基于CT技術(shù)的金屬鍵合引線三維測量專用夾具

荊曉冬 劉 晨 吳愛華 梁法國 范雅潔

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050051）

1 引 言

金屬鍵合引線［1］的材料屬于高表面反射材料，其形狀無規(guī)則，利用光學(xué)法［2-4］測量金屬鍵合引線三維形貌準確度很低，同時會導(dǎo)致圖形的缺失。利用顯微X-CT技術(shù)［5-6］能夠有效避免光學(xué)法測量結(jié)果中的圖形缺失，能夠完整還原金屬鍵合引線的三維形貌。

由于金屬鍵合引線處于級聯(lián)電路芯片之中，現(xiàn)有夾具無法長時間有效固定尺寸小且薄的級聯(lián)電路芯片，因此需要設(shè)計合適的夾具來提高測量金屬鍵合引線的準確度。

2 測量夾具設(shè)計

2.1 專用夾具的測量要求

X射線三維顯微鏡［7］是利用顯微X-CT技術(shù)測量微米量級物體的測量設(shè)備。其組成結(jié)構(gòu)主要包括：X射線源、掃描轉(zhuǎn)臺、光耦探測器，如圖1所示。其中X射線源放射X射線，掃描轉(zhuǎn)臺承載測量夾具，光耦探測器接收X射線信息。

圖1 X射線三維顯微鏡的主要測量機構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the main measuring mechanism of a X ray three-dimensional microscope

在測量過程中，被測樣品由夾具固定在360°旋轉(zhuǎn)的掃描轉(zhuǎn)臺上，從各個角度獲取大量的圖像信息，之后將各個角度的圖像信息分析整合，最終重建出被測物體表面或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維形貌。該儀器掃描微米量級結(jié)構(gòu)所需時間將近15個小時，長時間的掃描過程中，若被測物體在某一時刻出現(xiàn)偏移晃動，會導(dǎo)致最終重構(gòu)出的圖像與實際不同。所以掃描微小芯片對于測量夾具的穩(wěn)定性有很高的要求。

同時，X射線的衰減量與所穿透的物體的密度和貫穿的距離有關(guān)，物體的密度越高，貫穿距離越長，X射線的衰減量越大。被測物體的被測區(qū)域?qū)射線的衰減量應(yīng)明顯區(qū)別于其他區(qū)域，這樣在最終重構(gòu)后，能更好的將被測區(qū)域與其他區(qū)域區(qū)分，單獨提取。

合理的設(shè)計測量夾具，避免因夾具連接不穩(wěn)產(chǎn)生的晃動，或者因夾具對X射線衰減過大而對測量結(jié)果產(chǎn)生的不良影響是測量金屬鍵合引線的重要環(huán)節(jié)。

2.2 夾具的設(shè)計原則

通過分析金屬鍵合引線的測量過程得知，夾具是將被測鍵合引線固定在指定位置的裝置，夾具的穩(wěn)定性對測量結(jié)果有決定性的影響。同時，測量微米級結(jié)構(gòu)時，X射線源與光耦探測器之間的距離僅有15mm，限制了測量夾具在測量空間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)直徑，如圖2所示。

圖2 測量鍵合引線時X射線源與光耦探測器間距離Fig.2 The distance between the X ray source and the optocoupler detector

通過分析測量金屬鍵合引線的過程，總結(jié)出夾具的整體設(shè)計原則如下：

1）夾具各部分之間的連接要穩(wěn)固，保證在長時間的測量過程中各部件之間不發(fā)生相對位移；

2）夾具固定被測芯片的方式要穩(wěn)固，保證在長時間的測量過程中兩者不發(fā)生相對位移；

3）夾具的結(jié)構(gòu)、尺寸要適合X射線三維顯微鏡的測量空間，避免在測量過程中發(fā)生磕碰，影響測量結(jié)果；

4）夾具要考慮芯片長時間暴露在空氣中產(chǎn)生的不良影響，增加合適的芯片保護裝置。

根據(jù)以上原則，可以將測量夾具設(shè)計成四部分，分別為底座、載片板、膠片及保護外罩。

1）底座是測量夾具與掃描轉(zhuǎn)臺連接的部件，通過借鑒掃描轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)形狀，將底座設(shè)計成與掃描轉(zhuǎn)臺契合的圓盤狀，中心開螺紋通孔，底部加工三個與掃描轉(zhuǎn)臺契合的定位點；

2）分析金屬鍵合引線的測量過程得出：夾具的穩(wěn)定性決定著測量結(jié)果的好壞。載片板是與底座連接、承載被測芯片、將被測芯片置于儀器被測區(qū)域的部件，為保證載片板與底座連接穩(wěn)定，載片板下端設(shè)計成外螺紋結(jié)構(gòu)，與底座之間的連接方式采用螺紋連接，利用螺紋預(yù)緊力將兩者固定在一起，保證一定時間內(nèi)不產(chǎn)生相對位移。

由于測量過程中X射線源與光耦探測器的距離十分接近，同時考慮被測芯片的尺寸大小限制，載片板的旋轉(zhuǎn)直徑應(yīng)限制在7mm～13mm之內(nèi)。

通過分析X-CT的成像原理與X射線的衰減特性，得知被測區(qū)域中，金屬鍵合引線對X射線的衰減量應(yīng)明顯區(qū)別于其他結(jié)構(gòu)，最終才能得到可靠的測量結(jié)果。因此載片板的材料應(yīng)選用低密度材料，同時與被測芯片連接的部分應(yīng)在保證剛度的情況下減小厚度，減小載片板對X射線的衰減；

3）膠片是連接載片板與被測芯片的部件，與載片板一樣，其部分結(jié)構(gòu)處于被測區(qū)域中，在保證低X射線衰減的情況下，粘貼芯片的粘性也要有所保證。合適的膠片應(yīng)滿足以下幾點：密度低、厚度薄、粘性強。一種透明的高度交聯(lián)聚合物凝膠滿足以上幾點要求。將該凝膠裁剪成與載片板契合的尺寸，利用其表面張力將一側(cè)粘貼在載片板上，另一側(cè)粘貼芯片，使芯片能夠長時間固定在合適的位置不發(fā)生偏移。該凝膠在垂直于膠面的方向上有很強的粘接力，但在平行于膠面的方向上粘結(jié)力較小，芯片可以隨時取下，夾具可以重復(fù)使用。

4）保護外罩與載片板連接，是將被測芯片與外界環(huán)境隔絕的部件。同樣考慮到對X射線的衰減，保護外罩的材料應(yīng)選用低密度材料。保護外罩處于夾具的最外圍，分析整體測量過程得出，其整體旋轉(zhuǎn)直徑不得超過14mm，否則會造成夾具與儀器的相碰。保護外罩形狀要契合與載片板連接的部分，連接方式采用過盈配合連接。過盈配合的連接方式能保證保護外罩和載片板之間的連接穩(wěn)定，同時還將保護外罩內(nèi)部與外界環(huán)境隔絕，保護被測芯片。

2.3 夾具設(shè)計的具體方案

2.3.1 底座

底座是靠自身重力嵌在掃描轉(zhuǎn)臺的定位點上，為了保證旋轉(zhuǎn)過程的穩(wěn)定，底座應(yīng)選取質(zhì)量較大的金屬，如鋼、黃銅。借鑒掃描轉(zhuǎn)臺的形狀與尺寸結(jié)構(gòu)，底座設(shè)計結(jié)構(gòu)實例如圖3所示。

圖3 底座實例Fig.3 An instance of base

2.3.2 載片板

載片板的要求是低密度、高剛度，厚度薄，旋轉(zhuǎn)直徑7mm～13mm。滿足以上條件的材料多為塑料，但是機加工難以實現(xiàn)薄塑料板的加工；對于可重復(fù)利用的夾具來說，不需要大批量的生產(chǎn)，塑料加工的模具費用就顯得太高。綜合考慮以上因素，采用3D打印技術(shù)來制作載片板。

滿足要求的3D打印材料為光敏樹脂，密度1．1g/cm3，通過三維制圖軟件建立載片板的3D模型，輸出保存為STL格式文件，STL格式文件是3D打印最常用的文件格式。載片板設(shè)計實例如圖4所示。

圖4 載片板實例Fig.4 An instance of chipboard

其中，上部板狀部分為粘貼芯片部分，設(shè)計厚度為1mm，寬度8mm，在保證成像清晰的情況下可適當加厚。下部M6外螺紋是與底座連接的重要結(jié)構(gòu)，實例中設(shè)計2mm倒角是為了方便與底座配合。中部做成一個10mm直徑圓柱，保證了旋轉(zhuǎn)直徑在7mm～13mm之間。由于X射線三維顯微鏡的結(jié)構(gòu)尺寸限制，為了防止夾具與儀器碰撞，該圓柱的高度應(yīng)在30mm～100mm之內(nèi)。在圓柱上設(shè)計一個10mm×8mm的長方形凹陷，為扳手空間，方便施加螺紋預(yù)緊力。在此僅以圓柱為例作說明，實際中可根據(jù)需求設(shè)計成不同形狀（圓柱、棱柱等）。

2.3.3 膠片

膠片的材料選用一種透明的高度交聯(lián)聚合物凝膠，厚度1mm，將其裁剪為長25mm，寬8mm的長方形，配合載片板上部薄板的尺寸，圖5為膠片實例圖。

圖5 膠片實例Fig.5 An instance of sticky patch

2.3.4 保護外罩

保護外罩的要求與載片板相同：低密度、透明，厚度薄。保護外罩的制作方式同樣選擇3D打印技術(shù)。3D打印材料選用光敏樹脂。保護外罩的設(shè)計實例如圖6所示。

圖6 保護外罩實例Fig.6 An instance of protective cover

為配合載片板結(jié)構(gòu)，保護外罩設(shè)計成外徑為11mm，內(nèi)徑10mm的試管狀結(jié)構(gòu)。在距離保護外罩底部30mm的管外壁上增加一圈半徑為0．25mm的半圓形加強筋，在保護外罩底部套口外壁增加一圈半徑為0．5mm的四分之一圓形加強筋。由于管壁薄，導(dǎo)致其強度下降，加強筋的作用在于加強保護外罩的結(jié)構(gòu)強度。保護外罩總高度100mm，其中直筒部分94．5mm。保護外罩可根據(jù)實際需求設(shè)計不同形狀，在此以圓柱為例。注意保護外罩應(yīng)與載片板中間部分形狀相同，保證能夠配合連接。同時旋轉(zhuǎn)直徑不超過14mm。

2.3.5 組裝夾具

首先將膠片粘貼在載片板的上部，擠出貼合間隙中的氣泡，在凈化間內(nèi)將被測芯片粘貼在膠片上，再將外罩從載片板上端罩下，通過過盈配合使外罩下端卡在載片板中部圓柱上，輕晃外罩，擺正其位置。之后將載片板下部螺紋擰進底座，擰到底后，用合適的扳手施加一定預(yù)緊力，完成裝配，如圖7所示，1為保護外罩，2為膠片，3為載片板，4為底座。

圖7 測量夾具裝配圖Fig.7 Assembly drawing of measuring fixture

3 測量結(jié)果對比

為了展示利用測量夾具測量芯片上微米級結(jié)構(gòu)的效果，在此選用尺寸為1500μm×2500μm的芯片與700μm×700μm的芯片鍵合，測量兩者之間的鍵合引線三維形貌，其中鍵合點的尺寸均為100μm×80μm，鍵合引線標稱直徑25μm，鍵合方式如圖8所示。

圖8 被測芯片鍵合方案示意圖Fig.8 Schematic diagram of the bonding scheme of the measured chip

圖9中鍵合引線圖像有明顯的凹陷和不規(guī)則部分，這是由于轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中鍵合引線發(fā)生位移所導(dǎo)致，鍵合引線邊緣部分輪廓不明朗，且有大量干

圖9 未使用本文設(shè)計的夾具測量的鍵合引線Fig.9 The measurement results of the fixture without this article

圖10 使用本文設(shè)計的夾具測量的鍵合引線Fig.10 The measurement results of the fixture designed in this article

圖10中，為使用本文設(shè)計的夾具測量出的鍵合引線三維形貌，整體沒有結(jié)構(gòu)缺失或變形，鍵合引線表面光滑平整，無干擾顆粒，鍵合引線標稱直徑25μm，利用本文設(shè)計的夾具測量出的鍵合引線直徑約為25．20μm，準確度為0．8%，測量效果極佳，兩次測量結(jié)果對比如圖11所示。

圖11 兩次測量結(jié)果對比Fig.11 Comparison of the results of two measurements

4 結(jié)束語

近年來航天、衛(wèi)星、通訊等行業(yè)發(fā)展迅速，隨著測量頻率的升高，電磁泄漏、串擾等因素導(dǎo)致金屬鍵合引線在級聯(lián)電路中的影響逐漸增強，準確的測擾顆粒，這是由于夾具對于X射線的衰減過大所導(dǎo)致，測量效果不佳，測量出標稱直徑為25mm的鍵合引線直徑為27．02mm左右。量鍵合引線三維形貌能夠在仿真中更精準地系統(tǒng)、定量分析金屬鍵合引線對級聯(lián)電路的影響［8］。

測量夾具是保證測量過程穩(wěn)定、測量結(jié)果可靠的重要部分，文中重新設(shè)計夾具的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對級聯(lián)電路中金屬鍵合引線的高準確度測量。

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