù)定X-Y目標(biāo)上或安置位置上，并確定其它視點相對于主安置視點的旋轉(zhuǎn)，以便在方框68中對旋轉(zhuǎn)進(jìn)行修正，其導(dǎo)致多個視點安置在確切的目標(biāo)或安置位置內(nèi)或上。
經(jīng)過對本發(fā)明優(yōu)選實施例的解釋，應(yīng)認(rèn)識到，對于商業(yè)可得的拾取和安置機器，例如Willow Grove，Pa中的Tyco International提供的APS1，僅需要在軟件上作細(xì)小修改即可。然而，對于例如Universal Instrument、西門子和幾家日本公司所制造的機器，可使用在此描述的發(fā)明進(jìn)行改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種在基底上安置元件從而使元件的視點特征精確地與基底上的預(yù)定目標(biāo)或安置特征相重合的方法，包括以下步驟在拾取前使用下視視頻系統(tǒng)對元件進(jìn)行檢測；將元件的像素圖像存儲在處理裝置中；確定待拾取元件外周邊的形心以及待安置在基底上的一個或更多視點特征的形心；在元件的形心處或附近拾取元件，并將其輸送到安置位置或附近；在輸送元件過程，用水平視頻系統(tǒng)確定元件外周邊的形心及其正交或零度旋轉(zhuǎn)位置；在輸送元件過程，確定X和Y軸上的任何偏差修正量，以便將預(yù)定視點安置在基底上的預(yù)定的X和Y安置目標(biāo)位置上；以及將所述元件的特征的視點安置在所述基底上的所述預(yù)定位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述元件在水平視頻系統(tǒng)的觀察下以零度旋轉(zhuǎn)安置在所述基底上。
全文摘要
使用一種具有向下視頻系統(tǒng)及水平視頻系統(tǒng)的拾取和安置機器在拾取元件前利用拾取預(yù)覽系統(tǒng)對元件的表面進(jìn)行檢測。拾取后，在元件向基底安置位置輸送的過程中，用水平視頻系統(tǒng)確定元件的形心和零度旋轉(zhuǎn)軸，以及在元件上到所期望的有效特征的偏移修正量。然后，將元件上期望的有效特征在最短時間內(nèi)以最小誤差安置在基底上的精確的預(yù)定位置上。
文檔編號H05K13/08GK1438836SQ0310755
公開日2003年8月27日 申請日期2003年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月29日
發(fā)明者艾倫·W·斯特拉斯曼 申請人:蒂科電子公司