基于机器视觉的成型分离制程芯片自动化检测系统的设计

1 概述

随着现代半导体器件向微型化、集成化和高可靠性方向发展以及日益激烈的市场竞争，半导体产品的生产与制造设备正朝着高速度、高精度、智能化、柔性制造系统（FMS）、多功能等自动化方向发展。

半导体生产通常分为前后两道工序，前道工序指芯片扩散、快速热处理、硅片处理等过程，后道工序主要包括切片、粘片、封装测试、包装等过程。成型分离是半导体封装中最后一道工序，是保证产品质量最关键的工序。成型分离制程需要检测的项目有：①料片的方向检测；②芯片尺寸；③芯片引脚个数；④引脚缺陷检测。料片的方向检测通过寻找料片的定位孔位置，检测料片方向是否正确，如图1 所示。芯片尺寸、引脚的个数及引脚之间的间距在元件的封装尺寸中有详细的规定。引脚缺陷主要包括：引脚在冲切后水平方向上弯折程度是否超过允许值，即脚弯；引脚是否有脚伤或者脚断；Dambar 是否切除，如图2 所示。传统的检测方法很难实现对芯片进行高速、高精度的检测，机器视觉检测技术作为一种非接触测量技术，具有非接触性、实时性、灵活性和高可靠性等优点，在微电子制造中有比较广泛的应用。本文将重点介绍采用机器视觉检测技术， 针对成型分离制程中的需要检测的项目，开发视觉检测系统的过程。

2 芯片视觉检测系统组成

本检测系统采用PC-Base 架构，它由工业计算机、光源、镜头、CCD 相机、图像采集卡、IO 卡和图像处理软件组成。采用上下位机方式分别控制，如图3 所示。下位机为实际工作机械控制部份，由PLC 对机械手及进料机构等硬件直接操作，上位机为人机接口及视觉检测部分，当料架上的料片到位时，触发光电传感器， 由PLC 通过IO 卡通知IPC 对料片进行拍照，CCD相机将接收到的光学影像输出到图像采集卡上，图像采集卡将信号转换成数字图像信息供计算机处理。视觉系统对采集的图像进行运算处理，检测相关指标，通过与预设的标准参数相比较来判断待检测的芯片是否合格， 最后通过IO 卡输出检测结果给PLC，PLC 再对料片进行处理。

2．1 系统组成

图像采集是搭建检测系统的关键步骤之一。为获得较好质量的图像数据，需利用图像处理相关算法以及专为芯片检测设计的特有算法，实现对芯片的全自动高速高精度检测。其次是光源、CCD 及图像采集卡的选择。

2．2 光源

光源是图像传感器技术的重要组成部分， 它直接影响输入数据的质量和至少30%的应用效果。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的实例，要选择相应的照明装置，以达到最佳效果。光源选用包括两方面的任务：光源的选择和照明系统结构设计。

目前，工业用机器视觉系统大多选用可见光作为光源，可见光容易获得，价格低，便于操作，实际应用广泛。照明系统按其照射方法可分为：背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。在本项目中，采用白色LED 面光源背向照明。照明系统如图4 所示（图中箭头指向为光线走向）。

2．3 CCD 相机

CCD 是Charge CoupledCoupled Device（电荷藕荷器件）的缩写，它是一种半导体成像器件，具有灵敏度高、抗强光、体积小、耗电低、寿命长等优点。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积大小，面积越大，捕获的光子越多，感光性越好，信噪比越低。

本项目采用Sentech 的SKC141 黑白130 万像素高解析度CCD 相机，视野（H*V）为80*60，系统X 方向精度为56um/pixel，Y 方向精度为52um/pixel，完全能够满足芯片引脚检测的需要。

2．4 图像采集卡

图像采集卡是连接相机与计算机进行数据传输和控制的电子设备，具有高速图像采集功能，也具有部分图像处理功能。图像采集卡可分为标准信号图像采集卡、非标准信号图像采集卡、数字信号图像采集卡。选择图像采集卡时，需要注意图像采集的精度、图像采集的速度与数据传输速度、数据处理能力及系统的可靠性。

根据项目的具体要求， 本系统采用了Euresys 公司的Domino Melody 图像采集卡。

图5 为应用上述CCD、光源和图像采集卡采集到的图像。

3 视觉检测系统的软件实现

按照功能划分， 本软件系统主要由3 个功能模块组成：①模板学习设定模块；②芯片检测模块；③自动控制模块。对于相同的芯片，模板的选取与学习只需要操作一次。

3．1 模板学习设定模块

模板学习设定主要完成以下内容：

（1）设定需要检测的芯片区域；

（2）设定需要检测的定位点及定位点检测区域；

（3）设定芯片模板及芯片相关参数。

模板设定时，首先选择需要检测的区域，并设定定位点检测区域及定位点。然后选择一块芯片作为标准芯片，找到芯片的边界，得到芯片的引脚数及脚间距等参数，如图6 所示。

3．2 芯片检测模块

芯片检测模块的主要功能是：

（1）在定位点检测区域内寻找定位点，判断方向是否正确；

（2）在检测区域内找到所有芯片位置，并对芯片尺寸、引脚数进行检测，判断芯片是否有缺陷，最后给出检测结果，如图7、图8 所示。

3．3 自动控制模块

该模块的功能是：自动监测系统的运动状态，按照检测需要控制检测动作。

（1）监测料片是否到位；

（2）当料片到达指定位置后，通过IO 点控制相机拍照并取像；

（3）对芯片进行检测，对合格及不合格芯片通过IO 卡输出结果，进行流向控制；

（4）等待下一次检测。

4 结束语

该自动检测设备综合运用了电子、自动化、机械、计算机与图象识别等多学科理论和技术，用机器视觉系统模仿人眼的功能，用机器自动检测代替人工肉眼检测，实现了芯片检测的自动化。

经测试表明，本芯片检测系统的性能如下：

（1）检测精度脚弯能够检查到0.5pixels，脚缺陷及Dambar能够检察到1pixels；

（2）检测速度软件检测时间为78ms（含机械自动控制系统运行时间），每次检测时间小于200ms；

（3）检测软件为开放性软件系统，采用模块化结构，易于维护和升级；

（4）安装、测试、维修方便。