减少集成电路焊接机焊接程序误差的系统与方法 本发明一般涉及半导体器件与电子系统领域，尤其涉及应用于集成电路组件的计算机控制型焊接机的减少差错的装置与操作法。
在集成电路(IC)组件中，IC芯片通常装在引线框上并用金属段与之作电气连接。芯片组件一般封装在保护封装件里(如陶瓷封装件或应用模压工艺的塑封件)。通常，IC芯片有多个一般绕芯片周长定位的焊盘，它们具有预定的焊接面积与间距(焊盘片距)。此线框一般有多根窄的“内”引线与封装件里的段与内含物连接，并有多根宽的“外”引线与接至电路板的焊料等其它部分相接。
用于IC芯片与引线框电气连接的金属段包括金属丝与带，通过球焊、针脚焊或楔焊技术连接。丝焊是一种把金属丝从芯片焊盘焊接至引线框内引线顶端的工艺。以丝球焊为例，将焊球附在芯片焊盘上，把针脚附至引线框内引线上。对于规定的装置类型，一组以x与y座标表示地位置规定了芯片上和引线顶端上的焊接位置，这些位置通常集中存贮在有时称为“装置程序”的计算机文件里。除了焊接头能作焊接所需的x-y-z运动外，丝焊接机还具有材料处理子系统与可视子系统。
常规半导体计算机化的丝焊接机用x-y工作台在装置上移动焊接毛细管，以在芯片与引线框之间作焊接。x-y座标工作台由复杂的机电元件驱动，这类元件可将轴驱动电机的旋转与直线运动转换成必需的定位。焊接头还装有若干其它部件，诸如Z轴驱动电机、摄像机与可视功能光学元件以及控制丝焊必需的其它元件。毛细管及其对准的专用件在若干美国专利与专利申请中已作过描述，如1999年8月10日发表的专利NO.5,934,543(Koduri等，“带对准件的丝焊毛细管”)；1997年12月18日提出的申请号为NO.08/993,638的专利申请(Koduri，“具有毛细管重新对准功能的丝焊法”)。毛细管与可视系统的交互作用也作了说明，如1998年11月13日提出的美国专利申请NO.09/191,812(koduri等，“丝焊接机光学偏差测量的自动化”)；1998年7月8日提出的NO.09/111,642(Koduri等，“一种有效的混合照相器”)；1998年7月8日提出的NO.09/111,977(Koduri等，“一种有效的丝焊接机照明系统”)。
材料处理系统移动引线框，使每个器件最终能置于焊接头下面作焊接。一次焊接可将一个或多个器件置于焊接头下面。器件可能以预定方法加热以建立可靠的金属性焊接条件。器件焊接后，引线框逐步移动，以焊接下一单元。
当单元由材料处理系统转换位置作焊接时，由于处理与上一次制造的变化(如与引线框连接时可变的芯片定位)，引线框与芯片的位置不一定相同。不准确地了解目标焊接位置，焊接头就无法如期望的那样放置粘合剂。为了帮助这一处理，应用了机器可视系统。典型的可视系统包括一组对器件作照明与放大所必需的光学元件、捕获光学元件提供的图像的摄像机以及存贮并分析捕获图像的图像处理系统。
在焊接器件前，必须用要求建立的所有焊接座标位置确定器件程序。相对于一组预定的基准位置，这些位置通常称为“总部”。一个典型的器件可以有一个或多个“总部”。通常要求对每个要焊接的器件单独识别这些总部。实践中利用一种三步处理法作这种识别。
*在“教授”步骤中，识别和保留总部与所有要求焊接的座标位置以建立“器件程序”。器件程序一旦生成，可按要求予以存贮、复制和/或在多台机器之间共享。
*在“再生”步骤中，在装入上次保留的器件程序的信息后，操作员帮助寻找该总部。在这一点上，机器在各总部附近捕获并保留一组称为“基准图像”或“基准”的图像。
*在“焊接”步骤中，机器每次将一个或多个单元转换到焊接头下面的工作站。在这一点上，在图案识别系统帮助下，可视系统用保留的基准重新定位匹配位置。在找出新的匹配基准座标后，根据该器件程序数据对该特定单元重新计算总部与焊接位置。基准与总部的重新定位过程通常称为“对准”该器件。现在可利用特定的焊接位置焊接该器件了。转换位置、对准和焊接过程可无须人工介入地重复进行，只要机器不出现异常。
典型的对准步骤可以校正器件在x-y方向的恒定旋转。在这方面，掌握机器照明设定值和利用不同亮度级形成的图像的变化的影响很重要。强度设定值变化大，会降低图像识别系统对基准准确定位的能力。极希望所有机器使用一致的亮度级和像质。
丝焊技术的问题部分是由于该技术倾向于增多给定封装件的引线数量并将IC芯片封装件做得更小造成的。结果，芯片上的焊盘接纳更小的面积且间隔得更近，引线框的内引线做得更窄，靠得更紧。这些倾向要求更严密地控制丝焊球与针脚尺寸和位移。例如，即便很小的焊接位移误差也会导致器件报废。
对于焊接机，要求减小x-y工作台与电机的误差。在微观水平上，各工作台的每根轴的动作不同，在其有效范围内有其自身的局部变化。例如，一根轴在其前一半工作距离内的误差可以是0.5％，而在后一半距离内的误差可能是0.8％。再者，x-y对可能有一球状定位误差，因为其间有一正交性误差；或者工作台可以有滞后误差范围。出自提供质量与经济上的原因，由于公用器件程序是共享的，所以这些变化显得更为危险。
自动化焊接机急需解决的技术问题可归纳为；
*精度：小球/细间距焊接要求用极精确的系统将球完全放在焊盘上，现有的系统难以做到这一点。
*从光学元件和摄像机看来，照明设定值变化大会导致图像变化，这会影响图案识别系统对总部与焊接位置精确定位的能力。
*现有系统无法处理x-y工作台的不一致性。对于小片/细间距焊接，焊球位移的小误差会使焊球部分离开焊盘。
*再生对准程序时的人为误差：焊球放置受到对准程序精度很大的影响。再生过程有许多步骤，因而造成人为误差的机会很多。
*执行对准再生很费时间：每当要焊接器件，操作员不得不花大量时间作对准再生。
因此，迫切要求有一种快速、可靠与灵活的系统与方法来缩短设定时间，减少焊接程序建立与检索的误差，补偿机器的可变性，并使焊接机上的照明条件标准化。该系统与方法应当灵活得足以适用于设计变化大的不同IC产品族和不同的焊接机，其目标是提供产品成品率与可靠性，最好不作新设备投资。
本发明提供一种减少从属焊接机中焊接程序误差的计算机化系统与方法，首先在主焊接机上从主集成电路收集有关焊接x-y位置、对准基准x-y位置和对准基准图像的输入数据，接着分析这些数据以构成基准图像与焊接位置之间相互关系的网络并将数据与关系存入主文件，从而把连接粘合剂附加在从属集成电路的焊盘上。其次，在从属焊接机上，计算机自动检索所有这些信息，并与来自从属电路的有关对准基准图像的输入数据作比较。再次，计算机校正发现的任何不一致，在从属电路上识别新的焊接位置。最后，根据算出的正确焊接位置，从属焊接机附上连接粘合剂。
本发明涉及高密度IC，尤其是输入/输出端数多、对封装件轮廓与型面有严格限制的IC。这类IC在许多半导体器件族中都能找到，诸如处理器、标准线性与逻辑制品、数字与模拟器件、高频大功率器件以及大面积与小面积芯片类别。由于本发明旨在以最小尺寸和高可靠性设计器件，所以继续支持缩小体积的应用，诸如蜂窝网通信、呼叫机、硬盘驱动器、膝上计算机与医用仪器等。
本发明的一个目的是提供一种自动化的系统与方法，可在专家人工输入主输入数据的同时，检索主信息并将其与待焊接电路的实际焊盘位置作比较，然后自动校正。构建输入数据相互关系的网络也实现了计算机化。该目的由本发明一实施例实现，该例用计算机系统与计算机实施的方法自动地收集、分析与存贮必要的信息。
本发明的另一个目的是提供一种高度灵活的系统与方法，该目的由本发明四种子系统的实施例实现：
*用户友好的人工输入数据发生器，它能从与待焊接电路(从属电路)同一器件族的主电路中选择对准基准点、基准图像和焊盘点。
*计算机化分析发生器，它能在主电路焊盘与基准结构之间建立以x-y和极座标表示的尺寸关系，并将所有数据与关系存入主文件。
*计算机化检索器，能把这些数据与关系下载给从属焊接机，而后者设计成对从属电路作焊接处理。
*比较校正器，能将主文件的对准基准图像与从属电路产生的基准图像输入作比较，然后校正这两个图像或图像部分之间的任何偏差、旋转或比例。在计算的焊盘校正后，从属焊接机准备对重新计算的从属电路焊盘作焊接处理。
本发明的另一目的是充分利用输入与分析发生器、检索器与校正器的运算流程的对称性与转移，以很快的换向时间和最少的努力提供新计算的焊接位置。
本发明的另一个目的是提出灵活的焊接程序示教、装载(再生)和校正的原理，这些原理运用于许多电子结构族一从引线框与互连器等零件、器件封装件、电子基片到母板上的整个组件，而且一般还适用于几代产品。在电子学领域以外，本发明的计算机化系统与方法通常还适用于在主机与主目标的结构与现有的从属目标相似的时候，可减少准备在从属目标行动地点工作的从属机的操作程序误差。
通过下面结合附图对本发明诸较佳实施例和权利要求所述新颍特点进行的描述，本发明的技术进步及其目的将更为清楚。
图1是IC芯片的简化俯视图，示出带正确放置的焊接件的焊盘。
图2是IC芯片的简化俯视图，示出带错误放置的焊接件的焊盘。
图3示出本发明减少半导体芯片组装焊接机的焊接程序误差的计算机系统的框图。
图4示出与计算机化主焊接机相关的输入数据发生器细部的框图。
图5示出与计算机化主焊接机相关的分析发生器和主文件细部的框图。
图6是按本发明产生输入和分析的方法的流程图。
图7示出与计算机化从属焊接机相关的检索器细部的框图。
图8是本发明检索器使用方法的流程图。
图9示出与计算机化从属焊接机相关的比较校正器细部的框图。
图10是本发明比较校正器和从属焊接头使用方法的流程图。
图1与2举例说明本发明在半导体芯片组装与焊接操作中所解决的问题与误差。图1中，多块焊盘101置于芯片100的有源表面100a上。在图示的理想组装情况中，附于焊盘101的所有粘合剂102都位于焊盘区中心。图2中，示出了类似的多块焊盘，但是粘合剂以若干方式偏离理想位置。在焊盘顶行201中，所有粘合剂都偏向焊盘的周边(此处表示对焊接质量与焊盘区周围材料的可靠性有危险)。在焊盘的底行202中，粘合剂逐渐倾斜(其中有些将偏离可接受焊接的范围)。在焊盘左列203中，粘合剂也逐渐倾斜(以致有些粘合剂脱离焊盘)。在焊盘右列204中，粘合剂散开错位而无序(可能由该列轴线的非线性或芯片逐渐热膨胀所造成)。
图2中的任何误差都会严重限制焊接机的操作能力，并因此而限制经济地生产更小、更快和更廉器件的能力。这些已知技术误差的解决方法包括建造与测试更加完美的x-y工作台，但是价格昂贵，现有的机器通常无法接受。相反地，本发明可用图3的系统避免这些误差。
为了强调本发明原理的广度，如图3的框图概括的那样，应当指出，有贡献的创新源自组装与焊接处理的三个方面：
*建立主焊接程序(“教学”)
-规定焊接位置(x-y参数)。
-规定一组对准基准图像。
-使关系网络中的焊接位置与对准基准图像相关。
-保存主焊接程序里的数据与关系。
*再生(装载)主焊接程序
-将保存的主程序检索到从属焊接机。
*用单元专用校正值焊接从属电路
-识别/量化保存的主程序与待焊接电路(从属电路)之间的任何偏移、旋转或比例。
-重新计算与从属电路匹配的焊接位置。
-用新算出的焊接位置焊接。
上述内容表明，本发明应用自动化是为了解决普通技术的这样一个问题，即操作员必须校正焊接不规则电路所造成的特有的问题。从原理上讲，该创新以焊盘和基准结构的几何x-y位置与图像之间表示的相互关系为基础。
本发明描述基于图3，更详细地基于图4～10，表明本发明并非限于IC、焊接机与焊接技术，一般还能完成相类似的任务，即相对于选定的主目标，要在不完美或有偏差的目标上完成的处理。
如图3的简化框图所示，标为300的本发明的计算机化系统，可作数据产生与数据分析，为IC焊接处理产生经校正的焊接指令。第1数据输入发生器310与主焊接机有关，并由专家以人工方式收集数据。这类数据包括几何信息，如焊盘的x-y位置、对准基准的x-y位置和这类对准基准的图像等。所有数据都从主IC中收集，而该IC与待焊接电路(通常为同类器件的IC)的几何尺寸相关。
输入数据发生器310接至分析发生器320，且同主焊接机相关，由专家人工操作。分析发生器为主焊接机建立对准基准图像与焊盘几何信息之间的关系，还对这些关系构建一个网络，接着分析发生器320将关系网络同焊盘几何信息与对准基准图像一起存入主文件330。这些存贮的数据称为主焊接程序，它被耦合到主焊接机，同时还耦合到用作从属焊接机的任何选定的焊接机。
检索器340与从属焊接机关联，可用计算机或由从属焊接机用户人工操作。检索器340耦合至主文件330，为从属焊接机检索存贮在主文件330里的任何信息。
与从属焊接机有关的还有第2输入数据发生器350，它在待焊接电路上从对准基准中收集图像，将它们与检索器340检索的数据一起使用。
与从属焊接机有关的还有比较校正器360，它耦合至检索器340和第2输入数据发生器350，将主焊接程序与从属电路对准基准作比较，并校正二者的任何偏差。重新计算从属电路上的焊盘位置和从属焊接机的整个焊接程序。在重新计算的焊接程序的指引下，计算机化从属焊接机能将连接粘合剂附在从属电路焊盘上正确的焊盘位置，不会造成误差与人为干扰。
在准备工作于从属目标动作地点的从属机器中建立操作程序和对其检索时，计算机化系统300能消除误差。以机器程序为例，其作用是将材料淀积在目标表面上(如通过印刷、喷墨或喷射)，或以某种图案结构操作(如钻孔)。本发明的原理适用于这些例子。
图4更详细示出了输入数据发生器310。第1组织器401选择对准基准结构图像的几何点，基准点可以人工“教学”。然后，该组织器收集描述基准图像位置与大小的x-y位置，并把这些x-y位置数据存入文件402，因而后者保存基准图像x-y位置。
文件402和第1组织器401耦合至收集器403。该收集器收集所述对准基准特有的图像，并把这些图像存入基准图像文件404。这种图像收集可以人工执行。
文件404和收集器403耦合至第2组织器405，后者选择焊盘，收集描绘该焊盘位置与大小的x-y位置，并将这些x-y位置数据存入文件406，因而文件406保存焊盘点的x-y位置。这种焊接点可以人工“教学”。
图5更详细示出了分析发生器的作用。该分析发生器320是一种计算机化相关性建造器，操作时首先选择焊盘的x-y位置，然后表达其相互的几何尺寸和与对准基准图像的关系。这类相关性包括x-y座标与极座标方程，由此建立起主电路的焊盘点与基准图像之间互连的关系网络。
这种互连的网络存贮在主文件330中。此外，主文件还包含焊盘与对准基准的所有几何数据与图像。
产生输入数据和分析、存贮数据的计算机化方法用图6的处理流程描述。软件循环610提供对准基准输入数据，软件循环620提供焊盘输入数据。循环610以三个输入步骤开始：
611：教授基准图像位置：
612：教授基准图像尺寸；及
613：教授灯光设定值。从这三个输入源收集的数据存入文件615。在每个采集循环之后，在选择框618中询问是否已教授了所有的对准基准图像。只要回答是“否”，就必须执行另一个数据采集循环。当回答为“是”时，输入过程则进到循环620。
焊盘点循环620以输入步骤开始：
621：教授焊接点位置。从该输入源收集的数据存入文件625。在每个采集循环之后，在选择框628中询问是否已教授了所有的焊接点。只要回答是“否”，就必须执行另一个数据采集循环。当回答为“是”时，输入过程便进行到分析发生器630。
分析发生器用存贮在文件615和625中的数据构建上述主电路的焊盘点与对准基准图像之间的关系，得到的关系网络连同所有数据都存入主焊接程序的主文件640中。
图7更详细地示出与从属焊接机有关的检索器340。与主文件330耦合的第1计算机化装载器701操作下载对准基准x-y位置数据，将主文件330作为部分存贮的主程序存贮。与第1装载器701和主文件330耦合的第2计算机化装载器702下载对准基准图像数据，并作为部分存贮的主程序存入主文件330。与第2载装器702和主文件330耦合的第3计算机化装载器703下载焊盘x-y位置数据，存入主文件330作为部分存贮的主程序。
根据本发明的计算机化检索数据方法用图8的处理流程描述。软件循环801提供检索完整性的担保。循环801以步骤811开始：
811：选择焊接程序。下面接四个检索步骤：
821：下载对准基准位置；
822：下载对准基准图像；
823：下载焊盘点；及
824：下载对准基准与焊盘位置间的关系。在每个下载循环之后，选择框830询问下载的数据是否都有效。只要回答是“否”，必须执行另一个数据下载循环。当回答为“是”时，检索过程在步骤840进到使用/焊接处理。
如图9所示，检索到从属机/焊接机的数据用于比较校正器360，而校正器360与从属焊接机有关并被耦合到图7讨论过的检索器340。参照图9，文件901提供检索自主文件的基准图像，它耦合至基准比较器902。耦合至基准比较器902的还有与第2输入数据发生器(图3中标为350)耦合的文件903。如上所述，第2数据发生器收集待焊接电路(从属电路)上对准基准的图像，因而文件903向基准比较器902提供该从属电路上的对准基准图像。
基准比较器902把存在文件901里的对准基准图像与由文件903输入的对准图像作比较并识别任何偏差。具体而言，基准比较器902对这两种图像或图像部分间的任何偏移、旋转或比例进行量化。
基准比较器902耦合至运算校正器904。与运算校正器904耦合的还有文件905，它提供从主文件检索到的焊盘点位置。运算校正器904用来自基准比较器902的定量比较数据和来自文件905的焊盘点位置(x-y位置)，重新计算待焊接电路(从属电路)上的焊盘位置。现在可将经校正的从属电路焊盘的座标(x-y位置)传输焊接机910。
与运算校正器904耦合的计算机化焊接机910像从属焊接机那样工作，在运算校正器904提供的重新计算的焊盘位置(焊接程序)的指导下，把连接粘合剂(金属丝、带、球、针脚等)附在从属电路的焊盘上。
按本发明计算、校正与使用焊盘数据的计算机化方法用图10的流程图描述。过程的开始步骤为：
1001：把下一个待焊接电路(从属电路)带入焊接机工作站(从属焊接机)。
1002：确定从属电路上的对准基准。每次基准识别后，选择框1008询问是否确定了所有的基准。只要回答是“否”，就必须执行另一个确定基准的循环1010。当回答为“是”时，流程进到步骤1021。
1021：计算在该从属电路上发现的任何编移、旋转或比例，如图9所示。
1022：在从属电路上重新计算正确的焊盘位置。每次重新计算后，选择框1028询问所有从属电路焊盘位置是否都有效。只要回答是“否”，就必须执行另一个重新计算与校正的循环1020。当回答为“是”时，则可在从属电路上开始实际的焊接处理1030。
虽然已参照诸示例性实施例描述了本发明，但是该描述并不试图加以限定。本领域的技术人员参照该描述显然明白这些示例性实施例和本发明其它实施例的各种修改与组合。因此，所附的权项包含了任何此类修改或实施例。举例来说，本发明的计算机实施法能适用于减少准备在任何从属目标的行动地点工作的任何从属机中的操作程序误差，且包括以下步骤：
一产生与主机有关的输入数据、收集自主目标与从属目标在几何学或历史上相关的数据，并且包括行动地点的几何信息和基准地点的图像；
一产生一种分析方法，用于在主目标上构建基准地点的图像与行动地点的几何信息之间的关系网络；
一把关系网络、几何信息和图像存入主文件作为一种可操作的主程序；
一为从属机检索该主程序；
一产生与从属机有关的输入信息、收集自从属目标的信息，并且包括基准地点的图像；
一将主程序内的基准地点与从属目标基准地点作比较；及
一校正在这些地点与程序中x-y位置间发现的任何偏差，由此重新计算从属机的操作程序中的x-y位置，以便在从属目标的行动地点加工。