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基于机器视觉的芯片b g a 封装焊球缺陷检测及m a t l a b 仿真 摘要 半导体领域是机器视觉技术应用最主要的领域之一，球栅阵列( b a l lg r i d a r r a y ，简称b g a ) 作为当前主流的半导体封装技术，自然离不开机器视觉技 术的支撑。本文研究的主要内容，就是采用机器视觉技术来解决b g a 植球机 研制过程中的芯片缺陷检测难题。论文的主要内容包括： 1 - 研究了b g a 封装技术和b g a 的植球工艺。从中了解b g a 封装能特点 和b g a 植球机开发的技术难点，并根据这些特点，提出了机器视觉系统需要 满足的要求。 2 从b g a 植球机的封装工艺出发，分析了在b g a 植球机的开发中集成机 器视觉技术的必要性和重要性，介绍了机器视觉技术的发展概况及其应用，研 究了光源照明、相机、图像处理等机器视觉关键技术。 3 研究数字图像处理的理论和方法，包括预处理、特征提取、图像识别算 法等，重点研究了b l o b 分析算法；编程实现了图像采集控制、图像预处理、缺 陷检测等功能。 4 构建机器视觉实验平台，根据b g a 芯片焊球缺陷类别，设计缺陷识别 流程，利用m a t l a b 软件建立仿真系统，并进行了仿真实验研究，实现对焊 球缺陷的检测。 关键字：球栅阵列；机器视觉；数字图像处理；b l o b 分析 d e f e c t si n s p e c t i o na n dm a t l a bs i m u l a t i o no fc h i p s b g a p a c k a g e sb a s e do nm a c h i n ev i s i o n a bs t r a c t s e m i c o n d u c t o rf i e l di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o nf i e l d so fm a c h i n e v i s i o nt e c h n o l o g y a st h em a i n s t r e a mt e c h n o l o g yo fc u r r e n ts e m i c o n d u c t o r p a c k a g i n g ，b a l lg r i da r r a y ( b g a ) c e r t a i n l yn e e d st h es u p p o r to fm a c h i n ev i s i o n t e c h n o l o g y t h i sp a p e ra d o p t sm a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g yt os o l v et h ep r o b l e mo f d e f e c t si n s p e c t i o nd u r i n gt h es t u d yo nb g ab a l la t t a c h m e n tw o r k c e l l t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h es t u d yo fb g a p a c k a g i n gt e c h n o l o g ya n db g a b a l la t t a c h m e n t t e c h n i c s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fb g a p a c k a g i n ga n dt h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e sd u r i n g t h ed e v e l o p m e n to fb o ab a l la t t a c h m e n tw o r k c e l lw e r ea c q u a i n t e d t h e nt h e r e q u i r e m e n t so fm a c h i n ev i s i o ns y s t e mw e r ep u tf o r w a r d 2 t h ea r t i c l es t a r t e dw i t ht h ep a c k a g i n gt e c h n i c so fb g ab a l la t t a c h m e n t w o r k c e l l ，a n a l y z e dt h ei n d i s p e n s a b i l i t ya n de s s e n t i a l i t yt oi n t e g r a t em a c h i n ev i s i o n t e c h n o l o g yi nb g a b a l lm o u n t i n g i n t r o d u c e dt h eo v e r v i e wo ft h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n so fm a c h i n ev i s i o n ，a n dr e s e a r c h e dt h ek e yt e c h n o l o g yo ni l l u m i n a t i o n ， c a m e r a ，i m a g ep r o c e s s i n g ，e t c 3 t h et h e o r i e sa n dm e t h o d so fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gw e r es t u d i e d ，w h i c h i n c l u d e di m a g ep r e p r o c e s s i n g ，f e a t u r ee x t r a c t i o n ，r e c o g n i t i o na l g o r i t h m ，e t c ， e s p e c i a l l yf o c u s e do nb l o ba n a l y s i sa l g o r i t h m i m a g ec a p t u r ec o n t r o l ，i m a g e p r e p r o c e s s i n g ，a n dd e f e c t si n s p e c t i o nt h r o u g hp r o g r a m sh a v eb e e na c h i e v e d 4 m a c h i n ev i s i o ne x p e r i m e n tp l a t f o r mh a sb e e nc o n s t r u c t e d a c c o r d i n gt ot h e d e f e c ts o r t so fb g ac h i p s ，d e f e c t si n s p e c t i o np r o c e s sw a sd e v i s e d b yt h eu s eo f t h es o f t w a r em a t l a b ，s i m u l a t i o ns y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e da n de x p e r i m e n t s h a v eb e e nd o n e ，f i n a l l yb a l ld e f e c t si n s p e c t i o ni sa c t u a l i z e d k e y w o r d s ：b a l lg r i da r r a y ；m a c h i n ev i s i o n ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ；b l o b a n a l y s i s 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 10 图2 1 1 图2 1 2 图2 13 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1o 图3 1 1 图3 12 图3 13 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图表清单 几种常见的封装形式2 q f p 封装( 左) 和b g a 封装( 右) 9 两层p b g a 断面图9 b g a 的封装形式1 0 整体模塑阵列载体( o m p a c ) 器件1 1 在陶瓷载体中球体( a ) 设计和圆柱( b ) 设计中的主要差别1 1 载带球栅阵列示意图1 2 b g a 植球机工艺流程图1 2 典型丝网印刷1 3 直接真空法锡球贴放1 5 间接真空法锡球贴放1 5 b g a 植球机的机械结构示意图1 6 欠对准球的定义1 7 b g a 芯片典型缺陷示意图：1 7 机器视觉系统构成示意图2 0 前照式光源照射方式2 3 背照式光源照射方式2 3 低角度前光源2 3 低角度光照明方式下的焊球照片2 4 环形光源位置对焊球成像的影响2 4 邻域平均法2 8 区域的面积和周长3 1 ( a ) 四邻域( b ) 八邻域3 3 内含五个值为1 的连通成分的二值图像3 3 二值图像a 及其游程编码b 和c 3 4 通过区域填充消除白色圆圈内的黑点3 6 连通区域标记3 7 机器视觉试验平台3 8 图像采集流程4 0 图像处理流程4 1 b g a 灰度图与灰度直方图4 2 领域平均与中值滤波平滑效果4 3 图像预处理4 4 缺陷检测流程4 6 图4 8芯片检测结果4 6 表1 表2 表2 表3 全球集成电路封装市场数量分析( 2 0 0 2 2 0 0 7 ) 2 封装尺寸为o 8i n 2q f p 与b g a 的i o 数比较表8 3 0 0 i o 数q f p 与b g a 封装尺寸比较表8 常见光源的性能参数比较2 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。 也不包含为获得金壁王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学馘文储擀脚签字蹶砷年6 细厢目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金a 巴工业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目巴i 工业太 兰芑一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字嗍砷年嗍馏目 电话： 邮编： 少妇鳓例名8 ， 戳岬 辎 沦 日 致谢 在论文完成之际，我谨向导师夏链老师表示深深的敬意和衷心的感谢。在 我硕士学习期间，自始至终都得到了夏老师的关怀、鼓励与督促。夏老师严谨 而勤奋的治学态度、广博而扎实的专业知识以及踏实的工作作风让学生终生铭 记，这是我完成学业的最有力保障，并将一直鞭策着我在学业上前进。 在选题、开题及完成论文的每一个阶段，夏老师都严格把关，并在课题的 研究思路上给以具有建设性的意见。对论文的审阅也同样耐心细致，大到论文 的框架，小到一个知识点，夏老师都是一样细心批阅纠正。夏老师知识渊博， 科研经验丰富，不仅教给我知识，更教给我独立分析问题、解决问题的能力。 同时，夏老师也是我生活中的老师，她对人的平和、亲切，对学生的关心爱护， 教会了我平易近人的待人处事方式。 此外，特别感谢韩江教授对本论文的指导和支持，韩老师敏锐的眼光以及 丰富的实践经验对论文的完成起到至关重要的作用。 衷心感谢合肥工业大学c i m s 研究所的祖咂老师、何高清老师、余道洋老 师、丁志老师、朱仁胜老师等对我的关怀和指导。 衷心感谢所有的授课老师，是他们传授给我了丰富的知识，促使我能够进 一步攀登知识的高峰! 衷心感谢我的同学王玉兵、王程、王川、王曦、孟超、杨牧原、余仲元、 吴建霖、曹文霞，和他们在一起的学习和生活时光将值得我永远纪念! 衷心感谢学弟李凯亮、葛敬、信傲、马超、黄愿、张江华，学妹姚银鸽、 季焓等给予我的帮助! 衷心感谢我的室友纪王芳和张春艳，她们曾向我提出过许多有价值的建议， 无论在生活上还是学业上极尽所能帮助我，给予我莫大的精神支持。 最后还要特别感谢我家人，是他们不辞劳苦、任劳任怨的辛勤付出以及对 我精神和物质上的极大支持，使我最终得以完成学业。 再次感谢所有曾经给予我帮助的人! 作者：贾伟妙 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 课题研究背景及价值 1 1 1 半导体封装形式介绍 集成电路( i c ) 产业已成为国民经济发展的关键，而i c 设计、制造和封 装测试是i c 产业发展的三大产业支柱。i c 封装不但直接影响着i c 本身的电 性能、机械性能、光性能和热性能，影响其可靠性和成本，还在很大程度上决 定着电子整机系统的小型化、多功能化、可靠性和成本。i c 封装越来越受到 人们的普遍重视【l 】。 回顾i c 封装的历史，其发展主要划分为三个阶段。第一阶段，在1 9 7 0 年 前后，以插装型封装为主，包括最初的金属圆形( t o 型) 封装，后来的陶瓷双列 直插封装( c d i p ) 、陶瓷玻璃双列直插封装( c e r d i p ) 和塑料双列直插封装( p d i p ) 。 尤其是p d i p ，由于性能优良、成本低廉又能批量生产而成为主流产品。第二阶 段，在1 9 8 0 年以后，以表面安装类型的四边引线封装为主。当时，表面安装 技术被称作电子封装领域的一场革命。一批适应表面安装技术的封装形式，如 塑料有引线片式裁体( p l c c ) 、塑料四边引线扁平封装( p q f p ) 、塑料小外形 封装( p s o p ) 以及无引线四边扁平封装( p q f n ) 等封装形式应运而生，迅速 发展。由于密度高、引线节距小、成本低并适于表面安装，使p q f p 成为这一 时期的主导产品。第三阶段，在19 9 0 年以后，以面阵列封装形式为主。19 9 0 年 初，i c 发展到了超大规模阶段，要求i c 封装向更高密度和更高速发展，因此 i c 封装从四边引线型向平面阵列型发展，发明了球栅阵列封装( b g a ) ，并很 快成为主流产品。后来又开发出了各种封装体积更小的c s p ，目前仍处于快速 发展阶段，详见表1 1 。在同一时期，多芯片组件( m c m ) 蓬勃发展起来，也 被称为电子封装的一场革命。因基板材料的不同分为多层陶瓷基板m c m ( m c m c ) ，薄膜多层基板m c m ( m c m - - d ) ，塑料多层印制板m c m ( m c m l 和厚薄膜基板m c m ( m c m - - c d ) 。与此同时，由于电路密度和功能的需要， 3 d 封装和系统封装( s i p ) 也迅速发展起来。 唧套 p s o pb g a 图1 1 儿种常见的封装形式 图片来源：n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ，h t t p ：w w w n a t i o n a lc o m p a c k a g l n g p a n s ， 表1 1 全球集成电路封装市场擞量分析( 2 0 0 2 - - 2 0 0 7 ) ( 单位：百万块) 资料来源：e l e c t r o n i ct r e n dp u b l i c a t i o n s 球栅阵列封装( b g a ：b a l lg r i da r r a y ) ，球栅阵列封装是1 9 9 0 年初发展起 来的一种新型封装。b g a 的突出优点是：1 ) 电性能更好：b g a 用焊球代替引 线，引出路径短，减小了引脚电阻、电容和电感，减小了延迟。2 ) 封装密度更 高，组装面积更小：由于球是整个平面排列，因此对于同样面积，引脚数更高。 例如边长为3 l m m 的b g a 当焊球节距为l m m 时有9 0 0 只引脚，相比之下， 边长为3 2 m m ，引脚节距为o 5 m m 的q f p 只有2 0 8 只引脚。3 ) b g a 的节距 为15m m 、12 7 l n m 、10m m 、08 m m 、06 5 m m 和o5 m m ，与现有的表面安 装工艺和设备完全相容，安装更可靠。4 ) 由于焊料熔化时的表面张力具有“自 对准”效应，避免了传统封装引线变形的损失，大大提高了组装成品率。5 ) b g a 引脚牢固，转运方便。6 ) 焊球引出形式同样适用于多芯片模块和系统级 封装。因此，b g a 得到爆炸性的发展。b g a 因基板材料不同而有塑料球栅阵 列封装( p b g a ) ，陶瓷球栅阵列封装( c b g a ) ，载带球栅阵列封装( t b g a ) ， 带散热器球栅阵列封装( e b g a ) ，金属球栅阵列封装( m b g a ) ，还有倒装芯片球 栅阵列封装( f c b g a ) 等。q f p 可应用于表面安装，这是它的主要优点。但 是当q f p 的引线节距达到0 5 m m 时，它的组装技术的复杂性将会增加。所以 q f p 一般用于较低的引线数( 2 0 8 条) 和较小的封装体尺寸( 2 8 m m 见方) 。因 此，在引线数大于2 0 0 条和封装体尺寸超过2 8 m m 见方的应用中，b g a 封装 取代q f p 是必然的。 b g a 一出现便成为c p u 、图形芯片g p u 等v l s i 芯片的高密度、高性能、 多功能及高i o 引脚封装的最佳选择。 i n t e l 公司对这种集成度很高( 单芯片里达3 0 0 万只以上晶体管) ，功耗很大 的c p u 芯片，如p e n t i u m 、p e n t i u mp r o 、p e n t i u mi i 、p e n t i u m i i i 以及新推出的 p e n t i u m l v 芯片采用陶瓷针栅阵列封装c p g a 和陶瓷球栅阵列封装c b g a ，并在 外壳上安装微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作【2 1 。 1 1 2 半导体封装国内外研究现状及发展趋势 b g a 封装与q f p 等封装形式最大的不同就在于，用球状突点代替了针状引 脚。因此其封装工序中增加了焊球贴放这一关键的环节，导致b g a 封装失效的 绝大多数缺陷都是在这一环节产生的。焊球贴放是由b g a 植球机来完成的，可 见，b g a 植球机的性能对b g a 封装生产线具有决定性的意义，是b g a 封装的核 心设备。 国际上对b g a 封装的研究，始于二十世纪6 0 年代，但由于当时科技水平 的限制，b g a 封装很难实现、效率低，造成封装成本极高，没有得到应用。到 8 0 年代，由于光电技术、工业自动化、精密机械、机器人、运动控制、自动检 测和图像处理等技术的发展，使得b g a 封装规模化生产成为可能。日本、美国 已深入开展在这一领域的研究，并相继研制了b g a 封装设备，目前占据着b g a 封装的主要市场。现在向小锡球、小间距、更高集成度的m b g a 、b g a 方向发 展。但是，当时的b g a 植球机大都没有配备视觉系统，因此在检测和定位等方 面还存在着很多问题，自动化程度不高。当前流行的高性能b g a 植球机，都带 有高精度机器视觉定位系统，高精度、高速度和高度的自动化是它们最基本的 特征。 我国台湾、香港地区在b g a 植球机的研发上也具有一定的技术水平。台湾 工业技术研究院早在二十世纪9 0 年代便成功研制了半自动b g a 植球机，后与台 湾万瑞科技股份有限公司合作开发了r k i b 6 0 0 l 双轨植球机，市场反映良好。 香港s a m 公司在半导体封装设备领域业绩突出，占据了很大一部分绑定机、倒 装机和封装机等封装设备的市场，其设在新加波的研发部正在开发新一代的 3 b g a 封装设备【3 j 。 在我国半导体设计、制造和封装测试三大产业链中，封测业当前无论从产 业规模、销售额和发展速度看，在全行业中都是非常重要的一环。十五期间国 务院( 2 0 0 0 ) 1 8 号文为集成电路设计、制造业的发展创造了良好的政策环境， 而封装测试业在三大产业链中的比重逐年有所下降，2 0 0 5 年降至4 9 1 。但是 2 0 0 6 年是“十一五 开局年，封装测试产业在我国信息产业市场需求旺盛和三 资企业快速发展，上下游行业相互带动向中国大陆转移的趋势更加显现，同时 本土企业的国际拓展步伐加快，使得封装测试业规模又升至5 0 8 ，仍然占据 了半壁江山。更令人振奋的是国内封装测试企业的科技创新、自主研发工作， 开始结出了硕果，如长电科技的f b p 、南通富士通的m c m ( m c p ) 、中电科技集团 公司第1 3 所的c b g a 、汉高华威的环保型塑封料、铜陵丰山三佳微电子公司的 引线框架采用一排双冲、一镀二的制造技术等等。 目前国内市场主要需求仍在d i p 、s o p 、q f p 等中低档产品上，但是随着网 络通信领域技术的迅猛发展，数字电视、信息家电和3 g 手机等产品将大量需 要i c 高端电路产品，进而对高引脚数的q f p 、m c m ( m c p ) 、b g a 、c s p 、3 d 、s i p 、 p i p 、p o p 等中高档封装产品需求十分旺盛，国家“十一五”期间的1 6 个专项 中，设有核心器件专项，都需要采用先进封装技术。所以封装测试行业一定要 抓住“十一五 这个机遇期，积极开发封装新技术，缩小与国外的差距【4 1 。 b g a 是一种高端i c 封装的技术，是未来i c 封装的主流，开发研制b g a 封 装设备有着广阔的市场前景，将产生较好的经济、社会效益，对我国半导体产 业跨越式发展具有重要意义。 1 1 3 机器视觉技术在b g a 封装工艺中的应用 机器视觉在半导体工业上的应用早在二十年前甚至更早就已经开始了，比 如检测电路板上的焊点与布线，避免短路或缺陷。但仅限于简单的处理，随着 大规模集成电路的日益普及，半导体工业对产量的要求和质量的苛求也日益剧 增，在需要减少生产力成本的环境下，视觉技术就扮演着不可或缺的角色，对 视觉技术要求也不断推陈出新，复杂性越来越大【5 】。 美国制造工程师协会( s m es o c i e t yo fm a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r s ) 机器 视觉分会和美国机器人工业协会( r i ar o b o t i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 的 自动化视觉分会对机器视觉下的定义为：“机器视觉是通过光学的装置和非接 触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控 制机器人运动的装置 。 在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检验、生产监视及零件识别 应用，例如零配件批量加工的尺寸检查，自动装配的完整性检查，电子装配线 的元件自动定位，i c 上的字符识别等。通常人眼无法连续、稳定地完成这些带 有高度重复性和智能性的工作，其它物理量传感器也难有用武之地。由此人们 4 开始考虑利用光电成像系统采集被控目标的图像，而后经计算机或专用的图像 处理模块进行数字化处理，根据图像的像素分布、亮度和颜色等信息，来进行 尺寸、形状、颜色等的判别。这样，就把计算机的快速性、可重复性，与人眼 视觉的高度智能化和抽象能力相结合，由此产生了机器视觉的概念。 机器视觉是在2 0 世纪5 0 年代从统计模式识别开始的，当时的主要工作集 中在二维图像的分析识别上。6 0 年代，r o b e r t s ( 1 9 6 5 ) 把机器视觉的研究推广 到了三维空间，并建立了各种数据结构和推理规则。到了7 0 年代，就已经出现 了一些视觉应用系统，如g u z m a n ( 1 9 6 9 ) 和m a c k w o r t h ( 1 9 7 3 ) 。1 9 7 7 年， 麻省理工学院( m i t ) 的d a v i dm a r t 教授领导的博士小组，提出了著名的计算 视觉( c o m p u t a t i o n a lv i s i o n ) 理论，掀起了对机器视觉的全球性研究热潮，各 种新方法、新概念、新理论不断涌现，建立了主动视觉框架、视觉集成理论框 架等重要理论体系。直到现在，机器视觉仍然是一个非常活跃的领域。 机器视觉具有柔性和自动化程度高，非接触性检测，不易产生疲劳等优点。 在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常 用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查 产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生 产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的 基础技术。 正是由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易 于同设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们 将机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域j 。 在国外，机器视觉的应用普及主要体现在半导体及电子行业，其中大概 4 0 一5 0 都集中在半导体行业。具体如p c b 印刷电路；s m t 表面贴装；电子生产 加工设备。机器视觉系统还在质量检测的各个方面已经得到了广泛的应用，并 且其产品在应用中占据着举足轻重的地位。除此之外，机器视觉还用于其他各 个领域。 而在中国，以上行业本身就属于新兴的领域，再加之机器视觉产品技术的 普及不够，导致以上各行业的应用几乎空白，即便是有，也只是低端方面的应 用。目前在我国随着配套基础建设的完善，技术、资金的积累，各行各业对采 用图像和机器视觉技术的工业自动化、智能化需求开始广泛出现，国内有关大 专院校、研究所和企业近两年在图像和机器视觉技术领域进行了积极思索和大 胆的尝试，逐步开始了工业现场的应用。其主要应用于制药、印刷、矿泉水瓶 盖检测等领域。这些应用大多集中在如药品检测分装、印刷色彩检测等。真正 高端的应用还很少，因此，以上相关行业的应用空间还比较大。当然、其他领 域如指纹检测等等领域也有着很好的发展空间【7 j 。 b g a 植球机作为半导体封装产业的高端产品，随着芯片集成密度的不断增 加，封装精度要求也越来越高，自动化程度和成品率要求也在提高。传统的人 工检测等方法，已经很难满足生产的要求。机器视觉的应用，很好的解决了b g a 封装中的这一难题。这也是高端b g a 封装设备纷纷配备机器视觉系统的主要 原因，从而也奠定了机器视觉作为全自动b g a 植球机核心技术的重要地位。 1 2 论文研究范围与架构 论文首先对b g a 自动植球机的机械结构及运动进行了研究，从而引出论文 要解决的主要问题：b g a 基板经自动植球机进行植球后的焊球缺陷检测，它涉 及到机器视觉、图像处理等方面的知识。为了设计合理有效的解决方案，对b g a 植球机的植球工艺过程等知识做事先的研究也是必须的。因此，本文的研究内 容主要涵盖以下方面： 1 研究b g a 植球机的植球工艺，从而设计合理且可行的试验方案，解决 b g a 植球机植球结束之后的缺陷检测问题，以提高b g a 封装的成品率。 2 根据b g a 植球机的工艺和运动特点，设计系统的整体方案，确定检测 处理的流程，并研究上述流程中涉及到的视觉图像处理的方法原理，论文将通 过研究机器视觉的图像采集，图像处理，特征提取和识别控制等关键技术，提 高机器视觉处理的精度，可靠性等问题，使得机器视觉技术在b g a 植球机的缺 陷检测上发挥优势，并最终完全代替现在的人工检测。 3 研究并实现快速缺陷检测方法。由于机器视觉系统，尤其是在图像处理 和识别环节，处理的数据量很大，占用了大量的时间，降低了系统的实时性， 影响机器视觉技术的应用。论文将探讨图像预处理以及缺陷识别算法，并通过 这些算法的应用，达到快速缺陷检测的目的。 本文共分五章，除本章绪论用以介绍研究背景与研究目的外，其余内容简 述如下： 第2 章介绍了b g a 封装技术，b g a 芯片种类，植球工艺，b g a 自动植球机以 及b g a 焊球检测项目与缺陷分类。 第3 章主要介绍了机器视觉，包括机器视觉系统概述，机器视觉检测系统 的关键技术，以及机器视觉中的图像处理技术。对b g a 芯片焊球缺陷检测中的 机器视觉设计提出了相关方案；并着重介绍了b l o b 分析算法。 第4 章基于机器视觉，建立b g a 芯片缺陷检测的实验平台，设计图像采集 流程，芯片图像预处理流程，以及焊球缺陷检测方案，利用第3 章中所提出的 b l o b 识别算法，以m a t l a b 仿真实现焊球的缺陷检测。 第5 章为全文结论与展望，提出本研究的价值，提出有待改善的项目以及 未来可继续发展方向。 6 1 3 本章小结 本章首先简单介绍了半导体封装的历史以及半导体封装的主要形式，并通 过市场调查数据分析得出，b g a 封装是当前主流的封装技术之一，具有广阔的 应用空间；然后介绍了b g a 封装的关键设备一一b g a 植球机的国内外研究现 状；简单介绍了机器视觉技术的发展及其在半导体工业上的应用，提出机器视 觉检测对于提高b g a 植球机检测速度、精度和成本效率等方面起着至关重要 的作用，从而引出并阐述了本课题研究的意义；最后介绍了本文研究的主要内 容和文章的架构。 7 第二章b g a 植球机植球工艺研究及焊球缺陷检测项目 2 1b g a 封装技术 b g a ( b a l lg r i da r r a y ，球栅阵列) ，是表面安装i c 的一种新的封装形式， 其引出端矩阵状分布在封装体的底面( 图2 1 ) ，这样，节距相同的b g a 和q f p 封装，b g a 的i o 数要比q f p 多得多，见表2 1 ，如果引出端数相同，b g a 的 焊点分布要比q f p 引出脚的节距大得多，见表2 2 。因此，b g a 是高密度，高 性能，多功能和高i o 数的v l s i 封装的最佳选择【8 1 。 表2 1 封装尺寸为0 8 i n 2q f p 与b g a 的i o 数比较表 节距( m i l ) 。 q f p 封装i o 数 b g a 封装i o 1 0 0 3 26 4 5 06 4 2 5 6 2 51 2 4 9 6 l 2 0l5 6 1 5 2 1 1 61 9 62 4 0 1 1 031 2 6 0 8 4 表2 - 23 0 0 i o 数q f p 与b g a 封装尺寸比较表 节l 遁( m i l ) q f p 封装尺寸( m 2 )b g a 封装尺寸( i i l 2 ) 1 0 07 5 0 01 8 0 0 5 03 7 5 00 9 0 0 2 51 8 7 50 4 5 0 2 01 5 0 00 3 6 0 1 61 2 0 00 2 8 8 1 00 7 5 0o 1 8 0 b g a 作为一种新的表面安装器件( s m d ) ，它是针栅阵列( p i ng r i da r r a y ，简 称p g a ) 演变而来。它通常是由芯腔、基座、引线、封盖和球形引脚成的，如 图2 2 所示【3 】【9 1 。 8 图2 1q f p 封装( 左) 和b g a 封装( 右 图2 2 曲层p b g a 断_ 山剀 置 b g a 的特点有： 1 更多的引脚数 目前，各种实用表面安装器件在相同的封装尺下，b g a 可有更多的引脚数。 通常，其球形引脚量在4 0 0 个以上。例如，一个3 2 m m x 3 2 m m 大的b g a ，其球 形引脚数量可达5 7 6 个，而同样尺的q f p 仅有1 8 4 个引脚。 2 较小的安装面积 在大体相同的引脚数量下，b g a 有较小的安装面积。我们把一个有3 0 4 条 引脚的q f p 与一个有13 个引脚的b g a 进行比较虽然b o a 的引脚数q f p 的 略多一些，但其安装面积却比q f e 少三之一左右。 3 更低的安装高度 b g a 的安装高度低于其封装厚度与焊球高度和。2 0 8 脚或3 0 4 脚的q f p 高 度为37 8 m m 。而2 2 5 或3 1 3 脚的b g a 的高度只有约21 m m 。而组装后高度会 更低，这是因为b o a 的球形引脚在接时熔化的缘故。 4 较大的引脚间距 j e d e c ( 电子器件工程联合会) ( j c - 1 1 ) 的工业部门制定了b g a 封装的物理 标准，b g a 与q f p 相比的最大优点是i o 引线问距大，已注册的引线间距有 10 、12 7 和15 m m ，而且目前正在推荐由12 7 r a m 和15 r a m 间距的b g a 取代 o4 r a m 05 r a m 的精细间距器件。 5 良好的散热性 b g a 封装电路在工作时更易接近环境温度，其芯片的工作温度较其它表面 安装器件低。 6 与s m t 工艺兼容 b g a 封装的组装与标准的s m t 工艺是兼容的。由于b g a 的引脚间距较大， 引脚的共面性好，不存在日1 脚弯曲问题，其组装工艺比其它有引线的s m d 白勺 组装更为简单。 7 更好的电气性能 由于b g a 的引脚高度短，组装密度高，其电气性能更优越，特别是在较 高频率范围内使用时，分布参数的影响小。 8 较低的生产成本 多引线b g a 封装在组装时，占用的印刷电路板( p c b ) n 积变小，组装密度 增大，相对降低了生产成本。特别是随着b g a 封装产量的增加和广泛应用， 生产成本的降低是显而易见的事情。 9 较高的可靠性和较低的质量缺陷 b g a 封装的焊锡球在焊接时，受表面张力的作用，焊接过程中融化的焊球 会自动校正，即使锡球与焊盘有5 0 的误差也能有良好的焊接效果，其焊接通 常小于lp p m 。 2 2b g a 的种类 b g a 焊接可分为周边球栅阵列b g a 和全球栅阵列b g a 结构两大类，有些 还在其结构中形成面心结构来增加其密度。具体如图2 - 3 所示【。 a 全球栅阵列b g a b 周边球栅阵列b g a 图2 3b g a 的封装形式 b g a 按照焊接引脚形状不同或材料不同又可分为p b g a ( p l a s t i cb a l lg r i d a r r a y ，塑料球栅阵列) 、c b g a ( c e r a m i cb a l lg r i da r r a y ，陶瓷球栅阵列) 、 c c g a ( c e r a m i cc o l u m ng r i da r r a y 陶瓷柱栅阵列) 、t b g a ( t a p eb a l lg r i d a m v ，带式球栅阵列) 等【”i 。 p b g a 常称为o m p a c ( o v e r m o l d e dp l a s t i c a r r a y c a r r i e r ，整体模塑阵列 载) ，是最普通的一种b g a 封装形式，见图2 - 4 。p b g a 的载体用普通的p c b 材料制作，如f r 4 等。芯片用金属丝焊接在载体表面然后用塑料模注成形。 载体的下表面焊有3 7 p b 6 3 s n 的球栅阵列，球的直径约为3 5 m u ，节距为 5 0 1 0 0 r a i l 。它有全球栅阵列和周边球栅阵列两种封装形式。 图2 - 4 整体模塑阵列载体( o m p a c ) 器件 c b g a 器件也称为s b c ( s o l d e rb a l lc a r r i e r ，焊料球载体) ，它是b g a 的 第二种封装形式，见图2 - 5 ( a ) 。芯片焊接在多层陶瓷载体的上表面，然后进行 封装以提高其可靠性，并且提供机械保护。在多层陶瓷栽体的下表面焊有 9 0 p b 1 0 s n 的球栅阵列球的直径约为3 5 m i l ，节距为5 0 r a i l 。也有全球栅阵列 和周边球栅阵列两种封装形式。 圈2 - 5 在陶瓷载体中球体( a ) 设计和圆柱( b ) 设计中的主要差别 c c g a 也称为s c c ( s o l d e rc o l u m nc a r r i e r ，圆柱焊料载体) 它是尺寸太 于3 2 m m 2 的c b g a 器件的替代品，它用柱栅阵列代替球栅阵列，见图2 - 5 ( b ) ， 这样就可以承受封装体与p c b 的c t e ( 热膨胀系数) 不匹配而产生的应力，焊 柱由9 0 p b 1 0 s n 的锡焊组成。这种阵列可以采用全部填充满的方法也可以采用 局部填充的方法，圆柱的直径尺寸为2 0 r a i l ，高度大约为7 0 r a i l ，节距为5 0 r a i l 。 也有全球栅阵列和周边球栅阵列两种封装形式。对于c c g a 器件来说，在装配 时其优点和缺点非常类似于c b g a 器件的优点和缺点。仅有一个很大的区别， 那就是焊料圆柱与焊球相比较，更容易受到机械损伤。目前采用c c g a 封装技 术的产品很少。 t b g a ，也称为a t a b ( a r r a y t a p e a u t o m a t e d b o n d i n g ，阵列载带自动键合) ， 是一种较新的b g a 封装形式，见图2 - 6 。t b g a 的芯片焊接在铜环氧柔性电路 或双层金属带上带的上层为地层下层分却有与芯片连接的铜走线，芯片与 铜走线可采用金属焊丝，回流焊热压超声焊等方法焊接，然后进行封装保护， 在铜走线的另一端有9 0 p b 1 0 s n 组成的焊球直径为3 5 m i l ，间距为5 0 m i l ，由 于其中间部位是i c 芯片，因此，它只有周边球栅阵列一种封装形式。 圈2 6 载带球栅阵列示意图 在b g a 的诸多优点中，最主要的是它采用了面阵列端于封装，使它与q f p 相比，在相同端子情况下，增加了端子自j 距太大改善了组装性能，才使它得 以发展和推广应用。但是p b g a ( 塑料型b o a ) 一直存在一些问题，如塑料封 装易吸湿、基板易翘曲、所有类型的b o a 焊后检测和返修困难，从而使它在 苛刻环境中使用存在可靠性问题。 这些问胚现在已经得到一定程度解决，比如c b g a ( 陶瓷型b g a ) 解决 了吸湿问题：t b g a ( 载带型b g a ) 不但解决了吸湿问题，而且是成本更低的 b g a 封装也是高i o 端子数和高性能芯片的封装。由于研究开发了多种类型 的b o a 不断克服了技术上存在的问题，使它从1 9 9 8 年开始广泛采用，在低 于2 0 0i o 端子的应用中q f p 处于支配地位，而在2 0 0i o 端子以上的封装将 采用多种类型的b o a ，到2 l 世纪初b g a 的年度增长率将超过2 5 ，这样， 2 l 世纪b g a 将成为电路组件的主流基础结构。 2 3b g a 的植球工艺 与q f p 等传统封装方式相比b g a 的封装工艺流程在封胶之前大致相同【6 i 。两者 主要差异在于b g a 以有机基板及焊球取代传统金属引线框，形成p c b 上的支撑及焊点， 主要增加了植球工序，它是b g a 生产的核心工序。该工序把代替引脚的焊球固定在基 板焊盘上。 植球工序又可以分为四个子工序，包 括助焊剂涂敷、焊球贴放、固化和检测。 其工艺流程如图2 7 所示： 2 3 1 助焊剂涂敷 助焊剂涂敷是把助焊剂加在基板焊盘上， 其作用一方面增加锡球的流动性确保固化工 序的质量，另一方面增加基板焊盘的黏附性以 确保锡球贴放的成功率。流行的工艺方法包 括：丝网印刷法，针转移法，点滴法等。 丝网印刷法是一种十分成熟的工艺，广泛 的应用于s m t