高端芯片先进封装过程中视觉检测功能的强化研究

洪海敏，刘飞飞，王道远,谢晶晶

（深圳市国电科技通信有限公司，广东深圳，518045）

0 引言

高端芯片是衡量科技水平的重要指标之一，其在科技领域的地位至高无上。随着现阶段科学技术的发展，电子产品正朝着小型化、高性能的方向发展，在此基础上，对高端芯片的封装技术也提出了更高的要求，同时，先进封装过程中的视觉检测功能也越来越受到人们的广泛关注。

1 封装技术

半导体工艺的制造过程由前道、后道两部分组成。前道部分的制造技术涉及的知识内容比较复杂，对工艺的要求更精准，数量更多。半导体工艺制造的过程以及仪器之间也往往存在着密不可分、相互影响的关联。所以，半导体工艺的制造被普遍认为是当今世界上最复杂最细致的技术。

后道部分的封装工艺相对前道部分的技术来说要简单得多。但是由于半导体仪器种类丰富，体积较小，而且有的产品批次需要分开制作，就要求操作技术更精细化。所以，半导体在后道部分的封装技术仍旧是一个多样化、复杂的制作过程。就目前我国在半导体封装工艺的生产水平来看，在工作效率方面依然具备很大的进步空间。

2 半导体封装技术的现状及发展趋势

2.1 芯片保护

随着科技的不断进步，半导体封装技术正向着小而薄的方向发展。与传统的封装模式不同的是，目前我国的半导体封装工艺正在朝着树脂型这样简便易操作的技术方面发展，除了需要保护芯片的完整以及运行的速度，还要保证半导体芯片在搭载过程中连接的可靠性。

2.2 通用性及封装界面标准化

随着半导体工艺的应用越来越广泛，未来的封装技术也越来越先进。如果我们的技术还停留在过去20年的阶段得不到任何发展，就会阻碍半导体工艺技术的进步，妨碍我国科学技术的发展。所以要积极创新，推陈出新，依据时代发展的步伐以及要求制造半导体。即使半导体的设计工艺非常的丰富多样也非常的复杂多变，但深入了解并分析拾取技术是为了半导体封装工艺中的通用性以及标准化发展的主要方向。与此同时，对半导体技术的后道部分的设计间距、尺寸大小以及封装需要用到的材料等方面进行创新发展，更甚于对模板界面的设计更加标准化，都应该成为以后半导体封装技术研究的关键内容。

2.3 散热冷却功能

通过对半导体芯片的性能进行深入的研究以及分析之后我们可以知道，未来的社会中我们需要技术更加精湛的半导体封装工艺，甚至达到亚0.1nm的阶段。到那时，大规模集成电路的功耗都将进一步增加，而功耗增加会使半导体发热，研究散热冷却技术在未来一段时间内都将是半导体封装技术的重要发展方向。

3 视觉检测功能

视觉检测功能是半导体芯片制造过程中的关键部分，也是检测半导体芯片能否应用的重要环节。在这个过程中。对半导体芯片产品的定位以及品质检测是至关重要不可或缺的，决定了芯片的质量是否能达到使用要求。接下来讲主要介绍视觉检测功能的应用范围：

（1）点胶的定位以及质量检测：此功能主要有两方面的内容，一是指对点胶技术的位置情况进行辨别并定位，将点胶的具体位置反馈给运动马达。二是指对已经完成点胶工艺的地方进行质量的监测，保证产品没有畸形等产品缺陷。

（2）芯片贴装图像的定位以及质量检测：此功能主要有两方面的内容，一是指对芯片的贴装图像的位置情况进行辨别并定位，将芯片贴装图像的位置反馈给芯片贴装运动马达。二是抵御已经完成芯片贴装图像的地方进行质量的监测，保证芯片贴装图像没有出现畸形、破损、脏污等情况的出现。

（3）芯片抓取定位检测：此功能指的是对需要贴装的芯片的位置进行监测，把芯片的具体位置情况反馈给芯片贴装运动马达。

图1 全自动芯片贴装设备

4 芯片封装过程中对视觉检测功能的强化研究

在芯片贴装的定位、对芯片质量进行监测的过程中，这两个功能非常基本和重要，一是芯片贴装位置进行定位，二是对贴装后的芯片贴进行质量的检测。对芯片贴装位置进行定位的目的是为了依据对图像的辨别，找到与成像图像类似的情况，计算出图像和图像中心的距离像素差，依据比例计算出实际的位置，在控制中心系统中输入实际的距离位置，系统将数据转换为相对应的马达控制信号传送到芯片贴装动作模块；对芯片品质进行检测的主要目的是为了根据视觉影像图片的辨别，找到成像图片中的相似标的物，根据图片中相似物体的成像，核算控制相关的像素数据，根据像素和实际物体的比例转换为控制数据，获得的数据输出到控制中心系统，由系统分析控制要求与数据对比，判断图片中的芯片贴装能否符合品质控制要求。

实际制作过程中，芯片安装位置定位功能识别要求简单，对图像识别和分析的要求并不高，即使图像辨别能力不行无法获得数据，也可要求操作员通过报警提示进行成像检查，检查确认标的物位置正确，然后正常生产。在全自动芯片贴装制造过程中，由于所需要贴装 Die 的尺寸较小，一般为1000～1500um，厚度为 300um～600um，同时所贴装的位置范围也很小，因此对贴装精度的要求一般为±35um，旋转角度为±5°,此为一般品质控制要求。因此对芯片贴装后的品质检测功能要求的检测数据包含：

（1）贴装后的芯片大小：是指芯片的长、宽，以及芯片上的引脚尺寸大小；

（2）芯片贴装的位置情况：是指芯片贴装后和实际所需数据的偏移间隙差距；

（3）芯片贴装的角度：指芯片贴装后和其他参考对象的角度差；

（4）芯片贴装用到的点胶量：指芯片贴装后四个边部分溢出的胶量。

4.1 芯片贴装图像数据特征分析

芯片贴装后的共性与美元贴装芯片的引脚区域几何形状以及位置大致相同，都没有改变，产生变化并且有差异是需要进行检测以及测量的贴装后的芯片，芯片的位置情况、贴装形状等都不一样，关键要确认基本的可识别的引脚区域是否一致，符合相似特性，为一样的制造产品，然后依据类似特征的引脚区域几何特性，明确贴装后的芯片尺寸、外观、与特征区域的位置等。作为目标物的引脚区域可能是不规则的几何体，采用了基于几何特征的辨别方法，一定确认引脚区域所在的位置，在这基础上，对芯片区域进行区分，区分为一类芯片、二类芯片所处的位置、尺寸大小、外观，作为测量数据。

4.2 芯片贴装图像测量系统设计

芯片贴装的图像对引脚区域定位点的要求非常准确，同时对图像质量的要求也比较高，所以可以采用存储量小以及对光照不敏感地根据几何特征的模式识别算法。此设计模式由两部分组成：

（1）根据外引脚区域的特征算法，找到特殊的引脚识别方位，对产品类型进行辨别，也对整个芯片方位进行定位情况，找到中心位置并确认。该过程分为四个步骤：第一步是载入图像和对图像进行预处理；第二步是根据模式辨别芯片贴装外引脚区域的基础位置信息，提取外引脚的定位数据；第三步在识别图像范围内根据模式辨别芯片贴装区域内引脚的精确位置信息以及对产品类型进行进一步的确认；第四步确认芯片贴装区域的中心位置以及产品特征引脚的位置情况。

（2）根据几何形状的算法，对芯片内的贴装图像进行精确的定位，计算贴装芯片和中心位置的距离、尺寸大小、以及芯片的角度。

4.3 对半导体芯片贴装的图像进行预处理

（1）采用二值化的方式处理图像

可以利用阈值法对半导体芯片的贴装图像进行处理。首先需要设定阈值为T,把灰度值设定为1或255。经过对阈值进行二值化处理之后i，就可以从背景图像中把目标图像分开，对后面将要进行的操作更加方便。虽然进行值化算法的种类非常丰富，比如双峰法以及迭代法。这两种方法都有各自的优点以及不足，但都是依据图像的某种特征针对性的进行处理。所以在接下来的步骤中，迭代法是一个最合适的方法，能够使我们在处理图像的这个环节获得最佳的试验效果。

迭代法把初始阈值设置为图像的平均灰度为T1，然后把像素点分开成为两个部分，再测算这两个部分的平均灰度,小于T1 的部分为Tα，大于T1的部分为Tβ，求Tα以及Tβ的平均值T2，将T2作为全新的阈值替换为T1，再重复上述步骤,如此迭代,一直到Tk收敛。

4.4 图像去噪

图像去噪也是图像预处理中的一个重要环节，以及图像识别技术的精准度是密切关联的。由于在收集以及记录芯片贴装图像的信息的过程中会遭遇各种干扰，尤其是在对图像进行二值化处理后,图像上会产生一些噪音以及毛刺,对图像的质量造成不利影响，从而妨碍特征提取,对图像识别的精准度产生不利影响。所以，对图像进行去噪处理是图像预处理过程中的一项关键步骤。在对图像进行预处理的过程中，务必清理干净这些噪音点。图像去噪的方法只要是主要采用时域与频域来解决。这两种方式有着很明显的优点以及不足。时域的优点是简单、快速,但是会遗漏很多点之间的重要细节;频域的优点是能够细致地将点之间的相关信息分离开来，但这个方法的计算量就会大很多。

5 芯片贴装外引脚区域的设计

5.1 对外引脚区域进行适当的裁剪

对芯片的外引脚区域进行剪裁是指把芯片贴装过程中的多余部分修剪掉，将其中有价值的部分留存下来。因为在芯片的贴装过程中不仅仅只有一个图像，二十有多个图像，这就涉及到图片的识别以及选取，这时候，就需要选择最适合，离摄像头最近区域的产品的那个图像，之后对其进行剪裁，保留最要紧的部分。

5.2 对外引脚区域进行进一步精确的处理

在完成了对芯片的外引脚区域的剪裁之后，需要进一步精确定位图像的位置区域。这个时候，可以借鉴Hough变换的直线开展监测，首先把外引脚区域的边框部分的四条直线定位出来，会获得对应的定位以及角度数值。接着就需要对芯片的外引脚区域进行最后的精准的图像位置的整理。需要用到的方法有两个，意识将与外引脚区域无关的图像消除，二是将半导体芯片进行旋转已达到最佳的效果。

5.3 对芯片的贴装状态进行检测与完善

只有对图像做了精准的处理，对芯片的外引脚区域妥善处理了之后，才能确保接下来对半导体芯片的贴装位置进行准确无误的计算以及测量，保障图像在贴装过程中不会出现特殊的情况。检测完成之后，对有问题的地方进行及时的调整。之后，会开始测试半导体芯片的贴装状态，这主要包含；半导体芯片贴装的位置、尺寸大小、芯片的角度位置以及需要使用到的胶量。

6 结束语

在电子信息技术的发展以及市场对半导体技术的需求越来越精细化发展的当今时代，半导体技术生产厂家需要针对市场需求以及时代需要进一步对半导体的封装工艺进行创新以及升级。深入认识并梳理半导体前道部分以及后道分布的关联，掌握半导体封装过程中的关键技术，在充分了解半导体封装工艺以及市场需求的基础上制造出符合时代发展以及现阶段使用要求的产品，在这个过程中，也要积极引入新方法以及新理念，帮助半导体封装技术的产业更新以及升级。