開始鍵合工作前，芯片與基板放置在指定工作臺上，如果芯片與基板不在視覺系統的視覺范圍內，則驅動平動臺按指定算法搜索芯片與基板；待獲取芯片位置后,驅動平動臺移動一固定位差，完成芯片與基板的物理對準。但實驗中發現，在芯片被拾取的過程中會發生偏移，所以必須在芯片運動到基板正上方對準之前再次啟動視覺系統從下方仰視被吸附后的芯片，獲取芯片被吸附后的實際位置，實現芯片凸點與基板焊盤的對準。通過坐標變換實現對準精確無誤、在物理上仍相差一固定位差，程序記錄后由機械運動機構實現物理對準，主要包括XY平面的位置運動控制、Z軸豎直方向的位置運動控制以及芯片旋轉定位軸、基板旋轉定位軸的旋轉角度控制。本系統中，位置反饋信號由光柵尺提供，屬于閉環控制。上位機進行路徑規劃，將運動指令和位置數據傳給伺服控制器，伺服控制器進行插補、加減速控制，生成路徑。
2 實驗數據采集
　　熱超聲倒裝鍵合技術是芯片在一定的壓力、溫度和超聲波能量共同作用下,凸點與基板的焊盤產生結合力,從而實現芯片與基板的鍵合。
　　本實驗是在自主開發的熱超聲倒裝鍵合實驗臺上展開的,采用的芯片夾持方式為壓力約束模式,倒裝工具是實心的鎢鋼圓柱體,試驗采用的芯片是1mm×1mm的硅芯片，表面有8個直徑約50μm、高度約30μm、對稱分布的鍵合凸點，試驗用的基板是銅基板，如圖2所示。熱超聲倒裝鍵合試驗臺的鍵合力在0～11.76N可調；基板溫度在0℃～400℃可調;超聲功率在0～5W可調;鍵合時間在0～500ms可調;聲頻率為60kHz±2kHz。

　　采集到的光信號經雙CCD攝像頭轉換成電信號，再由圖像采集卡(型號為Matrox Meteor-II/Stan-dard)將攝像機采集到電信號轉換成計算機能處理的數字信號，最后通過由Adpat公司開發的HexSight軟件對圖像數據進行分析處理。熱超聲倒裝鍵合實驗臺的視覺定位系統構成如圖3所示。

?

3 視覺系統誤差理論分析
　　識別定位誤差由平移誤差和旋轉誤差^[8-9]組成。平移誤差是指芯片識別位置與其真實位置半徑T之間的誤差，如圖4所示。
???

式中,e_xt為沿X軸的誤差分量，e_yt為沿Y軸的誤差分量。
　　旋轉誤差是指識別結果與當前芯片、基板的真實位置之間的角度誤差，如圖5所示。為了簡化分析，利用芯片封裝角的位移近似表示這種誤差，可利用下列等式求得：
　　

?

　　式中,R為旋轉誤差引起的真實位置偏移；L為從芯片中心到封裝角的距離；θ為識別位置到芯片真實位置最大角度偏離。
　　旋轉誤差在X、Y軸上的投影誤差分量分別為e_xt、e_yt,其表達式為：
???
4 視覺系統定位精度的實驗研究
4.1熱超聲倒裝鍵合臺系統誤差的確定
　　在芯片鍵合過程中，需要在三個工步完成對象的識別：首先芯片臺拾取芯片時對芯片進行定位，控制鍵合頭將芯片吸附；其次，在芯片臺與基板臺之間，根據芯片定位標志對芯片進行精確定位；最后根據芯片拾取后的位置，對基板位置進行調整。將三個圖像的模式在同一個模式庫中建立，在系統初始化時同時加載，通過在各圖像模式中添加不同個數的參考點來區別當前對象。
　　在建立好對象搜索模式庫后，對芯片的擺放位置不做任何調整，保持芯片在建立搜索模式庫時的初始位姿，這時芯片位置應該為0°，采集其圖像進行識別定位。在采集數據過程中,采用拉依達法則判斷數據是否存在異常值。
　　測量結果分別如表1、表2、表3所示。采集到的角度數據存儲到文件，經Matlab編程處理后，結果如圖6所示。

?

　　從圖6可知，由拉依達法則判斷為粗大誤差值的個數很少,說明識別結果數據具有較好品質。
　　采用同樣的測量方法，對X、Y方向上的識別精度分別采用不同的模式庫進行測量，其結果分別如表4、表5、表6所示。采集到的角度數據存儲到文件后，經過Matlab編程處理后，分別如圖7、圖8、圖9所示。

?

?

　　通過分析以上建立的三個搜索模式庫進行識別的結果可知，在X、Y方向上的識別精度是不等的，調整照明系統可使X、Y方向上的識別精度盡量趨于一致。
4.2 任意位姿的芯片識別精度分析
　　調定照明系統后，通過Hexsight圖像處理軟件對任意位姿的芯片進行識別精度分析。被測位姿分別為位姿1、位姿2、位姿3，識別結果分別如表7、表8、表9所示。

?

　　選取上述識別結果中最壞一組數據為例計算其綜合誤差，結果如表10所示。
通過校準后，單個像素的大小為10μm，測量誤差為0.683μm，因此定位結果僅僅為1/20～1/10像素。
4.3 識別結果的優化
? 從實驗分析的結果可以得出，其精度與視覺系統所要求的5?滋m的對準精度誤差差距較大，要進一步提高識別精度，必須對識別結果進行優化。本文采用求平均值的方法，對識別結果進行優化，對n個連續識別的結果取平均值，減小某次測量結果的偶然性。n的取值是一個關鍵性問題，n過大，可以提高識別結果，但是大大降低了其執行速度; n太小，則沒有起到對結果進行合理優化的效果。
? 下面是任意取3組數據，分別計算當采用不同值時的平均值與真值(多次結果的平均值)的對比結果，分別如圖10、圖11、圖12所示。

?

? ? 以上僅為部分數據的處理結果。從處理結果可以看出，當對4組取平均值時可以得到很好的效果。因此，從提高系統效率的角度出發可以選擇采用對4組采集到的結果進行平均值處理后作為最終的結果，但當考慮標準偏差時，從上面的結果分析來看，取5次平均值作為最終結果，其單次結果更為穩定。因此,將5次實驗誤差的平均值，作為最終的識別結果。再次進行定位實驗，得其誤差如表11所示。

　　通過對結果進行優化后，系統識別綜合誤差大大減小，根據單個像素的大小為10μm，測量誤差為0.183μm，其定位結果達到了1/50像素。
　　實驗所用視覺定位系統采用雙CCD成像光路，通過圖像處理和模式識別的方法實現了對芯片焊盤圖像的識別定位。本文對倒裝鍵合實驗臺的視覺定位系統的誤差進行了理論分析,并以熱超聲倒裝鍵合實驗臺為平臺，對實驗用1mm×1mm的表面有8個凸點的芯片進行定位實驗。根據實驗結果，對視覺定位系統的平移誤差和旋轉誤差進行了分析，并采用對5次識別結果取平均值的優化方法，從而將角度誤差減小到0.023 766°，單項誤差減小到0.183μm，綜合誤差減小到0.554μm，從而使其定位精度達到了熱超聲倒裝鍵合過程中芯片與基板之間的定位精度的要求。