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(dǎo)體工藝技術(shù)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(zhǔn)確性和及時性帶來了極大的挑戰(zhàn)。在重復(fù)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(shù)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(shù)，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(zhì)量問題。早期發(fā)現(xiàn)鍵合缺陷，剔除不合格品，消除質(zhì)量隱患[8]，可避免有質(zhì)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(zhì)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(nèi)容，介紹了設(shè)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(yīng)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(jié)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(shè)計須滿足檢測的完整性、準(zhǔn)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(yīng)的算法設(shè)計；準(zhǔn)確性即需要對檢測的方法進行反復(fù)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(zhǔn)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(shè)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(shè)計包括管殼識別定位、芯片識別定位、鍵合引線連接以及設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)置相應(yīng)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(shè)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(diào)試

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

檢測調(diào)試的關(guān)鍵點就是光線的設(shè)定及光線的過濾，過濾值的設(shè)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(nèi)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(yīng)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)焊球，建立標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)圖庫中的焊球進行相似度對比。相似度大于設(shè)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(jié)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(nèi)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(yīng)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(dǎo)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(biāo)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(nèi)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(shè)置檢測框，提取灰階躍變值后，根據(jù)灰階躍變坐標(biāo)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(nèi)指定光線的灰階躍變坐標(biāo)，取兩邊躍變點座標(biāo)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(dāng)，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(shè)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(shù)，檢測采用組合光檢測，設(shè)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(jié)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(shè)置是檢測準(zhǔn)確性的關(guān)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(fù)測試，得出最優(yōu)的灰階躍變值范圍。

5 結(jié)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(zhì)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(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品鍵合質(zhì)量問題，為工藝質(zhì)量的持續(xù)提升起到了有效的促進作用。