论文摘要
随着电子封装朝高密度方向不断发展,倒装键合工艺由于具有封装密度高、电气和散热性能好等优点得到了越来越广泛的应用,但目前国内可完成高密度封装的倒装键合设备全部依赖于进口。作为倒装键合设备的核心部件,倒装键合机构关键技术研究与机械实现对于打破市场垄断、突破技术封锁具有重大意义。本文以提高倒装键合机构精度为目的,在机构型综合、尺度综合、精度设计和误差补偿等方向进行了深入、系统研究,贯穿倒装键合机构从设计、装配到调试的整个开发周期,为研制高精度高性能倒装键合机构奠定了坚实的基础。在机构概念设计时,需要根据工艺操作的运动性质与规律创造出相应的机构,该过程即是机构型综合。根据倒装键合工艺要求,倒装键合机构至少需要六个自由度,且可分为倒装贴片机构和调平机构两个部分,其中贴片机构通常采用桁架式结构。调平机构可改变芯片姿态,必须具有承载能力强、响应速度快而精度高等特点以满足高密度封装的需求,这些特点恰是并联机构的优势。本文基于约束螺旋理论型综合得到一类两自由度转动解耦的并联机构,遴选出两种可用作调平机构的构型,并以其中一种为例验算了自由度、选择了合理的输入运动副、开展了运动学仿真,结果表明型综合得到的两自由度转动解耦的调平机构完全满足设计要求。型综合获得调平机构的概念设计方案后即可进行几何尺寸设计。为了使刚度、工作空间、灵巧度等机构性能指标达到最优必须对构件几何参数进行优化,这一过程即是尺度综合。尺度综合时,各构件的几何参数是设计变量,各项性能指标的定义方程是目标函数,运动学位置方程是约束条件。根据调平机构运动解耦的特性可将其分为两个平面连杆机构,分别求取平面连杆机构的正、反位置封闭解析解作为尺度综合的约束条件,定义工作空间、传动角这两个性能指标作为目标函数,绘制性能指标与归一化的几何参数在位置解约束下的图谱。性能图谱可直观地反映出归一化参数与性能指标之间的映射曲线,不同指标所绘制图谱的交集即是各构件的全局优化几何参数。精度是衡量倒装键合设备性能的重要指标,必须通过各种途径来提高,精度设计与运动学标定是最常用的两种。速度分析是精度设计的一个重要环节,虚拟机构法常用来推导少自由度并联机构的一阶运动影响系数矩阵即Jacobian矩阵,该矩阵的特性是评价调平机构精度性能的重要依据。作为少自由度并联机构,调平机构存在一些不可能通过运动学标定来补偿的位姿误差。为解决该问题,采用基于摄动法的误差矢量链建立了调平机构含连杆尺寸误差、关节安装误差和驱动误差的误差模型,通过灵敏度分析揭示对位姿误差特别是不可补偿的位姿误差影响大的误差源,这些误差源在设计、加工与装配过程中必须严格控制其大小,最终实现以最小的经济代价提高精度。对倒装贴片机构而言,贴片精度是其最重要的性能指标。当高于某一程度时,通过提高零部件加工精度与装配质量的方式来提高贴片精度将导致成本呈指数增长；而误差补偿可以在不增加成本的前提下利用附加的微运动减小或消除各种原始误差对精度造成的不利影响,得到了学术界和工程界的广泛研究与应用。几何误差是倒装贴片机构最主要的误差来源,假设各零部件均为刚体时,其可按常量处理。倒装贴片机构与一般的X-Y-Z-θ四轴数控机床的显著区别就是配置了视觉定位系统,视觉定位技术也为误差补偿提供了新方法。在倒装贴片机构进行pick-and-place操作时其内部的两套机器视觉系统分别对芯片与基板进行定位。根据倒装贴片机构工艺操作的特点,将其分为θ轴和X-Y-Z轴两部分建立误差模型,通过视觉系统对θ轴旋转时运动轨迹以及X-Y轴运动时对固定十字标记位置的测量完成误差模型中参数辨识,推导出反映视觉定位系统偏差与补偿微运动之间映射关系的误差补偿方程。最后介绍了倒装键合实验平台的研发情况,利用前文提出的方法对RFID标签封装生产线中的倒装贴片机构进行误差补偿,测量贴片实验完成的样品中芯片在焊盘上的位置并据此数据计算出误差补偿后倒装贴片机构的贴片精度和CPK指数,计算结果证明基于机器视觉系统的误差补偿方法是十分有效的。