【毕业学位论文】微电子封装激光植球系统设计及实验研究

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘 要 在微电子封装技术中，倒扣互连由于接触面积大、连接距离短、信号传输可靠等优点而得到广泛应用。倒扣互连中凸点的制备至关重要，它影响到封装的质量，然而微电子 器件对污染非常敏感，要求凸点制作过程应该不施加助焊剂 ， 因而采用激光重熔 凸点 制作 技术 的激光植球设备就应运而生了。 本文根据植球过程中操作对象小、精度要求高的特点，建立 了基于显微视觉 技术 的激光植球实验 系统 ； 研究了 实现 焊盘视觉定位与植球 、凸点外观质量检测和不合格凸点返修三个功能的相应技术 ； 开发了一套系统控制软件，并最终进行了系统实验研究。 首先 ， 对激光植球系统的功能及指标要求进行深入分析，确定了通过显微视觉技术进行焊盘定位和凸点质量检测的方案，搭建了由机械、显微视觉、激光、气动和控制系统组成的激光植球实验平台 。 其次 ， 研究了激光植球实现过程中的关键环节，即焊盘中心的视觉定位。本文提出了一种适合焊盘图像的中心坐标检测算法，该算法包括二值去噪、边缘提取和亚像素中心检测 。 在实现亚像素中心检测上提出了 一种 改进的随机 换，并将其与最小二乘法相结合，通过先粗 定位 后精 检测 的方式快速准确地 提取出焊盘中心的亚像素坐标， 满足 了系统图像识别精度的要求。 再次 ， 分析了凸点外观图像的特点，确定使用加速后的归一化互相关匹配算法，并 基于该算法提出了一套适用于凸点质量检测的方法 。 该方法 还 包括连通域标记和凸点中心检测 算法 ， 它根据 多个算法共同作用 的结果 来判定凸点所属的质量类型。判断出凸点质量类型后再采取偏心凸点先激光重熔后激光植球、脱落凸点直接激光植球的方式进行返修，确保最终的凸点质量。 最后 ， 开发了激光植球系统的控制软件，并通过软件进行了中心 检测算法精度测试实验、 激光参数 测 定实验、焊盘 植球实验、凸点外观质量检测和不合格凸点返修实验，达到了 系统 指标要求 ， 可以应用到实际凸点的制作中 。 关键词 ： 倒扣互连 ； 凸点制作； 显微视觉 ；中心检测； 质量检测 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - s of is as of so of is in in it to no to to of on is of of of is of a to of is to be of is of of s is A is it of In to an is it is of s by it of to of s is to be a s is on of s 尔滨工业大学工学硕士学位论文 - to of s is is to be in to of is is of is on of of of At it of be to 尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 目 录 摘要 . I . 1 章 绪论 . 1 题的研究目的和意义 . 1 内外研究发展现状 . 2 互连技术概述 . 2 内外凸点制作与键合系统发展现状 . 3 觉定位与检测现状 . 4 题来源 . 6 题主要研究内容 . 7 第 2 章 激光植球系统设计 . 8 言 . 8 光 植球系统工作流程 . 8 光植球系统的建立 . 9 械系统 . 9 微视觉系统 . 11 光系统 . 15 动系统 . 16 制系统 . 18 章小结 . 19 第 3 章 焊盘视觉定位与植球 . 20 言 . 20 动调焦 . 20 焦评价函数的特征 . 21 焦评价函数的选择 . 22 动调焦实验 . 23 盘中心检测 . 25 值分割 . 26 值去噪 . 29 缘提取 . 34 心检测 . 37 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - V - 位 列焊盘中心 . 47 光植球 . 48 标转换 . 48 盘植球 . 49 章小结 . 50 第 4 章 凸点外观质量检测 . 51 言 . 51 用图像配准算法 . 51 于灰度信息的方法 . 51 于特征的方法 . 53 准算法的选择 . 54 一化互相关匹配 . 54 . 56 种匹配算法的比较及选择 . 56 点外观质量检测 . 57 量检测算法 . 57 量检测实验 . 58 合格凸点返修 . 59 章小结 . 60 第 5 章 激光植球系统实验 . 61 言 . 61 验系统 . 61 统软件 . 61 盘定位与植球实验 . 63 心检测算法实验 . 63 光参数测定实验 . 65 盘植球实验 . 67 点质量检测及返修实验 . 67 章小结 . 69 结论 . 70 参考文献 . 71 攻读学位期间发表的学术论文 . 76 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 77 致谢 . 78 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第 1章 绪论 题的研究 目的和意义 当今世界电子产业已经成为信息产业的核心和基础，电子信息产业的发展水 平高低与国民经济信息化的进程息息相关，它标志着一个国家的工业发展水平及综合国力。建立在电子电路技术进步基础上的全球信息化、网络化和知识经济浪潮，使 微电子 产业的战略地位越来越重要，对国民经济、国防建设和人民生活的影响也越来越大 1。 据估计我国集成电路 的年消费将达到 932 亿美 元 ，约占世界市场的 20%，其中的 30%将用于电子封装， 其 年产值将达几千亿人民币 。 现在每年全国大约需要 180 亿片集成电路，但 自行 制造 ， 特别是封装的不到 20%。 先进封装技术的发展使得日本在电子系统、特别是家电消费品的小型化 方面 走在了世界之前 。 微电子行业随着电子行业的发展而迅速崛起，应用前景十分广阔。 在微电子机械 (微传感器等器件及微系统的封装制造中，由于形式多样且非标准化，要求封装设备具有适应性强、敏捷化的特点。由于 微系统与半导体集成电路器件的许多差异，其封装与装配 技术需要不同的特殊方法，目前微系统的封装技术远没有集成电路器件的封装技术成熟。 互连是封装的关键技术， 装中的互连技术除实现电气互连外，还要完成微部件的安装和装配，机械精度是一个重要的指标；互连过程应同时完成对元件的组装特别是自组装，如位移、旋转、翻转、树立、对准、夹持、固定等动作；由于微机械部件的脆弱性，封装过程的力、热的影响有严格的限制。 集成电路中倒扣 (连的凸点绝大多数采用蒸镀或者溅射的方法预置钎料合金于焊盘上，然后重熔成凸点。需要掩模和光刻工艺，成本高，适合于大批量 、多凸点、标准化生产，也仅适合于平面凸点制作。在球栅阵列(装上有采用钎料印刷和重熔方法制作凸点的，但不适合在芯片上进行。 在 微系统等的封装上更需要适应性强、面向三维和立体封装、同时适合不同尺寸凸点的凸点制作技术。 件对污染非常敏感，要求凸点制作过程应该不施加助焊剂 无钎剂钎料重熔。凸点制作完毕后如果经过长期储存再进行倒扣键合，凸点表面会再次氧化，倒扣时就需要再次施加助焊剂，会造成二次污染。因此凸点制作 键合一体化设备就非常必要。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 内外 研究发展现状 互 连 技术 概述 电子封装有四种基础技术，即成膜技术、微互 连 技术、基板技术、封装与密封技术。微互 连 技术起着承上启下的作用，无论是芯片装连在载体上还是封装在基板上，都要用到微互 连 技术，微互 连 技术可以说是电子制造的基础技术和专有技术。微互 连 技术包括引线键合技术 (载带自动焊技术 (倒装芯片技术 ( 2。 引线键合互连是芯片和载体间常用的互连方法。引线键合是将半导体芯片焊区与电子封装外壳的 I/O 引线或基板上技术布线 用金属细丝连接起来的工艺技术。 引线键合示意图如图 1示。 焊接方式主要有热压焊、超声键合焊和金丝球焊。热压键合焊过程中，由于受热容易使焊丝和焊区形成氧化层，同时芯片容易形成特殊的金属氧化物，从而影响焊点可靠性，因此热压键合使用得越来越少。与热压键合相比，超声键合能充分去除焊接界面的金属氧化膜，焊接质量较高，不需加热，对芯片的损伤较小。超声键合具有可在较低温度下连接而不易氧化、对接触表面洁净度不敏感等优点，广泛用于各类集成电路中。 塑 料 基 板导 电 粘 胶引 线 架导 线 丝外 引 线I C 芯 片铝 膜封 装 树 脂图 1- 1 引线键合示意图 of 带自动焊技术技术是芯片引脚框架的一种互 连 工艺，首先在高聚物上做好元件引脚的导体图样，然后将植有凸点的晶片按其键合区对应放在上面，通过热电极一次将所有的引线进行键合，从而实现芯片与基板间的互连。 载带自动焊 技术比较成熟，自动化程度较高，是一种高生产效率的内引线键合技术。主要优点是成本低，在印制板上的断面形状比较低，所用引线短，电感小， 电气性能好。 倒装芯片技术是目前半导体封装的主流技术，是将芯片倒置后直接装配在基片上，互连介质是芯片和基片上的焊区。倒装的示意图如图 1示。倒装哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 芯片技术的优点是焊区可以做在芯片的任何部位，所以芯片的利用率很高。由于消除了键合引线和封装，组装密度很高 3。 芯片 芯片 基 片芯 片凸 点背 面正 面基 片凸 点树 脂图 1- 2 倒装示意图 of 国 内 外 凸点制作与 键合 系统发展现状 德国 装公司开发了一种基于激光的钎料球凸点喷射机 ( 如图 1示， 特点如下：适应多种钎料合金 ( 可以实现三维封装，尤其适用于 装中的敏感薄膜元件和光电子元件等； 够实现 50m150射速度为 每秒 10 个球。 一个特征是具有返修功能，可以实现单个钎料凸点的去除和替换 4。在金焊盘上可以实现无钎剂的凸点制作 ， 对于昂贵的高端产品而言可以提高产量和生产能力 ，但 该设备没有倒扣键合功能。 美国 司开发了钎料熔液喷射型的凸点制作技术，利用电磁力将熔化的钎料合金溶液通过小孔喷射到焊盘上 ，设备平台如图 1示 。 但这两种方法都有 成型不好和与焊盘的连接不稳定 的缺点 ，还需要再次重熔整形。 图 1- 3 司 的 喷射机 图 1- 4 司的喷射台 s s 尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 美国 微机 器人的研制中采用钎料熔滴方法实现机器人腿的自组装。由于整体加热，为了防止温度过高，采用纯 点160 )作为钎料。利用钎料的润湿力使机械腿自动定位于给定位置 ， 该方法有效地避免了人工安装容易损坏机械腿的问题。 他们 还利用这种方法实现了微旋转风扇的自组装。 近年来国内在凸作制作与键合方面也取得了一定进展， 哈尔滨工业大学在国家自然科学基金的资助下完成了超声激光无钎剂软钎焊方法的研究 5，获得国家发明专利 授权。该方法比 司的技术先进的是可以在铜焊盘上实现无钎剂的凸点制作，其原理是利用高频交变输出的激光在钎料液滴中产生超声频振动，产生空化作用去除焊盘 表面的氧化膜。另一项获得国家发明专利的技术是用激光熔化合金钎料丝 直接制作凸点的方法，其特点是利用激光熔化合金钎料丝产生高温熔滴，熔滴本身携带的热量实现与焊盘的连接，避免使用价格较贵的锡球。并为一公司完成了微磁头锡球键合技术的开发，锡球直径 80120m，键合时间 10在倒扣互连封装技术的需求下，加上激光重熔凸点制作技术的支撑，用于凸点制作的激 光植球系统则应运而生了 。 觉定位与检测现状 凸点制作 与 键合过程中操作对象小 (通常是微米级 )，且精度要求高 (通常是微米级 )。 传统 手工操作由于效率和精度都较低，难以满足要求 。 显微 视觉技术能够用摄像机代替人眼来做测量和判断，它具有非接触、柔性好、精度高、速度快、自动化和智能化水平高等优点。基于这些优点，将其引入到 凸点制作与键合 设备中，可更为方便、精确、快速地 进行定位与检测 ，充分提高 凸点制作的质量与效率 、 提高键合的精度等。 因而国内外很多封装公司及研究单位 都进行了视觉系统的相关研究及应用。 加拿大 尔森大学 )研制了“ 自动化生物显微系统 ”， 通过显微视觉系统 对微小生物进行定位操作 ； 加拿大 伦多大学 )研制了基于显微视觉的“六自由度 器人” ，用于 构建三维微机电系统结构 ， 如图 1示 6,7。 美国 俄亥俄州立大学哥伦布分校 (发了“集成视觉伺服系统” 8。 美国明尼苏达大学开发了用于胚胎生殖领域的半自动注射系统，该系统利用视觉系统搜寻捕捉细胞 9。 美国 胚 胎 微注射系统 ，如图 1示 。系统由一个操纵杆和一哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 个交互式图形用户界面 组成。操作者根据图形用户界面对细胞图像的处理来操作操纵杆 进入囊胚胚胎干细胞 10 图 1- 5 基于视觉的 六自由度 器人 图 1- 6 胚胎微注射系统 6on 前研究高性能芯片封装设备的公司如 司、 K&S 公司、 司、德国 本 司、 司等都自主开发了适应 于封装设备的视觉定位 与检测 系统。 司的 像模块及自动聚焦系统能够处理准料盘，产能可达每小时 1000 器件，系统如图 1示。 日本 列贴片机采用了新的图像处理技术，视觉定位系统使用 3 个中两个分别 拍 摄吸附在吸嘴上的芯片图像和工作台上基板的图像，第三个 于对封装过程中温度波动引起的误差进行修正 13。日本 司开发的视觉定位系统以红外 光为光源，基板和芯片面对面放置， 取穿透基板和芯片的红外光，图像处理单元测量两者表面上圆形标记的位置，控制单元调整工作台完成对准。 德国 司研制了一种针对 装芯片进行返修的设备，该设备配备了半自动的视觉对准系统，通过特定的光路设计，可以使用一个 时获取芯片和基板的图像。 司开发了装焊贴片机，该贴片机使用 两个 头来实现芯片和基板的对准。 图 1- 7 像模块 及自动聚焦系统 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 视觉定位与检测上，国内也有较多深入的研究。 哈尔滨工业大学开发了“面向 密作业的微小型机器人系统”， 用 视觉 系统来引导 四自由度的微小型机器人系统 14， 如图 1示 。 浙江工业大学研制了“三维可视化空间立体微型测量系统” 15，如图 1示。南开大学研 发出 了 “面向生物医学工程的微操作机器人系统”，其显微视觉系统总体放大倍数 400 倍，视场大小100m80m，水平分辨率 直分辨率 主要用于静态标定和 深度信息恢复的研究 。 中科院长春光机所以立体 显微镜为核心，建立了立体视觉系统，可以 显示微操作的 动态过程。 从上述现状可以看出，视觉技术的引入对系统的精度和效率都有很大的提升，因而将视觉定位与检测应用到凸点制作系统中将能带来凸点质量的提升。 O p t i c a lm i c r o s c o p eG l o b a l v i s u a l s e n s o rS t e p p e r m o t o rL e dM i c r o a s s e m b l y a r e aM i n i a t u r e r o b o tM i c r o p a r tg r i p p i n g a r e - 8 面向 微小型机器人系统 图 1- 9 三维可视化 立体微型测量系统 3D 题 来源 本课题来源于 国家高技术研究发展计划 (863 计划 )专题子项目： 面向 项目编号： 该 项目 旨在研发“激光植球设备”， 用于 件中 芯片 封装 制备， 它采用了凸点制作及互连一体化的新技术，该技术的 基本原理是利用定量熔融钎料合金的润湿力实现微组装的各种动作，采用激光 为热源 ，并 精确控制和严格限制加热温度 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 题主要研究内容 激光植球 设备用于在 微小芯片 上通过激光重熔方法完成凸点制作过程 ，这个过程包括三大方面，分别是 焊盘视觉定位与植球 、凸点外观质量检测和不合格凸点返修。芯片大小为 1010均匀分布 99 个焊盘， 焊盘直径为170m，钎球直径 200m 。它的视觉方面的指标要求是图像自动识别焊盘，精度 5m。课题的主要 研究工作 包括 激光植球系统的建立 、 焊盘视觉定位与植球 、凸点外观质量检测 和 不合格凸点返修 、激光植球系统实验 。具体 研究内容 如下： (1)激光植球系统的建立。植 球系统包括 五 个部分，即 机械系统、显微视觉系统、 激光系统 、 气动系统 和控制系统 ，这 五 个部分相辅相成，缺一不可 。 根据 五 者之间的相互关系，将它们集成起来，共同组成一个激光植球系统。 (2)焊盘视觉定位与植球 。 实现焊盘植球的主要过程包括 焊盘中心坐标的提取、吸 取 钎球 和 发射激光 重熔钎球 ，其中焊盘中心提取环节至 关重要，它关系到植球的精度及质量。为能快速精确提取焊盘中心坐标，需要研究一种适合焊盘图像的中心检测算法；为能够快速 吸 取和放下 钎球 ， 需要设计一套合理的气动回 路。 (3)凸点外观质量检测 和 不合格凸点返修 。 植球后钎球在焊盘 上形成了凸点，由于参数不合适等原因会产生凸点偏心、凸点脱落 或 焊盘脱落情况，需要通过图像的方法进行 外观 质量检测。 对 于 质量不合格的凸点，需要通过返修保证最终质量， 凸点偏心 情况 的返修过程分为两步 重熔去球和重新植球； 凸点脱落的情况则直接重新植球。 (4)激光植球系统实验。搭建实验系统及开发控制软件后，需要通过实验验证各种检测算法及实现系统的功能。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 第 2章 激光植球系统 设计 言 为实现 焊盘视觉定位与植球 、凸点 外观 质量检测和不合格点返修功能，首先需要建立激光植球系统的硬件平台。 从系统三个功能的实现上， 将激光植球系统划分为 五大 部分 ，分别是机械系统、显微视觉系统、激光系统、气动系统和控制系统，机械系统是基础，气动系 统是辅助，显微视觉系统、激光系统和控制系统是核心，它们相互协调， 共同发挥作用， 完成凸点制作的任务。 光植球系统 工作流程 实现合格芯片凸点的制作需要将植球划分为三个步骤，首先进行“ 焊盘视觉定位与植球 ”，然后执行“凸点外观质量检测”，最后进行“不合格 凸点 返修”。只有严格经过三个步骤后 凸点 合格率才达标 ， 才 可用于芯片 倒装互连 。三个步骤的具体功能实现如下 ： (1)焊盘视觉定位与植球 。 首先通过显微视觉系统提取出芯片焊盘的中心 坐标，并将焊盘移动到植球点正下方，然后控制吸嘴将 小 球从供料装置内取出，并将吸嘴移动到 焊盘 正上方， 通过气动回路将小球喷出到焊盘中心， 最后控制激光系统发射激光，将 钎球焊在焊盘上，完成 植球操作。 (2)凸点外观质量检测。 将植 球 后 的凸点移动到视觉系统正下方，采用图像识别技术对凸点的外观质量进行 检测并 分门别类， 即“ 凸点 合格 ” 、 “ 凸点偏心 ” 、 “ 凸点脱落 ” 、 “ 焊盘脱落 ” 这四种类 型 ，并保存不合格凸点的坐标及其类别，完成质量检测操作。 (3)不合格凸点返修。 根据保存的不合格凸点类别及坐标，分别对 “凸点偏心”及“凸点脱落”类型 的凸点进行返修。 “凸点偏心”类型 的返修过程是先将凸点移动到植球点正下方，再将吸嘴移动至植球点正上方，然后控制激光系统发射激光将凸点熔化，并打开真空泵将熔料吸进废料盒内，最后再对该焊盘进行一次激光植球操作。“凸点脱落”类型的 返修过程则是直接再进行一次激光植球即可。 系统运行的流程图如图 2示。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 系 统 初 始 化开 始激 光 植 球凸 点 外 观质 量 检 测开 始自 动 调 焦采 集 图 像焊 盘 中 心坐 标 提 取吸 嘴 吸 球是 否 吸 上 球 ？否发 射 激 光形 成 凸 点结 束不 合 格 凸点 返 修开 始自 动 调 焦采 集 图 像处 理 凸 点图 像 并 分 类记 录 凸 点 偏 心 、凸 点 脱 落 坐 标结 束开 始发 射 激 光重 熔 去 球结 束凸 点 偏 心 ？读 取 凸 点 偏 心 和凸 点 脱 落 坐 标发 射 激 光重 新 植 球是是否激 光 植 球