基于机器视觉的半导体芯片封装外观检测

胡 鸿，陈名正，马腾江，陈 华

（深圳市萝卜智造机器人有限公司，广东深圳 518000）

目前，人工智能领域的研究主要包括机器人技术、语音识别、图像识别和自然语言处理。随着机器视觉技术的突破，机器视觉的理论和技术也在稳步发展，应用范围不断扩大。目前，人工智能技术可以模拟人类大脑的思维和部分意识。虽然人工智能不是人类智能，但它可以像人类一样具有一定的思维能力，甚至可以超越人类智能。在当前人工智能时代环境下，机器视觉技术已经达到了一个新的发展阶段。机器视觉技术融入高级人工智能领域，使得机器视觉技术更具吸引力。

1 机器视觉简介

机器视觉主要是利用计算机模拟人类的视觉功能，但它不仅是人眼的简单扩展，更重要的是具有部分大脑功能，从不同的事物图像中提取信息，并运用到实际的生产中。从目前人工智能的发展来看，机器视觉属于人工智能的基础。机器视觉在人工智能领域有着广泛的应用。从整个行业来看，我国人工智能行业正处于快速生态建设时期。从机器视觉领域来看，它正处于快速重建时期。

机器视觉技术最传统的检测方法是“眼、手、脚”，使用时间最长，适用范围最广。这种方法似乎是非接触的，而手摸行走是一种接触的方法，只能通过直接或间接接触被测对象来检测。机器视觉技术是非接触式检测的应用之一，通过机器“看”的方法进行检测。人类肉眼只能看到波长在400～760nm 的可见光。而机器视觉借助光电等方法不仅可见光可见，紫外线、红外线、X 射线都可以见得到，从而拓宽了视野。

在工业生产中，人类将图像信息传递给机器视觉系统，然后系统会自动对图像中的信息进行处理和提取，从而检查仪器的各个部件是否齐全。另外，当零件的颜色与基础材料的颜色相似时，零件的形状信息是非常重要的。例如，在工业焊点检测中，仪表设备的形状信息比仪表的颜色信息更能准确地判断焊点的质量。此外，工业上的激光成形技术也是利用机器视觉来工作的，相机图像中细线的偏移量用于快速确定照明点的高度，扫描目标上的激光线图案可以形成目标表面的完整深度外形轮廓，便于人类观察探测物的结构。

目前，机器视觉技术也适用于医学领域，它可以根据机器视觉检测医疗设备和检测仪器中零件的完整性，从而保证仪器的使用安全。同时，机器视觉的使用可以帮助医生更准确地形成医学影像，也可以帮助外科医生检测患者失血量的变化，造福人类。人类在农业上也广泛使用机器视觉。通过机器视觉，可以快速判断作物之间的距离，帮助农民快速检测作物上的害虫和作物的生长情况。目前，机器视觉也被用于检测种子的质量，以便更好地让作物生长。

2 基于机器视觉的半导体芯片封装分类

目前，基于机器视觉的半导体芯片的种类很多，不同的封装方法在封装材料、封装设备、封装工艺等方面有很大的差异，这也使其具有一定的特点。根据封装特性的不同，封装可分为以下几类：根据封装材料的不同，机器视觉的半导体芯片可采用金属–陶瓷封装和塑料封装；根据封装材料的不同，封装可分为金属封装、陶瓷封装、金属陶瓷封装和塑料封装。根据封装的气密性，封装可分为两大类：气密性封装和树脂封装；这两种封装方法的主要作用是将晶体与外界环境隔开，包括温湿度和空气等，从而达到电气绝缘的目的，同时起到外部散热和解除应力的作用，从而保护晶体。按封装的外形、尺寸和结构可以将其分为引脚插入型、表面贴装型和高级封装等三大类，不同的封装工艺各自具有独自的特点，技术工艺也各有不同。

3 机器视觉的半导体芯片封装过程及工艺说明

3.1 机器视觉的半导体芯片封装工艺简述

晶圆前道工艺的晶圆通过芯片切割以后，会被切割成为比较小的晶片，然后将其贴装到相应的基板引线框架之上，再用银胶、焊锡等助焊剂黏贴好，然后采用超细的金、铜、铝等超细金属导线以及导电性树脂等将晶片的接合焊盘连接到基板的相应引脚，这就是焊接键合工艺；采用塑料外壳对独立芯片进行封装，从而起到保护作用。最后，进行了树脂固化、切筋成型、电镀、测试等步骤。完成最后的步骤后，对通过测试的产品进行打标，封装，存储和运输。

3.2 机器视觉的半导体芯片封装工艺的简要描述

半导体封装工艺主要包括芯片切割、贴片、焊接、塑料封装、后固化、电镀、切筋和成型、测试、打标和包装等工艺，下面对这几方面工艺进行详细的说明。

（1）芯片切割工艺。这种工艺是通过使用切割机将晶圆上连接在一起的芯片进行切割，分离开来，其中，贴膜是指通过应用蓝色和白色的膜来把晶圆固定到绷环上，这一步是为下一次切割做准备。在此过程中，固定蓝膜需要动力，在承载平台上吸附晶片需要吸力。通常采用5 MPa 的压缩空气作为驱动力，承载平台的吸附能力由真空提供。支撑平台的温度一般控制在45 ℃，这样可以使蓝膜、白膜、晶圆、绷带更好地贴合。晶圆包覆后，切割芯片。在此过程中，通常需要真空为轴承台提供吸附力，主轴的悬浮动力由5 MPa 的压缩空气提供；另外，为防止切割过程中静电对芯片的损坏，会采用含二氧化碳的高纯水来保护静电。

（2）贴片工艺。贴片技术主要包括热焊接和冷焊接两大类。其中，热焊是用锡银锑焊料将芯片黏贴到框架上。在此过程中，将引入氮氢混合气体进行保护。通过这个过程，芯片在工作过程中可以有更好的散热效果；与热焊不同，冷焊不需要保护气体，但焊接后需要采取固化和干燥措施。贴片和进、出料缸的动力由压缩空气提供，引入1 ∶10氮气氢气混合气保护机架；引入1 ∶5的氮氢混合物来减少机架。贴片工艺主要包括加热、不加热、镀锡、打胶、模具、贴片等步骤。其中，加热过程由长距离轨道在传输过程中完成，加热温度一般控制在380 ℃。对于不同的产品，加热温度会有所不同；镀锡是指将一定数量的焊料熔解在高温机架的设定位置；压膜工艺的目的是在贴片前对处于熔融状态的焊料进行定型，从而有效提高贴片后锡层的厚度，从而控制芯片的倾斜，使其具有更好的散热性能；点胶过程是在不加热的轨道上完成的。贴片是将蓝膜上好的芯片通过图像识别，吸取并贴在框架熔有焊锡、银胶的位置上，使芯片与框架通过焊锡、银胶焊接起来。

（3）焊接键合工艺是封装工艺中非常重要的工艺。焊接和键合工艺主要采用超声波压力焊接技术，通常采用铝丝、金丝或铜丝将芯片与引脚连接。超声压焊接技术的原理如下：超声波机械能可以利用切刀使焊缝与焊面产生摩擦。这样既可以去除焊接表面的氧化层，同时又可以进行塑性变形和相互扩散。这样可以实现分段黏接，从而可以及时完成焊缝和焊接面的焊接工作。影响焊接和黏接工作成功的因素很多，主要包括功率、时间、压力和温度等参数。如果功率过大，可能会造成芯片出现弹坑，功率过小，则会导致虚焊；压力过大会导致芯片被压碎，压力过小也会导致假焊的问题；如果时间过长，会出现过焊，会使焊点两边烧灼色。太小也会造成假焊的问题；因此，为了提高焊接成功率，在焊接过程中，应根据芯片表面的铝层和焊丝直径制定合理的参数，以保证焊接良好，不损伤芯片。

（4）塑封工艺。在完成键合以后，用塑料材料对芯片进行封装和密封，以保护芯片和隔热。塑料封装工艺主要按照以下流程进行：①排片，将键合好的芯片用排片机从料盒转移到预热台上；②上料，预热后的整个模架通过进料架转移到塑料模具上；③合模加压。具体步骤是通过封装机将上下模具组合在一起，从而在模具内形成型腔；④通过高频加热使塑料软化；⑤喂食。将上一步中软化的塑料密封材料通过料筒加入模具中；⑥注射成型，通过塑料封料机将塑料封料挤出模具型腔完成；⑦对塑料密封材料进行固化。固化条件为180 ℃，可在90～150s 内将塑料密封材料转化为固体；⑧下料，取下固化后的整模框架，将产品从塑体中剥离出来。

（5）后固化工艺。这个过程的功能是让塑料粉可以更加充分的黏结在产品上，提高器件的性能：流程如下：①打开烘箱，设定加热温度和时间等参数；②待烘箱温度达到设定值170 ℃且稳定后，将产品及时效箱放入烘箱；③待后固化时间达到4h 后，停止加热，取出产品。

（6）电镀工艺。产品的塑料封装完成后，需要去除溢料，对表面进行镀锡。溢流工序前，需通过软化剂对产品散热片等溢流部位进行软化，然后清洗软化剂；清洗完毕后，将机架逐个放入施皮勒的进料轨道槽内，通过高压水将机架上溢出的物料清除，再在干燥槽内吹干，然后下料、镀锡。镀锡后，将产品放入烤箱175 ℃烘烤1 h，以消除镀锡带来的应力。

（7）钢筋切割成型工艺。此工艺是对电镀产品进行分型，采用设备的螺纹切割设备。具体过程如下：①进料，将合格的产品按正确的方向加入料盒中，然后推入进料导轨；②冲孔作业，通过自动冲孔系统对轨道上的产品进行切割；③完成产品的引脚成型，即满足工艺的形状要求。

（8）测试工艺。产品由试验机进行试验，由1、2、3个试验台进行一次检测，选出合格产品。

（9）打标工艺。激光打标机应使用能刻蚀和标记合格的产品。

（10）封装过程。经检验合格的产品应按产品质量进行封装。

4 机器视觉的半导体芯片封装外观检测缺陷机理

当机器视觉的半导体芯片受到腐蚀因素的影响或被油污染时，在芯片电极表面形成一层非金属膜，导致封装缺陷。机器视觉的半导体芯片电极表面有非金属薄膜，经过压力焊接工艺，在焊接位置形成一个金属–介质–金属结构，又称隧道结。当有一定强度的光照射到机器视觉的半导体芯片上时，如果机器视觉的半导体芯片失效，支架回路也无光电流流过；若非金属膜层较厚，只有少数电子能隧穿膜层势垒，机器视觉的半导体芯片支撑回路也无光电流流过；若非金属膜层较薄，由于LED 芯片光生电流在隧道结两侧形成电场，电子主要以场致发射的方式隧穿膜层，流过单位面积膜层的电流可表示为：

其中：q为电子电量；m为电子质量；h为普朗克常数；v、v、u分别是电子在x、y、z方向的隧穿速度；T（x）为电子的隧穿概率。又任意势垒的电子

隧穿概率可表示为：

其中：jin、jout 分别是进入膜层和穿过膜层的电流密度；U（x）为膜层中x方向任意点的势型期；E是金直芯片电极表面速度为v 电子的能量。

当LED 芯片发生光生伏特效应时，流过芯片电极表面非金属膜层的电流受到膜层厚度的影响，随着膜层增厚，流过膜层的电流减小，流过LED 支架回路的光电流也将减小。

因此，引脚式LED 支架回路光电流的有无或大小能反映封装工艺中LED 芯片的功能状态及芯片电极与引线支架的电气连接情况，因此，可通过检测LED 支架回路光电流达到检测引脚式封装工艺中芯片功能状态和封装缺陷的目的。

5 结束语

在机器视觉的半导体芯片生产过程中，封装是一个重要的过程。通过良好的封装，可以保护机器视觉的半导体芯片，提高机器视觉的半导体芯片的热导率。同时，还可以沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁和规格通用的功能，实现一般规格的功能。因此应加强封装工艺的研究，提高封装的效率和质量。