一種用于引線鍵合工藝的自動在線檢測技術

李茂松，胡 瓊，朱虹姣

（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

1 引言

隨著半導體工藝技術的發(fā)展，芯片的集成度越來越高，引線鍵合工藝向高密度、多層布線發(fā)展已成為必然。目前，大部分鍵合工藝檢測仍采用人工檢測，這種方式對引線越來越密、層數(shù)越來越多、量產(chǎn)越來越大的電路檢驗的準確性和及時性帶來了極大的挑戰(zhàn)。在重復性較高的高密度引線鍵合檢驗中，人工檢驗存在較高的誤檢率與漏檢率，開發(fā)一種新的自動檢驗方法以替代人工檢驗已成為需要迫切解決的技術難題[1-2]。

在封裝生產(chǎn)線使用鍵合工藝自動在線檢測技術，可以對生產(chǎn)線上的組裝電路進行有效的生產(chǎn)過程監(jiān)控[3-7]，并能實時檢測發(fā)現(xiàn)鍵合工藝的各類質量問題。早期發(fā)現(xiàn)鍵合缺陷，剔除不合格品，消除質量隱患[8]，可避免有質量問題的產(chǎn)品流向下道工序或交付到最終用戶手中，造成較大的質量事故[9-10]。

文章介紹了鍵合工藝在線檢測方法的基本原理及檢測的內容，介紹了設計鍵合引線在線檢測程序的主要步驟，探討了管殼及芯片定位方法，并對各類檢測方法進行了詳細分析與討論。

2 檢測基本原理

自動在線檢測系統(tǒng)采用的是掃描光視覺測量法。通過選擇檢測光源發(fā)出的紅、綠、藍三色光對被檢電路進行掃描，生成管殼、芯片、鍵合焊球和鍵合引線的組合圖像。生成的圖像經(jīng)過計算機數(shù)字信號處理（DSP），提取芯片、焊點及引線圖形灰階值的特征數(shù)據(jù)進行相應的算法處理，進而實現(xiàn)對鍵合焊球及引線連線的檢測。通過采集芯片圖像灰階值，也可對芯片貼片方向正確性、芯片表面外來物以及芯片四周粘結焊料流散性進行檢測。

3 檢測程序的實現(xiàn)方法

鍵合引線自動檢測程序設計須滿足檢測的完整性、準確性和高效性要求。完整性即需要考慮到所有可能存在的缺陷并對其進行相應的算法設計；準確性即需要對檢測的方法進行反復測試驗證優(yōu)化，確保被檢測產(chǎn)品存在的所有缺陷都能通過系統(tǒng)準確檢測出來，并能有效控制產(chǎn)品缺陷的誤檢與漏檢；高效率即在檢測程序設計時需合理使用檢測方法，優(yōu)化參數(shù)取值范圍，提高處理效率，降低誤報錯率。

鍵合引線檢測程序設計包括管殼識別定位、芯片識別定位、鍵合引線連接以及設計每個檢測點（框）的最佳檢測方法。本試驗采用金絲球焊工藝，引線第一植球點為芯片端，第二植球點為管殼端，陶瓷小外型（CSOP）外殼作為研究對象。

3.1 管殼定位方法

管殼定位采用2點定位法，通過在管殼上找到2個唯一的識別點，確定檢測夾具陣列中的每個管殼位置，如圖1所示。管殼位置固定后，每個管殼中引線鍵合區(qū)（EWIRE）的位置也相應確定，便于系統(tǒng)檢測時找到引線在管殼鍵合區(qū)的位置。

圖1 管殼特征點定位圖

管殼定位采用圖形相似度對比法，檢測點圖形與庫中的特征圖進行對比，相似度達到閥值則找到對位點。

3.2 芯片定位方法

定位管殼后，接下來需對芯片進行定位，對安裝在管殼基板中的芯片定位是通過找芯片邊來實現(xiàn)。方法是搜索芯片邊X和Y方向灰度值躍變點，提取灰度階躍值，通過找邊計算，確定芯片在X和Y方向的位置，如圖2所示。

圖2 芯片灰階躍變定位

除此之外，也可通過對芯片特征圖形識別進行對位，芯片特征圖形識別法需要較清晰的芯片圖像。

3.3 鍵合引線檢驗設計

按照芯片引線布線圖，從芯片焊盤端（SWIRE）連接引線到管殼鍵合區(qū)（EWIRE）。根據(jù)鍵合引線長短設置相應的中部連線（MWIRE）檢測框數(shù)量，如圖3所示。

圖3 鍵合引線連線圖

通常較長的鍵合引線需要在引線中部設置多個檢測框，如果引線密度較大，則需減小檢測框的寬度并交叉布局。

3.4 程序調試

程序編寫完成后，需要進行各類檢測參數(shù)設置優(yōu)化，保證每個檢測點的有效性，主要調試內容包括檢測托盤中每行每列管殼與芯片定位是否精準，測試每個算法檢測的有效性及準確性。提高檢準率及降低誤報率是參數(shù)優(yōu)化、調試優(yōu)化的關鍵。

檢測調試的關鍵點就是光線的設定及光線的過濾，過濾值的設定是將需要提取的主體過濾出來，并對其面積或者長度進行確定。

4 檢測方法分析與討論

針對金絲球焊產(chǎn)品，鍵合檢測內容主要包含引線連線的正確性檢測、焊球形狀（植球完整性）檢測、焊球大小檢測、鍵合引線斷裂檢測、鍵合引線彎曲檢測和引線線徑檢測等。

4.1 焊球的檢測方法分析

每根引線包含芯片端焊球與管殼端焊球。芯片端與管殼端焊球檢測主要應檢測焊球的完整性、焊球位置正確性、焊球大小以及焊球引出端引線是否飛絲（斷裂）等。

焊球完整性檢測通常分2步進行：第一步檢測焊球成形情況；第二步檢測焊球直徑；2步檢測通常采用2個不同的檢測方法鏈接實現(xiàn)。第一步檢測焊球形狀，形狀檢測達到設置的閥值則進入第二步進行焊球直徑檢測。其中某一步檢測未通過，則終止檢測并報錯；全部通過則焊球檢測合格。

焊球形狀檢測通常是檢測植球成型是否完整。檢測方法是在產(chǎn)品中提取標準焊球，建立標準圖形庫。在系統(tǒng)進行自動檢測時，提取檢測框中每個焊點的焊球形狀與標準圖庫中的焊球進行相似度對比。相似度大于設定閾值則合格，反之則不合格。通常這種圖像識別算法叫做圖像匹配法。對達不到相似度要求的焊球，系統(tǒng)會在檢測結果中自動顯示錯誤信息，需采用人工輔助方式進行判斷。圖4為焊球植球失敗，系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)焊球相似度低于閾值，系統(tǒng)出現(xiàn)的報錯信息。

圖4 OCV檢測顯示植球失敗

焊球直徑檢測是通過焊球檢測框內灰階躍變值測試法計算出來的。每個圖像的像素均存在相應灰度值（0～256），3種環(huán)形光線（紅/綠/藍）從不同高度照射電路的焊球、鍵合區(qū)或芯片時，高度差異導致成像存在明顯色差。直徑檢測根據(jù)色差對焊球的灰度值進行采集，讀取指定灰階值的躍變點；在采集的灰階值中形成一個躍變區(qū)間；分別在X和Y方向測量躍變區(qū)間值；通過采樣計算獲得焊球直徑，如圖5所示。

圖5 在X和Y方向提取灰階躍變點坐標值計算焊球直徑

通過對灰階變化參數(shù)的提取，也可以檢測球柵陣列焊球大小及數(shù)量，通過對芯片表面圖像面積進行測量對比，可檢測芯片是否有外來物、劃傷等，也可用于計算芯片四周的焊料面積，對焊料流散性進行檢測評估。

4.2 鍵合引線檢測方法分析

鍵合引線的主要測試項為引線線徑和指定檢測框內的引線長度。引線線徑檢測用于判斷鍵合引線使用型號的正確性，而通常人工檢測鍵合引線直徑較困難。鍵合引線線徑檢測方法是在引線中部設置檢測框，提取灰階躍變值后，根據(jù)灰階躍變坐標值確定線徑，如圖6所示。

圖6 鍵合引線線徑檢測原理

鍵合引線長度檢測通過測試框內指定光線的灰階躍變坐標，取兩邊躍變點座標計算引線的長度，原理如圖7所示。

圖7 鍵合引線長度檢測

如果引線存在偏移（或斷線）、塌陷、連接錯誤等現(xiàn)象，會造成計算的長度值達不到閾值。此時，檢測報錯，如圖8所示。

圖8 典型的引線偏移檢測

通常在緊鄰焊球處鏈接一個引線檢測框，可以檢測焊球處引線是否出現(xiàn)飛絲。如果鍵合工藝控制不當，焊球端頸部受超聲熱壓集中影響，極易產(chǎn)生引線頸部斷裂飛絲。因此，在焊球端設計一個飛絲檢測程序，方法是在引出端引線上加檢測框，判斷引線的完整性，再對比測量引線長度與閾值，判斷是否出現(xiàn)飛絲。圖9為檢測過程中發(fā)現(xiàn)飛絲。焊球端引線檢測分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)飛絲時檢測不到鍵合引線的存在。

圖9 引線飛絲檢測

4.3 多層布線檢測方法

在檢測時，多層布線產(chǎn)品的鍵合引線存在相互干擾、重疊等問題。因此，需要采用多層檢測技術，檢測采用組合光檢測，設置不同焦距后還需分層成像。

4.4 焊料流散干擾檢測方法

如果電路的腔體較窄，芯片粘結用的焊料會流散在管殼底部。檢測鍵合引線時，焊料的反光會對檢測造成干擾，系統(tǒng)出現(xiàn)誤檢。針對這種情況，可采用藍色光源對鍵合引線生成二維圖像，提取藍光灰階值實現(xiàn)鍵合引線檢測。

灰階閾值設置是檢測準確性的關鍵因素。芯片定位、焊球直徑測量、引線長度測量和焊球面積計算都需要反復測試，得出最優(yōu)的灰階躍變值范圍。

5 結論

本文通過對金絲球焊鍵合工藝特點的分析，開發(fā)出了高質量實用化的在線自動檢測程序，解決了批量人工檢測易出現(xiàn)誤檢和漏檢的問題。通過自動在線檢測，在生產(chǎn)過程中能及時、準確地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品鍵合質量問題，為工藝質量的持續(xù)提升起到了有效的促進作用。