摘? 要： 為了提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)金絲球壓焊機(jī)的全自動(dòng)運(yùn)行，提出了壓焊機(jī)設(shè)計(jì)原理，從理論上分析了系統(tǒng)的工作過(guò)程。重點(diǎn)分析了模板匹配算法，并指出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須重點(diǎn)處理好的三個(gè)環(huán)節(jié)，即比例設(shè)置、路徑設(shè)置和焊點(diǎn)矯正。接著利用UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言畫(huà)出軟件類(lèi)圖模型，分析了軟件設(shè)計(jì)中三層結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，然后畫(huà)出了自動(dòng)運(yùn)行程序的流程圖并指出了壓焊機(jī)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了方案的可行性。
??? 關(guān)鍵詞： 壓焊機(jī)；引線(xiàn)鍵合；模板匹配；矯正
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表面安裝技術(shù)(SMT)是當(dāng)代最先進(jìn)的電子安裝技術(shù)，是在適合表面安裝的新一代微小型無(wú)引線(xiàn)或引線(xiàn)極短的表面安裝元器件(SMC、SMT)，通過(guò)貼裝設(shè)備貼裝在印制電路板或其他基板的表面，利用波峰焊或再流焊等方法進(jìn)行焊接。然而目前像全自動(dòng)粘片機(jī)和引線(xiàn)鍵合機(jī)等關(guān)鍵封裝設(shè)備仍需依賴(lài)進(jìn)口。進(jìn)口設(shè)備通常價(jià)格比較昂貴，購(gòu)買(mǎi)進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)必然導(dǎo)致生產(chǎn)成本的大幅度增加，降低了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，加快半導(dǎo)體封裝設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，打破對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)依賴(lài)，對(duì)于發(fā)展我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)具有非常重要的意義。
全自動(dòng)金絲球壓焊機(jī)正是用于半導(dǎo)體芯片引線(xiàn)鍵合的關(guān)鍵設(shè)備。它是集精密機(jī)械、自動(dòng)控制、圖像識(shí)別、光學(xué)、超聲波熱壓焊接等技術(shù)于一體的現(xiàn)代化高技術(shù)微電子封裝設(shè)備。
1 壓焊機(jī)研制方案
在IC封裝中，芯片和引線(xiàn)框(基板)的連接為電源和信號(hào)的分配提供了電路連接。有三種方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)部連接：倒裝焊、載帶自動(dòng)焊和引線(xiàn)鍵合。雖然倒裝焊的應(yīng)用增長(zhǎng)很快，但是目前90%以上的連接方式仍然是引線(xiàn)鍵合。這主要是基于成本的考慮。事實(shí)上，對(duì)于一般產(chǎn)品的性能要求，用引線(xiàn)鍵合已經(jīng)能夠達(dá)到，沒(méi)有必要增加額外的成本。
引線(xiàn)鍵合(Wire Bonding)是將半導(dǎo)體芯片焊區(qū)與電子封裝外殼的I/O引線(xiàn)或基板上技術(shù)布線(xiàn)焊區(qū)用金屬細(xì)絲連接起來(lái)的工藝技術(shù)。其原理是采用加熱、加壓和超聲等方式破壞被焊接表面的氧化層和污染，產(chǎn)生塑性變形，使得引線(xiàn)與被焊接表面親密接觸，達(dá)到原子間的引力范圍并導(dǎo)致界面間原子擴(kuò)散而形成焊合點(diǎn)[1]。
引線(xiàn)鍵合的技術(shù)有兩種：球形焊接和楔形焊接。對(duì)這兩種引線(xiàn)鍵合技術(shù)，基本的步驟包括：形成第一焊點(diǎn)(通常在芯片表面)，形成線(xiàn)弧，最后形成第二焊點(diǎn)(通常在引線(xiàn)框架/基板上)。兩種鍵合的不同之處在于：球形焊接中在每次焊接循環(huán)的開(kāi)始會(huì)形成一個(gè)焊球，然后把這個(gè)球焊接到焊盤(pán)上形成第一焊點(diǎn)；而楔形焊接則是將引線(xiàn)在壓力和超聲能量下直接焊接到芯片的焊盤(pán)上[2]。球形焊接和楔形焊接的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。
全自動(dòng)金絲球壓焊機(jī)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。
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??? 工控機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)算和控制的核心，它根據(jù)圖像采集卡采集到的圖像，首先采用中值濾波，去掉圖像中的噪聲，然后進(jìn)行模板匹配運(yùn)算，尋找圖像中的目標(biāo)位置，計(jì)算出目標(biāo)位置到窗口中心點(diǎn)的距離，再向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出一條相對(duì)位移指令，將目標(biāo)位置移動(dòng)到中心點(diǎn)，并記下此時(shí)的電機(jī)位置。
??? 全部位置記錄完以后，再將芯片準(zhǔn)確移動(dòng)到焊頭下面，然后給運(yùn)動(dòng)控制卡的I/O口發(fā)出啟動(dòng)焊接信號(hào)，根據(jù)之前記錄的電機(jī)位置，按照焊接的順序逐次移動(dòng)x-y控制平臺(tái)，直到焊接完一塊芯片。然后給運(yùn)動(dòng)控制卡的另外一個(gè)I/O口發(fā)出進(jìn)片信號(hào)，啟動(dòng)進(jìn)片，為下一塊芯片的焊接作準(zhǔn)備。
??? 在進(jìn)行模板匹配運(yùn)算的時(shí)候，由于芯片在制造過(guò)程中有一些變形，或者在輸送的過(guò)程中受到環(huán)境的污染，導(dǎo)致芯片表面的圖像比較模糊，這樣模板匹配運(yùn)算后得到的匹配度就很低，無(wú)法準(zhǔn)確定位到芯片的位置，導(dǎo)致不能正常的焊接。因此，為了節(jié)約時(shí)間，同時(shí)避免對(duì)金絲不必要的浪費(fèi)，遇到這種情況時(shí)，直接進(jìn)片即可。
2 壓焊機(jī)工作原理
2.1 模板匹配
設(shè)原始圖像為I，其寬度為W，高度為H，模板圖像為T(mén)，其寬度為w，高度為h。將模板T在原始圖像中I遍歷，對(duì)于I中的像素點(diǎn)(x，y)，將模板的左上角放在此處，模板此時(shí)與圖像I中被模板覆蓋住的圖像的相關(guān)系數(shù)R(x，y)按(1)式計(jì)算。
R(x，y)即為模板T與圖像I在像素點(diǎn)(x，y)的相似度，它的值介于0到1之間，越大表明匹配度越高。
模板T在I中遍歷完以后，生成圖像R，R圖像寬度為(W-w+1)，高度為(H-h+1)。其灰度值最大點(diǎn)(即圖像最亮點(diǎn))的坐標(biāo)就是與模板匹配度最高的圖像的左上角在圖像I中的坐標(biāo)。
圖2為原始圖像I，圖3為模板T，模板匹配后生成的圖像R如圖4所示。
2.2 比例設(shè)置
CCD攝像頭的位置固定以后，當(dāng)芯片在x-y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上移動(dòng)一定的距離時(shí)，其圖像相應(yīng)地會(huì)在圖像區(qū)域中移動(dòng)一定的像素。此時(shí)就存在脈沖/像素比，它是后面自動(dòng)運(yùn)行時(shí)調(diào)整芯片位置的重要參數(shù)。
設(shè)初始時(shí)刻芯片左下角在圖像區(qū)域中的位置是(X1，Y1)，然后直接給運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的命令，使x-y平臺(tái)從(Xini，Yini)運(yùn)動(dòng)到(Xdes，Ydes)，再運(yùn)用模板匹配找到芯片左下角在圖像區(qū)域中的坐標(biāo)(X2，Y2)。根據(jù)公式(3)和公式(4)即可得到系統(tǒng)的X和Y方向比例。
上式中Xscale和Yscale表示X和Y方向比例，單位為脈沖/像素。
2.3 路徑設(shè)置
全自動(dòng)金絲球壓焊機(jī)目前面對(duì)的具體對(duì)象是采用TO-92封裝的三極管芯片，將芯片上的兩個(gè)焊點(diǎn)與兩根管腳焊接起來(lái)。因此路徑設(shè)置主要是記錄在移動(dòng)x-y運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)前后，芯片的不同位置位于圖像區(qū)域中時(shí)的電機(jī)位置MotoX、MotoY，用作自動(dòng)運(yùn)行時(shí)模板匹配時(shí)的模板TmpImage及模板矩形框的位置MRect，還有焊點(diǎn)相對(duì)于模板矩形框左上角的位置RelativeX和RelativeY。
??? 設(shè)計(jì)中將這些參數(shù)作為單獨(dú)的一個(gè)類(lèi)Path保存起來(lái)，在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)直接調(diào)用這些參數(shù)即可。
2.4 焊點(diǎn)矯正
焊點(diǎn)矯正是針對(duì)由光學(xué)鏡頭所標(biāo)示的位置與實(shí)際劈刀接觸工作表面的x軸與y軸打點(diǎn)位置的補(bǔ)償。此項(xiàng)補(bǔ)償確保鏡頭所看到的影像中心點(diǎn)與實(shí)際上劈刀所接觸物體表面的位置是同一個(gè)點(diǎn)[3]。
由于攝像頭所拍攝到的圖像不是正處于焊頭正下方，因此焊點(diǎn)矯正過(guò)程為：先在物體表面上打一點(diǎn)，并記下此時(shí)x-y工作臺(tái)的位置(X0，Y0)，然后移動(dòng)x-y工作臺(tái)，直到實(shí)際打出的點(diǎn)進(jìn)入圖像區(qū)域(不一定要移動(dòng)到圖像中心點(diǎn))，再次記下x-y工作臺(tái)的當(dāng)前位置(X1，Y1)，并在圖像上實(shí)際打出點(diǎn)的位置畫(huà)一個(gè)點(diǎn)，計(jì)算出這一點(diǎn)與圖像中心點(diǎn)的偏移量Xoffset和Yoffset。最后根據(jù)式(5)和(6)計(jì)算出鏡頭所標(biāo)示的位置與實(shí)際劈刀接觸工作表面的x軸與y軸的打點(diǎn)位置的實(shí)際偏差ΔX和ΔY。
壓焊機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，不可避免地存在著機(jī)械抖動(dòng)，抖動(dòng)使得攝像頭和焊頭的相對(duì)位置發(fā)生變化，從而改變了鏡頭中心位置與劈刀所接觸位置之間的偏移量，此時(shí)就需要重新進(jìn)行焊點(diǎn)矯正，直到找到準(zhǔn)確的偏移量為止。
3 壓焊機(jī)軟件設(shè)計(jì)
??? 軟件模型圖是進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，它對(duì)團(tuán)隊(duì)的集體開(kāi)發(fā)提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為團(tuán)隊(duì)的合作開(kāi)發(fā)和相互之間的交流提供了便利。本軟件采用UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)軟件模型圖。
??? 統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML(Unified Modeling Language)是用來(lái)對(duì)軟件密集系統(tǒng)進(jìn)行可視化建模的一種語(yǔ)言，是為面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)系統(tǒng)的產(chǎn)品進(jìn)行說(shuō)明、可視化和編制文檔的一種標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，是一種定義良好、易于表達(dá)、功能強(qiáng)大且普遍適用的建模語(yǔ)言。它溶入了軟件工程領(lǐng)域的新思想、新方法和新技術(shù)。它的作用域不限于支持面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì)，還支持從需求分析開(kāi)始的軟件開(kāi)發(fā)的全過(guò)程。最常用的是建立軟件系統(tǒng)的類(lèi)圖模型。
??? 類(lèi)圖描述系統(tǒng)中類(lèi)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，不僅定義系統(tǒng)中的類(lèi)，表示類(lèi)之間的聯(lián)系如關(guān)聯(lián)、依賴(lài)、聚合等，也包括類(lèi)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(類(lèi)的屬性和操作)。類(lèi)圖描述的是一種靜態(tài)關(guān)系，在系統(tǒng)的整個(gè)生命周期都是有效的。
??? 本軟件采用三級(jí)結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)，第一級(jí)包括Motor類(lèi)、Paint類(lèi)、Camera類(lèi)和Arithmatic類(lèi)；第二級(jí)包括Proportion類(lèi)、Path類(lèi)和Correct類(lèi)；第三級(jí)為Automatic類(lèi)。8個(gè)類(lèi)之間的相互依賴(lài)關(guān)系如圖5所示。
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??? 其中Motor類(lèi)主要是封裝了運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)置和讀取速度、位置，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)以及I/O口控制打點(diǎn)、進(jìn)片等函數(shù)；Paint類(lèi)則主要包含畫(huà)點(diǎn)、框、十字架以及擦除點(diǎn)、線(xiàn)、框等函數(shù)；Camera類(lèi)主要包含圖像的亮度、灰度、飽和度、對(duì)比度的調(diào)節(jié)，以改善圖像質(zhì)量，還包括匹配度閾值的調(diào)節(jié)；Arithmatic類(lèi)則包含模板設(shè)置和幾種典型的模板匹配算法等。
??? Proportion類(lèi)主要包含x和y方向比例以及電機(jī)距離轉(zhuǎn)化為圖像距離函數(shù)和圖像距離轉(zhuǎn)化為電機(jī)距離函數(shù)等；Path類(lèi)主要包含電機(jī)位置、偏移量、模板圖像和模板框大小等；Correct類(lèi)包含鏡頭和劈刀位置的偏移量等。第二級(jí)的3個(gè)類(lèi)主要依賴(lài)于第一級(jí)的4個(gè)類(lèi)。
??? 第三級(jí)為Automatic類(lèi)，它是在第二級(jí)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行的，它包括記錄焊接成功數(shù)，讀取和保存各種參數(shù)等函數(shù)。
??? 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行的程序代碼流程圖如下圖6所示。
4 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
4.1 控制第一焊點(diǎn)可靠性
影響第一鍵合點(diǎn)可靠性的因素有很多，在諸多因素中，焊球與金屬線(xiàn)的直徑比對(duì)第一焊點(diǎn)的鍵合質(zhì)量影響最大、最為直觀，起著決定性的作用。通過(guò)調(diào)整鍵合工藝參數(shù)，即超聲波功率和壓力、時(shí)間、溫度等，以滿(mǎn)足焊球與金屬線(xiàn)的直徑比為2.5～5倍的要求，并使焊球與芯片電極達(dá)到共融的理想結(jié)果。為使焊球與金屬線(xiàn)的直徑比滿(mǎn)足2.5～5倍的要求，金屬線(xiàn)直徑的選擇須考慮芯片電極的大小。
4.2 提高第二焊點(diǎn)可靠性
球形鍵合第二焊點(diǎn)為楔形鍵合，其可靠性一般較第一焊點(diǎn)的球形鍵合低，在封裝應(yīng)力的作用下，更容易出現(xiàn)開(kāi)焊、脫鍵現(xiàn)象。為了提高器件的可靠性，工藝中采用加固的方法。第二焊點(diǎn)可以用金屬球加固，一般為自動(dòng)機(jī)臺(tái)所采用；也有用銀漿加固，一般以手工作業(yè)為主。這兩種加固方法，都可以提高第二焊點(diǎn)的可靠性，尤其經(jīng)過(guò)金屬球加固的第二焊點(diǎn)，其可靠性將有很大提升，在要求高質(zhì)量引線(xiàn)鍵合的生產(chǎn)線(xiàn)中應(yīng)用普遍[4]。本系統(tǒng)采用金屬球加固的方法加固第二焊點(diǎn)。
4.3 照明的優(yōu)化設(shè)計(jì)
??? 照明是影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)輸入的重要因素，因?yàn)樗苯佑绊戄斎霐?shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。
??? 本系統(tǒng)的照明由同軸照明和側(cè)光照明兩部分組成。在同軸照明中，光線(xiàn)是通過(guò)光學(xué)部件的物鏡來(lái)照亮鍵合區(qū)域。同軸光從引線(xiàn)框架或芯片表面返回到物鏡，因此對(duì)傾斜的表面非常敏感[5]。其原理如圖7所示。
??? 同軸光照明，對(duì)于框架和引腳對(duì)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，達(dá)到最大值，因此它對(duì)框架這種平坦均勻的圖形能產(chǎn)生對(duì)比度；對(duì)于芯片對(duì)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，達(dá)到最小值，因此它僅生成最基本的照明。
??? 側(cè)光裝在光學(xué)部件的邊上，對(duì)于芯片對(duì)準(zhǔn)而言，達(dá)到最大值，因此它不受芯片傾斜的影響，在芯片圖像上產(chǎn)生最大對(duì)比度；對(duì)引線(xiàn)框架和引腳對(duì)準(zhǔn)達(dá)到最小值。
全自動(dòng)金絲球壓焊機(jī)運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)和模板匹配算法，在設(shè)置好系統(tǒng)的脈沖/像素比、路徑以及攝像頭與焊頭之間的偏移量的基礎(chǔ)上，成功實(shí)現(xiàn)了三極管芯片的引線(xiàn)鍵合。
如圖8所示，這里采用三組模板樣本和芯片做模板匹配，前面的幾塊芯片的匹配度在0.9以上，后面的芯片匹配度則穩(wěn)定在0.55～0.9之間，而無(wú)芯片時(shí)匹配度則都在0.35以下，因此，可以將匹配度閾值設(shè)置在0.5。實(shí)踐證明，它能夠很好地區(qū)分有無(wú)芯片適合焊接，焊接成功率在96%以上。與手動(dòng)和半自動(dòng)壓焊機(jī)相比，它大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，使企業(yè)逐步擺脫對(duì)國(guó)外昂貴的進(jìn)口設(shè)備的依賴(lài)性，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
??? 引線(xiàn)鍵合作為半導(dǎo)體封裝后道工序中的關(guān)鍵，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間仍然將是封裝內(nèi)部連接的主流方式。只要對(duì)程序稍作修改，全自動(dòng)金絲球壓焊機(jī)還可應(yīng)用在其他的半導(dǎo)體芯片的引線(xiàn)鍵合上，它是完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型封裝設(shè)備。
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