基于機器視覺的成型分離制程芯片自動化檢測系統(tǒng)的設計

1 概述

隨著現代半導體器件向微型化、集成化和高可靠性方向發(fā)展以及日益激烈的市場競爭，半導體產品的生產與制造設備正朝著高速度、高精度、智能化、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、多功能等自動化方向發(fā)展。

半導體生產通常分為前后兩道工序，前道工序指芯片擴散、快速熱處理、硅片處理等過程，后道工序主要包括切片、粘片、封裝測試、包裝等過程。成型分離是半導體封裝中最后一道工序，是保證產品質量最關鍵的工序。成型分離制程需要檢測的項目有：①料片的方向檢測；②芯片尺寸；③芯片引腳個數；④引腳缺陷檢測。料片的方向檢測通過尋找料片的定位孔位置，檢測料片方向是否正確，如圖1 所示。芯片尺寸、引腳的個數及引腳之間的間距在元件的封裝尺寸中有詳細的規(guī)定。引腳缺陷主要包括：引腳在沖切后水平方向上彎折程度是否超過允許值，即腳彎；引腳是否有腳傷或者腳斷；Dambar 是否切除，如圖2 所示。傳統(tǒng)的檢測方法很難實現對芯片進行高速、高精度的檢測，機器視覺檢測技術作為一種非接觸測量技術，具有非接觸性、實時性、靈活性和高可靠性等優(yōu)點，在微電子制造中有比較廣泛的應用。本文將重點介紹采用機器視覺檢測技術， 針對成型分離制程中的需要檢測的項目，開發(fā)視覺檢測系統(tǒng)的過程。

2 芯片視覺檢測系統(tǒng)組成

本檢測系統(tǒng)采用PC-Base 架構，它由工業(yè)計算機、光源、鏡頭、CCD 相機、圖像采集卡、IO 卡和圖像處理軟件組成。采用上下位機方式分別控制，如圖3 所示。下位機為實際工作機械控制部份，由PLC 對機械手及進料機構等硬件直接操作，上位機為人機接口及視覺檢測部分，當料架上的料片到位時，觸發(fā)光電傳感器， 由PLC 通過IO 卡通知IPC 對料片進行拍照，CCD相機將接收到的光學影像輸出到圖像采集卡上，圖像采集卡將信號轉換成數字圖像信息供計算機處理。視覺系統(tǒng)對采集的圖像進行運算處理，檢測相關指標，通過與預設的標準參數相比較來判斷待檢測的芯片是否合格， 最后通過IO 卡輸出檢測結果給PLC，PLC 再對料片進行處理。

2．1 系統(tǒng)組成

圖像采集是搭建檢測系統(tǒng)的關鍵步驟之一。為獲得較好質量的圖像數據，需利用圖像處理相關算法以及專為芯片檢測設計的特有算法，實現對芯片的全自動高速高精度檢測。其次是光源、CCD 及圖像采集卡的選擇。

2．2 光源

光源是圖像傳感器技術的重要組成部分， 它直接影響輸入數據的質量和至少30%的應用效果。由于沒有通用的機器視覺照明設備，所以針對每個特定的實例，要選擇相應的照明裝置，以達到最佳效果。光源選用包括兩方面的任務：光源的選擇和照明系統(tǒng)結構設計。

目前，工業(yè)用機器視覺系統(tǒng)大多選用可見光作為光源，可見光容易獲得，價格低，便于操作，實際應用廣泛。照明系統(tǒng)按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結構光和頻閃光照明等。在本項目中，采用白色LED 面光源背向照明。照明系統(tǒng)如圖4 所示（圖中箭頭指向為光線走向）。

2．3 CCD 相機

CCD 是Charge CoupledCoupled Device（電荷藕荷器件）的縮寫，它是一種半導體成像器件，具有靈敏度高、抗強光、體積小、耗電低、壽命長等優(yōu)點。CCD 的成像尺寸常用的有1/2″、1/3″等。1/2″、1/3″指的是感光器件的面積大小，面積越大，捕獲的光子越多，感光性越好，信噪比越低。

本項目采用Sentech 的SKC141 黑白130 萬像素高解析度CCD 相機，視野（H*V）為80*60，系統(tǒng)X 方向精度為56um/pixel，Y 方向精度為52um/pixel，完全能夠滿足芯片引腳檢測的需要。

2．4 圖像采集卡

圖像采集卡是連接相機與計算機進行數據傳輸和控制的電子設備，具有高速圖像采集功能，也具有部分圖像處理功能。圖像采集卡可分為標準信號圖像采集卡、非標準信號圖像采集卡、數字信號圖像采集卡。選擇圖像采集卡時，需要注意圖像采集的精度、圖像采集的速度與數據傳輸速度、數據處理能力及系統(tǒng)的可靠性。

根據項目的具體要求， 本系統(tǒng)采用了Euresys 公司的Domino Melody 圖像采集卡。

圖5 為應用上述CCD、光源和圖像采集卡采集到的圖像。

3 視覺檢測系統(tǒng)的軟件實現

按照功能劃分， 本軟件系統(tǒng)主要由3 個功能模塊組成：①模板學習設定模塊；②芯片檢測模塊；③自動控制模塊。對于相同的芯片，模板的選取與學習只需要操作一次。

3．1 模板學習設定模塊

模板學習設定主要完成以下內容：

（1）設定需要檢測的芯片區(qū)域；

（2）設定需要檢測的定位點及定位點檢測區(qū)域；

（3）設定芯片模板及芯片相關參數。

模板設定時，首先選擇需要檢測的區(qū)域，并設定定位點檢測區(qū)域及定位點。然后選擇一塊芯片作為標準芯片，找到芯片的邊界，得到芯片的引腳數及腳間距等參數，如圖6 所示。

3．2 芯片檢測模塊

芯片檢測模塊的主要功能是：

（1）在定位點檢測區(qū)域內尋找定位點，判斷方向是否正確；

（2）在檢測區(qū)域內找到所有芯片位置，并對芯片尺寸、引腳數進行檢測，判斷芯片是否有缺陷，最后給出檢測結果，如圖7、圖8 所示。

3．3 自動控制模塊

該模塊的功能是：自動監(jiān)測系統(tǒng)的運動狀態(tài)，按照檢測需要控制檢測動作。

（1）監(jiān)測料片是否到位；

（2）當料片到達指定位置后，通過IO 點控制相機拍照并取像；

（3）對芯片進行檢測，對合格及不合格芯片通過IO 卡輸出結果，進行流向控制；

（4）等待下一次檢測。

4 結束語

該自動檢測設備綜合運用了電子、自動化、機械、計算機與圖象識別等多學科理論和技術，用機器視覺系統(tǒng)模仿人眼的功能，用機器自動檢測代替人工肉眼檢測，實現了芯片檢測的自動化。

經測試表明，本芯片檢測系統(tǒng)的性能如下：

（1）檢測精度腳彎能夠檢查到0.5pixels，腳缺陷及Dambar能夠檢察到1pixels；

（2）檢測速度軟件檢測時間為78ms（含機械自動控制系統(tǒng)運行時間），每次檢測時間小于200ms；

（3）檢測軟件為開放性軟件系統(tǒng)，采用模塊化結構，易于維護和升級；

（4）安裝、測試、維修方便。