（控制理论与控制工程专业论文）高速高精度芯片视觉检测与拾取系统.pdf

i i l l i lli ii itl i i i ii i i i u i 华南理工大学 l y 1814 9 0 3 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 参滟 日期：加巧年莎月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密叫，在主坐年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 蛋皓日期：似年厂月日 导师签名： 一i 一一力 日期：沙够年多月 日 坛段哆 “一一“。 八f f 1 摘要 摘要 当前信息技术的进步，带动我国i c 产业的快速发展。上芯机是i c 芯片生产 线上的关键设备之一，随着先进计算机视觉系统与运动控制系统的引入，其黏晶 的速度与精度都得到了很大的提高。本课题选择高速高精度全自动上芯机的芯片 视觉检测与拾取系统作为研究对象，对于国产高性能上芯机的研制具有较强的实 际意义，该系统在其它自动化电子封装设备中的也具有一定的参考价值。 课题研究重点放在视觉算法的运算速度和晶粒拾取的运动精度。视觉算法包 括采集图像的预处理、芯片晶粒的定位和缺陷检测。芯片晶粒定位方面，从原理 上分析了传统模板匹配的算法的不足，引入快速分层金字塔匹配算法，优化匹配 查找路径，核心代码改用s i m d 指令集编写，实践证明极大提高了模板匹配的速 度，并且运用亚象素法有效提高定位精度：晶粒缺陷检测方面，针对晶粒的角度、 边缘、内部结构、晶粒之间的距离以及晶粒匹配度等参数特点，分别设计了独立 的图像处理算法，如阈值分割、区域生长、边界跟踪、轮廓提取等，运用i n t e li p p 的高性能图像处理库实现，有效地提高了缺陷检测的速度。运动控制方面，整个 控制系统建于实时多线程机制上，电机运动控制模块各自运行于独立线程中，通 过对电机动作逻辑的最优化设计，确保系统在高速高精度条件下的稳定运行。 在图像理论分析和u m l 建模规划的基础上，整个课题完全在l i n u x 操作系 统环境下，运用c + + 语言和i n t e li p p 图像库，完成视觉检测系统中芯片晶粒的定 位算法和缺陷检测算法，以及晶粒拾取系统的各运动控制模块。系统最后应用在 实际的上芯机系统中，在运行联调中取得了良好的效果。 关键字：上芯机，运动控制，模板匹配，缺陷检测 华南理t 大学硕十学位论文 a bs t r a c t s i n c et h ea d v a n c e m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ei ci n d u s t r yd e v e l o p sf a s t d i eb o n d e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h ec h i pp r o d u c t i o nl i n e ，a n di t s s p e e da n dp r e c i s i o na r ei m p r o v e dr e m a r k a b l yw h e ne q u i p p e dw i t ha d v a n c e dc o m p u t e r v i s i o na n dm o t i o nc o n t r o ls y s t e m t h ed i s s e r t a t i o ns e l e c t st h ed i ed e t e c t e da n dt a k e n s y s t e mo fh i g h - s p e e da n dh i g h - p r e c i s i o na u t od i eb o n d e ra st h er e s e a r c ho b j e c t s ， w h i c hh a sa ni m p o r t a n tm e a n i n ga n de c o n o m yv a l u et ot h er e s e a r c ho nc h i n e s ev i s i o n b a s e do nd i eb o n d e ra n dt ot h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rv i s i o na n dm o t i o nc o n t r o li n a u t o m a t i o ne q u i p m e n t t h ed i s s e r t a t i o np u t se m p h a s i so nt h es p e e do fv i s i o na l g o r i t h ma n dt h e p r e c i s i o no f d i et a k e n t h ev i s i o na l g o r i t h mi n c l u d e si m a g ep r e p r o c e s s i n g 、d i e p o s i t i o nd e t e c t i o na n dd e f e c t i o nd e t e c t i o n t h ed i s s e r t a t i o nb r i n g st e m p l a t em a t c h i n g t ol o c a t et h ed i e ，w h i l et r a d i t i o n a la l g o r i t h mi st i m e c o n s u m i n g f a s th i e r a r c h i c a l m a t c h i n ga l g o r i t h m 、o p t i m i z e dm a t c h i n gp a t ha n dc o d e dw i t hi n t e ls i m di n s t r u c t i o n s a r ee f f e c t i v eo ni m p r o v i n gt h es p e e do fm a t c h i n g ，t h es u b p i x e lm e t h o da l s oi m p r o v e s t h ep r e c i s i o no fm a t c h i n ge f f i c a c i o u s l y a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r so fd i e ， d i f f e r e n ti m a g ep r o c e s s i o na r i t h m e t i ca r ed e s i g n e d ，s u c ha st h r e s h o l d 、r e g i o ng r o w t h a n db o u n d a r yt r a c k i n g ，t h es p e e do ft h ed e f e c t i o nd e t e c t i o ni se f f i c i e n t l yi m p r o v e db y t h eu s i n go fi n t e li p pi m a g ep r o c e s s i n gf u n c t i o n s t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi sb a s e d o nm u l t i t h r e a d i n go fr e a l t i m el i n u x ，s ot h ev i s i o nd e t e c t i o na n dm o t i o nc o n t r o l m o d u l e sr u ni ne a c ht h r e a d s i n c et h ea c t i o nl o g i co ft h o s em o d u l e si so p t i m i z e df i r s t ， t h e nd i eb o n d e rr u n n i n gi sc o n f i r m e d b a s e do nu m l m o d e l i n ga n dt h e o r ya n a l y s i s ，t h ed i s s e r t a t i o nh a sb e e n d e v e l o p e do nt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，a n dc + + p r o g r a ml a n g u a g ea n di p pi m a g e l i b r a r yh a v eb e e nu s e dt of i n i s ht h ed i ep o s i t i o nd e t e c t i o na l g o r i t h m ，d e f e c t i o n d e t e c t i n ga l g o r i t h ma n dm o t i o nc o n t r o lm o d u l e t h e ya r ea p p l i e di nap r a c t i c a ld i e b o n d e ra n dg o o dr e s u l ti sr e c e i v e di nt h ep r o c e s so ft e s t k e y w o r d s ：d i eb o n d e r ，m o t i o nc o n t r o l ，t e m p l a t em a t c h ，d e f e c t i o nd e t e c t i o n h -hu-mf凡 日录 目录 摘要1 a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 2 上芯机简介1 1 2 1 什么是上芯机1 1 2 2 上芯机发展状况2 1 3课题研究内容2 1 4 课题研究意义3 1 5 本文内容组织4 第二章项目总体方案设计5 2 1 系统架构。5 2 1 1 硬件平台5 2 1 2 操作系统5 2 2 系统硬件控制设备6 2 2 1 运动控制卡6 2 2 2 图像采集卡6 2 3 用户图形界面6 2 4 结构设计方案7 2 4 1 系统总体结构方案7 2 4 2 控制层结构方案8 2 5 本章小结9 第三章晶粒拾取系统10 3 1 系统简介1 0 3 2 系统的类结构1 1 3 2 1w a f e r t a b l e 类定义12 3 2 2b o n d e r 类定义12 3 3 程序流程图1 3 3 4 系统对象时序分析1 6 3 5 本章小结17 i i i 华南理工大学硕l ：学位论文 第四章图像采集与预处理18 4 1 照明光源18 4 2图像采集19 4 3图像噪声概述2 0 4 4 图像预处理方法2 0 4 4 1 图像增强2 0 4 4 2图像复原2l 4 5 图像去噪21 4 5 1平均值滤波。21 4 5 2 低通滤波。2 1 4 5 3 中值滤波2 2 4 5 4 小波去噪函数2 3 4 6 直方图图像修正2 3 4 7 本章小结2 5 第五章晶粒的定位2 6 5 1晶粒定位分析2 6 5 2 模板匹配介绍2 6 5 3 算法原理改进2 8 5 3 1快速分层金字塔匹配算法2 8 5 3 2 匹配路径改进2 9 5 4 算法编程优化3 0 5 4 1 s i m d 简介3 0 5 4 2l i n u x 下基于s i m d 编程的方法3 l 5 4 2 1内嵌汇编3l 5 4 2 2原语函数3 2 5 4 3s i m d 优化编程3 3 5 4 3 1编程注意事项3 3 5 4 3 2 程序实现3 3 5 4 3 3实验结果3 5 5 5 亚像素法提高精度3 6 5 6 本章小结3 7 第六章图像缺陷检测3 8 6 1缺陷检测简介3 8 6 2 墨点检测3 8 6 2 1阈值分割算法3 8 i v 目录 6 2 2 基于数字形态学的形状分析3 9 6 2 2 1 膨胀和腐蚀3 9 6 2 2 1 开和闭运算3 9 6 3 偏差角度计算4 0 6 3 1边界跟踪介绍4 0 6 3 2 实际算法实现4 0 6 4 边界缺损检测4 2 6 4 1区域生长介绍4 2 6 5 钝化层检测4 3 6 5 1 边缘检测介绍4 4 6 5 2 拉普拉斯算子4 4 6 6 本章小结4 6 第七章视觉检测系统4 7 7 1系统简介4 7 7 2图像采集接口4 7 7 3图像处理库4 8 7 3 1 i p p 介绍4 8 7 3 2 编程介绍4 9 7 4 系统的类结构5 0 7 5 程序流程51 7 6本章小结5 2 l 右论5 3 参考文献。5 5 攻读学位期间发表的论文5 7 致谢5 8 v 第一章绪论 1 1课题的研究背景 第一章绪论 在信息科技高速发展的今天，i c 产业作为信息产业的核心与基础，是典型 的全球化高科技产业，也是世界发展最快、竞争最激烈的产业。i c 工业对计算机、 通信、工业控制、机电一体化、能源、交通、轻工、冶金乃至家用电器，都具有 不可估量的巨大推动作用，从而也创造出巨大的市场【l 】。2 0 0 0 年全球i c 市场年 销售额突破2 0 0 0 亿美元大关，2 0 0 3 年中国国内芯片市场规模首次突破2 0 0 0 亿元， 总销售额达2 0 7 4 1 亿元，同比增长高达4 1 o ，成为全球i c 市场增长的火车头。 预测2 0 0 4 2 0 0 7 年，全球i c 销售将按1 0 4 的环比年率增长，2 0 0 7 年达到2 4 7 0 亿美元。 全球i c 资产的投资与封装和装配设备的投资在2 0 0 3 年呈现增长趋势。其中 i c 资产投资2 0 0 3 年增长7 2 ，从上年的2 7 8 亿美元增长到3 0 0 亿美元；封装和 装配设备投资预计将增长2 1 4 ，从上年的2 3 亿美元增长到2 8 亿美元。 全球i c 产业链正在逐渐向中国转移。2 0 0 3 年国内集成电路总产量首次突破 1 0 0 亿块，达到1 3 4 1 亿块，比2 0 0 2 年增长3 9 3 。全行业共实现销售收入3 5 1 4 亿元，与上年同比增长3 0 9 。专家预测，2 0 0 4 年 - 2 0 0 8 年这5 年间，中国集成 电路产业销售收入的年均复合增长率将达到近3 0 ，到2 0 0 8 年，中国集成电路 产业销售收入将突破1 0 0 0 亿元。因为西方国家对封装技术控制不严，厂商相对投 入低及难度较小，中国i c 企业倾向于i c 芯片的封装测试。2 0 0 2 年中国已有超过 亿元的封装企业1 8 家，其中外资1 0 家。2 0 0 3 年产值为2 9 8 亿美元，占国内i c 工业产值的7 0 。国际上排在前十位的芯片大厂己有九家在中国落户，全球最大 的四个封装厂也都已在中国建厂。 1 2 上芯机简介 1 2 1什么是上芯机 i c 生产包括前后两道工序，前工序是指芯片扩散、快速热处理、硅片处理等 过程，后工序主要是指芯片质量检测、封装等过程。其中封装工序又可以细分成 晶圆切割、黏晶、焊线结合、封胶、印子、剪切成型等加工步骤，黏晶步骤是封 华南理t 大学硕 j 学位论文 装工序的关键过程。黏晶是指从切割好的晶圆上，检测挑选出合格的晶粒，将其 放置到引线框架上，并利用环氧树脂黏住固定。上芯机是实现这一过程的关键设 备【孙。 1 2 2 上芯机发展状况 老式的上芯机采用的是半自动化的机械设备，芯片的好坏要靠肉眼来识别， 这样的生产效率低，出错率高，很快就被淘汰了。9 0 年代的全自动机采用的图像 识别算法是基于二值化的图形，虽然这样可以提高运算速度，但是由于采集的图 像信息量少，无法进行复杂的图像处理和判断，所以检测命中率仍然不理想。近 年来，由于高速计算机在工业生产上的应用及图像检测算法的成熟，国外出现了 基于2 5 6 灰度图像的芯片检测系统，这种机器较好的解决了上述问题。 目前国内使用的高速高精度的全自动上芯机大都从国外进口。国外大公司如 韩国s a m s u n g 、荷兰a s m 、瑞士e s e c 、日本n e c 公司等都推出了其各具特 色的先进产品。这些设备的关键技术是采用了先进的视觉检测和定位技术，配合 高速高精度的焊头运动系统和x y 平台达到高效生产的目的。出于知识产权和技 术保密的原因，设备的价格因机器性能的提高而大幅上涨，极为昂贵。这些因素 导致我国的电子元器件生产和加工技术明显落后于国外水平，而且成本高，在目 前l c 生产企业日益激烈的竞争中，缺乏市场竞争力。而且难于满足国防、工业等 领域的尖端技术产品对芯片可靠性的苛刻要求。国内迫切需要系统地开展芯片生 产设备的研究和开发工作。 1 3 课题研究内容 上芯机项目是利用课题组在高速高精度电子封装设备研制方面已有的优势， 研究开发一种具有自主知识产权、主要技术指标达到或超过国际水平、适用于i c 芯片与半导体片式元器件的高速高精度上芯机控制系统。该项目受国家自然科学 基金( 6 0 3 7 4 0 16 ) 和广州市科技攻关重点计划项目( n o 2 0 0 3 2 2 d 9 0 11 ) 资助。 上芯机涉及到电子学、光学、机械学以及气动与真空系统等领域，是一个高 速、高精度和高可靠性的光机电一体化系统。我们采用系统集成的方法，将上芯 机开发分为用户图形界面系统、导线框架装载传送系统、晶粒拾取系统和视觉检 测系统四个大部分( 图1 1 所示) 。每一个部分在利用现有的先进技术的基础上， 开发自己的核心技术。本课题研究的是晶粒取放和视觉检测两个子系统的开发。 目前课题主要需要研究解决的问题有： 1 ) 高性能光学照明和图像处理系统的设计以及芯片质量检测的高速高精度 2 一 釜= 主笙堡 一一 _ - _ - _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ - _ 一。 图1 1 上芯机控制系统图 f i g u r e1 1d i eb o n d e rc o n t r o ls y s t e m 1 4 课题研究意义 架 上芯机项目的研发改变了目前国内该类设备完全依赖进口的局面，不仅望粤 家节约外汇，对促进高档电子元器件生产设备的国产化具有明显的社会和经济价 信 一 1 1 按目前电子行业对贴片机需求量的预测，每年国内需要新增加贴片机l 。千台以上，而每台贴片机耗资在百万以上，如果按十分之一的国内市场 占有率，将为国家节省数亿元外汇；如果按国外同类设备价格的一半计 算，将为企业节省上亿元资金，因此本项目具有明确的市场需求和产业 化前景。 2 ) 上芯机采用自主开发技术和全中文的操作菜单，不仅适合国情，而且妻 便技术升级和日常维护，对国内有关电子元器件生产企业有相当的吸引 力，可以在短时间内开拓一定的市场，保证良好的经济效益。 3 1 上芯机控制系统作为半导体生产后工序生产设备的共性关键技术，可以 。 应用于其它电子封装设备如全自动丝印机、全自动叠膜机和全自动切片 机等的研制，对促进关键电子封装系列设备的国产化有很好的社会效益。 一气一 华南理t 大学硕 ：学位论文 1 5 本文内容组织 本文在第一章介绍了当前全球i c 产业的发展趋势以及我国i c 制造业目前形 势，然后介绍了上芯机的功能以及其发展状况，引出了本课题研究的内容。最后 阐述了本课题乃至整个上芯机项目的社会意义。 第二章先介绍了上芯机控制系统的硬软件平台、硬件控制设备的选择方案， 然后介绍了系统的整体结构设计以及核心控制层部分的结构设计。 第三章详细介绍了上芯机晶粒拾取系统的实际功能和结构设计，通过程序流 程图来详细描述其运行过程，运用时间图展示系统各部分的协调运作。 第四章首先介绍视觉检测系统的光源和图像采集装置，然后介绍对采集到的 图像所进行的预处理工作。 第五章叙述了用于芯片晶粒定位的模板匹配算法，并分析传统模板匹配算法 的不足，针对本项目的具体实际情况，从算法改进和编程优化两方面来提高晶粒 定位的速度，运用亚象素法来提高晶粒定位的精度。 第六章介绍了芯片晶粒可能存在的缺陷，以及检测缺陷所用到的相应图像处 理算法。 第七章详细介绍了上芯机视觉检测系统的功能和结构设计，通过程序流程图 详细描述其运行过程。 - 4 - 第二章项目总体方案设计 2 1系统架构 2 1 1硬件平台 第二章项目总体方案设计 现有的上芯机大都采用工控p c 机控制。因为考虑到视觉检测方面需要的快 速图像处理和运动控制方面多个i o 中断的处理，所以上芯机一般分成两台p c 主机，一台专门负责视觉检测，另一台负责整个系统控制，两台机用网卡连接。 目前本上芯机项目只用一台工控p c 机实现控制。因为采用的c p u 是i n t e l 公司的p e n t i u m 2 4 g 处理器，其快速高效的数据处理能力能够满足系统的需 要，良好的硬件兼容性与稳定性也非常符合项目的要求。另外i n t e l 处理器特有的 单指令多数据流指令集为图像处理提供极大的优势。 2 1 2操作系统 上芯机项目选择l i n u x 作为系统的操作系统，是因为l i n u x 具有以下的优势： 1 ) 优秀的内核体系，支持广泛的硬件平台，具有真正的3 2 位处理能力。良 好的硬件兼容性和软件可裁减性，有利将来系统硬件平台的移植： 2 ) 系统成熟稳定，能真正实现多任务内核优先级处理，有利于视觉检测和 运动控制等各模块的软件设计。 3 ) 源代码免费开放。用户可以获得l i n u x 内核源代码，并在遵循相应许可证 的情况下进行修改、发布。有效降低成本，增强产品的市场竞争力。 4 ) 良好的技术支持。作为一款目前流行的操作系统，网络上有专门的介绍 和问题解答。减少了项目开发阻碍，有利于加速项目的进度【3 1 。 相比之下，其他的操作系统都多少存在些缺陷： d o s 系统是一个单任务的操作系统，要实现多任务并发执行比较困难；可用 内存限制在6 4 0 k 以下：存在人机交互界面设计方面的困难【4 l 。 w i n d o w s 系统是一个多任务的操作系统，具有丰富的资源和开发工具，但它 不是实时操作系统，不对外开放源代码，需支付昂贵的版权费用。此外w i n d o w s 系统还存在稳定性方面的缺陷【5 】。 市场上还有很多优秀的商业专用实时操作系统，如n u c l e u sp l u s 、v x w o r k s 、 w i n d o w sc e 等，虽然开发起来比较方便，但是必须支付高额的费用，大大增加 5 - 华南理工人学硕士学位论文 上芯机成本，不利用上芯机的产业化。 2 2 系统硬件控制设备 2 2 1 运动控制卡 上芯机系统采用g a l i l 公司的d m c 9 9 4 0 四轴p c i 运动控制卡，来实现对电 机和气动真空系统的控制。d m c 9 9 4 0 运动控制卡具有快速的沟通方式，更新频 率达到5 2 5 微秒轴，步进脉冲达3 0 0 万个秒，具有速度加速度立即控制功能， 提供最佳的运动精度。支持八组独立多任务程序，在同一伺服周期中，同卡各轴 能够完美地同步运动，不同卡的信号也能同步。 d m c 9 9 4 0 运动控制卡除了提供w i n d o w s 系统下的驱动程序外，还带有大多 数运动控制卡没有的l i n u x 系统下的驱动程序源代码。这使得我们可以在l i n u x 平台下进行项目开发，并为以后进一步降低成本，自制运动控制卡，开发驱动程 序打下基础。 2 2 2 图像采集卡 图像采集使用的是中国大恒公司的d h c g 4 0 0 彩色黑白视频图像采集卡。该 卡支持计算机内容与图像同屏显示，图像覆盖功能；支持图像的裁减与比例压缩 模式；支持单场、单帧的采集方式；可编程亮度、对比度、色度、色饱和度：图 像清晰度 4 0 0 线1 6 1 。 d h c g 4 0 0 相对于课题组原使用过的m a t r o x 公司的m e t e o r i i ，价格非常便 宜，只有m e t e o r i i 的2 5 ，但性能参数足以满足项目需求。最重要的是该卡也 提供了m e t e o r i l 所没有的l i n u x 下完善的驱动程序和开发文档，便于项目的开发。 2 3用户图形界面 上芯机的图形用户界面是用北京飞漫软件技术有限公司的m i n i g u i 开发的。 m i n i g u i 是一个面向l i n u x 实时嵌入式系统的轻量级的图形用户界面支持系统， 非常成熟和稳定，已在i n t e lx 8 6 、a r m 、p o w e r p c 、m i p s 等硬件平台验证，广泛 应用于工业数控系统、手持信息终端产品和金融终端等方面。 u n i x l i n u x 上传统g u i 系统采用客服服务器结构，效率低，不适合嵌入式系 统的实时需要。而m i n i g u i 有以下优势： 6 第二市项日总体方案设计 1 ) 根据嵌入式系统的应用特点而量身定做； 2 ) 小巧，包含全部功能的库文件大小最小只需3 0 0 k b 左右； 3 ) 可根据实际应用的需求灵活地进行定制配置； 4 ) 稳定性高、运行速度快； 5 ) 可以方便移植到其他嵌入式操作系统，最适合工业控制领域【7 1 ； 2 4 结构方案设计 为了设计一个结构良好的实时控制系统，我们引入当前在软件工程领域应用 广泛的设计工具u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 。u m l 是一种标准的图形化建 模语言，是面向对象分析与设计的一种标准表示。它易于使用、表达能力强，支 持复杂系统的建模，尤其适合实时嵌入式系统【8 l 。在本课题中，我们将u m l 建模 应用到从需求分析到编码的整个开发过程，使得工作更规范更有效率。 2 4 1系统总体结构设计 如下图2 1 所示，上芯机控制系统采用类似于o s i 通讯协议的分层体系结构 设计。整个系统分为三层，各层接口仅对上一层透明，但是对下面不透明。这样 为每一层都提供了良好的可移植性。 f f 图2 1上芯机控制系统的分层体系结构图 f i g u r e2 - ls t r u c t u r eo fd i eb o n d e rs y s t e m 最底层是硬件接1 2 1 层。运动控制卡驱动程序负责电机群和气动真空系统的控 - 7 - 华南理工人学硕十学位论文 制，图像采集卡驱动程序负责图像采集控制。我们再将硬件驱动函数根据实际需 要，封装为新的函数接口，提供给上面的控制层调用。这样无论是更换板卡还是 修改驱动程序，均只需在该层内部进行修改，外部接口始终保持不变，而不用影 响系统其他部分。 中间层是核心的控制层。负责上芯机的视觉检测和运动控制等各模块间的协 调工作。这些模块都是通过硬件接口层来访问硬件设备，而无需知道硬件设备的 存在与具体实现。 最上层是用户界面层。操作员通过该层与控制系统进行交互操作，例如参数 设置、状态显示和任务控制等。该层所做的操作都是通过对下面的控制层的模块 调用来实现系统功能，无需直接访问硬件接口层。 这种分层体系结构大大降低了系统内部控制硬件设备、软件控制模块和用户 图形界面三者的耦合性，我们可以在同一种硬件平台下换用不同的图形界面系统， 或者通过只替换底层的硬件接口部分来在不同的硬件平台上得到重用。这样有利 于开发人员的任务规划，减少硬软件更换升级带来的麻烦。 2 4 2 控制层结构设计 如图2 2 所示，上芯机的控制层采用主从体系结构。由一个任务调度管理器 来控制与协调视觉检测和众多运动电机控制模块的正常工作，各模块完全独立运 作，互相没有直接交流。 该 运行在 表中对 第二帝项目总体方案设计 当信号表中信号有变化时，立刻激活对应线程，以此协调各线程间的同步运行。 当某线程任务执行超时，主线程会自动唤醒看门狗程序，终止所有线程，以保证 上芯机系统安全，可靠停机。 主从体系结构便于实现分布式并发处理和简化共享资源的仲裁1 9 1 。集中调度 的方式极大的方便了各个线程之间的逻辑、信号关系的分析和设计；线程代码编 写无需涉及多线程编程知识；线程任务具有高度的灵活性，可以自由增减：更重 要的是该结构模式与程序代码可以在其他i c 生产设备的控制系统中得到重用。 2 5本章小结 本章首先简介上芯机控制系统的物理架构，然后介绍系统的硬软件选择方案 和选择理由，最后介绍了系统的整体结构设计以及核心控制层部分的结构设计。 9 华南理工人学硕f ：学位论文 3 1系统简介 第三章晶粒拾取系统 晶粒拾取系统包括晶圆平台( w a f e r t a b l e ) 、顶针( e j e c t o r ) 和取放手臂( b o n d e r ) _ 三 大部分。晶圆平台逐次移动，使一块芯片晶粒位于摄像头正下方，经视觉定位和 检测合格后，再次精确调整平台让合格晶粒中心位于顶针正上方，顶针先吸住晶 圆盘的底膜，再顶起晶粒，同时机械手臂吸住晶粒，黏在送料器的导线框架上。 如何控制和协调这三个部件高速高精度的运动，是本项目乃至整个上芯机项目的 重要问题之一。 如图3 1 所示，整个系统与图形界面系统、视觉检测系统与框架装载传送系 统均有交互。 图3 1系统对象图 f i g u r e3 lo b j e c t so fs y s t e m 用户图形界面系统可以设置晶粒拾取系统各对象的运行参数与运行模式，自 动运行时还捕获对象们的运行状况，显示在屏幕上给用户参考； 视觉检测系统获得检测结果，如果晶粒合格，则将微调坐标传给晶圆平台， 以进一步调整晶粒位置；否则告诉晶圆平台移至下一块晶粒。晶圆平台通过消息 来告诉视觉检测系统什么时候开始采图检测； 框架装载传送系统的送料器通过消息与取放手臂同步，当送料器中导线框架 就位，发消息给取放手臂，可以黏晶；当手臂黏完晶粒离开后，发消息给送料器 送入下一片； 下图3 2 的u m l 序列图详细地描述了系统对象与外部系统的交互。图中的 纵向维代表时间，时间自上而下流逝。横向维代表不同的对象。对象被表示为对 象生命线，即它们在特定时间的存在状态。箭头表示对象之间的消息。每个消息 1 0 第三章品j 意拾取系统 线都从发起方对象开始，到目标对象结束，并且这条线的上方指定了消息的名称。 生命线中的激活点指示对象执行动作的时段。图左侧的文本注释阐明了消息顺序 本身没有说明的初始条件、动作和活动【10 1 。 同司网同罔同网 t j l 一l j l 一l 一l _ j 运动到栉陬位 启动跳删 l i 、j i ，lj i i i i 首洳垂行， 一一 一， 送料器斋要 ， 段时械矗 上返回与前品粒状态。调整甲1何置 可将牒 运动至黼 、 架送到燃 吸薄膜，顶晶粒 区的黏装位 1i，穆捱i 删晶粒 lj 启动桃蝴 f 田铷n 廿 i l ，口j ， u 1 导线架传送到位，黏晶控维帕 ：、 均0 1 1蜘 ，俪揪 j j 、 - i 导线架f 挞虱臆 取品粒，到颅黏侥 、 i ， 图3 2 系统u m l 序列图 f i g u r e3 - 2 u m l s e q u e n c ec h a r to fs y s t e m 3 2 系统的类结构 根据面向对象软件开发的需要，系统中的晶圆平台、取放手臂和顶针抽象为 相应的类，它们的参数和动作抽象为类的成员变量和成员函数。图形用户界面中 的任何操作如调整参数、系统运行等，都只是对类所生成对象属性的修改和行为 的控制。这样做既有利于降低系统与图形用户界面的耦合性，使得系统内的任何 修改，都无需影响到用户界面层；又有利于系统在多线程机构中并发执行，满足 整个上芯机控制系统的时效性。 本系统包含两个类。晶圆平台抽象为w a f e r t a b l e 类，取放手臂和顶针因 为动作的连贯与协调，合并抽象为b o n d e r 类。 华南理下大学硕上学位论文 3 2 1w a f e r t a b l e 类定义 w a f e r t a b l e 类的主要成员变量有： d i e p i t c h晶粒间距 r a d i u s 晶圆检测半径 m i s d i e s k i p连续不合格晶粒最大值 m o v e t y p e平台运动路径，一般有横向、纵向和中心扩散三种 n o w p o s 平台当前绝对坐标 n e x t p o s平台将要抵达的绝对坐标 w a f e r l r a b l e 类的主要成员函数有： w a f e r t a b l e 0 构造函数，负责从s e t t i n g i n i 文件中读入晶圆平台的默认 参数值，初始化各成员变量。 a c t i o n ( )正常连续运行，直接作为晶圆平台线程的入口函数 t e s t a c t i o n o单次运行，用于调试 p i t c h s t e p 0 按照设计好的线路走一块晶粒的距离 s t e p ( ) 手动步迸电机微调坐标 h o m e ( ) x y 方向电机同时复位 s e t 一( ) 设置相应的成员变量值，同时保存于s e t t i n g i n i 文件 3 2 2b o n d e r 类定义 b o n d e r 类的主要成员变量有： y p r e p i c k p o s手臂等待取晶粒预备位置的y 坐标 yp i c k p o s手臂取晶粒位置的y 坐标 yb o n d p o s手臂黏晶粒位置的y 坐标 zp i c k p o s手臂黏晶粒位置的z 坐标 zb o n d p o s手臂取晶粒位置的z 坐标 zs t a y p o s手臂取晶粒准备位置的z 坐标 e jr e a d y p o s顶针准备位置 e ju p p o s顶针顶起晶粒位置 p i c k d o w n t i m e手臂下降取晶粒延时时间 p i c k u p t i m e手臂取完晶粒上升延时时间 b o n d d o w n t i m e手臂下降黏晶粒延时时间 b o n d u p t i m e手臂黏完晶粒上升延时时间 1 2 - 第三章晶粒拾取系统 p i c k d w e l l t i m e 手臂取品粒延时时间 b o n d d w e l l t i m e手臂黏晶粒延时时间 b o n d e r 类的主要成员函数有： b o n d e r ( )构造函数，负责从s e t t i n g i n i 文件中读入手臂和顶针的默 认参数值，初始化各成员变量。 p i c k a e t i o n 0一次取晶粒动作 b o n d a e t i o n 0一次黏晶粒动作 a c t i o n ( )手臂和顶针连续运行，直接作为该线程的入口函数 t e s t a c t i o n o单次取晶黏晶动作，用于测试 s e t ( )设置相应的成员变量值，同时保存于s e t t i n g i n i 文件 其他还有顶针和手臂的电机复位与步进函数。 3 3 程序流程图 系统自动运行时，w a f e r t a b l e 类和b o n d e r 类所生成对象并行运行在单 独子线程中，子线程的入口函