基于CT技术的金属键合引线三维测量专用夹具

荆晓冬 刘 晨 吴爱华 梁法国 范雅洁

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051）

1 引 言

金属键合引线［1］的材料属于高表面反射材料，其形状无规则，利用光学法［2-4］测量金属键合引线三维形貌准确度很低，同时会导致图形的缺失。利用显微X-CT技术［5-6］能够有效避免光学法测量结果中的图形缺失，能够完整还原金属键合引线的三维形貌。

由于金属键合引线处于级联电路芯片之中，现有夹具无法长时间有效固定尺寸小且薄的级联电路芯片，因此需要设计合适的夹具来提高测量金属键合引线的准确度。

2 测量夹具设计

2.1 专用夹具的测量要求

X射线三维显微镜［7］是利用显微X-CT技术测量微米量级物体的测量设备。其组成结构主要包括：X射线源、扫描转台、光耦探测器，如图1所示。其中X射线源放射X射线，扫描转台承载测量夹具，光耦探测器接收X射线信息。

图1 X射线三维显微镜的主要测量机构示意图Fig.1 Schematic diagram of the main measuring mechanism of a X ray three-dimensional microscope

在测量过程中，被测样品由夹具固定在360°旋转的扫描转台上，从各个角度获取大量的图像信息，之后将各个角度的图像信息分析整合，最终重建出被测物体表面或内部结构的三维形貌。该仪器扫描微米量级结构所需时间将近15个小时，长时间的扫描过程中，若被测物体在某一时刻出现偏移晃动，会导致最终重构出的图像与实际不同。所以扫描微小芯片对于测量夹具的稳定性有很高的要求。

同时，X射线的衰减量与所穿透的物体的密度和贯穿的距离有关，物体的密度越高，贯穿距离越长，X射线的衰减量越大。被测物体的被测区域对X射线的衰减量应明显区别于其他区域，这样在最终重构后，能更好的将被测区域与其他区域区分，单独提取。

合理的设计测量夹具，避免因夹具连接不稳产生的晃动，或者因夹具对X射线衰减过大而对测量结果产生的不良影响是测量金属键合引线的重要环节。

2.2 夹具的设计原则

通过分析金属键合引线的测量过程得知，夹具是将被测键合引线固定在指定位置的装置，夹具的稳定性对测量结果有决定性的影响。同时，测量微米级结构时，X射线源与光耦探测器之间的距离仅有15mm，限制了测量夹具在测量空间内的旋转直径，如图2所示。

图2 测量键合引线时X射线源与光耦探测器间距离Fig.2 The distance between the X ray source and the optocoupler detector

通过分析测量金属键合引线的过程，总结出夹具的整体设计原则如下：

1）夹具各部分之间的连接要稳固，保证在长时间的测量过程中各部件之间不发生相对位移；

2）夹具固定被测芯片的方式要稳固，保证在长时间的测量过程中两者不发生相对位移；

3）夹具的结构、尺寸要适合X射线三维显微镜的测量空间，避免在测量过程中发生磕碰，影响测量结果；

4）夹具要考虑芯片长时间暴露在空气中产生的不良影响，增加合适的芯片保护装置。

根据以上原则，可以将测量夹具设计成四部分，分别为底座、载片板、胶片及保护外罩。

1）底座是测量夹具与扫描转台连接的部件，通过借鉴扫描转台的结构形状，将底座设计成与扫描转台契合的圆盘状，中心开螺纹通孔，底部加工三个与扫描转台契合的定位点；

2）分析金属键合引线的测量过程得出：夹具的稳定性决定着测量结果的好坏。载片板是与底座连接、承载被测芯片、将被测芯片置于仪器被测区域的部件，为保证载片板与底座连接稳定，载片板下端设计成外螺纹结构，与底座之间的连接方式采用螺纹连接，利用螺纹预紧力将两者固定在一起，保证一定时间内不产生相对位移。

由于测量过程中X射线源与光耦探测器的距离十分接近，同时考虑被测芯片的尺寸大小限制，载片板的旋转直径应限制在7mm～13mm之内。

通过分析X-CT的成像原理与X射线的衰减特性，得知被测区域中，金属键合引线对X射线的衰减量应明显区别于其他结构，最终才能得到可靠的测量结果。因此载片板的材料应选用低密度材料，同时与被测芯片连接的部分应在保证刚度的情况下减小厚度，减小载片板对X射线的衰减；

3）胶片是连接载片板与被测芯片的部件，与载片板一样，其部分结构处于被测区域中，在保证低X射线衰减的情况下，粘贴芯片的粘性也要有所保证。合适的胶片应满足以下几点：密度低、厚度薄、粘性强。一种透明的高度交联聚合物凝胶满足以上几点要求。将该凝胶裁剪成与载片板契合的尺寸，利用其表面张力将一侧粘贴在载片板上，另一侧粘贴芯片，使芯片能够长时间固定在合适的位置不发生偏移。该凝胶在垂直于胶面的方向上有很强的粘接力，但在平行于胶面的方向上粘结力较小，芯片可以随时取下，夹具可以重复使用。

4）保护外罩与载片板连接，是将被测芯片与外界环境隔绝的部件。同样考虑到对X射线的衰减，保护外罩的材料应选用低密度材料。保护外罩处于夹具的最外围，分析整体测量过程得出，其整体旋转直径不得超过14mm，否则会造成夹具与仪器的相碰。保护外罩形状要契合与载片板连接的部分，连接方式采用过盈配合连接。过盈配合的连接方式能保证保护外罩和载片板之间的连接稳定，同时还将保护外罩内部与外界环境隔绝，保护被测芯片。

2.3 夹具设计的具体方案

2.3.1 底座

底座是靠自身重力嵌在扫描转台的定位点上，为了保证旋转过程的稳定，底座应选取质量较大的金属，如钢、黄铜。借鉴扫描转台的形状与尺寸结构，底座设计结构实例如图3所示。

图3 底座实例Fig.3 An instance of base

2.3.2 载片板

载片板的要求是低密度、高刚度，厚度薄，旋转直径7mm～13mm。满足以上条件的材料多为塑料，但是机加工难以实现薄塑料板的加工；对于可重复利用的夹具来说，不需要大批量的生产，塑料加工的模具费用就显得太高。综合考虑以上因素，采用3D打印技术来制作载片板。

满足要求的3D打印材料为光敏树脂，密度1．1g/cm3，通过三维制图软件建立载片板的3D模型，输出保存为STL格式文件，STL格式文件是3D打印最常用的文件格式。载片板设计实例如图4所示。

图4 载片板实例Fig.4 An instance of chipboard

其中，上部板状部分为粘贴芯片部分，设计厚度为1mm，宽度8mm，在保证成像清晰的情况下可适当加厚。下部M6外螺纹是与底座连接的重要结构，实例中设计2mm倒角是为了方便与底座配合。中部做成一个10mm直径圆柱，保证了旋转直径在7mm～13mm之间。由于X射线三维显微镜的结构尺寸限制，为了防止夹具与仪器碰撞，该圆柱的高度应在30mm～100mm之内。在圆柱上设计一个10mm×8mm的长方形凹陷，为扳手空间，方便施加螺纹预紧力。在此仅以圆柱为例作说明，实际中可根据需求设计成不同形状（圆柱、棱柱等）。

2.3.3 胶片

胶片的材料选用一种透明的高度交联聚合物凝胶，厚度1mm，将其裁剪为长25mm，宽8mm的长方形，配合载片板上部薄板的尺寸，图5为胶片实例图。

图5 胶片实例Fig.5 An instance of sticky patch

2.3.4 保护外罩

保护外罩的要求与载片板相同：低密度、透明，厚度薄。保护外罩的制作方式同样选择3D打印技术。3D打印材料选用光敏树脂。保护外罩的设计实例如图6所示。

图6 保护外罩实例Fig.6 An instance of protective cover

为配合载片板结构，保护外罩设计成外径为11mm，内径10mm的试管状结构。在距离保护外罩底部30mm的管外壁上增加一圈半径为0．25mm的半圆形加强筋，在保护外罩底部套口外壁增加一圈半径为0．5mm的四分之一圆形加强筋。由于管壁薄，导致其强度下降，加强筋的作用在于加强保护外罩的结构强度。保护外罩总高度100mm，其中直筒部分94．5mm。保护外罩可根据实际需求设计不同形状，在此以圆柱为例。注意保护外罩应与载片板中间部分形状相同，保证能够配合连接。同时旋转直径不超过14mm。

2.3.5 组装夹具

首先将胶片粘贴在载片板的上部，挤出贴合间隙中的气泡，在净化间内将被测芯片粘贴在胶片上，再将外罩从载片板上端罩下，通过过盈配合使外罩下端卡在载片板中部圆柱上，轻晃外罩，摆正其位置。之后将载片板下部螺纹拧进底座，拧到底后，用合适的扳手施加一定预紧力，完成装配，如图7所示，1为保护外罩，2为胶片，3为载片板，4为底座。

图7 测量夹具装配图Fig.7 Assembly drawing of measuring fixture

3 测量结果对比

为了展示利用测量夹具测量芯片上微米级结构的效果，在此选用尺寸为1500μm×2500μm的芯片与700μm×700μm的芯片键合，测量两者之间的键合引线三维形貌，其中键合点的尺寸均为100μm×80μm，键合引线标称直径25μm，键合方式如图8所示。

图8 被测芯片键合方案示意图Fig.8 Schematic diagram of the bonding scheme of the measured chip

图9中键合引线图像有明显的凹陷和不规则部分，这是由于转台旋转过程中键合引线发生位移所导致，键合引线边缘部分轮廓不明朗，且有大量干

图9 未使用本文设计的夹具测量的键合引线Fig.9 The measurement results of the fixture without this article

图10 使用本文设计的夹具测量的键合引线Fig.10 The measurement results of the fixture designed in this article

图10中，为使用本文设计的夹具测量出的键合引线三维形貌，整体没有结构缺失或变形，键合引线表面光滑平整，无干扰颗粒，键合引线标称直径25μm，利用本文设计的夹具测量出的键合引线直径约为25．20μm，准确度为0．8%，测量效果极佳，两次测量结果对比如图11所示。

图11 两次测量结果对比Fig.11 Comparison of the results of two measurements

4 结束语

近年来航天、卫星、通讯等行业发展迅速，随着测量频率的升高，电磁泄漏、串扰等因素导致金属键合引线在级联电路中的影响逐渐增强，准确的测扰颗粒，这是由于夹具对于X射线的衰减过大所导致，测量效果不佳，测量出标称直径为25mm的键合引线直径为27．02mm左右。量键合引线三维形貌能够在仿真中更精准地系统、定量分析金属键合引线对级联电路的影响［8］。

测量夹具是保证测量过程稳定、测量结果可靠的重要部分，文中重新设计夹具的结构，实现了对级联电路中金属键合引线的高准确度测量。

［1］陈永泰，谢明，王松，等．贵金属键合丝材料的研究进展［J］．贵金属，2014（3）：66-70．

［2］宋昌江，何燕．显微三维测量的技术及应用［J］．自动化技术与应用，2009，28（11）：80-85．

［3］唐建波．基于光束扫描的共焦显微三位测量技术研究［D］．哈尔滨工业大学，2011．

［4］宋江山．基于景深的三维形貌测量技术研究［D］．山东大学，2009．

［5］朱小洁，钱付平，张浩．X射线显微CT的应用现状及发展［J］．化工新型材料，2011（S1）：5-8．

［6］桂建保，胡战利，周颖，等．高分辨率显微CT技术进展［J］．CT理论与应用研究，2009，18（2）：106-116．

［7］须颖，邹晶，姚淑艳．X射线三维显微镜及其典型应用［J］．CT理论与应用研究，2014，23（6）：967-977．

［8］冯坤,朱思衡,邹晶晶,等．PCB、键合线和芯片联合仿真方法的研究［J］．微波学报,2012（s2）：252-254．