专利名称：一种芯片位置和倾角检测装置及方法
技术领域：
本发明属于光学检测技术领域，更具体地，涉及一种用于对芯片在贴片工艺中的位置和倾角执行检测的装置及方法。
背景技术：
随着高密度封装技术的发展，芯片尺寸越来越小，对贴片精度的要求也越来越高。在芯片贴片工艺中，通常是采用具备多个吸嘴的激光贴装头吸起芯片，并按照一定速率将其移动放置到基板上来执行贴片操作；在整个贴片过程中，需要设置共同的可测量点作为基准点(MARK点)以便提供精确的定位参照。芯片的对准和调平是高密度封装质量中的重要影响因素，其中芯片在水平面也即X轴和Y轴方向上的对准程度决定了贴片在基板上的位置精度，而芯片在水平面上的调平精度也即是否存在水平倾角直接决定了贴片质量的好坏。现有技术中对芯片在贴片工艺中的位置执行检测的方法一般是采用CCD直接正对着芯片拍照，对所拍摄的图像执行处理后获取有关芯片位置的信息，因此存在检测精度不足、操作复杂等缺点；而且获取芯片位置信息(上视采图)和获取基板位置(下视采图)的操作是分开进行的，这样使得对准检测需要两套运动系统，造成整体系统变得复杂，成本提高且精度下降。此外，芯片调平检测由于需要获知芯片和基板各自的水平倾角大小，现有技术中通常采用图像处理的方式来执行，因此同样存在检测精度不高、操作复杂等问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或技术需求，本发明的目的在于提供一种芯片位置和倾角检测装置及方法，其通过采用自准直仪和两套不同视野范围的相机并对其配套光学元件进行设置，可同时测量芯片和基板的位置信息，并能在同一光路中完成对芯片倾角的精密测量。按照本发明的一个方面，提供了一种用于对芯片在贴片工艺中的位置和倾角执行检测的装置，其特征在于，该装置包括光源组件、光路传输组件、摄像组件以及自准直仪，其中所述光源组件由第一、第二光源构成，该第一、第二光源分别对应于芯片和基板而设置，且其光轴处于同一竖直线上； 所述光路传输组件由反射面与水平线呈135°夹角的第一半透半反棱镜、反射面与水平线均呈45°夹角的第二和第三半透半反棱镜以及反射面与水平线呈45°夹角的第
一、第二反射镜共同构成，其中第一半透半反棱镜同轴设置在第一和第二光源之间且其左侧也具备竖直的反射面，第一反射镜设置在第一半透半反棱镜的水平右侧，而第二半透半反棱镜、第三半透半反棱镜和第二反射镜依次设置在第一反射镜的上方且与第一反射镜均处于同一竖直光路上；所述摄像组件由视野相对较大的第一摄像单元和视野相对较大的第二摄像单元共同构成，其中第一摄像单元设置在第二反射镜的水平右侧，用于采集芯片或基板的大视野图像以便确定其大致位置，由此根据芯片或基板上的MARK点来初步定位来调整第二摄像单元的视野；第二摄像单元对应设置在第三半透半反棱镜的水平右侧，并用于采集芯片或基板的具体位置图像；所述自准直仪设置在第二半透半反棱镜的水平右侧，并用于获取代表芯片水平倾角信息的法线倾斜量。通过以上构思，一方面可以利用光路传输组件将分别处于光源上下方的物体所成的像汇集到一条光路，由此能够以结构紧凑、便于操作的方式来实现对芯片和基板的位置检测操作；另一方面通过设置自准直仪并利用相同的光路传输组件来采集芯片图像，由此能够精确、快捷地实现对芯片倾角的检测操作。此外，通过设置具备不同视野范围的两套摄像单元来采集芯片或基板的位置图像，测量时可以先由大视野摄像单元迅速找到芯片或基板的大致位置，并调整小视野相机的视野，然后再由小视野摄像单元在该点采集其具体位置图像，从而实现精确对准和检测。优选地，所述第一、第二光源均为环形光源。·优选地，所述第一摄像单元为百万像素以上的工业相机，且其视野范围为毫米级；所述第二摄像单元为百万像素以上工业相机，且其视野范围为微米级。优选地，所述自准直仪包括与第二半透半反棱镜同轴的物镜、设置在该物镜水平右侧且其反射面与水平线成135°夹角的第四半透半反棱镜、设置在第四半透半反棱镜水平右侧的CXD成像单元，设置在第四半透半反棱镜的竖直下方且其反射面与水平线同样呈135°夹角的第三反射镜，以及依次设置在第三反射镜水平右侧的分划板、光扩散器、聚光器、光过滤器和LED光源。按照本发明的另一方面，还提供了相应的检测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤(a)开启第一光源同时关闭第二光源和自准直仪的LED光源,第一光源所发出的光束经待检测的芯片反射后依次经过第一半透半反棱镜、第一反射镜、第二半透半反棱镜和第三半透半反棱镜后，分成两束光分别进入第一和第二摄像单元，根据第一摄像单元所采集的图像找到芯片所处的大致位置，并用于根据芯片上的MARK点来初步定位来调整第二摄像单元的视野，第二摄像单元在该点采集其具体位置图像；(b)开启第二光源同时关闭第一光源和自准直仪的LED光源，第二光源所发出的光束经待检测的基板反射后依次经过第一半透半反棱镜、第一反射镜、第二半透半反棱镜和第三半透半反棱镜后，分成两束光分别进入第一和第二摄像单元，根据第一摄像单元所采集的图像找到基板所处的大致位置，并用于根据基板上的MARK点来初步定位来调整第二摄像单元的视野，第二摄像单元在该点采集其具体位置图像；(C)开启自准直仪的LED光源同时关闭第一和第二光源，LED光源所发出的光束依次经过光过滤器、聚光器、光扩散器后汇聚到分划板的中心，然后经第三反射镜和第四半透半反棱镜反射至物镜并发散成平行光，该平行光依次经过第二半透半反棱镜、第一反射镜和第一半透半反棱镜入射到待检测的芯片上并经芯片反射后沿着入射光路返回，此时通过CCD成像单元对分划板采集其图像，由此获得代表芯片倾角信息的法线倾斜量。总体而言，按照本发明的用于对芯片在贴片工艺中的位置和倾角执行检测的装置及其方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点I、通过对光路传输组件进行改进，能够在同一光路系统中同时测量芯片和基板的位置信息，与现有技术相比减少了大量组件；此外，通过相应配置自准直仪，还能够在同一光路中完成对芯片倾角的精密测量；2、通过采用两套不同视野范围的摄像单元并对其配套光学元件进行设置，可以精确测量光源上方和下方的物体位置且不用考虑相机焦深的问题；由于使用大视野摄像单元来辅助测量，可以进一步提高检测精度，且方便实际操作；3、整体检测装置结构紧凑，便于操作，能够同时实现对准和调平两个功能，因此在芯片贴片等领域具备广泛的应用前景。
图I是按照本发明的芯片位置和倾角检测装置的整体结构示意图；在附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中I-第一光源2-第一半透半反棱镜3-第二光源4-第一反射镜5-第二半透半反棱镜6-物镜7-第四半透半反棱镜8_(XD成像单兀9-第二反射镜10-分划板11-光扩散器12-聚光器13-光过滤器14-LED光源15-第三半透半反棱镜16-第二摄像单元17-第二反射镜18-第一摄像单元
具体实施例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。图I是按照本发明的芯片位置和倾角检测装置的整体结构示意图。如图I中所示，按照本发明的用于对芯片在贴片工艺中的位置和倾角执行检测的装置主要包括光源组件、光路传输组件、摄像组件以及自准直仪等。所述光源组件由譬如为环形光源的第一光源I和第二光源3所构成，它们分别对应于芯片和基板而设置，且其光轴处于同一竖直线上。所述光路传输组件由三个半透半反棱镜和两个反射镜共同组成。其中第一半透半反棱镜2的反射面与水平线呈135°夹角，且其左侧还具备竖直的反射面；在第一半透半反棱镜2的水平右侧，设置有反射面与水平线呈45°夹角的第一反射镜4。在第一反射镜4的竖直上方，从下到上依次设置有第二半透半反棱镜5、第三半透半反棱镜15和第二反射镜17，其中第
二、第三半透半反棱镜5、15和第二反射镜17的反射面与水平线均呈45°夹角，并且第一反射镜4、第二半透半反棱镜5、第三半透半反棱镜15和第二反射镜17均处于同一竖直光路上。所述摄像组件由视野相对较大的第一摄像单元18和视野相对较大的第二摄像单元16共同构成，其中第一摄像单元18设置在第二反射镜17的水平右侧，并用于采集芯片或基板的大视野图像以便确定其大致位置，根据芯片上的MARK点来初步定位来调整第二摄像单元的视野，第二摄像单元在该点采集其具体位置图像，第二摄像单元16对应设置在第三半透半反棱镜15的水平右侧，并在该点采集其位置图像。所述自准直仪作为市场上可购买的仪器，可设置在第二半透半反棱镜6的水平右侦牝并根据自准直原理用于获取代表芯片水平倾角信息的法线倾斜量。在本发明的实施例中，自准直仪包括与第二半透半反棱镜5同轴的物镜6、设置在该物镜6水平右侧且其反射面与水平线成135°夹角的第四半透半反棱镜7、设置在第四半透半反棱镜7水平右侧的C⑶成像单元，设置在第四半透半反棱镜7的竖直下方且其反射面与水平线同样呈135°夹角的第三反射镜9，以及依次设置在第三反射镜9水平右侧的分划板10、光扩散器11、聚光器12、光过滤器13和LED光源14。以上构思的检测装置，可以利用光路传输组件将分别处于光源上下方的物体所成的像汇集到一条光路，由此能够以结构紧凑、 便于操作的方式来实现对芯片和基板的位置检测操作，同时精确、快捷地实现对芯片倾角的检测操作。此外，通过设置具备不同视野范围的两套摄像单元来采集芯片或基板的位置图像，测量时可以先由大视野摄像单元迅速找到芯片或基板的大致位置，然后再根据芯片或基板上的MARK点来初步定位来调整小视野摄像单元的视野，小视野摄像单元在该点采集其位置图像，从而实现精确对准和检测。下面将具体描述按照本发明的检测装置的检测过程首先，当测量芯片位置时，开启第一光源同时关闭第二光源和自准直仪的LED光源，第一光源所发出的光束经待检测的芯片反射后依次经过第一半透半反棱镜、第一反射镜、第二半透半反棱镜和第三半透半反棱镜后，分成两束光分别进入第一和第二摄像单元，根据第一摄像单元所采集的图像找到芯片所处的大致位置并定位其MARK点，然后调整第二摄像单元的视野，再由第二摄像单元在该点采集芯片的位置图像；该位置图像经图像算法处理后可得到芯片在水平X轴和Y轴方向上的具体位置信息，从而实现精确定位；接着，当测量基板位置时，开启第二光源同时关闭第一光源和自准直仪的LED光源，第二光源所发出的光束经待检测的基板反射后依次经过第一半透半反棱镜、第一反射镜、第二半透半反棱镜和第三半透半反棱镜后，分成两束光分别进入第一和第二摄像单元，根据第一摄像单元所采集的图像找到基板所处的大致位置并定位其MARK点，然后调整第二摄像单元的视野，再由第二摄像单元在该点采集基板的位置图像；该位置图像经图像算法处理后可得到基板在水平X轴和Y轴方向上的具体位置信息，从而实现精确定位；最后，当测量芯片的倾角时，可利用自准直仪原理，开启自准直仪的LED光源同时关闭第一和第二光源，LED光源所发出的光束依次经过光过滤器、聚光器、光扩散器后汇聚到分划板的中心(分划板上有十字刻线)，然后经第三反射镜和第四半透半反棱镜反射至物镜并发散成平行光，该平行光依次经过第二半透半反棱镜、第一反射镜和第一半透半反棱镜入射到待检测的芯片上并经芯片反射后沿着入射光路返回，该返回的光由物镜聚焦后由第四半透半反棱镜分光，一部分聚焦到分划板上，另一部分聚焦到CCD成像单元上。如果芯片没有倾角，反射光线的汇聚光点应当在分划板十字刻线的中心，一旦有倾角光点则会偏离十字刻线的中心。因此通过CXD成像单元对分划板采集其具体偏离图像，由此可获得代表芯片倾角信息的法线倾斜量。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。
权利要求
1.一种用于对芯片在贴片工艺中的位置和倾角执行检测的装置，其特征在于，该装置包括光源组件、光路传输组件、摄像组件以及自准直仪，其中 所述光源组件由第一、第二光源(I，3)构成,该第一、第二光源(1，3)分别对应于芯片和基板而设置，且其光轴处于同一竖直线上； 所述光路传输组件由反射面与水平线呈135°夹角的第一半透半反棱镜(2)、反射面与水平线均呈45°夹角的第二和第三半透半反棱镜(5，15)以及反射面与水平线呈45°夹角的第一、第二反射镜(4，17)共同构成，其中第一半透半反棱镜(2)同轴设置在第一和第二光源(1，3)之间且其左侧也具备竖直的反射面，第一反射镜(4)设置在第一半透半反棱镜(2)的水平右侧，而第二半透半反棱镜(5)、第三半透半反棱镜(15)和第二反射镜(17)依次设置在第一反射镜(4)的上方且与第一反射镜(4)均处于同一竖直光路上； 所述摄像组件由视野相对较大的第一摄像单元(18)和视野相对较大的第二摄像单元(16)共同构成，其中第一摄像单元(18)设置在第二反射镜(17)的水平右侧，用于采集芯片或基板的大视野图像以便确定其大致位置，由此根据芯片或基板上的MARK点来调整第二摄像单元的摄像视野；第二摄像单元(16)对应设置在第三半透半反棱镜(15)的水平右侧，并用于采集芯片或基板的位置图像； 所述自准直仪设置在第二半透半反棱镜(5)的水平右侧，用于获取代表芯片水平倾角信息的法线倾斜量。
2.如权利要求I所述的装置，其特征在于，所述第一、第二光源(1，3)均为环形光源。
3.如权利要求I或2所述的装置，其特征在于，所述第一摄像单元(18)为百万像素以上的工业相机，且其视野范围为毫米级；所述第二摄像单元(16)为百万像素以上工业相机，且其视野范围为微米级。
4.如权利要求1-3任意一项所述的装置，其特征在于，所述自准直仪包括与第二半透半反棱镜(5)同轴的物镜(6)、设置在该物镜(6)水平右侧且其反射面与水平线成135°夹角的第四半透半反棱镜(7)、设置在第四半透半反棱镜(7)水平右侧的CCD成像单元，设置在第四半透半反棱镜(7)的竖直下方且其反射面与水平线同样呈135°夹角的第三反射镜(9)，以及依次设置在第三反射镜(9)水平右侧的分划板(10)、光扩散器(11)、聚光器(12)、光过滤器(13)和LED光源(14)。
5.一种通过权利要求4所述的装置对芯片位置和倾角进行检测的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤 (a)开启第一光源同时关闭第二光源和自准直仪的LED光源,第一光源所发出的光束经待检测的芯片反射后依次经过第一半透半反棱镜、第一反射镜、第二半透半反棱镜和第三半透半反棱镜后，分成两束光分别进入第一和第二摄像单元，根据第一摄像单元所采集的图像找到芯片所处的大致位置并定位其MARK点，然后由第二摄像单元在该点采集芯片的具体位置图像； (b)开启第二光源同时关闭第一光源和自准直仪的LED光源,第二光源所发出的光束经待检测的基板反射后依次经过第一半透半反棱镜、第一反射镜、第二半透半反棱镜和第三半透半反棱镜后，分成两束光分别进入第一和第二摄像单元，根据第一摄像单元所采集的图像找到基板所处的大致位置并定位其MARK点，然后由第二摄像单元在该点采集基板的具体位置图像；(C)开启自准直仪的LED光源同时关闭第一和第二光源，LED光源所发出的光束依次经过光过滤器、聚光器、光扩散器后汇聚到分划板的中心，然后经第三反射镜和第四半透半反棱镜反射至物镜并发散成平行光，该平行光依次经过第二半透半反棱镜、第一反射镜和第一半透半反棱镜入射到待检测的芯片上并经芯片反射后沿着入射光路返回，此时通过CCD成像单元对分划板采集其图像，由此获得代表芯片倾角信息的法线倾斜量。·
全文摘要
本发明公开了一种芯片位置和倾角检测装置，包括光源组件、光路传输组件、摄像组件以及自准直仪，其中光源组件由分别对应于芯片和基板的第一、第二光源构成；光路传输组件由第一、第二和第三半透半反棱镜以及第一、第二反射镜共同构成，由此在同一光路系统中实现对芯片和基板位置的检测；摄像组件由具备不同视野的第一和第二摄像单元构成，其中第一摄像单元用于采集芯片或基板的大视野图像，根据MARK点实现初步定位，第二摄像单元用于采集其具体位置图像；自准直仪用于获取代表芯片水平倾角信息的法线倾斜量。本发明还公开了相应的检测方法。通过本发明，能够以结构紧凑、便于操作的方式同时实现对准和调平功能，因此尤其适用于芯片贴片等用途。
文档编号G01B11/26GK102944171SQ20121040513
公开日2013年2月27日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者尹周平, 王峥荣, 张步阳, 谢俊, 钟强龙, 陈建魁, 陶波 申请人:华中科技大学