李孝軒，許立講，紀(jì) 樂，嚴(yán) 偉，嚴(yán)仕新

(1.南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039；2.蘇州德天光學(xué)技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215124)

3D組裝技術(shù)是在混合微波集成電路（HMIC）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代微波封裝和互連技術(shù)，它是將多個(gè)MMIC/ASIC芯片和其它元器件通過金絲鍵合技術(shù)組裝在三維微波多層電路互連基板上，形成高密度、高可靠和多功能的電路組件[1]。金絲鍵合“多”、“微”、“雜”，對(duì)組件的質(zhì)量至關(guān)重要，本文將對(duì)批量自動(dòng)化金絲鍵合后的鍵合質(zhì)量如何進(jìn)行快速有效的無損檢測進(jìn)行深入研究。

1 微波多芯片模塊自動(dòng)化生產(chǎn)對(duì)在線檢測的迫切需求

3D封裝又叫立體封裝，使平面級(jí)封裝變?yōu)榱Ⅲw級(jí)封裝，3D封裝技術(shù)開發(fā)和利用了第三維空間，是一種充分利用了長和寬以外的高度空間的封裝技術(shù)[2]。

3D封裝的優(yōu)勢：更輕和更??；更短的連接結(jié)構(gòu)；更高效的性能；更低的系統(tǒng)成本。

3D封裝的基本類型：

(1)芯片級(jí)堆疊(3D Die stacking)：通過焊線和晶圓凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)芯片疊加，實(shí)現(xiàn)電路連通，主要應(yīng)用于數(shù)子設(shè)備和存儲(chǔ)裝置。如圖1所示。

圖1 芯片級(jí)堆疊

(2)基板級(jí)堆疊(3D Substrate stacking)：數(shù)字模塊(見圖2)和LTCC基板級(jí)射頻模塊(見圖3)等。

圖2 數(shù)字模塊

圖3 LTCC基板級(jí)射頻模塊

(3)器件級(jí)堆疊(3D Package stacking)：SIP系統(tǒng)級(jí)封裝堆疊，更加復(fù)雜的多芯片模塊疊加。見圖4。

圖4 多芯片模塊疊加

微組裝技術(shù)在通信領(lǐng)域獲得了較快的發(fā)展，在手機(jī)中的應(yīng)用尤其迅猛和較高的成熟度。手機(jī)已成為高密度存儲(chǔ)器最強(qiáng)、最快的增長動(dòng)力，它正在取代PC成為高密度存儲(chǔ)器的技術(shù)驅(qū)動(dòng)，在2008年手機(jī)用存儲(chǔ)器可能超過PC用存儲(chǔ)器。用于高端手機(jī)的高密度存儲(chǔ)器要求體積小、容量大，勢必采取芯片堆疊。

其次，在軍事通信、雷達(dá)測控等領(lǐng)域也獲得較快的進(jìn)展，在我們的產(chǎn)品中正開發(fā)應(yīng)用三維LTCC多層基板及型腔結(jié)構(gòu)基板和相應(yīng)的立體組裝技術(shù)的研究。

在使用微組裝技術(shù)生產(chǎn)微電子產(chǎn)品的全過程中，根據(jù)有關(guān)資料，失效類型和比例為：有源器件31.3%、線焊(金、鋁、銅絲、帶鍵合)23.2%、沾污21.4%、基片8.9%、外殼封裝6.3%、芯片貼裝1.8%、其它7.1%。可見線焊(金、鋁、銅絲、帶鍵合)的失效比例排在容易發(fā)生質(zhì)量問題的第二位，這是由于一個(gè)微電子產(chǎn)品的模塊中金絲的數(shù)量很多，只要一、兩根金絲發(fā)生失效，就會(huì)危及這個(gè)微電子模塊乃至整機(jī)系統(tǒng)的正常工作。因此，確保金絲鍵合質(zhì)量就顯得十分重要。已有專文對(duì)鍵合前的鍵合工藝規(guī)范進(jìn)行校驗(yàn)確認(rèn)的統(tǒng)計(jì)過程控制的研究,發(fā)現(xiàn)了金絲鍵合操作人員與設(shè)備間的適應(yīng)性問題，對(duì)優(yōu)化設(shè)備和人員配置,為操作人員提高鍵合技能和保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)起到了一定的積極作用[3]。采用自動(dòng)化的鍵合設(shè)備將避免人和設(shè)備的匹配性問題，組件模塊內(nèi)所有的金絲、金帶可以通過一個(gè)程序完成，鍵合的跨距和拱高的一致性都能得到精確控制。

為了實(shí)現(xiàn)微波多芯片模塊的批量化可靠生產(chǎn)，在其生產(chǎn)流水線上于模塊的自動(dòng)金絲、金帶鍵合后增加一個(gè)自動(dòng)光學(xué)檢測設(shè)備(AOI)，對(duì)模塊中的幾百乃至上千根金絲進(jìn)行檢測，以代替人工檢測(容易漏檢和速度慢)。

2 微焊點(diǎn)自動(dòng)光學(xué)顯微檢測儀的用途和意義

“微焊點(diǎn)自動(dòng)光學(xué)顯微檢測儀”是針對(duì)電子信息產(chǎn)業(yè)在采用最新的一代電子、信息產(chǎn)業(yè)制造革命-3D封裝時(shí)對(duì)集成電路封裝、微組裝、陶瓷電路封裝、以及半導(dǎo)體封裝內(nèi)的金屬線安裝鍵合狀態(tài)及導(dǎo)電膠填充和印刷狀態(tài)的檢測。檢測在3D封裝時(shí)的微小金屬線的斷線、微小金屬線的脫焊、串線、短路、無線、偏線以及導(dǎo)電膠填充、印刷的不良狀態(tài)的檢測、陶瓷電路沖孔的不良狀態(tài)的檢測等等和3D封裝在組裝、鍵合時(shí)出現(xiàn)的斷路、引線浮起、虛焊、偏移、少錫、短路、無錫等的檢測[4]。

微焊點(diǎn)自動(dòng)光學(xué)顯微檢測儀分為三部分：光學(xué)部分、圖像處理部分和運(yùn)動(dòng)控制部分。它的基本原理是：先通過運(yùn)動(dòng)控制部分將相機(jī)移動(dòng)到指定的檢測位置，然后通過光學(xué)部分獲得需要檢測的圖像；通過圖像處理部分來分析、處理和判斷從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)檢測的目的。圖像處理部分需要很強(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。有的自動(dòng)光學(xué)檢測設(shè)備的軟件有幾十種計(jì)算方法，例如紅綠藍(lán)各自所占的比例、彩色、合成、求平均、求和、求差、求平面、求邊角以及辛群和方差等等[5,6]。

傳統(tǒng)的自動(dòng)光學(xué)檢測儀目前有許多成熟的圖像分析技術(shù)，包括模板匹配法(或自動(dòng)對(duì)比)、邊緣檢測法、特征提取法(二值圖)、灰度直方圖法、傅里葉分析法、光學(xué)特征識(shí)別法等，每個(gè)技術(shù)都有優(yōu)勢和局限。這些算法總的說來是通過一定的數(shù)學(xué)算法來建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，然后以這個(gè)模型為標(biāo)準(zhǔn)與待檢圖像進(jìn)行對(duì)比即圖像對(duì)比法、分析得出待檢品是否合格，如不合格，那么屬于哪類不合格、從而對(duì)不合格產(chǎn)品進(jìn)行分類，進(jìn)而分析不合格產(chǎn)品產(chǎn)生的原因，并將這些原因，及時(shí)地通知上游生產(chǎn)線對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行及時(shí)糾正。如片狀電容或QFP，并用該信息產(chǎn)生一個(gè)剛性的基于像素的模板，在檢測位置的附近，傳感器找出相同的物體，當(dāng)相關(guān)區(qū)域中所有點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估之后，找出模板與圖像之間有最小差別的位置停止搜尋，系統(tǒng)為每個(gè)要檢查的物體產(chǎn)生這種模板，通過在不同位置使用相應(yīng)模塊，建立對(duì)整個(gè)板的檢查程序，來檢查所有要求的元件。由于元件檢測圖像很少完全匹配模板，所以模板是用一定數(shù)量的容許誤差來確認(rèn)匹配的，如果模板太僵硬，可能產(chǎn)生對(duì)元件的“誤報(bào)”；如果模板松散到接受大范圍的可能變量，也會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)。

微焊點(diǎn)自動(dòng)光學(xué)顯微檢測儀的主體算法是采用拓樸法。拓樸法是研究多維物體的點(diǎn)、線、面、體積的動(dòng)態(tài)的多維圖形變化規(guī)律的科學(xué)。這一算法的優(yōu)點(diǎn)是能很快地捕捉多維圖像變化的各種規(guī)律，以規(guī)律而得出科學(xué)的結(jié)論，因而它是一種智能型的算法。

3 在線鍵合金絲檢測技術(shù)研究進(jìn)展和典型缺陷檢測

3.1 模塊自動(dòng)進(jìn)、出料

為了實(shí)現(xiàn)在線檢測，必須完成模塊從鍵合機(jī)出料口出來后自動(dòng)進(jìn)入檢測儀，在完成檢測后，能自動(dòng)走出，流轉(zhuǎn)到下道工序，我們在機(jī)器中設(shè)計(jì)了運(yùn)行導(dǎo)軌，高度與前后設(shè)備一致，在設(shè)備進(jìn)出口設(shè)置感應(yīng)器，與前后設(shè)備間配置了SEMAMA的信號(hào)控制接口。通過設(shè)備軟件程序的控制，完成了模塊在檢測儀上與前后道的節(jié)拍控制和自動(dòng)進(jìn)出料。

3.2 條形碼設(shè)別和質(zhì)量信息的存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸

模塊在線上流轉(zhuǎn)的批量很大，必須即時(shí)處理相關(guān)質(zhì)量信息，我們對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行了條形碼制備、粘附和識(shí)讀技術(shù)的研究，開發(fā)了軟、硬件條件，實(shí)現(xiàn)了微波多芯片模塊的身份設(shè)備和相應(yīng)檢測信息的存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量數(shù)據(jù)和圖片信息的遠(yuǎn)程傳輸，便于在線和離線質(zhì)量信息的統(tǒng)計(jì)，為統(tǒng)計(jì)過程控制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3 圖象掃描與合成

由于金絲直徑(25μm)很細(xì)，其檢測要求遠(yuǎn)高于SMT表面組裝印制板上片式元器件的檢測，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、鏡頭放大倍率的提升、環(huán)行燈光顏色亮度的控制，圖象掃描與合成軟件開發(fā)，終于消除了原先圖形的瑪塞克現(xiàn)象，達(dá)到了2μm的高分辨率。

3.4 典型缺陷檢測

在上述研究成果的基礎(chǔ)上，在模擬和實(shí)際產(chǎn)品上進(jìn)行了定位基準(zhǔn)的設(shè)別一致性考核試驗(yàn)，對(duì)同塊基板，數(shù)次進(jìn)出，原先存在定位基準(zhǔn)設(shè)讀出錯(cuò)現(xiàn)象，通過分析，改變道軌的松緊度、阻擋塊設(shè)定、搜索范圍調(diào)整及軟件程序優(yōu)化，解決了同塊基板進(jìn)出基礎(chǔ)設(shè)別的重復(fù)性問題。

在此基礎(chǔ)上完成了：錯(cuò)位、無線和斷線等典型缺陷的檢測(見圖5、圖6、圖7)。在組件中的密集引線檢測中存在一定的誤報(bào)率，還有待進(jìn)一步的研究。尚需對(duì)不同LTCC基板由于燒結(jié)過程的收縮率差異造成的檢測難點(diǎn)進(jìn)一步研究檢測算法和對(duì)前道進(jìn)行一致性的控制。

圖5 錯(cuò)位缺陷的檢出

圖6 無線

4 結(jié)論

圖7 斷線

我們目前已實(shí)現(xiàn)微波多芯片模塊自動(dòng)鍵合后的自動(dòng)光學(xué)檢測，檢測出相應(yīng)典型缺陷，很好地滿足了產(chǎn)品生產(chǎn)需要。

我們認(rèn)為在未來檢測設(shè)備的需求上應(yīng)采用高速、高精度的線性電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)和控制系統(tǒng)，采用可變焦、可編程的軟件控制技術(shù)解決多芯片模塊應(yīng)用三維立體組裝LTCC腔體基板帶來的大景深測試需求。

[1]李孝軒，李冰川，禹勝林.模糊判別法用于金絲鍵合拉力強(qiáng)度提高的工藝優(yōu)化[J]，電焊機(jī)，2008，38（9）：50-53.

[2]李元萍,呂香莉.SPC法-未來電子組裝產(chǎn)品質(zhì)量的保證[J].電子工藝技術(shù).1999,20(1):39-41.

[3]李孝軒,丁友石,嚴(yán)偉.統(tǒng)計(jì)過程控制用于金絲鍵合質(zhì)量控制研究[J].電子工藝技術(shù).2009,30(6):346-348.

[4]計(jì)紅軍,李明雨,王春青.超聲引線鍵合點(diǎn)形態(tài)及界面金屬學(xué)特征[J].電子工藝技術(shù).2005,26(5):249-253.

[4]晁宇晴,楊兆建,喬海靈.引線鍵合技術(shù)進(jìn)展[J].電子工藝技術(shù).2007,28(4):205-210.

[5]李元萍,呂香莉.SPC法-未來電子組裝產(chǎn)品質(zhì)量的保證[J].電子工藝技術(shù).1999,20(1):39-41.

[6]呂青霞.再流焊工藝的統(tǒng)計(jì)過程控制[J].電子工藝技術(shù).1999,20(2):82-83.