基于变倍显微镜定位的MEMS自动引线键合设备制造技术

本发明专利技术提供的是基于变倍显微镜定位的ＭＥＭＳ自动引线键合设备，它包括底座。在底座上设置有Ｘ轴工作台、Ｙ轴工作台和显微镜，在工作台的上方设置有键合头，在底座上还设置有可升降支架，显微镜安装在可升降支架上并且在显微镜上设置有Ｚ轴步进电机，显微镜上安装有放大倍数自动调节机构。由于引入了连续变倍显微镜，解决了大视野范围、高精度显微视觉定位问题，利用图象处理算法实现了整个键合操作的自动化，对批量化ＭＥＭＳ引线键合作业的实现起到了积极地推动作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种微机电系统(MEMS)领域内的引线键合技术，具体是利用基于连续变倍显微镜的一种定位方法，设计针对MEMS器件特点的自动引线键合设备。
技术介绍
MEMS是指采用微机械加工技术可以批量制作的、集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。MEMS技术的发展显示出巨大的生命力，工业发达国家十分重视MEMS技术的发展，将其视为21世纪新的经济增长点，并投入大量人力和财力推进MEMS的开发和研究。在MEMS器件产业化加工过程中，引线键合是最为成熟且应用最为广泛的一种封装工艺。其工艺实现简单、成本低廉、适用多种封装形式，目前所有封装管脚的90％以上采用引线键合连接。然而，由于目前的MEMS器件大多是针对某些特定要求定做的，生产规模比较小，样式种类繁多，无法像IC领域一样完成大批量的自动化生产。封装时也大多是靠人工在显微镜下操作完成，操作成功率很大程度上依赖经过长期训练的工人的技术水平。在工作过程中，需要长时间注视显微镜进行手动操作，工作人员极易疲劳，其精神状态也直接影响引线工艺的一致性和成品率。这样的工作过程往往不可靠，耗时长。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够降低操作难度、提高工作效率和产品质量的基于变倍显微镜定位的MEMS自动引线键合设备。本专利技术的目的是这样实现的它包括底座，在底座上设置有X轴工作台、Y轴工作台和显微镜，在工作台的上方设置有键合头，在底座上还设置有可升降支架，显微镜安装在可升降支架上并且在显微镜上设置有Z轴步进电机，显微镜上安装有放大倍数自动调节机构。本专利技术还可以包括这样一些结构特征1、所述的放大倍数自动调节机构是由涡轮、与蜗轮相啮合的蜗杆、安装在蜗杆上的带轮、连接于带轮与显微镜镜头之间的同步带和蜗轮驱动步进电机组成的。2、在蜗杆的一侧设置有限位开关。3、它还包括玻璃罩。4、显微镜上带有CMOS数字摄像机。需要键合的MEMS器件固定在X-Y平动工作台上，通过连接光学显微镜的CMOS数字摄像机获得器件的图像信息。其中显微镜固定在一个可升降支架上，通过支架的移动完成调焦操作；显微镜带有放大倍数自动调节机构，通过对电机转动情况的控制完成放大倍数的调整。键合头接收计算机发出的指令信号完成键合操作，另外图像处理以及各电机驱动器的控制也由计算机完成。键合的原理为热声键合，键合头在升温的同时作为卡具使用。为了实现整个键合系统的自动化，特别设计了显微镜放大倍数的自动调整装置，通过一个步进电机旋转带动一套涡轮蜗杆组合，再经皮带轮与显微镜手动调节放大倍数部分咬合，使电机的旋转可以带动放大倍数的改变。由于引入了连续变倍显微镜，解决了大视野范围、高精度显微视觉定位问题，利用图象处理算法实现了整个键合操作的自动化，对批量化MEMS引线键合作业的实现起到了积极地推动作用。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是图1的左视图；图3是放大倍数自动调节机构的结构示意图；图4是本专利技术的工作原理示意图；图5是全局粗定位焊点位置示意图；图6是坐标粗定位示意图；图7是局部精定位焊点1精定位示意图；图8是局部精定位焊点2精定位示意图。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述结合图1-图2，基于变倍显微镜定位的MEMS自动引线键合设备的组成包括底座8，在底座上设置有X轴工作台9、Y轴工作台7和显微镜2，在工作台的上方设置有键合头10，在底座上还设置有可升降支架4，显微镜安装在可升降支架上并且在显微镜上设置有Z轴步进电机3，显微镜上安装有放大倍数自动调节机构6，在外面罩有玻璃罩5，显微镜上带有CMOS数字摄像机。同时结合图3，放大倍数自动调节机构是由涡轮13、与蜗轮相啮合的蜗杆14、安装在蜗杆上的带轮17、连接于带轮与显微镜镜头之间的同步带16和蜗轮驱动步进电机组成的。在蜗杆的一侧设置有限位开关15。下面结合图4-8，具体介绍本专利技术的原理及工作工程。基于连续变倍显微镜的整体定位思想是在低放大倍数下利用此时系统的大视野范围采集器件的全局图像，处理后得到各键合目标的粗略位置信息；而后在高放大倍数下，根据各目标的粗略位置关系，控制工作台将它们逐一显示在缩小的视野范围内，采集得到高分辨率的显微图像，再经图像处理后结合记录的工作台位移数据获取各目标点之间的精确位置关系。具体实现过程如下。1.全局粗定位首先将显微镜的放大倍数设置为最低的0.25倍，移动键合器件至显微镜视野中，采集到包含全部11个键合目标的图像如图5所示。利用图像处理算法获得各个键合器件几何中心的坐标，如图6中的十字划线所示。在图中共存在3个坐标系，以显微镜视野范围中心为原点构成的xoy坐标系(单位为μm)，图像在屏幕上显示时是以左上角为坐标原点构成x′o′y′坐标系(单位为像素坐标)，以及以X-Y平动工作台的机械零点为原点构成的x″o″y″坐标系(单位为μm)。视觉定位应当将三个坐标系下对应的不同信息统一到一个坐标系中形成键合目标的“地图”，我们称之为“键合图”。实际定位中我们将x′o′y′坐标系对应的图像信息和x″o″y″坐标系对应的平台信息都转化为x′o′y′坐标系中的坐标。以其中的一个焊盘和一个引脚两个焊点为例说明全局图像中目标位置关系的确定方法。设图像显示的分辨率为M×N，通过图像处理程序得到焊点1和焊点2的几何中心在图像中(即在x′o′y′坐标系中)对应的像素坐标分别为(x1，y1)和(x2，y2)，X-Y平动工作台的位置(在x″o″y″坐标系中)为(0，0)，即假定此时平台的中心与显微镜视野中心重合。设此时显微镜的放大倍数为β1，每个像素点代表的平面面积为摄像头的像素尺寸为μ×μ(设μ表示一维像素精度，单位为μm)，则此时焊点1和焊点2在xoy坐标系中的的坐标可以分别表示为式(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)那么两焊点之间的绝对距离就可以表示为式(2-5)((x1-x2)×μ/β1，(y1-y2)×μ/β1)精度为μ/β1。2.局部精定位 而后将显微镜的放大倍数调至最高，设此时显微镜的放大倍数为β2，则每个像素点在一维方向上代表的长度为u/β2，而摄像机的分辨率保持不变，因此显微镜的视界范围变为(u/β2×M，u/β2×N)仅为最大放大倍数视野范围的β1/β2倍(该比值小于1)，已经不可能包含所有键合目标的图像信息。移动平台使得x″o″y″坐标系原点相对xoy坐标系的位置为(-(x1-M/2)×μ/β1，-(y1-N/2)×μ/β1)根据图8确定的位置关系，此时理论上焊点1的几何中心应当与视野中心o点重合。然而实际上由于焊点1的位置是在放大倍数为β1时确定的，其定位精度只能达到μ/β1，然而此时的像素精度为u/β2，因此移动后焊点1的几何中心与o点之间存在一定的偏移量，如图7所示。图7经过图像处理后确定的焊点1的几何中心在x′o′y′坐标系中的坐标为(x1′，y1′)，则其在xoy坐标系中的的坐标可以表示为((x1′-M/2)×μ/β2，(y1′-N/2)×μ/β2)然后根据图8确定的焊点1与焊点2之间的位置关系再次移动X-Y平台，使得焊点2显示在高放大倍数的显微镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于变倍显微镜定位的ＭＥＭＳ自动引线键合设备，它包括底座，在底座上设置有Ｘ轴工作台、Ｙ轴工作台和显微镜，在工作台的上方设置有键合头，其特征是：在底座上还设置有可升降支架，显微镜安装在可升降支架上并且在显微镜上设置有Ｚ轴步进电机，显微镜上安装有放大倍数自动调节机构。

【技术特征摘要】
1.基于变倍显微镜定位的MEMS自动引线键合设备，它包括底座，在底座上设置有X轴工作台、Y轴工作台和显微镜，在工作台的上方设置有键合头，其特征是在底座上还设置有可升降支架，显微镜安装在可升降支架上并且在显微镜上设置有Z轴步进电机，显微镜上安装有放大倍数自动调节机构。2.根据权利要求1所述的基于变倍显微镜定位的MEMS自动引线键合设备，其特征是所述的放大倍数自动调节机构是由涡轮、与蜗轮相啮合的蜗杆、安装在蜗杆上的带轮、连接于带轮与显微镜镜头之间的同步带和蜗...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙立宁，陈立国，马凌宇，刘延杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]