基于機器視覺的半導體芯片封裝外觀檢測

胡 鴻，陳名正，馬騰江，陳 華

（深圳市蘿卜智造機器人有限公司，廣東深圳 518000）

目前，人工智能領域的研究主要包括機器人技術、語音識別、圖像識別和自然語言處理。隨著機器視覺技術的突破，機器視覺的理論和技術也在穩(wěn)步發(fā)展，應用范圍不斷擴大。目前，人工智能技術可以模擬人類大腦的思維和部分意識。雖然人工智能不是人類智能，但它可以像人類一樣具有一定的思維能力，甚至可以超越人類智能。在當前人工智能時代環(huán)境下，機器視覺技術已經(jīng)達到了一個新的發(fā)展階段。機器視覺技術融入高級人工智能領域，使得機器視覺技術更具吸引力。

1 機器視覺簡介

機器視覺主要是利用計算機模擬人類的視覺功能，但它不僅是人眼的簡單擴展，更重要的是具有部分大腦功能，從不同的事物圖像中提取信息，并運用到實際的生產(chǎn)中。從目前人工智能的發(fā)展來看，機器視覺屬于人工智能的基礎。機器視覺在人工智能領域有著廣泛的應用。從整個行業(yè)來看，我國人工智能行業(yè)正處于快速生態(tài)建設時期。從機器視覺領域來看，它正處于快速重建時期。

機器視覺技術最傳統(tǒng)的檢測方法是“眼、手、腳”，使用時間最長，適用范圍最廣。這種方法似乎是非接觸的，而手摸行走是一種接觸的方法，只能通過直接或間接接觸被測對象來檢測。機器視覺技術是非接觸式檢測的應用之一，通過機器“看”的方法進行檢測。人類肉眼只能看到波長在400～760nm 的可見光。而機器視覺借助光電等方法不僅可見光可見，紫外線、紅外線、X 射線都可以見得到，從而拓寬了視野。

在工業(yè)生產(chǎn)中，人類將圖像信息傳遞給機器視覺系統(tǒng)，然后系統(tǒng)會自動對圖像中的信息進行處理和提取，從而檢查儀器的各個部件是否齊全。另外，當零件的顏色與基礎材料的顏色相似時，零件的形狀信息是非常重要的。例如，在工業(yè)焊點檢測中，儀表設備的形狀信息比儀表的顏色信息更能準確地判斷焊點的質(zhì)量。此外，工業(yè)上的激光成形技術也是利用機器視覺來工作的，相機圖像中細線的偏移量用于快速確定照明點的高度，掃描目標上的激光線圖案可以形成目標表面的完整深度外形輪廓，便于人類觀察探測物的結構。

目前，機器視覺技術也適用于醫(yī)學領域，它可以根據(jù)機器視覺檢測醫(yī)療設備和檢測儀器中零件的完整性，從而保證儀器的使用安全。同時，機器視覺的使用可以幫助醫(yī)生更準確地形成醫(yī)學影像，也可以幫助外科醫(yī)生檢測患者失血量的變化，造福人類。人類在農(nóng)業(yè)上也廣泛使用機器視覺。通過機器視覺，可以快速判斷作物之間的距離，幫助農(nóng)民快速檢測作物上的害蟲和作物的生長情況。目前，機器視覺也被用于檢測種子的質(zhì)量，以便更好地讓作物生長。

2 基于機器視覺的半導體芯片封裝分類

目前，基于機器視覺的半導體芯片的種類很多，不同的封裝方法在封裝材料、封裝設備、封裝工藝等方面有很大的差異，這也使其具有一定的特點。根據(jù)封裝特性的不同，封裝可分為以下幾類：根據(jù)封裝材料的不同，機器視覺的半導體芯片可采用金屬–陶瓷封裝和塑料封裝；根據(jù)封裝材料的不同，封裝可分為金屬封裝、陶瓷封裝、金屬陶瓷封裝和塑料封裝。根據(jù)封裝的氣密性，封裝可分為兩大類：氣密性封裝和樹脂封裝；這兩種封裝方法的主要作用是將晶體與外界環(huán)境隔開，包括溫濕度和空氣等，從而達到電氣絕緣的目的，同時起到外部散熱和解除應力的作用，從而保護晶體。按封裝的外形、尺寸和結構可以將其分為引腳插入型、表面貼裝型和高級封裝等三大類，不同的封裝工藝各自具有獨自的特點，技術工藝也各有不同。

3 機器視覺的半導體芯片封裝過程及工藝說明

3.1 機器視覺的半導體芯片封裝工藝簡述

晶圓前道工藝的晶圓通過芯片切割以后，會被切割成為比較小的晶片，然后將其貼裝到相應的基板引線框架之上，再用銀膠、焊錫等助焊劑黏貼好，然后采用超細的金、銅、鋁等超細金屬導線以及導電性樹脂等將晶片的接合焊盤連接到基板的相應引腳，這就是焊接鍵合工藝；采用塑料外殼對獨立芯片進行封裝，從而起到保護作用。最后，進行了樹脂固化、切筋成型、電鍍、測試等步驟。完成最后的步驟后，對通過測試的產(chǎn)品進行打標，封裝，存儲和運輸。

3.2 機器視覺的半導體芯片封裝工藝的簡要描述

半導體封裝工藝主要包括芯片切割、貼片、焊接、塑料封裝、后固化、電鍍、切筋和成型、測試、打標和包裝等工藝，下面對這幾方面工藝進行詳細的說明。

（1）芯片切割工藝。這種工藝是通過使用切割機將晶圓上連接在一起的芯片進行切割，分離開來，其中，貼膜是指通過應用藍色和白色的膜來把晶圓固定到繃環(huán)上，這一步是為下一次切割做準備。在此過程中，固定藍膜需要動力，在承載平臺上吸附晶片需要吸力。通常采用5 MPa 的壓縮空氣作為驅動力，承載平臺的吸附能力由真空提供。支撐平臺的溫度一般控制在45 ℃，這樣可以使藍膜、白膜、晶圓、繃帶更好地貼合。晶圓包覆后，切割芯片。在此過程中，通常需要真空為軸承臺提供吸附力，主軸的懸浮動力由5 MPa 的壓縮空氣提供；另外，為防止切割過程中靜電對芯片的損壞，會采用含二氧化碳的高純水來保護靜電。

（2）貼片工藝。貼片技術主要包括熱焊接和冷焊接兩大類。其中，熱焊是用錫銀銻焊料將芯片黏貼到框架上。在此過程中，將引入氮氫混合氣體進行保護。通過這個過程，芯片在工作過程中可以有更好的散熱效果；與熱焊不同，冷焊不需要保護氣體，但焊接后需要采取固化和干燥措施。貼片和進、出料缸的動力由壓縮空氣提供，引入1 ∶10氮氣氫氣混合氣保護機架；引入1 ∶5的氮氫混合物來減少機架。貼片工藝主要包括加熱、不加熱、鍍錫、打膠、模具、貼片等步驟。其中，加熱過程由長距離軌道在傳輸過程中完成，加熱溫度一般控制在380 ℃。對于不同的產(chǎn)品，加熱溫度會有所不同；鍍錫是指將一定數(shù)量的焊料熔解在高溫機架的設定位置；壓膜工藝的目的是在貼片前對處于熔融狀態(tài)的焊料進行定型，從而有效提高貼片后錫層的厚度，從而控制芯片的傾斜，使其具有更好的散熱性能；點膠過程是在不加熱的軌道上完成的。貼片是將藍膜上好的芯片通過圖像識別，吸取并貼在框架熔有焊錫、銀膠的位置上，使芯片與框架通過焊錫、銀膠焊接起來。

（3）焊接鍵合工藝是封裝工藝中非常重要的工藝。焊接和鍵合工藝主要采用超聲波壓力焊接技術，通常采用鋁絲、金絲或銅絲將芯片與引腳連接。超聲壓焊接技術的原理如下：超聲波機械能可以利用切刀使焊縫與焊面產(chǎn)生摩擦。這樣既可以去除焊接表面的氧化層，同時又可以進行塑性變形和相互擴散。這樣可以實現(xiàn)分段黏接，從而可以及時完成焊縫和焊接面的焊接工作。影響焊接和黏接工作成功的因素很多，主要包括功率、時間、壓力和溫度等參數(shù)。如果功率過大，可能會造成芯片出現(xiàn)彈坑，功率過小，則會導致虛焊；壓力過大會導致芯片被壓碎，壓力過小也會導致假焊的問題；如果時間過長，會出現(xiàn)過焊，會使焊點兩邊燒灼色。太小也會造成假焊的問題；因此，為了提高焊接成功率，在焊接過程中，應根據(jù)芯片表面的鋁層和焊絲直徑制定合理的參數(shù)，以保證焊接良好，不損傷芯片。

（4）塑封工藝。在完成鍵合以后，用塑料材料對芯片進行封裝和密封，以保護芯片和隔熱。塑料封裝工藝主要按照以下流程進行：①排片，將鍵合好的芯片用排片機從料盒轉移到預熱臺上；②上料，預熱后的整個模架通過進料架轉移到塑料模具上；③合模加壓。具體步驟是通過封裝機將上下模具組合在一起，從而在模具內(nèi)形成型腔；④通過高頻加熱使塑料軟化；⑤喂食。將上一步中軟化的塑料密封材料通過料筒加入模具中；⑥注射成型，通過塑料封料機將塑料封料擠出模具型腔完成；⑦對塑料密封材料進行固化。固化條件為180 ℃，可在90～150s 內(nèi)將塑料密封材料轉化為固體；⑧下料，取下固化后的整?？蚣?，將產(chǎn)品從塑體中剝離出來。

（5）后固化工藝。這個過程的功能是讓塑料粉可以更加充分的黏結在產(chǎn)品上，提高器件的性能：流程如下：①打開烘箱，設定加熱溫度和時間等參數(shù)；②待烘箱溫度達到設定值170 ℃且穩(wěn)定后，將產(chǎn)品及時效箱放入烘箱；③待后固化時間達到4h 后，停止加熱，取出產(chǎn)品。

（6）電鍍工藝。產(chǎn)品的塑料封裝完成后，需要去除溢料，對表面進行鍍錫。溢流工序前，需通過軟化劑對產(chǎn)品散熱片等溢流部位進行軟化，然后清洗軟化劑；清洗完畢后，將機架逐個放入施皮勒的進料軌道槽內(nèi)，通過高壓水將機架上溢出的物料清除，再在干燥槽內(nèi)吹干，然后下料、鍍錫。鍍錫后，將產(chǎn)品放入烤箱175 ℃烘烤1 h，以消除鍍錫帶來的應力。

（7）鋼筋切割成型工藝。此工藝是對電鍍產(chǎn)品進行分型，采用設備的螺紋切割設備。具體過程如下：①進料，將合格的產(chǎn)品按正確的方向加入料盒中，然后推入進料導軌；②沖孔作業(yè)，通過自動沖孔系統(tǒng)對軌道上的產(chǎn)品進行切割；③完成產(chǎn)品的引腳成型，即滿足工藝的形狀要求。

（8）測試工藝。產(chǎn)品由試驗機進行試驗，由1、2、3個試驗臺進行一次檢測，選出合格產(chǎn)品。

（9）打標工藝。激光打標機應使用能刻蝕和標記合格的產(chǎn)品。

（10）封裝過程。經(jīng)檢驗合格的產(chǎn)品應按產(chǎn)品質(zhì)量進行封裝。

4 機器視覺的半導體芯片封裝外觀檢測缺陷機理

當機器視覺的半導體芯片受到腐蝕因素的影響或被油污染時，在芯片電極表面形成一層非金屬膜，導致封裝缺陷。機器視覺的半導體芯片電極表面有非金屬薄膜，經(jīng)過壓力焊接工藝，在焊接位置形成一個金屬–介質(zhì)–金屬結構，又稱隧道結。當有一定強度的光照射到機器視覺的半導體芯片上時，如果機器視覺的半導體芯片失效，支架回路也無光電流流過；若非金屬膜層較厚，只有少數(shù)電子能隧穿膜層勢壘，機器視覺的半導體芯片支撐回路也無光電流流過；若非金屬膜層較薄，由于LED 芯片光生電流在隧道結兩側形成電場，電子主要以場致發(fā)射的方式隧穿膜層，流過單位面積膜層的電流可表示為：

其中：q為電子電量；m為電子質(zhì)量；h為普朗克常數(shù)；v、v、u分別是電子在x、y、z方向的隧穿速度；T（x）為電子的隧穿概率。又任意勢壘的電子

隧穿概率可表示為：

其中：jin、jout 分別是進入膜層和穿過膜層的電流密度；U（x）為膜層中x方向任意點的勢型期；E是金直芯片電極表面速度為v 電子的能量。

當LED 芯片發(fā)生光生伏特效應時，流過芯片電極表面非金屬膜層的電流受到膜層厚度的影響，隨著膜層增厚，流過膜層的電流減小，流過LED 支架回路的光電流也將減小。

因此，引腳式LED 支架回路光電流的有無或大小能反映封裝工藝中LED 芯片的功能狀態(tài)及芯片電極與引線支架的電氣連接情況，因此，可通過檢測LED 支架回路光電流達到檢測引腳式封裝工藝中芯片功能狀態(tài)和封裝缺陷的目的。

5 結束語

在機器視覺的半導體芯片生產(chǎn)過程中，封裝是一個重要的過程。通過良好的封裝，可以保護機器視覺的半導體芯片，提高機器視覺的半導體芯片的熱導率。同時，還可以溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁和規(guī)格通用的功能，實現(xiàn)一般規(guī)格的功能。因此應加強封裝工藝的研究，提高封裝的效率和質(zhì)量。