專利名稱：基于變倍顯微鏡定位的mems自動(dòng)引線鍵合設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域內(nèi)的引線鍵合技術(shù)，具體是利用基于連續(xù)變倍顯微鏡的一種定位方法，設(shè)計(jì)針對(duì)MEMS器件特點(diǎn)的自動(dòng)引線鍵合設(shè)備。
背景技術(shù)：
MEMS是指采用微機(jī)械加工技術(shù)可以批量制作的、集微型傳感器、微型機(jī)構(gòu)、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口、通訊等于一體的微型器件或微型系統(tǒng)。MEMS技術(shù)的發(fā)展顯示出巨大的生命力，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視MEMS技術(shù)的發(fā)展，將其視為21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，并投入大量人力和財(cái)力推進(jìn)MEMS的開發(fā)和研究。在MEMS器件產(chǎn)業(yè)化加工過(guò)程中，引線鍵合是最為成熟且應(yīng)用最為廣泛的一種封裝工藝。其工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低廉、適用多種封裝形式，目前所有封裝管腳的90％以上采用引線鍵合連接。
然而，由于目前的MEMS器件大多是針對(duì)某些特定要求定做的，生產(chǎn)規(guī)模比較小，樣式種類繁多，無(wú)法像IC領(lǐng)域一樣完成大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)。封裝時(shí)也大多是靠人工在顯微鏡下操作完成，操作成功率很大程度上依賴經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期訓(xùn)練的工人的技術(shù)水平。在工作過(guò)程中，需要長(zhǎng)時(shí)間注視顯微鏡進(jìn)行手動(dòng)操作，工作人員極易疲勞，其精神狀態(tài)也直接影響引線工藝的一致性和成品率。這樣的工作過(guò)程往往不可靠，耗時(shí)長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能夠降低操作難度、提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量的基于變倍顯微鏡定位的MEMS自動(dòng)引線鍵合設(shè)備。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括底座，在底座上設(shè)置有X軸工作臺(tái)、Y軸工作臺(tái)和顯微鏡，在工作臺(tái)的上方設(shè)置有鍵合頭，在底座上還設(shè)置有可升降支架，顯微鏡安裝在可升降支架上并且在顯微鏡上設(shè)置有Z軸步進(jìn)電機(jī)，顯微鏡上安裝有放大倍數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明還可以包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征1、所述的放大倍數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是由渦輪、與蝸輪相嚙合的蝸桿、安裝在蝸桿上的帶輪、連接于帶輪與顯微鏡鏡頭之間的同步帶和蝸輪驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)組成的。
2、在蝸桿的一側(cè)設(shè)置有限位開關(guān)。
3、它還包括玻璃罩。
4、顯微鏡上帶有CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。
需要鍵合的MEMS器件固定在X-Y平動(dòng)工作臺(tái)上，通過(guò)連接光學(xué)顯微鏡的CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)獲得器件的圖像信息。其中顯微鏡固定在一個(gè)可升降支架上，通過(guò)支架的移動(dòng)完成調(diào)焦操作；顯微鏡帶有放大倍數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況的控制完成放大倍數(shù)的調(diào)整。鍵合頭接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令信號(hào)完成鍵合操作，另外圖像處理以及各電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制也由計(jì)算機(jī)完成。
鍵合的原理為熱聲鍵合，鍵合頭在升溫的同時(shí)作為卡具使用。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)鍵合系統(tǒng)的自動(dòng)化，特別設(shè)計(jì)了顯微鏡放大倍數(shù)的自動(dòng)調(diào)整裝置，通過(guò)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)一套渦輪蝸桿組合，再經(jīng)皮帶輪與顯微鏡手動(dòng)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)部分咬合，使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)可以帶動(dòng)放大倍數(shù)的改變。
由于引入了連續(xù)變倍顯微鏡，解決了大視野范圍、高精度顯微視覺定位問(wèn)題，利用圖象處理算法實(shí)現(xiàn)了整個(gè)鍵合操作的自動(dòng)化，對(duì)批量化MEMS引線鍵合作業(yè)的實(shí)現(xiàn)起到了積極地推動(dòng)作用。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的左視圖；圖3是放大倍數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的工作原理示意圖；圖5是全局粗定位焊點(diǎn)位置示意圖；圖6是坐標(biāo)粗定位示意圖；圖7是局部精定位焊點(diǎn)1精定位示意圖；圖8是局部精定位焊點(diǎn)2精定位示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1-圖2，基于變倍顯微鏡定位的MEMS自動(dòng)引線鍵合設(shè)備的組成包括底座8，在底座上設(shè)置有X軸工作臺(tái)9、Y軸工作臺(tái)7和顯微鏡2，在工作臺(tái)的上方設(shè)置有鍵合頭10，在底座上還設(shè)置有可升降支架4，顯微鏡安裝在可升降支架上并且在顯微鏡上設(shè)置有Z軸步進(jìn)電機(jī)3，顯微鏡上安裝有放大倍數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)6，在外面罩有玻璃罩5，顯微鏡上帶有CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。同時(shí)結(jié)合圖3，放大倍數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是由渦輪13、與蝸輪相嚙合的蝸桿14、安裝在蝸桿上的帶輪17、連接于帶輪與顯微鏡鏡頭之間的同步帶16和蝸輪驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)組成的。在蝸桿的一側(cè)設(shè)置有限位開關(guān)15。
下面結(jié)合圖4-8，具體介紹本發(fā)明的原理及工作工程?；谶B續(xù)變倍顯微鏡的整體定位思想是在低放大倍數(shù)下利用此時(shí)系統(tǒng)的大視野范圍采集器件的全局圖像，處理后得到各鍵合目標(biāo)的粗略位置信息；而后在高放大倍數(shù)下，根據(jù)各目標(biāo)的粗略位置關(guān)系，控制工作臺(tái)將它們逐一顯示在縮小的視野范圍內(nèi)，采集得到高分辨率的顯微圖像，再經(jīng)圖像處理后結(jié)合記錄的工作臺(tái)位移數(shù)據(jù)獲取各目標(biāo)點(diǎn)之間的精確位置關(guān)系。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。
1.全局粗定位首先將顯微鏡的放大倍數(shù)設(shè)置為最低的0.25倍，移動(dòng)鍵合器件至顯微鏡視野中，采集到包含全部11個(gè)鍵合目標(biāo)的圖像如圖5所示。利用圖像處理算法獲得各個(gè)鍵合器件幾何中心的坐標(biāo)，如圖6中的十字劃線所示。
在圖中共存在3個(gè)坐標(biāo)系，以顯微鏡視野范圍中心為原點(diǎn)構(gòu)成的xoy坐標(biāo)系(單位為μm)，圖像在屏幕上顯示時(shí)是以左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)構(gòu)成x′o′y′坐標(biāo)系(單位為像素坐標(biāo))，以及以X-Y平動(dòng)工作臺(tái)的機(jī)械零點(diǎn)為原點(diǎn)構(gòu)成的x″o″y″坐標(biāo)系(單位為μm)。視覺定位應(yīng)當(dāng)將三個(gè)坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的不同信息統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系中形成鍵合目標(biāo)的“地圖”，我們稱之為“鍵合圖”。實(shí)際定位中我們將x′o′y′坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的圖像信息和x″o″y″坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的平臺(tái)信息都轉(zhuǎn)化為x′o′y′坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
以其中的一個(gè)焊盤和一個(gè)引腳兩個(gè)焊點(diǎn)為例說(shuō)明全局圖像中目標(biāo)位置關(guān)系的確定方法。設(shè)圖像顯示的分辨率為M×N，通過(guò)圖像處理程序得到焊點(diǎn)1和焊點(diǎn)2的幾何中心在圖像中(即在x′o′y′坐標(biāo)系中)對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)分別為(x1，y1)和(x2，y2)，X-Y平動(dòng)工作臺(tái)的位置(在x″o″y″坐標(biāo)系中)為(0，0)，即假定此時(shí)平臺(tái)的中心與顯微鏡視野中心重合。
設(shè)此時(shí)顯微鏡的放大倍數(shù)為β1，每個(gè)像素點(diǎn)代表的平面面積為攝像頭的像素尺寸為μ×μ(設(shè)μ表示一維像素精度，單位為μm)，則此時(shí)焊點(diǎn)1和焊點(diǎn)2在xoy坐標(biāo)系中的的坐標(biāo)可以分別表示為式(2-3)和式(2-4)((x1-M/2)×μ/β1，(y1-N/2)×μ/β1)((x2-M/2)×μ/β1，(y2-N/2)×μ/β1)那么兩焊點(diǎn)之間的絕對(duì)距離就可以表示為式(2-5)((x1-x2)×μ/β1，(y1-y2)×μ/β1)精度為μ/β1。
2.局部精定位 而后將顯微鏡的放大倍數(shù)調(diào)至最高，設(shè)此時(shí)顯微鏡的放大倍數(shù)為β2，則每個(gè)像素點(diǎn)在一維方向上代表的長(zhǎng)度為u/β2，而攝像機(jī)的分辨率保持不變，因此顯微鏡的視界范圍變?yōu)?u/β2×M，u/β2×N)僅為最大放大倍數(shù)視野范圍的β1/β2倍(該比值小于1)，已經(jīng)不可能包含所有鍵合目標(biāo)的圖像信息。移動(dòng)平臺(tái)使得x″o″y″坐標(biāo)系原點(diǎn)相對(duì)xoy坐標(biāo)系的位置為(-(x1-M/2)×μ/β1，-(y1-N/2)×μ/β1)根據(jù)圖8確定的位置關(guān)系，此時(shí)理論上焊點(diǎn)1的幾何中心應(yīng)當(dāng)與視野中心o點(diǎn)重合。然而實(shí)際上由于焊點(diǎn)1的位置是在放大倍數(shù)為β1時(shí)確定的，其定位精度只能達(dá)到μ/β1，然而此時(shí)的像素精度為u/β2，因此移動(dòng)后焊點(diǎn)1的幾何中心與o點(diǎn)之間存在一定的偏移量，如圖7所示。
圖7經(jīng)過(guò)圖像處理后確定的焊點(diǎn)1的幾何中心在x′o′y′坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x1′，y1′)，則其在xoy坐標(biāo)系中的的坐標(biāo)可以表示為((x1′-M/2)×μ/β2，(y1′-N/2)×μ/β2)然后根據(jù)圖8確定的焊點(diǎn)1與焊點(diǎn)2之間的位置關(guān)系再次移動(dòng)X-Y平臺(tái)，使得焊點(diǎn)2顯示在高放大倍數(shù)的顯微鏡視野范圍內(nèi)，如圖8所示，記錄此次X-Y平臺(tái)移動(dòng)的位移分別為p1和p2，精度等同于平臺(tái)的移動(dòng)精度1μm。圖8經(jīng)圖像處理確定焊點(diǎn)2的幾何中心在x′o′y′坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x2′，y2′)，則其在xoy坐標(biāo)系中的的坐標(biāo)可以表示為
((x2′-M/2)×μ/β2，(y2′-N/2)×μ/β2)結(jié)合圖7、8及X-Y平臺(tái)的位移，可以確定在精度為u/β2的水平上焊點(diǎn)1、2在x、y方向上的距離關(guān)系可以分別表示為((x2′-x1′)×μ/β2+p1，(y2′-y1′)×μ/β2+p2)精度為max{u/β2，p}。
以此類推，可以用同樣的方法確定各個(gè)鍵合目標(biāo)之間精確的相對(duì)位置，并最終生成鍵合圖。綜合圖4和5以及這個(gè)敘述過(guò)程，我們是利用了連續(xù)變倍顯微系統(tǒng)能夠提供不同視野范圍以及不同定位精度的特性，完成了由整體到局部、由粗到精的定位過(guò)程，在此將之稱為“全局粗定位、局部精定位”。最終達(dá)到的理論定位精度為μ/β2。根據(jù)得到的精定位信息，控制各鍵合目標(biāo)點(diǎn)逐次移動(dòng)至劈刀(劈刀相對(duì)于顯微鏡視野中心的位置需要事先標(biāo)定)下完成鍵合操作。
權(quán)利要求
1.基于變倍顯微鏡定位的MEMS自動(dòng)引線鍵合設(shè)備，它包括底座，在底座上設(shè)置有X軸工作臺(tái)、Y軸工作臺(tái)和顯微鏡，在工作臺(tái)的上方設(shè)置有鍵合頭，其特征是在底座上還設(shè)置有可升降支架，顯微鏡安裝在可升降支架上并且在顯微鏡上設(shè)置有Z軸步進(jìn)電機(jī)，顯微鏡上安裝有放大倍數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于變倍顯微鏡定位的MEMS自動(dòng)引線鍵合設(shè)備，其特征是所述的放大倍數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是由渦輪、與蝸輪相嚙合的蝸桿、安裝在蝸桿上的帶輪、連接于帶輪與顯微鏡鏡頭之間的同步帶和蝸輪驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)組成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于變倍顯微鏡定位的MEMS自動(dòng)引線鍵合設(shè)備，其特征是在蝸桿的一側(cè)設(shè)置有限位開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于變倍顯微鏡定位的MEMS自動(dòng)引線鍵合設(shè)備，其特征是它還包括玻璃罩。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于變倍顯微鏡定位的MEMS自動(dòng)引線鍵合設(shè)備，其特征是顯微鏡上帶有CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于變倍顯微鏡定位的MEMS自動(dòng)引線鍵合設(shè)備，其特征是顯微鏡上帶有CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明提供的是基于變倍顯微鏡定位的MEMS自動(dòng)引線鍵合設(shè)備，它包括底座。在底座上設(shè)置有X軸工作臺(tái)、Y軸工作臺(tái)和顯微鏡，在工作臺(tái)的上方設(shè)置有鍵合頭，在底座上還設(shè)置有可升降支架，顯微鏡安裝在可升降支架上并且在顯微鏡上設(shè)置有Z軸步進(jìn)電機(jī)，顯微鏡上安裝有放大倍數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。由于引入了連續(xù)變倍顯微鏡，解決了大視野范圍、高精度顯微視覺定位問(wèn)題，利用圖象處理算法實(shí)現(xiàn)了整個(gè)鍵合操作的自動(dòng)化，對(duì)批量化MEMS引線鍵合作業(yè)的實(shí)現(xiàn)起到了積極地推動(dòng)作用。
文檔編號(hào)G02B21/00GK101037186SQ200710071879
公開日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月14日
發(fā)明者孫立寧, 陳立國(guó), 馬凌宇, 劉延杰 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)