CN103021898A

CN103021898A - 测量平面角度方法、芯片与基板相对倾角测量方法及***

Info

Publication number: CN103021898A
Application number: CN2012105490421A
Authority: CN
Inventors: 尹周平; 张步阳; 陈建魁; 钟强龙; 谢俊; 王峥荣; 李宏举; 陈伟
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology; Guangdong Hust Industrial Technology Research Institute
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-12-17
Also published as: CN103021898B

Abstract

本发明公开了一种测量平面角度方法、芯片与基板相对倾角测量方法及***，芯片和基板相对倾角的测量方法包括步骤S21采用标定的方式获得第一基准平面与第二基准平面之间的角度误差；S22根据测量平面角度的方法并结合第一高度传感器测得的高度距离获得芯片与第一基准平面的第一倾角，并根据测量平面角度的方法并结合第二高度传感器测得的高度距离获得基板与第二基准平面的第二倾角；S23将第二倾角、第一倾角和角度误差做向量减法运算获得芯片与基板之间的相对倾角。本发明利用高度传感器测量多点高度测量倾角，进而利用倾角标定的方式可方便、快速、精确的测量芯片与基板的相对倾角；该方法实现简单，测量精度高，测量与调平***小巧。

Description

测量平面角度方法、芯片与基板相对倾角测量方法及***

技术领域

本发明属于精密测试计量技术领域，更具体地，涉及一种测量平面角度方法、芯片与基板相对倾角测量方法及***。

背景技术

由于高密度封装技术的发展，芯片尺寸越来越小，对贴片精度要求越来越高。在芯片贴片工艺中，通常是采用具有真空阀的贴装头吸起芯片，并按照一定速率将其移动放置到基板上来执行贴片操作；但贴装头在吸起芯片过程中，由于吸取芯片动作会使芯片相对于基板的位置和倾角每次都不同，因此必须在完成芯片贴装前进行纠偏、调平。芯片倾角较大时会严重影响贴装效果。芯片的调平是高密度封装中重要模块，调平的精度决定了贴片质量的好坏。

目前调焦调平技术一般只用于光刻机中，贴片封装工艺中通常不进行芯片的调平。现有的调平技术主要是应用于光刻机上的光电测量方法，如：ASML采用基于光栅的摩尔条纹和四象限探测器的光电测量方法；Nikon则采用基于狭缝和四象限探测器的光电探测方法；Canon采用基于针孔和面阵CCD的光电探测***。

上述各种光电测量方法，精度都很高。但测量过程复杂，测量***较庞大。对于贴片工艺来说，效率不高，调平***所需空间较大，操作不便。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种实现方法简单且测量精度高的测量平面角度方法。

本发明提供的测量平面角度的方法，包括下述步骤：

S11：在基准平面内取三个点A1、B1、C1，使得三点的连线构成直角三角形；

S12：根据所取的三个点建立基准坐标系，所述基准坐标系以直角顶点为原点，以两条直角边分别为X轴和Y轴，以通过原点且垂直于三点所在平面的直线为Z轴；

S13：采用高度传感器测量基准平面上A1点与待测平面上相应点A的距离h_A，A点与A1点的连线垂直于所述基准平面；

S14：重复步骤S13并分别测得基准平面上B1点与待测平面上相应点B的距离h_B和基准平面上C1点与待测平面上相应点C的距离h_c；B点与B1点的连线垂直于所述基准平面；C点与C1点的连线垂直于所述基准平面；

S15：根据公式

计算待测平面的法向量n在XY平面上的投影与X轴的夹角α₁，并根据公式

计算待测平面的法向量n在XZ平面上的投影与Z轴的夹角α₂；x_B为B点相对于A点在X方向上的位移，y_C为C点相对于A点在Y方向的位移。

本发明还提供了一种芯片和基板相对倾角的测量方法，包括下述步骤：

S21：采用标定的方式获得第一基准平面与第二基准平面之间的角度误差α；

S22：根据测量平面角度的方法并结合第一高度传感器测得的高度距离获得芯片与第一基准平面的第一倾角γ，并根据测量平面角度的方法并结合第二高度传感器测得的高度距离获得基板与第二基准平面的第二倾角β；

S23：将所述第二倾角、第一倾角和角度误差做向量减法运算获得所述芯片与所述基板之间的相对倾角β-γ-α。

更进一步地，在步骤S21中，所述标定的方式具体为：

采用第一高度传感器测量标定板所在平面的第一法线倾角b1，

采用第二高度传感器测量标定板所在平面的第二法线倾角b2，

将第一法线倾角b1与第二法线倾角b2做向量减法运算获得第一基准平面与第二基准平面之间的角度误差α。

更进一步地，所述第一基准平面为第一高度传感器运动形成的平面，所述第二基准平面为第二高度传感器运动形成的平面。

更进一步地，在步骤S22中，所述测量平面角度的方法具体为：

在基准平面内取三个点A1、B1、C1，使得三点的连线构成直角三角形；

根据所取的三个点建立基准坐标系，所述基准坐标系以直角顶点为原点，以两条直角边分别为X轴和Y轴，以通过原点且垂直于三点所在平面的直线为Z轴；

采用高度传感器测量基准平面上A1点与待测平面上相应点A的距离h_A，A与A1的连线垂直于所述基准平面；

重复上述步骤并分别测得基准平面上B1点与待测平面上相应点B的距离h_B和基准平面上C1点与待测平面上相应点C的距离h_c；B与B1的连线垂直于所述基准平面；C与C1的连线垂直于所述基准平面；

根据公式

本发明还提供了一种芯片和基板相对倾角的测量***，包括XY向运动模组、Z向运动模组、第二高度传感器、第一高度传感器和贴装头；所述第二高度传感器固连在所述Z向运动模组的正下方，所述贴装头位于所述Z向组件和第二高度传感器的左侧，所述贴装头连接芯片，基板位于所述第二高度传感器下方的水平面内，所述第一高度传感器位于所述贴装头下方的水平面内；通过外部的运动控制机构分别控制XY向运动模组和Z向运动模组进行X、Y、Z方向的移动和旋转。

更进一步地，测量***还包括标定板，设置于所述第一高度传感器与第二高度传感器的正中间位置，用于对倾角进行标定。

更进一步地，对基板倾角测量时，第二高度传感器位于所述基板的正上方，所述第二高度传感器镜头与基板之间的测量距离为25mm~35mm。

更进一步地，对芯片倾角测量时，所述贴装头位于所述第一高度传感器的正上方，所述贴装头的轴线与所述第一高度传感器镜头的轴线重合。

本发明提供了一种应用于贴片工艺中小倾角的高精测量方法及调平***。通过利用高度传感器测量多点高度测量倾角，进而利用倾角标定的方式可方便、快速、精确的测量芯片与基板的相对倾角，在利用相应运动运动模组完成芯片调平。该方法实现简单，测量精度高，测量与调平***小巧。

附图说明

图1是本发明实施例提供的测量平面角度方法的原理示意图；

图2是本发明实施例提供的芯片与基板相对倾角测量方法的实现流程图；

图3是本发明实施例提供的芯片和基板相对倾角测量与调平***的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的贴片过程中倾角测量方法的实现流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，测量平面角度的方法具体包括下述步骤：

S13：采用高度传感器测量基准平面上A1点与待测平面上相应点A的距离h_A，A与A1的连线垂直于所述基准平面；

S14：重复步骤S3并分别测得基准平面上B1点与待测平面上相应点B的距离h_B和基准平面上C1点与待测平面上相应点C的距离h_c；B与B1的连线垂直于所述基准平面；C与C1的连线垂直于所述基准平面；

S15：根据公式

计算待测平面的法向量n在XY平面上的投影与X轴的夹角α₁，并根据公式计算待测平面的法向量n在XZ平面上的投影与Z轴的夹角α₂；x_B为B点相对于A点在X方向上的位移，y_C为C点相对于A点在Y方向的位移。

如图1所示，高度传感器所在平面为X1Y1平面，ABC为待测平面，假设待测平面和高度传感器所在平面有一定倾角。在X1Y1平面上的A1点测得待测平面高度为h_A（即待测平面上A点到X1Y1平面的距离）；从A1点沿X1轴将高度传感器平移x_B到B1点，测量待测平面高度为h_B；从A1点沿Y1轴将高度传感器平移y_C，测量待测平面高度为h_C。此时B点相对于A点只有在X方向上有平移x_B，C点相对于A点只有Y方向的平移y_C，因此A、B、C三点相对于A点的相对坐标分别为A(0,0,0)、B(x_B,0,h_B-h_A)、C(0,y_C,h_C-h_A)。设向量

为（x₁,y₁,z₁），

为（x₂,y₂,z₂），待测平面的法向量为

则

因此

代入坐标计算如下：

\{\begin{matrix} x_{1} x_{n} + y_{1} y_{n} + z_{1} = 0 \\ x_{2} x_{n} + y_{2} y_{n} + z_{2} = 0 \end{matrix}

所以

x_{n} = \frac{y_{2} z_{1} - y_{1} z_{2}}{x_{2} y_{1} - x_{1} y_{2}},

y_{n} = \frac{x_{1} z_{2} - x_{2} z_{1}}{x_{2} y_{1} - x_{1} y_{2}}

其中x₁=x_B，y₁=0，z₁=h_B-h_A；x₂=0，y₂=y_C，z₂=h_C-h_A；所以法向量

在XY平面上的投影与X轴的夹角为:

法向量在XZ平面上的投影与Z轴的夹角为:

本发明实施例提供的测量平面角度的方法测量平面角度的方法中在基准平面内取三个点，并由此建立相应坐标系，在三个点上分别用高度传感器测量待测平面的高度，由其高度值和三个点坐标可计算得待测平面法线的空间角度；该方法简单且测量精度高。

如图2所示，本发明提供的芯片和基板相对倾角测量方法具体包括下述步骤：

S21：采用标定的方式获得第一基准平面与第二基准平面之间的角度误差α；所述第一基准平面为第一高度传感器运动形成的平面，所述第二基准平面为第二高度传感器运动形成的平面；

其中，标定的方式具体为：

在本发明实施例中，在步骤S22中，测量平面角度的方法具体为：

根据公式

本发明还提供了一种芯片和基板相对倾角测量与调平***，包括XY向运动模组1、Z向运动模组2、第二高度传感器3、基板4、第一高度传感器5、芯片6、贴装头7、标定板8构成。其中第二高度传感器3与Z向运动模组2是固连在一起，固连在其正下方，贴装头7与Z向组件2固连在一起，位于第二高度传感器3的左边。基板4固定于水平面内，并位于第二高度传感器3的下方。第一高度传感器5固定于水平面内，位于贴装头7的下方。X、Y、Z向运动模组具有X、Y、Z向旋转和移动自由度，并由相应运动控制机构控制，可进行X、Y、Z方向的移动和旋转。

在本发明实施例中，运用该***进行倾角标定、基板倾角测量和芯片倾角测量时必须保持一定的位置关系。进行倾角标定时，第二高度传感器在第一高度传感器的正上方，且第一高度传感器和第二高度传感器镜头轴线重合，标定板位于两高度传感器的中间。标定板只在倾角标定时使用，其他情况下取下。进行基板倾角测量时，第二高度传感器位于基板的正上方，且第二高度传感器镜头与基板保持合适的测量距离为25mm~35mm，可以防止贴装头与基板发生干涉。进行芯片倾角测量时，必须保证测量时贴装头已成功吸取到了芯片。贴装头位于第一高度传感器的正上方，贴装头轴线与第一高度传感器镜头的轴线重合。

为了更进一步的说明本发明，现结合图3和图4详细描述芯片和基板相对倾角测量与调平***的工作流程如下：

控制运动运动模组将第二高度传感器移至第一高度传感器的正上方。然后把标定板安装在两个高度传感器中间。此时将标定板作为待测平面，分别用第二高度传感器和芯片传感器测量标定板的法线倾角，倾角相减得补偿角α（α为空间角度，即法线与XY平面夹角）。倾角标定完成后，就可以进行芯片和基板的倾角测量。这种方法的优点是，不需要使第二高度传感器和第一高度传感器测量平面精确平行，即使有相对倾角，也可用补偿角消除误差。只要测量***不变更，补偿角是不变的，即只需进行一次倾角标定。

控制运动运动模组将第二高度传感器移至基板正上方，此时以基板为待测平面，使用第二高度传感器测量基板的法线倾角β（β也为空间角度）。由于基板安装好后，位置是不变的，故基板倾角也只需要测量一次。

控制运动运动模组将第一高度传感器移至贴装头正上方，此时以芯片所在平面为待测平面，使用第一高度传感器测量芯片平面的法线倾角γ（γ也为空间角度）。每次贴片时都需要进行一次芯片倾角测量。

由高度传感器所测得的基板和芯片的倾角计算可得芯片在贴片到基板上前芯片与基板的相对倾角为β-γ-α（这里各角度都是空间角度矢量，即与X轴Y轴都有一定夹角）。根据计算所得的相对倾角，控制运动运动模组，使贴装头沿X轴和沿Y轴分别旋转相应的夹角，最终可实现贴片前芯片与基板保持平行。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种测量平面角度的方法，其特征在于，包括下述步骤：

S15：根据公式

2.一种芯片和基板相对倾角的测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，在步骤S21中，所述标定的方式具体为：

4.如权利要求2或3所述的测量方法，其特征在于，所述第一基准平面为第一高度传感器运动形成的平面，所述第二基准平面为第二高度传感器运动形成的平面。

5.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，在步骤S22中，所述测量平面角度的方法具体为：

根据公式

6.一种芯片和基板相对倾角的测量***，其特征在于，包括XY向运动模组、Z向运动模组、第二高度传感器、第一高度传感器和贴装头；所述第二高度传感器固连在所述Z向运动模组的正下方，所述贴装头位于所述Z向组件和第二高度传感器的左侧，所述贴装头连接芯片，基板位于所述第二高度传感器下方的水平面内，所述第一高度传感器位于所述贴装头下方的水平面内；通过外部的运动控制机构分别控制XY向运动模组和Z向运动模组进行X、Y、Z方向的移动和旋转。

7.如权利要求6所述的测量***，其特征在于，还包括标定板，设置于所述第一高度传感器与第二高度传感器的正中间位置，用于对倾角进行标定。

8.如权利要求6所述的测量***，其特征在于，对基板倾角测量时，第二高度传感器位于所述基板的正上方，所述第二高度传感器镜头与基板之间的测量距离为25mm~35mm。

9.如权利要求6所述的测量***，其特征在于，对芯片倾角测量时，所述贴装头位于所述第一高度传感器的正上方，所述贴装头的轴线与所述第一高度传感器镜头的轴线重合。