（信号与信息处理专业论文）键合质量离线图像检测系统研究.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 随着微电子电路集成幅度的不断提高，对元器件的微型化及其封装技术提出了更高 的要求。在封装器件内部，集成芯片相互间的连接以及芯片与外围电路的连接至关重要， 直接影响着整个封装器件的电气性能。在当前的半导体封装技术中，引线键合技术是主 流封装技术。键合质量的好坏与半导体器件的可靠性和稳定性有着直接关系。 为了确保封装质量，在键合之后必须进行质量检验。常规的质量检查包括外观检测 和拉推力检测。由于拉推力检测是破坏性检测，只能对部分焊点进行抽检而无法进行全 检。因此外观检测是确保半导体封装质量的最简单、最直接的检验方式。传统的外观检 测方法是检验人员借助显微镜等设备观察每个焊点和每根引线丝的外观，根据其是否符 合相关的工艺要求对键合产品的质量进行初步判断，并在这个过程中剔除不良品，防止 进入下一道工序。 本文运用图像处理技术实现二极管管芯的自动识别、定位以及引线宽度的测量。本 文主要研究内容有： 首先，论文介绍了几种评估引线键合产品质量的方法，如目测法、破坏性焊接拉力 检测、球焊剪切检测法、电气检测、射线检测、超声检测、光学检测等，并对这些检测 方法进行了比较。 其次，本文对图像处理中的图像分割、轮廓提取与边缘检测等算法进行了研究比较， 总结出各种算法的优缺点，得到最适合本系统的具体算法。先通过固定阈值法对电视显 微镜拍摄的键合产品图像进行二值化处理，然后对二值图像进行轮廓提取，接着用投影 法完成二极管管芯的定位。 最后，对图像进行边缘检测，运用图像细化算法得到二极管管芯和金线的单像素边 缘，算出它们的尺寸比例，实现对金线宽度的精确测量。 本文研究的键合质量离线图像检测系统，能够改善过去键合质量的外观检测主要依 靠检验人员的知识水平和经验水平，没有统一的量化标准，而引起的一些人为偏差的状 况，同时能极大地减轻操作人员的视力疲劳，本文的研究成果具有一定的理论意义和实 用价值。 关键词：引线键合；图像处理；线宽检测；二极管管芯定位；图像分割 i i 西华大学硕士学位论文 a b s t r a c t wl t l lt l l es u b s t a l l t i 甜i l l c r e a s eo fm e i n t e 伊a t i o no fm i c r o e l e c t 0 m cc i i u i t s ，ah i 曲e r d e m 锄do ft l l em i n i a n j r i z a t i o no fc o m p o n e n t sa 1 1 dp a c k a g i n gt e c l l i l o l o g i e si sp u tf o r w a 帕 i n s i d et 1 1 es e r n j c o n d u c t o rp a c h n g ，t 1 1 ec o 衄e c t i o nb e t w e e n 也es e m i c o n d u c t o r 锄de x t e m 甜p i n 觚d 山ec o 衄e c t i o nb e t 、v e e nc l l i p sh a v eb e e nm ek e yf k t o rt oe n s u r et 1 1 ec h i p 鲫dm ee x t e m 脚 e l e c 硒c a lc 0 衄e “o 璐w i r eb o n d i n gi sm en l o s ti m p o n a n tc h i pp a c k a g i i l gt e c l l i l o l o g y t h e q u a l i t ) ro f b o n d i n gi sd i r e c t l yr e l a t e dt od e v i c ep e r f o m a n c e 鲫dr e l i a b i l i t ) ro f t l l ee m i r ep a c k a g e 触e r 岍托b o n d i n g ，m eq u a l i t y 访s p e c t i o nm 戚b em a d et 0n l e 丽r eb o n d i n gp r o d u c t s t h e m 血证s p e c t i o ni t e r n sa r ev i s u a ji 1 1 s p e c t i o na n dp u ut i m 工s tt e s t p u um 1 1 j s tt e s ti sad e 鲫m c t i v e b o n dp u l l t e s t ，s oo l l l ys e l e c t e dg r o u p so fs o l d e rj o i i l t sa r em e a s u r e d 锄dc a nn o tc o v e ra l lo f 抢 s o l d e r j o i l l t s t h e r e f o r e ，v i s u 越i 1 1 s p e c t i o nk 峪b e e n t i l em o s te f f e c t i v eq u a l i t a ：t i v em e t l l o dt 0 e v a j 岫l et l l eq u a j i t ) ，o ft l l eb o n d i n g t h et r a d i t i o n 出v i s u a li 1 1 s p e c t i o nr e q u i r e si n s p e c t o r st o o b r v ee a c hb o n d i i l gp o i n t 锄de v e d rb o n d i n gw i r e st 0d 酏e n 】f i i n ew h e 也e rt 1 1 e y 甜ei n c o r d 锄c e 、) r i t l lt l l et e c 晡c 甜r e q u i r e m e n t s t h ei r 坞p e c t o rm a k et i l e 诚t i a l l yd e t 涮n em e q u a l i t yo ft 1 1 eb o n d i n gp r o d u c t s ；r e m o v et t l es u b s t a n c l a 旺dp r o d u c t ss o 部t 0p r e v e md e f e c t i v e p 州u c t sg ot 0t i l en e x tp r o c e s s i i lt h i sp a p e r ，雠i i i l a g ep r o c e s s i n gt e c m q u e sh 嬲b e e n 髑e dt 0r e 甜i z ed i o d ea u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o 皿p o s i 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e r i e n c el e v e lo ft l l ei n s p e c t o 瓯w i t l ln o 疵f o 咖q 啪t i t a t i v ec r i t e r i 如e a s i l yi e a dt os o m eo f 键合质量离线图像检测系统研究 也eh u m 趾d e v i a t i o n t h es y s t e mc 锄a l s ol a r g e l yr e d u c et 1 1 ea m o u mo f v i s u 址f a t i g u e s o ，t l ：屺 r e s e a r c ho ft 1 1 i sp 印e rh 硒ac e r t a i l lt i l e o r e t i c ms i g i l i f i c 锄c e 锄dp r a c t i c a jv a l u e k e yw o r d s ：w nb o n d i i l g ；h n a g ep r o c e s s i l l g ；w w i d md e t e c t i o n ；d i o d e p o s i t i o l l i n g ；t h r e s h o l ds e g m e n t a 庀i o n 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题背景 微电子产业的迅速发展给人民的日常生活、经济和社会发展以及高新技术产业的发 展带来重要影响，微电子行业在很大程度上影响着当今社会信息技术产业的发展，并且 成长为这些行业的基础。作为对传统行业进行变革的核心技术之一，集成电路技术具有 重要意义，比如微机电系统( m e m s ) 就是在此基础上发展起来的高新技术。因此，现在 的经济和社会发展以及微电子技术的迅速发展对微电子封装技术提出了更高的要求。 由于集成电路所固有的尺寸小、集成度高等特点，对封装的可靠性要求很高，同时 对封装技术也提出了更高的要求。为了保证芯片的所有内部引脚和周边外围电路与外部 电路有良好的电气连接，进行有效封装就至关重要。通常使用比较细的金属线或者利用 热量压力等技术来实现芯片和外围电路的电气连接，通常称这种技术为引线键合，简单 地说为一道焊接工序。当两种物体比较紧密地接触后，在接触的表面会出现原子扩散现 象，同时在两物体接触面上会发生电子共享，这个过程称之为键合。为了使键合牢固， 需要加速原子的扩散和电子的共享。通常使用的方法比如：加热、用超声波增强焊接的 牢固性和可靠性。由于引线键合技术成本低而且能够满足多种封装形式的需要并且工艺 实现比较简单，所以引线键合这种封装方式在封装技术中是主流方式。目前，有8 0 以 上的芯片封装都是通过引线键合技术来完成的【l 】。 由于m e m s 的产品和芯片结构越来越复杂，集成度越来越高且尺寸越来越小，在 封装的过程中，引线键合工艺需要不断提高精度以保证封装的可靠性，同时也必须提高 键合封装的自动化程度。目前，在很多情况下，微机电器件是为了某些特定的需求而定 做。定做的量小、种类多，在这种情况下对于产品的封装多是通过人工完成。工作人员 需要借助于显微镜来完成封装，这样不仅给工作人员带来了视觉疲劳而且降低了封装的 可靠性。封装完成之后的检验也是通过人工在显微镜下观察实现，无法保证检验的质量。 因此，急需开展对引线键合设备的自动化研究和键合产品质量视觉检测的研究，其中对 键合产品质量进行有效地视觉检测研究是关键。 1 2 课题研究的目的和意义 在微机电技术和微电子技术迅速发展的今天，有效进行封装是保证集成电路质量的 关键技术，目前封装的发展方向是：尺寸小、性能高，而且能够满足圆片研磨和引线键 合的要求。上述要求中，引线键合技术是关键工艺之一。引线键合质量的好坏直接影响 了整个器件的质量。 键合质量离线图像检测系统研究 为了保证产品质量，在焊接完之后，必须对引线键合产品进行视觉和机械检测。传 统的方法是作业人员借助于显微镜，逐个管脚、焊点检查。这样做有很多缺点：首先， 集成电路规模的大幅度提高给依靠人工视觉进行的检测带来了很大困难和挑战：其次， 人工检测速度慢，漏检率高，满足不了自动化产线高速生产的需要。因此，对键合质量 离线图像检测系统的研究就具有更加重要的意义。 键合质量图像检测系统的工作原理如下：首先通过数码显微摄相机采集键合点图 像，然后对采集到的图像进行图像处理，挖掘图像特征，从而实现图像目标的识别、检 测、定位和计算，最后显示处理后的图像，并保存相关数据。这种运用计算机、图像处 理等高新技术来检测键合质量的方法与传统的人工视觉检测比较具有众多优势，如检测 速度快、准确率高等，能缓解工作人员的视觉疲劳、提高检测效率。 因此深入研究引线键合质量离线图像检测技术，对确保封装器件的可靠性和稳定性 具有十分重要的意义。 1 3 相关技术和研究现状 近年来全球范围内对微电子产品的竞争加剧，数字化、高度集成化已经深入人心， 并且面临着更高的要求。在这种背景下半导体的封装技术受到了越来越多相关企业的 重视，并且成为研究的热点。对高可靠性、高可实施性、低成本的封装技术需求迫切。 我国国内的半导体封装水平还比较低，在引线键合技术上虽然取得了一些成就但还 没有形成规模【2 j ，对键合技术的研究还有很大发展空间。国夕卜成熟的商业产品在引线键 合机行业中仍然处于领导地位，无论在技术上还是市场上都言有很大份额。 1 3 1引线键合技术 引线键合最初是由贝尔实验室于1 9 5 7 年发布的，是最早广泛使用的焊接技术【3 4 】， 此后，这项技术获得了很大的发展，目前拥有成熟的材料、设备和研制供应链。其主要 的技术特点如下：键合参数可以精确控制，键合引线可以再生利用；自动化的封装设备 已经批量生产应用于工业生产中：生产设备和材料技术的提高速度快，有可替代性和可 维护性：可以达到每l o o 1 2 5 l n s 完成一个焊接的键合速度，而且焊接间距可达5 0um ， 相容环直径不到4 0um ：特殊的键合工具和引线可以由封装工程师选择，以符合要求， 同时大多数可靠性问题可以通过适当的控制、改良工具( 楔形和毛细管) 和加工工艺来 解决。 根据键合所使用的设备可以将引线键合分为：超声键合方式、热压键合方式和热超 声键合方式【5 1 ( 1 ) 超声键合 西华大学硕士学位论文 超声键合是塑性流动与摩擦的结合，首先换能系统将超声发生器产生的高频电信 号，通过压电陶瓷晶片的逆压电效应，转化为轴向高频机械振动同时由变幅杆对其放大 后传递给劈刀，劈刀再将此信号转换为与芯片方向平行的横向振动。劈刀末端带动金属 丝( 金丝或铝丝) 在芯片压焊点的铝层表面来回摩擦，将超声波的能量传递到键合界面。 通过金属丝与铝层表面的相互摩擦可以清除键合面上的污染物、氧化层，这样就可以得 到干净的键合表面。此过程中，键合界面在相互摩擦时得到了软化，并且由于劈刀给键 合界面带来的压力使得键合界面发生塑性形变，这样使得金属线和铝电极在常温状态下 直接完成键合。 ， ( 2 ) 热压键合 热压键合的基本原理是对引线金属线和键合区金属层进行加热加压，这样就可以使 得键合接触面的氧化层被破坏，进而使得接触面发生塑性形变。在接触面发生塑性形变 之后，键合金属丝表面的原子和键合区金属层表面的原子之间产生相互的吸引力。因为 键合线的表面和键合区金属层的表面都是不平整的，而且在加压之后，键合线和金属层 高低不平的地方会互相填充进而引起二者的嵌合，通过这个过程使得键合金属线和键合 区金属层紧密结合。由于金丝具有抗氧化性强等特点，成为热压键合引线的首选。 ( 3 ) 热超声键合 如图1 1 所示的热超声键合的基本原理是：首先，通过使用高压电火花作用于金属 丝，作用之后金属丝的端部会熔成球形；其次，使用加热加压等方法作用于集成芯片上， 去除接触面的氧化层和污染层。通过加热加压使得接触层和键合引线活性化，加速原子 间的相互扩散，在压力、加热和超声波的作用下，键合引线与接触层表面会密切接触， 进而产生原子键合。 第一 焊盘 芯片 弧 二焊点 一卜f 牖 架管脚或 板焊盘 图1 1 热超声键合示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r 鲫0 ft h et h e 九n o s o n i cb o n d i n gp r o c e s s 热超声键合、热压键合和超声键合特点不一，应用的场合也不一样。热超声键合的 优点是不需要很高的热压温度，能够抑制键合线和金属接触层间化合物的生长。而且， 这种键合方式可以有效降低芯片因温度过高而失效的机率，与此同时能够提高键合强 3 键合质量离线图像检测系统研究 度。所以，热超声键合技术已经逐步成为封装中引线键合的关键技术，正在逐步取代热 压、超声键合方式。目前，企业生产中所使用的键合机约9 0 采用热超声键合技术。 把焊点的成形形状作为区分依据可以将引线键合分为球形键合和楔形键合。这两种 键合技术的相同之处是首先形成第一焊点在形成线弧之后形成第二焊点：不同之处是： 楔形键合技术是通过加热加压或者运用超声能量作用于键合引线，使得引线直接焊接到 芯片的焊盘上。球形键合在键合初始阶段形成焊球进而形成焊点。目前，楔形键合在装 配封装中占据的比例约为5 ，而球形键合在装配封装的比例则高达9 3 。下面对楔形 键合和球形键合技术进行简要介绍： ( 1 ) 楔形键合：通过使用楔形劈刀将热、压力、超声作用于金属引线，使得金属引线 焊接到焊盘上，楔形键合在焊接的过程中不出现焊球。 楔形键合的主要过程是：首先，引线要穿过劈刀后面的小孔，这个过程要求引线与 键合平面夹角为3 0 。 6 0 。由于劈刀的压力以及超声波的作用，引线和焊盘金属面之 间会直接相连；接着，楔形劈刀升起并移动到第二个压焊点，形成金属丝的环路，完成 第二个楔形焊；最后，通过在劈刀的后跟处切断引线来实现一次楔形键合循环。为了防 止键合金属丝出现断裂或者出现被扣住的现象，在键合循环过程中楔形劈刀的移动方 向必须沿着芯片焊接点与引线框架焊点连接的方向。在使用金丝进行楔形键合的情况 下，能够实现角度小于3 5 。的引线焊接1 6 j 。 楔形键合既可以使用铝线也可以用金线进行焊接。使用两种引线的不同之处在于， 铝引线是在室温中使用超声键合，而金线楔形焊是用于超过1 5 0 的热超声键合。由于 铝线的工作温度和价格成本都比较低，所以对于铝线键合可以使用超声波键合。 ( 2 ) 球形键合：首先，将金属丝穿过键合机的毛细管劈刀，到达其顶部：然后通过 氢氧焰或者电气放电系统产生的电火花作用于金属丝的尾部使其熔化。由于其表面张 力，熔融的金属将会凝固形成标准的球形：然后，将毛细管劈刀降下，在金属焊球上施 加压力和超声波将焊球压到电极或芯片上，使得原子扩散加剧进而形成第一个焊接点： 接着，劈刀升起运动到第二个焊点的位置，然后使劈刀对金属线加压，通过使用楔形键 合的方式来实现第二个焊点的焊接。完成第二个焊点之后扯断金属线，劈刀上升到可以 形成新焊球的高度，然后用电火花熔化金属线以形成下一个焊球，进入下一个循环。基 于球形键合的作用原理可以看出，球形键合的第一焊点和第二焊点相互之间的相对关系 可以是任意方位。由于细金丝具有抗氧化能力强、柔软等特点，在球形键合中一般使用 直径小于7 5l lm 的细金线。这种技术一般适用于焊盘之间的间距不小于1 0 0i im 的情 况，但是现在已经有了在焊盘间距仅为5 0um 的应用。 4 西华大学硕士学位论文 综上，楔形键合的优势是适用于精细间距低线环形状，楔形键合形成的焊点比球形 键合的小，特别适用于微波器件、大功率器件的封装。但是，楔形键合机的劈刀需要借 助于马达和外围的机械部件才能旋转，在作用过程中移动的部件比一般的球形键合机的 引线键合头要多，所以移动速度很慢；球形焊接由于第一焊点和第二焊点之间的相对角 度是任意的，不需要转动轴就可以实现x ，y ，z 方向的移动。目前，球形键合的速度 至少为楔形键合的两倍。另外，由于引线键合对成本、速度和灵活性都有很高的要求， 所以目前普遍采用的键合方式是球形键合，在很多情况下使用楔形键合焊接作为补充。 据统计，目前市场上大多数塑料封装的商用芯片和所有的动态随机存储器( d r a m ) 芯片都是使用引线键合技术，每年大约要进行1 2 1 4 万亿次的引线互联，制造损耗和 检测失败率大约为( 4 肚1 0 0 0 ) 1 0 击，并且随着技术水平的提高，检测失败率不断下降。 引线键合作为主流的半导体封装技术，经历了几十年的发展，已经普遍应用并不断向前 发展【7 】，引线键合技术被认为在可预见的未来仍将继续在小型i o 计算( 小于5 0 0 个i o ) 的存储和封装方面处于支配地位。 1 3 2 键合质量评估方法 除了引线键合技术之外，倒装芯片等新的技术被提出。虽然这些技术有很多优点， 但是在国内外市场，特别是亚洲区域，引线键合技术仍然占据着主导地位，因为这种技 术的稳定性高、成本相对低廉，而且对于大部分芯片的封装可以通过引线键合机来完成。 为了防止不合格产品流通到下一道工序造成不必要的加工和生产成本的提高，在芯片焊 接完后需要进行检测。常见的检测方法：通过使用光学显微镜、电子扫描显微镜以及使 用其他仪器设备来进行视觉检测寻找焊接瑕疵；机械检测用来评估焊接强度。根据有关 军用标准，可将引线键合评估方法分为：抗潮湿性、热老化、等加速度检测、机械冲击、 内部观察法、破坏性键合拉力测试、非破坏性键合拉力测试、球焊剪切力测试、随机振 动、传输延迟测量等。抗潮湿检测通过加速方式评估封装对高湿和热冲击的适应性，它 可检测引线键合装配材料在高湿环境下的抗腐蚀性；热老化用于检测在无电应力情况下 高温对微电子设备的影响：等加速度检测用于找出不恰当的互连材料在高加速度下的缺 陷，如引线材料或引线键合硬度不合适造成的引线键合塑性崩溃；机械检测是为了保证 引线键合的几何形状和材料能适用于受到适度振动的电子设备中：内部观察法用来检查 微电路的内部材料、结构和技术是否满足应用要求：在检测过程中，有破坏性键合拉力 测试和非破坏性键合压力测试。破坏性键合拉力测试可以用于检测焊接的强度，对于焊 接质量的评定是一个重要的参考；非破坏性键合拉力测试较破坏性键合拉力测试强度 低，主要是在保证键合线不被破坏的前提下检测出不良品；随机振动的目的在于发现引 5 键合质量离线图像检测系统研究 线键合互连在使用寿命中的振动负荷是否合适；传输延迟测量可以通过测量传播延迟参 数来获取键合质量信息。 一般情况下引线键合质量可以分三个阶段检测：键合设备试验、键合规范试验和定 期例行试验。通常使用的键合质量检验方法有：键合拉力测试、镜检、器件低频性能测 试和环境试验。由于键合拉力测试属于破坏性试验，可以反映出键合线的机械强度，主 要用于抽样检查。镜检是最常用的检测手段，通过使用显微镜观察键合表面，可以发现 键合丝是否损伤、键合位置正不正确、有没有出现虚焊以及杂物残留等问题，镜检一般 要求全检，传统全检都是人工进行，作业员逐个检查。另外，为了保证键合的质量，在 键合前后要分别对芯片进行电气性能检测，主要检测器件的低频或者直流特征。为了使 键合能够满足外界环境的需要，保证能够适用于不用的环境，还需要进行环境试验。环 境试验通过设定不同的严格的测试环境，借以检验焊点的质量，通过对不良品的分析来 改善键合性能。 1 3 3 数字图像处理在引线键合中的应用 长期以来，对于键合质量的检测主要依赖于人工检测，测量人员借助高倍显微镜逐 个焊点检验。这样做的缺点很多，比如：员工长期使用显微镜进行镜检，很容易造成视 觉疲劳进而伤害员工的身体健康：由于焊点质量不好的指标众多需要对从业人员进行 长期培训，而且人工检测很容易漏检。现代企业的自动化程度越来越高人工检测已经 远远不能满足于高速准确检验的需求。目前，数字图像处理技术己广泛应用于引线键合 工艺中，如焊前对芯片进行定位以及芯片缺陷检测，检查是否存在焊料冗余、污点、缺 损等：焊后对焊点质量进行检测，包括焊点的位置、形状、断线情况、线尾状态、线弧 高度等。 在视觉检验系统方面，国内外很多学者进行了大量研究。国外k h o t a 衄da 等研究 人员提出了一种基于球形焊点的视觉检测方法【8 】oz h 鲫gw 等研究人员提出了对引线键 合的焊点高度的自动检测方法l 训。s 斌i l i v 弱卸kk 等研究人员研究了自动检测线的形状 和线尾信息的方法【l o l 。国内吴小洪等基于m i l 模板函数提出了一种图像匹配算法i j ， 该算法是一种二次梯形分层搜索的序贯相关判决算法，首先计算出芯片的实际位置和理 论位置之间的偏差，然后根据计算出的偏差来控制x y 工作台进行相应调整，使得调整 之后劈刀在焊线前就能够准确捕捉对准电极，实现精确焊线。陈良锋等设计了自动引线 键合机中的图像识别系统【1 2 1 ，该系统从降低运算量和优化程序代码两个方面提高芯片 的识别速度，然后快速的引导劈刀移动到焊点处进行焊接。卢朝阳等提出了一种键合焊 点的图像识别方法【i3 1 ，该方法先综合使用图像处理和图像识别方法对楔形键合点进行 测量，之后根据检测出的键合点的形状、尺寸等参数对键合点质量进行判定。王俊平、 6 西华大学硕士学位论文 郝跃等对i c 中多余物缺陷的特征提取进行了详细研究【1 4 】，运用数学形态学的方法提取 出缺陷边界后用链码对其描述，完成缺陷的尺寸测量和形状分析。张先青等提出了一种 检测引线键合焊点质量的方法【l5 1 ，该方法能够在焊线的同时，自动记录焊点的数据并根 据这些数据在线自动检出焊点的位置偏移、断线等缺陷。 1 4 课题来源与论文结构安排 本课题来源于四川省成都市某公司压焊工艺在线检测系统中离线的键合质量图像 检测模块。主要目的是实现二极管管芯定位，并完成二极管管芯宽度与引线宽度的自动 测量。 本课题的研究对于引线键合产品质量检测成本的降低以及检测效率的提高具有重 要意义。 本文主要内容安排如下： 第一章绪论。主要介绍课题的背景、研究的目的意义和引线键合技术的发展。 第二章引线键合失效分析及检测方法。对引线键合产品的质量缺陷与失效形式进 行了研究，归纳了缺陷与失效的种类，探讨了各种缺陷与失效的成因以及相应的检测方 法，并介绍了引线键合工艺对焊点尺寸的要求，指出本文研究的重要性。 第三章图像采集硬件实现。对图像采集系统进行了详细的讨论，针对图像采集系 统的组成部分，比如光源和照明系统、机械扫描装置、光学系统中的图像传感器技术以 及a ，d 转换系统进行了分析研究；同时还对采集数字图像所需要的扫描仪、数码显微镜 的原理进行了简要介绍，并完成了硬件系统的设计。 第四章软件设计与二极管管芯定位。研究了键合焊点图像中二极管管芯的定位算 法，首先选取最适合研究的灰度图像，其次介绍了几种基于阈值的图像分割方法，如固 定阈值法、最小值法、局部阈值法、迭代阈值法，本文采用固定阚值法对焊点灰度图像 进行二值化处理，之后在二值图像基础上提取二极管管芯轮廓，采用投影统计的方法获 得二极管管芯的边缘线位置，完成二极管管芯的定位，并截取二极管管芯区域。 第五章引线宽度自动测量。首先介绍了几种边缘检测算法，从中选择了s o b e l 算子 处理的边缘检测图像作为后续处理图像，s o b e l 算法检测出的物体边缘特别明亮，能将 目标与图像背景明显区分开，但是它引入了一些噪音以及边缘宽度过大的问题，我们对 其处理后的图像进行二值化操作，然后采用细化算法得到二极管管芯与引线的边缘骨 架，对边缘骨架图像和第四章截取的二极管管芯图像求和，获得只包含二极管管芯区域 的边缘图，最后运用投影的方法实现二极管管芯与引线宽度的自动测量，并对自动测量 结果和手动测量结果进行了比较分析。 7 键合质量离线图像检测系统研究 2引线键合失效分析及检测方法 2 1 引线键合失效情况 在芯片封装中使用引线键合技术的主要优势是，焊接强度在时间和温度设计因素上 的研究，已经有了可靠的基础，然而在实际生产中却有很多因素可能使得引线键合的可 靠性和产量下降。在加工生产中可能会因为焊盘或者引线的表面存在污染、氧化等情况， 导致焊接强度降低或者虚焊等现象的出现。有些情况下也会因为焊接器械自身的质量原 因以及焊接时间、压力等参数设置错误导致焊点存在质量问题。对于焊盘上存在污染物 所引起的失效情况，我们称为杂质污染失效。 引线键合产品的失效方式还有很多。例如，某些焊盘存在凹陷坑，键合点剥离，焊 点出现断裂、脱落或者焊接的位置发生偏移，还有焊点的形状大小、高度等参数规范不 一致等情况，由这些因素导致的失效统称为焊接失效；有一类失效情况称为可靠性失效， 所谓可靠性失效是指由于键合线和焊盘之间的化合物、键合引线弯曲疲劳、腐蚀等原因 导致的失效。 上述多种情况导致焊点发生质量问题，如果没有通过适当自j 检测手段检测出不良 品，必然会导致材料的浪费、产品质量的下降以及生产成本的提升。因此，及时有效地 检测出键合不良品具有重要意义。 2 1 1 杂质污染失效 在键合失效的案例中很多情况是由于键合线和焊盘表面有杂质导致的，常见的污染 杂质有以下几类1 1 6 1 ，如表2 1 所示。 表2 1常见的污染物分类及其来源 t a b 2 1c o m m o nc l 雒s 讯c a t i o no fp o i i u t 锄t s 锄dt h e i rs o u r c e s 污染物分类 污染物来源 硫磺 集装箱、周围空气、纸板纸、橡胶圈 硅氧腐蚀、等离子腐蚀、环氧树脂除气( 干燥处理) 、光 卤族元素 刻胶清除 电镀污染物 铊、抛光剂、铁、铬、镍、铅、铜、氢 混合有机物 环氧树脂除气、光刻胶、周围空气、唾液 磷化物、铋、镉、钠、碳、银、铜、锡、湿气、玻璃、氮 其他 化物。 还有一些污染是由作业人员自身产生的，如作业人员的分泌物、头发、身上的微粒 等。这些污染物能够通过各种途径到达键合元件表面。有研究表明，一个静止的人产生 8 西华大学硕士学位论文 的直径大于o 3um 的污染颗粒约为每分钟1 0 5 个，走动的人每分钟产生的污染颗粒约为 静止时的5 0 倍。所以，以上这些污染物直接影响着键合焊点的质量。 2 。1 2 焊接失效 常见的焊接失效情况主要包括以下几种：焊盘出现凹陷坑、出现键合剥离情况、焊 点的线尾不一致、焊点断裂或者脱落、焊点位置发生偏移，焊点的形状、大小或者高度 不符合规范【1 7 1 8 j 。 焊盘凹陷坑有时是可以通过肉眼看到的凹痕，但是多数情况下是需要借助显微镜等 设备才能发现的材料结构的损伤，这种损伤常常出现在超声键合中，会造成电子产品质 量的下降和不稳定。产生焊盘凹陷坑损伤的原因很多，比如焊盘太薄，一般小于0 6pm 的焊盘容易出现问题，而l 一3um 厚的焊盘损伤则比较小；键合工具对基板过大的冲击 速度，在砷化镓等较脆弱的晶体层上出现凹陷坑；铝丝超声波键合时，硬度大的引线会 造成硅晶层凹陷坑：在进行楔形键合的过程中作用的键合力度不适合；在超声键合的过 程中，超声波的能量过高进而引起硅晶格错层。为了改善这种焊盘凹陷坑的现象，需要 注意键合金属线的硬度以及焊盘金属的硬度，当二者的硬度相差不多时，可以有效改善 这种损伤的发生。在超声波键合过程中还有一种典型的问题：在超声键合时焊接根部被 弱化，前后移动带来的柔性弯曲会引起裂纹。造成裂纹的可能原因如下：键合中过度变 形、使用跟部很尖锐的键合工具或者在首次键合完成后键合工具移动太快以及键合工具 在完成首次键合后发生振动等。而且，如果键合引线的高度差较大则要求键合工具移动 空间加大，这样就更容易产生金属裂纹。 所谓键合剥离是指在进行拉推时，键合金属线和焊盘出现部分或者全部的分离现 象。在键合分离的位置，分离切面一般比较光滑。键合剥离常发生在金属键合线升起的 部分。导致键合剥离的原因是多种多样的，最常见的原因是键合设备参数设置错误或者 键合设备自身出现老化现象。键合剥离预示着焊接失效，故当出现键合剥离的情况时应 当加大检测强度。 焊点线尾不一致是指焊点的线尾长度不在规定范围之内，包括线尾太短和线尾太长 两种情况，这种焊接失效的情况主要发生在楔形键合中。根据经验，一般选取的线尾的 长度为键合金属线直径的两倍。如果键合金属线的线尾太短，那么会导致焊点上的作用 力分布不均，很容易导致线尾发生过量变形；反之，线尾太长时，就很容易接触到芯片 的其他引脚或者触及芯片的其他部分，给芯片的稳定性带来潜在危险甚至直接出现短路 现象烧坏芯片。常见的导致焊点线尾的长度不规范的原因有很多，比如对于键合线金属 丝的过量拉伸，键合线金属丝的接触表面污染物过多，作用于夹钳的压力不正确以及键 合线金属丝在传送过程中角度错误等。 9 键合质量离线图像检测系统研究 焊点断裂和脱落通常发生在楔形焊的第一焊点根部和球焊的第二焊点根部，引线键 合时，选择适当的焊接压力是非常重要的。如果选择的压力过大很容易使键合金属线受 损、变形，降低了键合的强度；如果键合压力过小会导致无法键合或者出现虚焊的情况。 焊点的位置发生偏移是指金属线键合的位置不在焊盘的中心处。一般情况下，键合 的区域会与焊盘中心的位置或前或后发生偏移。如果控制不当很容易碰触到焊盘周边的 电子元器件，影响电气性能，甚至直接造成芯片的短路烧坏集成电路。发生焊点位置偏 移的主要原因是焊接定位系统不精确、焊接设备的控制系统误差较大等键合设备自身存 在的设计缺陷。 。 焊点的形状大小、高度不规范：在焊接过程中对于焊点的形状、大小以及焊点高度 都有严格规范。如果键合的焊点太小会导致键合金属线和焊盘之间的焊接强度过低，导 致发生虚焊、脱焊的情况；如果焊点过大，容易造成键合引线从根部折断或者发生焊盘 断裂的情况，同时也会降低抗拉强度，所以对键合的尺寸进行检测至关重要。 2 1 3 可靠性失效 可靠性检测这种失效方式是在短期内不易察觉的一种失效方式，影响着焊点的性 能。因为这种失效方式不易直接观察到所以很窖易碱忽略，给产品的使用带来潜在的失 效危险。影响焊点可靠性的因素有很多，为了增强z 品的稳定性，必须找到焊点可靠性 的影响因素。常见的影响因素为：金属间化台物形成【1 9 j 、键合分离、引线夸曲疲劳、金 属迁移、漏电失效以及振动疲劳等原因。 金属间化合物形成：金属间化合物形成主要发生在引线键台的过程中，键合的温度 和键合的时间影响着金属间化合物的生成。由于当键台温度很高的时候，形成的化台物 会引发电子失效和机械失效。金属间化合物在正常室温的条件下也可以生成，但是当处 于高温时，随着金属间化合物的生长，会形成硒r k e n 削l 空洞。如果这种空洞存在于焊 点外围，会使焊点强度升高。而如果这种空洞存在于焊点下则会严重降低焊点的机械强 度和抗拉强度，引发器件的失效。在金铝系统中当温度达到3 0 0 以上就有可能形成 飚r k e n 叫l 空洞，现在的键合技术和封装工艺较少出现高温而且生成此种空洞的几率较 小。因此一个键合得比较好的焊点基本上不会因为金属间化合物而导致失效。 键合分离：由于一般情况下，焊接的强度和温度循环之间的函数关系比较复杂，并 不是线性关系。在焊接过程中，由于铊和金会很快地在球颈以上的晶体交界处形成低熔 点的共晶体，并在楔形焊接过程中从镀金引线框架传递到金丝中，这种共晶体会引起键 合点颈部的开裂，从而导致电气性能不良。在实际应用中，由于温度不断变化，或者在 封装过程中温度不断变化，导致球颈断裂发生失效。 1 0 西华大学硕士学位论文 引线弯曲疲劳：引线键合互连会由于根部的金属断裂出现失效的情况。当温度变化 导致引线伸长或缩短时，明显的金属裂纹在设备操作寿命期间能通过引线传播，并造成 失效。焊接过程中的引线弯曲，会造成楔形焊的根部压力反转，并最终导致引线的疲劳 破坏。此外，在温度循环时也会发生失效，这是因为在加热和冷却时，键合设备头部和 引线不同的膨胀系数所引起的重复引线弯曲。由于焊接根部弯曲幅度较大而且由于焊接 根部较薄，容易导致失效。有研究表明，含有o 1 镁的铝丝比普通使用的铝硅合金丝 的键合性能好；在温度循环条件下，铝丝超声键合的效果要比热压键合的效果好、稳定 性也更高。对于引线弧高的设计应当是键合点间距离的1 4 以上，这样可以有效减少焊 线的弯曲。 金属迁移：金属的迁移在本质上是一个电解的过程，是来自阳极的离子迁移到阴极， 这个过程和很多因素有关，比如电压、材料等。金属迁移是在集成电路的键合焊盘处形 成金属枝状生长的一种失效模式。金属迁移会导致漏电流增大，最终形成短路。常见的 金属如金、银、铜、铁、锡都存在金属迁移的现象，其中迁移最严重的是银。其他金属 虽然迁移较慢，但是也会随着时间而逐渐失效。 键合点和焊盘腐蚀以及引线框架腐蚀：对于引线和焊盘的腐蚀常发生在潮湿的环境 或者表面有污染物的环境下，在焊接的过程中，焊接表面残留氯、溴或者其他氯化物， 会直接导致腐蚀的加剧。腐蚀会造成键合点之间的电阻增大，引起电气参数的改变，严 重的还会发生短路现象，进而使得集成电路失效。不仅焊盘和引线会发生腐蚀，在残留 的应力过大或者表面污染较严重的情况下，也会引发引线框架的腐蚀。另外，在装配和 操作时，经常使用铅基板，会使裂纹扩大并把易腐蚀的表面暴露在外部，发生应力腐蚀， 引起断裂。腐蚀会由于湿气和污染物的出现而在镀层的裂纹或缝隙处发生。因为铅是连 接基板材料的负极金属，所以也很容易发生电腐蚀，最敏感的区域在模塑料与引线框的 界面处。由于存在上述特点，所以一般互连问题在初期不会表现出来，直到后期腐蚀严 重影响电气参数的时候才逐渐展现。 漏电失效和振动疲劳：硅基板绝缘性能不好会造成漏电失效，因为在芯片焊盘下缺 乏多层氧化层而且焊接没有可见的机械缺陷和损坏，但会造成间歇性漏电。 振动力一般不会引发金属疲劳或者其他的焊接损伤，但在装配系统中，在振动力还 没有大到对焊接造成损坏之前，多数存在问题的器件就会失效。究其原因，对于不同材 料的焊接共振频率是不同的。例如，金丝焊接引起共振并因此损坏引线键合的最小频率 是3 5l ( h z ，而铝丝焊接则是1 0l 池。基于以上原因，在进行超声波清洗时，应当把频 率控制在2 0 1 0 0 k h z 以内。 键合质量离线图像检测系统研究 2 2 键合质量评测方法 键合质量对于集成电路的质量具有直接的影响。对于键合质量的评测进行深入研究 非常重要，因为一个键合点的失效很可能会导致一连串的问题，比如导致芯片失效、系 统失效。对于键合质量的主要评估内容是在键合过程完成之后，监测键合的状态和强度。 对于键合质量进行监测的方法有很多，如果依据监测阶段的不同可以把键合质量监测划 分为在线监测和离线监测。所谓在线监测是指监测包括键合设备的振动、应力以及换能 器的振动等与键合质量直接相关的键合过程中的信息。通过实时监测，综合运用