有效實(shí)施混合集成電路工序檢驗(yàn)

陳 容，楊亮亮，吳秋菊，石 靜，趙淑霞

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶 404100；2.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

1 混合集成電路工序檢驗(yàn)的內(nèi)容及作用

1.1 混合集成電路內(nèi)部目檢的內(nèi)容

按照混合集成電路產(chǎn)品的流轉(zhuǎn)過(guò)程，檢驗(yàn)方式可大致劃分為物料檢驗(yàn)、工序檢驗(yàn)、封前鏡檢.工序檢驗(yàn)是指從投入原材料開(kāi)始到電路封帽并裝配完成前的整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程中的檢驗(yàn)工作[1].工序檢驗(yàn)是按照產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程劃分的檢驗(yàn)方式，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不同故其生產(chǎn)過(guò)程也不同，適合采用的檢驗(yàn)內(nèi)容和檢驗(yàn)方法也不盡相同.目前，各單位對(duì)H級(jí)和K級(jí)混合集成電路的內(nèi)部目檢標(biāo)準(zhǔn)均采用GJB548B-2005中方法2017.1 內(nèi)部目檢(混合電路).如何設(shè)置混合集成電路工序檢驗(yàn)的順序及各工序檢驗(yàn)的內(nèi)容，即有效實(shí)施工序檢驗(yàn)，在GJB548B中并未提出方案建議[2].混合集成電路通常需經(jīng)歷3-8個(gè)工序進(jìn)行裝配，工序檢驗(yàn)主要是針對(duì)電路內(nèi)部各器件、引線、鍵合絲、粘接劑、基板、管殼等在各工序加工后、封帽前按照檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的鏡檢.檢驗(yàn)內(nèi)容多且復(fù)雜，是目前混合檢驗(yàn)的一個(gè)難題.

1.2 工序檢驗(yàn)的作用

1.2.1 剔除不合格品

嚴(yán)把各工序生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量關(guān)，按照工藝技術(shù)文件和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品適時(shí)實(shí)施鏡檢，對(duì)合格品按產(chǎn)品流程繼續(xù)流轉(zhuǎn)，對(duì)不合格品進(jìn)行隔離、控制或返工，從而避免不合格品流至后工序造成成本的浪費(fèi)，或甚至在用戶處造成更大損失，這是實(shí)施工序檢驗(yàn)的重要意義.

1.2.2 反饋異常信息

在剔除不合格品的同時(shí)，如果能及時(shí)地反饋產(chǎn)生工序缺陷現(xiàn)象，并督促其進(jìn)行針對(duì)性防錯(cuò)改進(jìn)，將有利于生產(chǎn)工序提升加工質(zhì)量的同時(shí)更加有效地進(jìn)行生產(chǎn)，降低各工序同種缺陷重復(fù)發(fā)生或批次性缺陷發(fā)生的幾率.

1.2.3 統(tǒng)計(jì)分析不合格品

針對(duì)不合格品數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到相關(guān)項(xiàng)目特殊結(jié)構(gòu)、易疏忽控制點(diǎn)、工序能力情況、操作人員操作技能等信息，并根據(jù)相關(guān)信息進(jìn)行設(shè)計(jì)和管理調(diào)整，可以確保設(shè)計(jì)和生產(chǎn)形成良性循環(huán)，實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品加工穩(wěn)定性的同時(shí)，預(yù)防缺陷產(chǎn)品的出現(xiàn)，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)提升產(chǎn)品質(zhì)量[3].

2 工序檢驗(yàn)的實(shí)施現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

雖然在軍工企業(yè)質(zhì)量體系下，質(zhì)量第一是的一道紅線，但由于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解的不同和一些現(xiàn)實(shí)原因，在執(zhí)行工序檢驗(yàn)時(shí)，各單位差異較大，在對(duì)生產(chǎn)部門(mén)管理和控制上來(lái)講，難度大、薄弱點(diǎn)多.生產(chǎn)部門(mén)不得不把主要力量集中在封前鏡檢把關(guān)環(huán)節(jié)上，導(dǎo)致工序檢驗(yàn)人員不足，同時(shí)工序檢驗(yàn)流程多、內(nèi)容多，導(dǎo)致在工作量、工作質(zhì)量等考核上難以量化，這些都是難以有效實(shí)施工序檢驗(yàn)的客觀原因.工序檢驗(yàn)規(guī)定的檢驗(yàn)內(nèi)容超過(guò)檢驗(yàn)人員負(fù)荷造成檢驗(yàn)人員兩張皮現(xiàn)象，又或是抽檢、全檢配置不合理不能準(zhǔn)確抓取不合格品，且伴隨著科研生產(chǎn)軍品小批量、多品種引起的檢驗(yàn)人員對(duì)規(guī)定檢驗(yàn)內(nèi)容理解不一致等是造成工序檢驗(yàn)難以執(zhí)行或較多疏漏的主觀原因.

3 有效實(shí)施工序檢驗(yàn)的方案

3.1 提高鏡檢人員檢驗(yàn)?zāi)芰?/h3>

3.1.1 統(tǒng)一檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

如何做到檢驗(yàn)人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解的一致性，這需要建立統(tǒng)一的、指導(dǎo)性強(qiáng)、要求明確的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)配以各類缺陷的典型缺陷圖片，確保檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的可執(zhí)行性.針對(duì)軍品多品種、小批量的典型特征，建立典型的項(xiàng)目缺陷圖譜，對(duì)檢驗(yàn)人員在實(shí)施檢驗(yàn)時(shí)起到提示作用，并能夠提前剔除批次性不合格品，更穩(wěn)定更有效地完成工序檢驗(yàn).通過(guò)典型的缺陷圖譜輔助理解文字化的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并以項(xiàng)目典型缺陷排除檢驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)的批次性異常，從而規(guī)范工序檢驗(yàn)的有效實(shí)施.

3.1.2 設(shè)置合理的檢驗(yàn)內(nèi)容

混合集成電路生產(chǎn)平均需要經(jīng)歷5個(gè)左右的裝配工序，各工序按照管殼-基板-粘接劑-元件-芯片-鍵合絲-手工焊線來(lái)進(jìn)行分類，每步工序檢驗(yàn)需要檢驗(yàn)的內(nèi)容大于4項(xiàng)，且要實(shí)施的檢驗(yàn)內(nèi)容還應(yīng)包括除最近加工工步以外的所有前工序加工內(nèi)容的缺陷和影響后工序加工的質(zhì)量隱患.工序檢驗(yàn)內(nèi)容繁多，如何合理設(shè)計(jì)工序檢驗(yàn)內(nèi)容，有效抓取上工序產(chǎn)生的不合格品是有效實(shí)施工序檢驗(yàn)的重點(diǎn)工作.① 針對(duì)每個(gè)工步的加工內(nèi)容和加工范圍制定本工序工序檢驗(yàn)的內(nèi)容；② 根據(jù)項(xiàng)目特征和典型缺陷增加或刪除前工步會(huì)出現(xiàn)的缺陷和影響后工序加工的缺陷，以便檢驗(yàn)內(nèi)容更加具有針對(duì)性，若有必要還應(yīng)建立對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，從而避免檢驗(yàn)人員兩張皮的現(xiàn)象；③ 根據(jù)各工步的檢驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行檢驗(yàn)項(xiàng)次統(tǒng)計(jì)優(yōu)化，避免檢驗(yàn)內(nèi)容單工步過(guò)多或過(guò)少，且按照管殼-基板-元件-粘接劑-鍵合絲-手工焊線檢查檢驗(yàn)對(duì)象，確保全過(guò)程無(wú)漏檢項(xiàng)次.

另外，充分考慮軍品多品種、小批量的特征，按照項(xiàng)目完成簡(jiǎn)單、一般、困難進(jìn)行分類，并根據(jù)各類產(chǎn)品對(duì)工序檢驗(yàn)各工步檢驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行取舍，能夠更高效更準(zhǔn)確地抓取不合格品，強(qiáng)化生產(chǎn)工序自主保證產(chǎn)品質(zhì)量的意識(shí)，同時(shí)為產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)積極影響.

3.1.3 對(duì)鏡檢人員檢查能力進(jìn)行科學(xué)考核

參考測(cè)量系統(tǒng)分析MSA(Measurement system analysis)能針對(duì)同一臺(tái)設(shè)備、同一個(gè)產(chǎn)品、不同的人測(cè)量產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析[4].對(duì)目檢人員的能力檢查同樣可以應(yīng)用MSA的方法.評(píng)估前收集典型不合格品現(xiàn)象電路，一般可挑選約30只電路(包含合格及不合格電路)，檢查員在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成電路的指定工序檢驗(yàn)內(nèi)容，并制作評(píng)估表記錄鏡檢人員的檢查結(jié)果.

3.2 借助先進(jìn)成像技術(shù)降低鏡檢難度

顯微鏡根據(jù)成像方式可以分為光學(xué)寬視場(chǎng)顯微鏡、共聚焦顯微鏡、體視顯微鏡.光學(xué)寬視場(chǎng)顯微鏡和共聚焦顯微鏡更多地應(yīng)用于生命科學(xué)研究，對(duì)成像的要求更高，而體視顯微鏡更多應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域.在混合集成電路生產(chǎn)線檢驗(yàn)中，常使用光學(xué)寬視場(chǎng)顯微鏡和體視顯微鏡結(jié)合的方式開(kāi)展.光學(xué)寬視場(chǎng)顯微鏡完成高放大倍數(shù)的平面物體鏡檢，如芯片表面質(zhì)量，而體視顯微鏡則對(duì)混合電路腔體內(nèi)部完成鏡檢.其中光學(xué)寬視場(chǎng)顯微鏡主要使用明場(chǎng)成像、暗場(chǎng)成像、微分干涉(DIC)成像.明場(chǎng)和暗場(chǎng)主要用于芯片表面質(zhì)量鏡檢，微分干涉主要通過(guò)相位變化顯現(xiàn)表面質(zhì)量[5].

明場(chǎng)成像是最基本的成像技術(shù)，也是芯片表面質(zhì)量檢驗(yàn)最常用成像技術(shù)，具體成像光路如圖1(a)所示.光源首先通過(guò)物鏡鏡筒垂直照射到芯片表面上，經(jīng)過(guò)芯片表面反射，再次通過(guò)物鏡，顯微鏡收集反射回鏡筒的光線，后光線經(jīng)過(guò)內(nèi)部光路，進(jìn)入目鏡，目鏡成像到人眼視網(wǎng)膜，從而看到放大的圖像.當(dāng)今市面上的明場(chǎng)顯微鏡通常還帶有光路轉(zhuǎn)換配置，可以將物體反射后的光線轉(zhuǎn)接至攝像頭，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)碼成像于顯示屏上，以便對(duì)同一現(xiàn)象進(jìn)行班組成員間的分享和學(xué)習(xí).

圖1 明暗場(chǎng)成像光路Fig.1 The optical circuits of bright-duck field in microscopy

暗場(chǎng)成像和明場(chǎng)成像只在照明光路上有區(qū)別，如圖1(b)所示，暗場(chǎng)成像以超出物鏡豎直孔徑的一定角度進(jìn)行環(huán)形光照明.由于較大角度的照明會(huì)對(duì)平整表面物體和不平整表面物體產(chǎn)生不同方向的反射光，但只有包含在物鏡豎直孔徑內(nèi)的反射光才會(huì)被收集，經(jīng)歷與明場(chǎng)相同的光路后成像在人眼的視網(wǎng)膜上.暗場(chǎng)成像技術(shù)能夠?qū)σ恍┹^薄的表面沾污、微裂紋、微小凸起現(xiàn)象進(jìn)行明場(chǎng)檢測(cè)的補(bǔ)充.明暗場(chǎng)成像對(duì)比如圖2 所示.

圖2 明暗場(chǎng)成像對(duì)比Fig.2 The difference of images between bright field and duck field

微分干涉在明場(chǎng)成像的基礎(chǔ)上，線偏振光被分為尋常光o光和非尋常光e光，他們的振動(dòng)方向成90°，o光和e光的相對(duì)震動(dòng)方向產(chǎn)生影響，o光和e光有了微小的相位差.物體的相位信息帶入光路中，使o光和e光具有相同的振動(dòng)方向，從而帶有相位差的o光和e光就會(huì)進(jìn)行干涉進(jìn)而轉(zhuǎn)換為振幅的變化，垂直于入射光偏振方向的光進(jìn)入目鏡，從而在視網(wǎng)膜上形成浮雕感的圖像.

3.3 使用自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備提升鏡檢效率降低漏檢率

3.3.1 SMT三維檢測(cè)設(shè)備

隨著SMT(Surfaced Mounting Technology，表面組裝技術(shù))中可靠性要求的提高，以及版圖的精細(xì)化、SMT元器件的微型化及SMT組件高密度組裝的發(fā)展趨勢(shì)，目檢或人工光學(xué)檢測(cè)的方式檢測(cè)已不能滿足生產(chǎn)制造要求.20世紀(jì)80年代曾有研究表明，當(dāng)兩個(gè)人檢查相同的板4次時(shí)，他們的相互認(rèn)同率少于28%，認(rèn)同自己的只有大約44%左右.盡管如此，絕大部分電子制造廠商依然依賴于人工鏡檢.AOI(Automated Optical Inspection,自動(dòng)光學(xué)檢測(cè))是結(jié)合機(jī)器視覺(jué)、照明系統(tǒng)與精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一種檢測(cè)技術(shù)，它具有反映速度快、非接觸、與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)一致、大大降低人工鏡檢疲勞度、漏檢率極低等優(yōu)勢(shì).相對(duì)于人工目視檢查來(lái)說(shuō)，AOI具有更高的重復(fù)性和更快的檢測(cè)速度[6].其檢測(cè)原理如圖3 所示.

圖3 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備原理圖Fig.3 The schematic diagram of auto-matic optical inspection

傳統(tǒng)的2D AOI檢測(cè)基本原理是在元器件表面進(jìn)行可調(diào)節(jié)光源照射，利用上方攝像頭拍照，計(jì)算機(jī)按一定算法對(duì)照片顯示出來(lái)的不同的顏色、亮度這些信息進(jìn)行處理和優(yōu)化，對(duì)異常信息進(jìn)行報(bào)警.常用的圖像分析算法，包括模板匹配法(或自動(dòng)對(duì)比)、特征提取法、邊緣檢測(cè)法、灰度直方圖法、光學(xué)特征識(shí)別法、傅里葉分析法等，每重算法都有各自優(yōu)勢(shì)和局限性，可以根據(jù)檢測(cè)內(nèi)容進(jìn)行選擇.目前，國(guó)內(nèi)二維AOI檢測(cè)設(shè)備生產(chǎn)商主要為深圳振華興科技等公司.而普通2D AOI難以檢測(cè)的虛焊、假焊、BGA翹起、引腳翹起等缺陷在3D檢測(cè)技術(shù)卻能更有效的檢測(cè)出.3D檢測(cè)技術(shù)通常加載了摩爾光紋、多個(gè)攝像頭等3D裝置，使焊點(diǎn)增加更多立體形貌，如3D檢測(cè)焊點(diǎn)高度(Z)、共面性、側(cè)面焊接形貌等，因此采用3D檢測(cè)是很有必要的.目前，3D檢測(cè)原理主要有：① 激光：需要對(duì)每個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行掃描，耗時(shí)較長(zhǎng)，因此難以實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，但是也是最有效、最經(jīng)濟(jì)的；② 多角度多鏡頭：在設(shè)備頂部和一定角度上安裝攝像頭，計(jì)算機(jī)分析處理各攝像頭返回的圖像信息，但這對(duì)算法要求較高；③ 摩爾光紋：它是通過(guò)光柵原理來(lái)檢測(cè)物體的表面輪廓.摩爾光紋數(shù)據(jù)處理量較少、分析速度快，大多數(shù)廠家使用摩爾光紋進(jìn)行3D檢測(cè).

3.3.2 高精度檢測(cè)設(shè)備

金絲鍵合具有“多” “微” “雜”等特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起到關(guān)鍵性作用.查詢混合電路產(chǎn)品的失效類型和比例，鍵合絲的各類失效為容易發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題的第二位.通常只要一、兩根絲發(fā)生失效，就會(huì)導(dǎo)致模塊甚至整機(jī)系統(tǒng)的無(wú)法正常工作.鍵合在GJB2438中被定義為關(guān)鍵工序.因此，確保金絲鍵合質(zhì)量就變得十分重要.

鍵合絲的自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備較SMT需要有更高的精度，通常要求為約2 μm.因此鍵合絲自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備需要在攝像頭、光學(xué)部分、圖像處理部分和運(yùn)動(dòng)控制部分都要有更高的控制要求，此外，鏡頭的景深要兼容鍵合絲的整個(gè)弧高，大量數(shù)據(jù)的圖像處理需要很強(qiáng)的軟件支持，因?yàn)楦鞣N缺陷需要不同的計(jì)算方法用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和判斷.

3.3.3 X光檢測(cè)

X光是BGA，CSP等器件的主要檢測(cè)設(shè)備，這是因?yàn)锽GA，CSP，QFN的焊點(diǎn)都在器件的底部，用肉眼和AOI都不能檢測(cè).

4 有效實(shí)施工序檢驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述改進(jìn)措施，生產(chǎn)線芯片不合格品率有明顯下降，如圖4 所示.生產(chǎn)效率也得到了明顯提升.

圖4 生產(chǎn)線各月不合格品率Fig.4 The unqualified rates in the production line before and after the improvement

5 結(jié) 論

通過(guò)圖譜統(tǒng)一鏡檢人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解的一致性，合理設(shè)置各工序檢驗(yàn)內(nèi)容，有效反饋缺陷數(shù)據(jù)，再根據(jù)缺陷數(shù)據(jù)重新調(diào)整工序檢驗(yàn)內(nèi)容、反饋各工序質(zhì)量問(wèn)題，充分利用明暗場(chǎng)等先進(jìn)光學(xué)成像設(shè)備，根據(jù)檢驗(yàn)內(nèi)容大量使用自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備提升鏡檢效率，是提升混合集成電路工序檢驗(yàn)效率并降低漏檢率的有效方法.