粘片机中芯片丢失的光敏检测方法及其分析

1 引言

在粘片机的研制及生产过程中，芯片丢失检测技术作为该设备的关键技术之一，它直接影响到此类设备的可靠性，稳定性。键合头在拾取芯片后，往放置位快速运行的过程中，芯片有可能在此过程中脱落，因此，在放置前须检测吸头上是否有芯片。如有芯片，可以按正常流程在放置位放置芯片：如吸头处无芯片，表明芯片已丢失，吸头须回到拾取位，重新拾取芯片。在国内生产线上所用的粘片机，其芯片丢失的检测方法，一般均采用光敏检测方法或真空检测方法。

2 光敏检测理论基础

光电元件的基础理论是光电效应。光被看作是由一连串具有一定能量的粒子所构成，每个光子具有的能量hv正比于光的频率v(h为普朗克常数)。所以，用光照射一物体，就可以看作这物体受到一连串能量为hv的光子所轰击，而光电效应就是由于该物体吸收到光子能量为hv的光后产生的电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。

第一类，在光线作用下能使电子逸出物体表面的称外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管。

第二类，在光线作用下能使物体电阻率改变的称为内光电效应，又叫光电导效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻，以及由光敏电阻制成的光导管等。

第三类，在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的称阻挡层光电效应。基于阻挡层光电效应的光电元件，主要有光电池和光电晶体管等。

第一类的元件属于真空光电元件，第二、三类的元件属于半导体光电元件。

3 拾取机构

如图1所示，拾取机构由吸头，固定座，光敏管3部分组成。针对生产线上常见尺寸一般为0.15 mm×0.15 mm～2.O mm×2.0 mm，因此，吸头内孔的直径最小为O.1 mm。在光电检测方式下，内孔的直径越小，透光量越小，光敏管检测就越困难。在这种情况下，须增大运算放大器的放大倍数，但运放的放大倍数太大，由于光敏管暗电流太大而发生饱和，因此，选择的光敏晶体管应具备暗电流小，同时灵敏度高的特性。吸头安装于固定座时，在接触处加密封圈；安装光敏晶体管后，也须用密封胶做好密封措施，防止从固定座吸气口抽真空时腔体漏气。

4 检测方法

如图2所示，在HSDB-6105高速粘片机中，拾取机构在x，y，z 3个方向作直线运动。拾取机构将晶片工作台上的芯片拾取后，沿y轴方向运行于放置位的过程中，依靠检测安装于吸头y轴运行轨迹下方的发光二极管的光线来判断芯片是否丢失。如芯片丢失，则拾取机构运行经过发光二极管的上方时，位于固定座的光敏晶体管将检测到特定波长的光线；如检测不到，则说明芯片没有丢失。因为吸头内孔的直径为0.1 mm，而其长度为20 mm，即使在芯片丢失的情况下，光敏管接受的由发光二极管发出的光量非常微弱，所以，在选择光敏管时应选择暗电流小而输出电流大的光敏管。经过比较，我们选择了SHARP公司硅光敏管，其型号和具体参数如表1。

4.1 发射器特性

GL380为SHARP公司的红外发光二极管。它是一种半导体发光器件，管芯由一个pn结组成，因掺入砷化镓(GaAs)而具有发光特性。当给pn结加上正向电压后，注入的空穴和电子对会相遇而产生复合释放出能量，复合时释放的能量大部分以光能的形式出现，并且此光为单色光，波长在950 nm左右。随着正向电压的提高，正向电流增加，发光二极管GL380产生的光通量也增加，其最大值受发光二极管最大允许电流的限制。

从表1及图3中可以看出，其电流IF最大可达50 mA，峰值波长λP为950 nm。在IF=20 mA的情况下，VF的典型值为12V，辐射光强φe可达1.8 mW。辐射强度在5mm的距离上衰减为20%，即0.36 mW。从发射器GL380的辐射光强(φe)和角度关系图(见图4)上可以看出，随着角度的增大，其辐射强度会随之下降。

4.2 探测器特性

探测器PT380为SHARP公司生产的硅光敏晶体管。其工作原理为光照射到PN结附近，使PN结产生电子一空穴对，它们在PN结处内电场的作用下，做定向运动形成光电流，由于光照射发射结产生的光电流相当于三极管的基极电流，因此集电极电流是光电流的β倍，所以具有较高的灵敏度。

从表2中可以看出，硅光敏管PT380集电极电流IC最大可达20mA，最大耗散功率PM可达50mW，峰值波长λP为950 nm，暗电流为100 nA。在光强为2.5 mW／mm2的条件下，集电极电流IC为25mA。发射器与探测器的间距5 mm的条件下，因此辐射光强达到0.36 mW／mm2，与此相对应的，集电极电流IC为8mA。

5 信号处理原理

信号的处理如图6所示，光敏管产生的电流经Rl转换成电压信号，由运放LM393N进行电压比较。电位器RP1提供比较的参考电压，由于不同芯片的透光率不同，并且生产中对不同尺寸芯片吸头的内孔直径有所不同，导致光敏管的受光量有所不同，因此，在生产过程中，可方便地调节参考电压。将运放输出信号作为D触发器的时钟信号，触发器的D端置高电平，Q端信号接一光耦作为输出信号。在拾取机构拾放片过程中，如有芯片丢失，则光敏管就会探测到发光二极管发出的波长为880 nm的光，输出光电流在LM393N的2脚形成电压值，与3脚电压进行比较，高于3脚电压，则在1脚形成低电平。LM393N的1脚输出信号作为D触发器的时钟信号，在此信号的下降沿有效，使D触发器的Q端输出一高电平并把此信号锁存，经光耦输出到控制器，控制器读取信号后，再输出RESET信号把D触发器复位。

我们对本光敏晶体管构成的检测系统进行了测试，在发射器与探测器间距为5mm的条件下，相关参数的测试结果如表3所示。从表3可以看出，因为PT308的暗电流很小(100nA)，在芯片完全不透光的情况下，暗电流形成的电压为0.02 V，而吸头处无芯片的情况下，光电流形成的电压在1.5 V左右，这2个电压差值很大，通过设定参考电压(阀值电压)进行信号处理十分方便。

6 结束语

芯片丢失的检测采用光敏式检测方法，其优点是成本低，反应时间短，根据不同芯片特性易于设定，适应面广；缺点是须从拾片到放片的中间过程检测(真空检测法在拾取处可检测)，这样，如在丢片时，空运行一个从拾片到放片的循环，浪费了循环时间，降低了设备运行效率。

录入时间:2007-09-28 来源：电子工业专用设备作者:徐品烈,张世强