高端芯片先進封裝過程中視覺檢測功能的強化研究

洪海敏，劉飛飛，王道遠,謝晶晶

（深圳市國電科技通信有限公司，廣東深圳，518045）

0 引言

高端芯片是衡量科技水平的重要指標之一，其在科技領域的地位至高無上。隨著現(xiàn)階段科學技術的發(fā)展，電子產(chǎn)品正朝著小型化、高性能的方向發(fā)展，在此基礎上，對高端芯片的封裝技術也提出了更高的要求，同時，先進封裝過程中的視覺檢測功能也越來越受到人們的廣泛關注。

1 封裝技術

半導體工藝的制造過程由前道、后道兩部分組成。前道部分的制造技術涉及的知識內容比較復雜，對工藝的要求更精準，數(shù)量更多。半導體工藝制造的過程以及儀器之間也往往存在著密不可分、相互影響的關聯(lián)。所以，半導體工藝的制造被普遍認為是當今世界上最復雜最細致的技術。

后道部分的封裝工藝相對前道部分的技術來說要簡單得多。但是由于半導體儀器種類豐富，體積較小，而且有的產(chǎn)品批次需要分開制作，就要求操作技術更精細化。所以，半導體在后道部分的封裝技術仍舊是一個多樣化、復雜的制作過程。就目前我國在半導體封裝工藝的生產(chǎn)水平來看，在工作效率方面依然具備很大的進步空間。

2 半導體封裝技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 芯片保護

隨著科技的不斷進步，半導體封裝技術正向著小而薄的方向發(fā)展。與傳統(tǒng)的封裝模式不同的是，目前我國的半導體封裝工藝正在朝著樹脂型這樣簡便易操作的技術方面發(fā)展，除了需要保護芯片的完整以及運行的速度，還要保證半導體芯片在搭載過程中連接的可靠性。

2.2 通用性及封裝界面標準化

隨著半導體工藝的應用越來越廣泛，未來的封裝技術也越來越先進。如果我們的技術還停留在過去20年的階段得不到任何發(fā)展，就會阻礙半導體工藝技術的進步，妨礙我國科學技術的發(fā)展。所以要積極創(chuàng)新，推陳出新，依據(jù)時代發(fā)展的步伐以及要求制造半導體。即使半導體的設計工藝非常的豐富多樣也非常的復雜多變，但深入了解并分析拾取技術是為了半導體封裝工藝中的通用性以及標準化發(fā)展的主要方向。與此同時，對半導體技術的后道部分的設計間距、尺寸大小以及封裝需要用到的材料等方面進行創(chuàng)新發(fā)展，更甚于對模板界面的設計更加標準化，都應該成為以后半導體封裝技術研究的關鍵內容。

2.3 散熱冷卻功能

通過對半導體芯片的性能進行深入的研究以及分析之后我們可以知道，未來的社會中我們需要技術更加精湛的半導體封裝工藝，甚至達到亞0.1nm的階段。到那時，大規(guī)模集成電路的功耗都將進一步增加，而功耗增加會使半導體發(fā)熱，研究散熱冷卻技術在未來一段時間內都將是半導體封裝技術的重要發(fā)展方向。

3 視覺檢測功能

視覺檢測功能是半導體芯片制造過程中的關鍵部分，也是檢測半導體芯片能否應用的重要環(huán)節(jié)。在這個過程中。對半導體芯片產(chǎn)品的定位以及品質檢測是至關重要不可或缺的，決定了芯片的質量是否能達到使用要求。接下來講主要介紹視覺檢測功能的應用范圍：

（1）點膠的定位以及質量檢測：此功能主要有兩方面的內容，一是指對點膠技術的位置情況進行辨別并定位，將點膠的具體位置反饋給運動馬達。二是指對已經(jīng)完成點膠工藝的地方進行質量的監(jiān)測，保證產(chǎn)品沒有畸形等產(chǎn)品缺陷。

（2）芯片貼裝圖像的定位以及質量檢測：此功能主要有兩方面的內容，一是指對芯片的貼裝圖像的位置情況進行辨別并定位，將芯片貼裝圖像的位置反饋給芯片貼裝運動馬達。二是抵御已經(jīng)完成芯片貼裝圖像的地方進行質量的監(jiān)測，保證芯片貼裝圖像沒有出現(xiàn)畸形、破損、臟污等情況的出現(xiàn)。

（3）芯片抓取定位檢測：此功能指的是對需要貼裝的芯片的位置進行監(jiān)測，把芯片的具體位置情況反饋給芯片貼裝運動馬達。

圖1 全自動芯片貼裝設備

4 芯片封裝過程中對視覺檢測功能的強化研究

在芯片貼裝的定位、對芯片質量進行監(jiān)測的過程中，這兩個功能非?；竞椭匾皇切酒N裝位置進行定位，二是對貼裝后的芯片貼進行質量的檢測。對芯片貼裝位置進行定位的目的是為了依據(jù)對圖像的辨別，找到與成像圖像類似的情況，計算出圖像和圖像中心的距離像素差，依據(jù)比例計算出實際的位置，在控制中心系統(tǒng)中輸入實際的距離位置，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)轉換為相對應的馬達控制信號傳送到芯片貼裝動作模塊；對芯片品質進行檢測的主要目的是為了根據(jù)視覺影像圖片的辨別，找到成像圖片中的相似標的物，根據(jù)圖片中相似物體的成像，核算控制相關的像素數(shù)據(jù)，根據(jù)像素和實際物體的比例轉換為控制數(shù)據(jù)，獲得的數(shù)據(jù)輸出到控制中心系統(tǒng)，由系統(tǒng)分析控制要求與數(shù)據(jù)對比，判斷圖片中的芯片貼裝能否符合品質控制要求。

實際制作過程中，芯片安裝位置定位功能識別要求簡單，對圖像識別和分析的要求并不高，即使圖像辨別能力不行無法獲得數(shù)據(jù)，也可要求操作員通過報警提示進行成像檢查，檢查確認標的物位置正確，然后正常生產(chǎn)。在全自動芯片貼裝制造過程中，由于所需要貼裝 Die 的尺寸較小，一般為1000～1500um，厚度為 300um～600um，同時所貼裝的位置范圍也很小，因此對貼裝精度的要求一般為±35um，旋轉角度為±5°,此為一般品質控制要求。因此對芯片貼裝后的品質檢測功能要求的檢測數(shù)據(jù)包含：

（1）貼裝后的芯片大?。菏侵感酒拈L、寬，以及芯片上的引腳尺寸大??；

（2）芯片貼裝的位置情況：是指芯片貼裝后和實際所需數(shù)據(jù)的偏移間隙差距；

（3）芯片貼裝的角度：指芯片貼裝后和其他參考對象的角度差；

（4）芯片貼裝用到的點膠量：指芯片貼裝后四個邊部分溢出的膠量。

4.1 芯片貼裝圖像數(shù)據(jù)特征分析

芯片貼裝后的共性與美元貼裝芯片的引腳區(qū)域幾何形狀以及位置大致相同，都沒有改變，產(chǎn)生變化并且有差異是需要進行檢測以及測量的貼裝后的芯片，芯片的位置情況、貼裝形狀等都不一樣，關鍵要確認基本的可識別的引腳區(qū)域是否一致，符合相似特性，為一樣的制造產(chǎn)品，然后依據(jù)類似特征的引腳區(qū)域幾何特性，明確貼裝后的芯片尺寸、外觀、與特征區(qū)域的位置等。作為目標物的引腳區(qū)域可能是不規(guī)則的幾何體，采用了基于幾何特征的辨別方法，一定確認引腳區(qū)域所在的位置，在這基礎上，對芯片區(qū)域進行區(qū)分，區(qū)分為一類芯片、二類芯片所處的位置、尺寸大小、外觀，作為測量數(shù)據(jù)。

4.2 芯片貼裝圖像測量系統(tǒng)設計

芯片貼裝的圖像對引腳區(qū)域定位點的要求非常準確，同時對圖像質量的要求也比較高，所以可以采用存儲量小以及對光照不敏感地根據(jù)幾何特征的模式識別算法。此設計模式由兩部分組成：

（1）根據(jù)外引腳區(qū)域的特征算法，找到特殊的引腳識別方位，對產(chǎn)品類型進行辨別，也對整個芯片方位進行定位情況，找到中心位置并確認。該過程分為四個步驟：第一步是載入圖像和對圖像進行預處理；第二步是根據(jù)模式辨別芯片貼裝外引腳區(qū)域的基礎位置信息，提取外引腳的定位數(shù)據(jù)；第三步在識別圖像范圍內根據(jù)模式辨別芯片貼裝區(qū)域內引腳的精確位置信息以及對產(chǎn)品類型進行進一步的確認；第四步確認芯片貼裝區(qū)域的中心位置以及產(chǎn)品特征引腳的位置情況。

（2）根據(jù)幾何形狀的算法，對芯片內的貼裝圖像進行精確的定位，計算貼裝芯片和中心位置的距離、尺寸大小、以及芯片的角度。

4.3 對半導體芯片貼裝的圖像進行預處理

（1）采用二值化的方式處理圖像

可以利用閾值法對半導體芯片的貼裝圖像進行處理。首先需要設定閾值為T,把灰度值設定為1或255。經(jīng)過對閾值進行二值化處理之后i，就可以從背景圖像中把目標圖像分開，對后面將要進行的操作更加方便。雖然進行值化算法的種類非常豐富，比如雙峰法以及迭代法。這兩種方法都有各自的優(yōu)點以及不足，但都是依據(jù)圖像的某種特征針對性的進行處理。所以在接下來的步驟中，迭代法是一個最合適的方法，能夠使我們在處理圖像的這個環(huán)節(jié)獲得最佳的試驗效果。

迭代法把初始閾值設置為圖像的平均灰度為T1，然后把像素點分開成為兩個部分，再測算這兩個部分的平均灰度,小于T1 的部分為Tα，大于T1的部分為Tβ，求Tα以及Tβ的平均值T2，將T2作為全新的閾值替換為T1，再重復上述步驟,如此迭代,一直到Tk收斂。

4.4 圖像去噪

圖像去噪也是圖像預處理中的一個重要環(huán)節(jié)，以及圖像識別技術的精準度是密切關聯(lián)的。由于在收集以及記錄芯片貼裝圖像的信息的過程中會遭遇各種干擾，尤其是在對圖像進行二值化處理后,圖像上會產(chǎn)生一些噪音以及毛刺,對圖像的質量造成不利影響，從而妨礙特征提取,對圖像識別的精準度產(chǎn)生不利影響。所以，對圖像進行去噪處理是圖像預處理過程中的一項關鍵步驟。在對圖像進行預處理的過程中，務必清理干凈這些噪音點。圖像去噪的方法只要是主要采用時域與頻域來解決。這兩種方式有著很明顯的優(yōu)點以及不足。時域的優(yōu)點是簡單、快速,但是會遺漏很多點之間的重要細節(jié);頻域的優(yōu)點是能夠細致地將點之間的相關信息分離開來，但這個方法的計算量就會大很多。

5 芯片貼裝外引腳區(qū)域的設計

5.1 對外引腳區(qū)域進行適當?shù)牟眉?/h3>

對芯片的外引腳區(qū)域進行剪裁是指把芯片貼裝過程中的多余部分修剪掉，將其中有價值的部分留存下來。因為在芯片的貼裝過程中不僅僅只有一個圖像，二十有多個圖像，這就涉及到圖片的識別以及選取，這時候，就需要選擇最適合，離攝像頭最近區(qū)域的產(chǎn)品的那個圖像，之后對其進行剪裁，保留最要緊的部分。

5.2 對外引腳區(qū)域進行進一步精確的處理

在完成了對芯片的外引腳區(qū)域的剪裁之后，需要進一步精確定位圖像的位置區(qū)域。這個時候，可以借鑒Hough變換的直線開展監(jiān)測，首先把外引腳區(qū)域的邊框部分的四條直線定位出來，會獲得對應的定位以及角度數(shù)值。接著就需要對芯片的外引腳區(qū)域進行最后的精準的圖像位置的整理。需要用到的方法有兩個，意識將與外引腳區(qū)域無關的圖像消除，二是將半導體芯片進行旋轉已達到最佳的效果。

5.3 對芯片的貼裝狀態(tài)進行檢測與完善

只有對圖像做了精準的處理，對芯片的外引腳區(qū)域妥善處理了之后，才能確保接下來對半導體芯片的貼裝位置進行準確無誤的計算以及測量，保障圖像在貼裝過程中不會出現(xiàn)特殊的情況。檢測完成之后，對有問題的地方進行及時的調整。之后，會開始測試半導體芯片的貼裝狀態(tài)，這主要包含；半導體芯片貼裝的位置、尺寸大小、芯片的角度位置以及需要使用到的膠量。

6 結束語

在電子信息技術的發(fā)展以及市場對半導體技術的需求越來越精細化發(fā)展的當今時代，半導體技術生產(chǎn)廠家需要針對市場需求以及時代需要進一步對半導體的封裝工藝進行創(chuàng)新以及升級。深入認識并梳理半導體前道部分以及后道分布的關聯(lián)，掌握半導體封裝過程中的關鍵技術，在充分了解半導體封裝工藝以及市場需求的基礎上制造出符合時代發(fā)展以及現(xiàn)階段使用要求的產(chǎn)品，在這個過程中，也要積極引入新方法以及新理念，幫助半導體封裝技術的產(chǎn)業(yè)更新以及升級。