1、DKH-50凸點倒扣焊接系統的研制摘要:本文介紹了DKH-50倒扣焊接系統的研制過程及其中應用的關鍵技術.關鍵詞:凸點 倒扣焊 光學對正 光學測距 光學測平行 五自由度工作臺 圖像采集 串行通訊 溫度控制引言.凸點倒扣焊技術研究課題是研究如何將帶有凸點的芯片倒扣焊在與其凸點相對應的電極圖形的基片上去，使其達到電性能和機械性能的連接，并達到機電技術指標要求，這是一項較為復雜的系統技術研究。最終完成的凸點倒扣焊機將對SMT、HIC、半導體等技術、MCM技術的發展起推動作用。2 主要技術指標本項目涉及精密機械、計算機、光學、電子等多個技術領域，是一個綜合性的整機研究。其主要技術指標如下：設備工作臺面

2、積：5050mm2，運動距離（以中心算）15mm手動分辨率3m工作臺旋轉機構：手動分辨率3工作臺平行度調整：手動分辨率3m/5mm工作臺Z方向上下移動距離80 mm，下壓精度2.5m。凸點面積30m30m，凸點中心距80m。工作頭、工作臺溫度250。3設計原理.由于焊接的凸點尺寸小、間距密，對焊接時的平行度、距離及上下圖形的對正要求很高，因此要用光學系統和圖像采集系統分別對上下圖形的平行度、距離和對正精度進行光學測量，用機械調整系統調整工作臺，并采用精密移動系統對工作頭進行位置控制，使之達到焊接要求。本系統設計原理如下：.將芯片和基片分別吸裝在工作頭和工作臺上，使用平行光學測量系統取得上下面反

3、射的十字光叉，經圖像采集系統送到計算機屏幕上顯示，根據顯示圖像調整工作臺的平行度，使基片的圖形面與芯片的圖形面平行。使工作頭向下移動到測距的位置，使用測距光學系統取得測距圖像，經圖像采集系統送到計算機屏幕上顯示，根據圖像測得上下圖形面的間距，為焊接提供準確定位。使用對正光學系統取得上下圖形面的圖像，經圖像采集系統送到計算機屏幕上顯示，調整工作臺的X-Y位置及角度，使上下圖形面在圖像中重合。根據測距結果通過精密移動系統將工作頭移動到指定位置，使芯片凸點和基片圖形接觸，進行焊接。然后通氮氣冷卻，釋放芯片及基片，焊接過程結束。.在整個焊接過程開始之前，將工作頭和工作臺分別加熱到工藝指定的溫度，并且在

4、整個焊接過程中，溫度控制系統將工作頭和工作臺的溫度保持在該溫度。4 解決的關鍵技術本課題涉及下述四個方面技術:光學系統、精密機械系統、控制系統、軟件。4.1 光學系統.由于焊接的凸點高度只有20-30m，如果平行度不夠，焊接就會出現一邊凸點壓攤開，一邊凸點還未接觸上。所以必須對基片與芯片的平行度進行檢測和調整。另外,凸點和圖形之間的距離也要控制，凸點和圖形需要對正。因而光學系統有四部分組成，即：測平行光學系統、測距光學系統、上下光路對準光學系統、光源。4.2 精密機械系統：對機械系統首先要求能實現功能。由于機械系統設計工作繁瑣，下面僅從主要功能和主要設計方法進行介紹： 工作臺：工作臺有五個自由

5、度。平面X-Y移動、旋轉是為了實現芯片與基片圖形對齊；兩個方向俯仰是為了調節上下兩個面平行。這五個運動要求連續可調，還要有足夠的剛性，在工作臺運動時沒有震動。我們采用負間隙的直線導軌，所有傳動部分均采用了彈性消隙機構。X-Y移動部分采用了雙調節旋鈕，速比為1：100，實現了調節分辨率1m。 工作頭。工作頭運動位置要進行控制，我們采用美國Park公司的直線移動系統，它的報告是重復定位精度1m，定位精度5m，我們測量后，確實達到這個指標，也達到了我們的要求。由于我們工作行程很短，經過調試及軟件修正，定位精度提高到2m。工作頭原點位置和上下極限位置檢測采用光電檢測。 光學移動系統。光學移動系統須X-

6、Y兩個運動以實現三個光學系統均能到達自己的工位。X-Y兩個運動采用負間隙導軌及普通光學系統的齒輪齒條傳動。 精密移動系統與加熱部分的隔離工作臺和工作頭頂端工作最高溫度達250，如果頂端不與底下的精密移動部分隔離將大大影響精度和壽命，甚至系統不能工作。我們采用了水套對兩部分進行隔離，水套中通入循環水，吸氣銅管也浸在水套中，對加熱的氣體也進行冷卻，以保證氣泵和非金屬氣路的可靠運行。 CAD貫穿整個機械設計過程整個機械設計過程,我們均采用計算機輔助設計(用開目CAD機械設計軟件)。原理設計階段的機構選取、計算，零件設計階段的圖紙設計，均在計算機上完成，從而實現快速、準確、標準的設計工作。4.3 控制

7、系統研究控制系統可分為以下五個子系統： 圖象采集：采用CG200圖象采集卡將三路CCD圖象信號采進計算機，可軟件控制，分別單獨顯示。 工作頭上下移動采用Park公司的步進電機驅動系統，實現每周50000步細分，電機單步0.1m。 工作頭、工作臺溫度采用兩臺SR73A溫控儀。 我們自己設計了一套單片機系統，分別控制基片和芯片的吸放，三路光學系統光源的開關，基片、芯片的加熱和停止加熱。它采用8031單片機,用RS232半雙工方式與主機通訊. 計算機系統各部分采用串行通訊控制，因而至少需要四個串行口，而PC機一般僅有兩個采用串行口。我們采用CP104串口卡，分別實現電機控制系統，溫度控制系統，單片機

8、系統與計算機的通訊。CP104串口卡是PCI總線下轉出四路RS232總線，單片機系統、電機控制系統采用RS232直接通訊。兩臺SR73A溫控儀本身采用RS485總線，我們利用一塊轉換器實現了通訊。4.4 軟件：軟件工作的關鍵是在對CG200圖像采集卡、OEM750X步進電機驅動系統、數字量控制系統、兩臺SR73A溫控儀的控制。CG200圖像采集卡運用動態連接庫函數進行控制；OEM750X步進電機驅動系統與主機用RS232口通訊，主機向其發送Compumotor X語言格式的命令對其進行控制；數字量控制系統與主機用RS232口通訊，主機向其發送命令代碼進行控制；SR73A溫控儀主機用RS232口

9、經RS232/485轉換器通訊，主機向其發送讀寫碼，完成對其讀寫功能。5 今后的設想現在的光學系統處于原理實現階段，調整比較困難，離實用化尚有一定距離。限于時間和資金，沒有做進一步的工作。今后在光學系統的調整和安裝結構上有必要做進一步的改善，以提高實用性。光學移動系統和芯片、基片的安裝調整目前是全手動進行，對操作人員素質要求較高，不利于商品化。今后對光學移動系統及工作臺的各方位調整擬采用自動控制，以提高精度和焊接質量。將面對面圖像提取合成技術降低精度應用于BGA焊接工藝。BGA技術以體積小和抗干擾、抗噪性能強在NOTEBOOK的內存、主板芯片組等大規模集成電路的封裝領域得到了廣泛應用，是現今最

10、先進、最流行的封裝技術之一。BGA技術在國內卻難以啟動，尤其是引腳間距0.5mm的uBGA。因為缺少適合國情的 BGA放置設備。目前，絕大多數使用BGA芯片的電子產品生產廠家，均采用四角標記手工放置。這種方法對1.27mm間距的BGA貼裝，廢品率已很高，對非規則外形的BGA和0.5mm間距的BGA已不可行。國內目前生產的BGA放置設備均采用四角標記方法，尚未發現發現凸點和焊盤面對面圖形提取對準方法的BGA放置設備。DKH-50倒扣焊接系統的凸點對位精度是0.01mm，而BGA倒裝設備精度可以降低到0.050.1mm。另外，BGA倒裝設備的關鍵技術-小間隙面對面圖像提取合成技術，在DKH-50倒扣焊接系統項目中已解決。因而我們對本技術上應用于BGA倒裝設備有足夠的信心和把握。6 結語在研究工作中，我們學習和吸收了幾所大學、科研單位