CN101136346A - 一种芯片焊点在线检测和缺陷辨识装置及芯片封装装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种芯片焊点在线检测和缺陷辨识装置及芯片封装装置，包括检测平台、图像采集装置、图像处理***、前端接口；所述检测平台作为处理芯片检测样品的平台，其通过前端接口与芯片封装设备连接，并可使检测样品发热；所述图像采集装置设于检测平台上方，其设置有红外热像仪，以摄取样品的热图像；所述图像处理***设置有中央处理器，通过中央处理器对图像采集装置所摄取的样品热图像进行处理以判别样品的焊点。本发明的焊点在线检测设备，简单易行，安全可靠，适用于大多数芯片封装的粘结面质量检测。
Description
技术领域
本发明涉及芯片焊点的检测，以及芯片的封装技术。
技术背景
集成电路(如IC元件)、电子(如HEMT元件)和光电子(如LED元件)元器件都需要将芯片封装在管壳上面，这种封装或是采用银胶等胶体直接粘结在管壳上，或是采用共晶焊、倒装焊(焊面或焊料凸点)等焊料直接焊接在管壳上。粘结面既起到固定芯片的作用，又作为芯片与外部的电气互联通道和传热通道，因此粘结面的质量将严重影响封装器件的性能。由于实际工艺或操作等原因，粘结面往往会出现空洞、气泡、分层等缺陷，为确保电子产品质量稳定性和可靠性，对封装后的电子产品芯片的粘结面进行检测是非常必要的。可以根据检测结果剔除粘结不良的芯片，也可以根据粘结情况对原有工艺进行改进。
而粘结面往往掩盖在芯片下面，难以观测。粘结面质量常用的检测方法有非破坏性的、破坏性检测两种。非破坏性检测方法主要有X-ray检测和超声波(C-SAM)检测两种。X-ray检测是利用X射线可穿透物质并在物质中有衰减的特性来发现缺陷，主要检测焊点内部缺陷，如BGA、CSP和FC焊点等。X-ray射线检测已经作为很多公司生产线和实验室的自动化焊点检测设备，但是X-ray射线检测设备太贵，且对人体有害，同时还需要操作者具有较强的经验。超声波检测是利用超声波束能透入金属材料的深处，由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检测焊点的缺陷。来自焊点表面的超声波进入金属内部，遇到缺陷及焊点底部时就会发生反射现象，将反射波束收集到荧光屏上形成脉冲波形，根据波形的特点来判断缺陷的位置、大小和性质。虽然超声波检测灵敏度高、操作方便、检验速度快、成本低、对人体无害等优点，但是对缺陷进行定性和定量的判定尚存在困难，同时检测时需将芯片置于水下及定位，且需要逐层扫描和选择正确的超声信号，不利于***集成。破坏性检测是将焊点进行机械性破坏，从它的强度和断裂面来检查缺陷的。常用的评价指标有拉伸强度、剥离强度和剪切强度。因为对所有的产品进行检测是不可能的，所以只能进行适量的抽检。
热成像检测当元件工作时，受到热激发，热量将在其内部进行传递，当元件内部存在缺陷时，就会改变表面的热传导特性，热传导特性的改变就会导致热分布发生变化，从而使物体表面的温度发生差异。用红外热像仪检测出物体表面的这种温度差异，形成热图像，据此可判断被测元件是否存在缺陷及缺陷的情况。然而现有这种方法往往用在倒装焊、BGA封装中的热性能测试及返修工艺中，用以提高返修中的工艺控制并降低返修成本，它不利于大规模的芯片实时检测和***集成。
发明内容
本发明的目的在于针对传统的检测技术中存在的问题，提出了一种基于热成像检测原理的实现焊点在线检测和缺陷辨识的方法和设备，该方法简单易行，可作为大型自动化封装设备的后端检测部件，适合于大规模工业化生产。
本发明的另一目的在于提供一种可在线检测的芯片封装设备。
为了实现发明目的一，采用的技术方案如下：
一种芯片焊点在线检测和缺陷辨识装置，包括检测平台、图像采集装置、图像处理***、前端接口；所述检测平台作为处理芯片检测样品的平台，其通过前端接口与芯片封装设备连接，并可使检测样品发热；所述图像采集装置设于检测平台上方，其设置有红外热像仪，以摄取样品的热图像；所述图像处理***设置有中央处理器，通过中央处理器对图像采集装置所摄取的样品热图像进行处理以判别样品的焊点。
本发明采用红外热像仪测量封装后芯片元件工作时的表面温度图像，通过对封装元件由于焊点缺陷等原因引起表面温度场的变化，通过图像处理，从而获得芯片的缺陷情况。
前端接口作为与前端封装组件的连接桥梁，各焊点检测平台部件通过前端接口与前端封装组件集成，前端封装组件有多种封装形式：包括共晶焊接、银胶导热胶等粘结、倒装焊焊点固结等多种芯片固结方式。
而所述检测平台包括电源驱动模块、芯片归类模块、温度控制模块。检测平台负责处理从前端传送过来的芯片样品，电源驱动模块是作为测试样品的驱动源，并且该驱动源通过悬臂探针加载在测试元件上。芯片归类模块是由于温度达到稳态需要一定时间，为了适应前端高速的封装容量，而在探测平台上采用的批测量技术。温度控制模块是控制各封装元件所处的平台在相同的温度上，该温度控制模块能将探测平台处于相同的温度值。
图像处理***主要是通过对红外热像仪拍摄的温度图进行处理，根据用户设定的各种温度判据，作为芯片有无缺陷的判断。所述图像处理***包括三种处理模式：
模式1为通过芯片关键位置的温度值来快速判断芯片有无缺陷；
模式2为以芯片表面的温度场进行判据，通过芯片表面温度场的变化对焊点粘结面的缺陷进行分析定位；
模式3为通过确定芯片各材料的发射率，通过图像处理，获得该芯片工作时的温度分布。
模式1为通过芯片关键位置的温度值来快速判断芯片有无缺陷的判断，芯片粘结面的缺陷能引起芯片表面的温升，通过对视场内芯片同一关键位置的温度判据，该温度判据设定可以接受的温度区间，温度超出这一区间，便认为芯片粘结存在异常。另外，也可在芯片上选择多个关键位置来设定判据。标记存在异常的芯片，可选择进入反馈部分，或进入模式2对缺陷芯片的位置进行缺陷分析和缺陷定位。模式2为以芯片表面的温度场进行判据，通过芯片表面温度场的变化对粘结面的缺陷进行分析定位，可标记缺陷芯片最大温度的(即hotspot)的位置，缺陷芯片表面温度场与好芯片表面温度场差值的二维分布可确定焊点缺陷位置，此位置为温度最大值或温度梯度变化最大位置，另外也可以把芯片表面的平均温度作为缺陷判据，结合模式1分析芯片缺陷。模式3为高级操作模式，采用此模式可以得到芯片的实际温度值，对芯片实际温度的分析可以得到该芯片的热阻等热学性能的参数。该模式可以通过确定芯片各材料的发射率，通过图像处理，获得该芯片工作时的温度分布。
所述图像采集装置还设置有CCD图像摄取设备。
至此，图像采集装置包括CCD图像采集和IR Camera红外热象仪***，CCD图像采集***进行芯片定位和自动化测量，IR Camera红外热像仪则采集视场内的芯片样品表面温度。
图像采集装置的工作原理为：CCD和IR Camera自动调整焦距，CCD采集视场内的图样，用户根据采集图样确定芯片位置，可通过用户直接选定或图像自动识别，同时IR Camera设定参数后，纪录此时的热图像，CCD图像的芯片定位信息和热图像存储到电脑内，转入图像处理操作。如在检测平台上引入若干定位信息，通过特征位置确定热图像中芯片的位置，可不需要采用CCD进行芯片定位的部件。另外，IR Camera选用空间分辨率高的镜头，视场会变小，为了测量整个视场内的温度图样，IR Camera可在焦距平面内运动，融合各位置处的热图样，便能得到整个视场内的温度图样。
本发明的芯片焊点在线检测和缺陷辨识装置，还包括有反馈装置，所述反馈装置对图像处理***所判定存在缺陷的芯片，以及图像采集装置所确定的缺陷芯片的具***置，采用机械传动部件剔除缺陷芯片。
为了实现发明目的二，采用的技术方案如下：
一种芯片封装装置，包括封装设备和检测设备，所述检测设备包括检测平台、图像采集装置、图像处理***、前端接口，检测设备通过前端接口与封装设备连接。
本发明所述的芯片封装装置中，封装设备可采用现有的成熟设备，而通过前端接口与检测设备连接，实现封装过程中的在线检测及缺陷判断，检测设备采用发明目的一的技术方案。
本发明的焊点在线检测设备，简单易行，安全可靠，适用于大多数芯片封装的粘结面质量检测；同时它容易集成到前端封装组件，适用于大规模的工业生产，且价格低廉。在线检测设备通过对被测元件在封装过程中由于芯片粘结缺陷引起表面温度场差异，利用热像仪形成的热图像来进行被测元件粘结缺陷检测和缺陷分析。它同时包括测量元件、红外热像仪及图像处理及反馈***，可以集成为大型封装设备的后端检测部件。这种设备采用非接触无损检测技术，自动化程度高。
附图说明
图1为红外热成像焊点在线检测和缺陷辨识设备结构示意图；
图2为图像采集***工作原理示意图；
图3为图像处理***工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明的在线检测和缺陷辨识设备结构示意图如附图1所示，由前端接口，检测平台，图像采集装置，图像处理***和反馈装置几个部件组成；前端接口作为与前端封装组件的连接桥梁，各焊点检测平台部件通过前端接口与前端封装组件集成；检测平台负责处理从前端传送过来的芯片样品；图像采集装置包括CCD图像采集和IR Camera红外热象仪***，CCD图像采集***进行芯片定位和自动化测量，IR Camera红外热像仪则采集视场内的芯片样品表面温度；图像处理部分主要是通过对IR Camera拍摄的温度图进行处理，根据用户设定的各种温度判据，作为芯片有无缺陷的判断；标记图像处理***中存在缺陷的芯片，然后进入反馈部分，采用机械传动部件剔除缺陷芯片。
本发明所涉及的关键部件图像采集***和图像处理***中，图像采集***的工作原理如附图2所示。CCD和IR Camera自动调整焦距，CCD采集视场内的图样，用户根据采集图样确定芯片位置，可通过用户直接选定或图像自动识别，同时IR Camera设定参数后，纪录此时的热图像，CCD图像的芯片定位信息和热图像存储到电脑内，转入图像处理操作。如在检测平台上引入若干定位信息，通过特征位置确定热图像中芯片的位置，可不需要采用CCD进行芯片定位的部件。另外，IR Camera选用空间分辨率高的镜头，视场会变小，为了测量整个视场内的温度图样，IR Camera可在焦距平面内运动，融合各位置处的热图样，便能得到整个视场内的温度图样。
本发明的图像处理***的工作原理如附图3所示。读取芯片的定位信息和温度图后，选取操作模式，模式1为通过芯片关键位置的温度值来快速判断芯片有无缺陷的判断，芯片粘结面的缺陷能引起芯片表面的温升，通过对视场内芯片同一关键位置的温度判据，该温度判据设定可以接受的温度区间，温度超出这一区间，便认为芯片粘结存在异常。另外，也可在芯片上选择多个关键位置来设定判据。标记存在异常的芯片，可选择进入反馈部分，或进入模式2对缺陷芯片的位置进行缺陷分析和缺陷定位。模式2为以芯片表面的温度场进行判据，通过芯片表面温度场的变化对粘结面的缺陷进行分析定位，可标记缺陷芯片最大温度的(即hot spot)的位置，缺陷芯片表面温度场与好芯片表面温度场差值的二维分布可确定焊点缺陷位置，此位置为温度最大值或温度梯度变化最大位置，另外也可以把芯片表面的平均温度作为缺陷判据，结合模式1分析芯片缺陷。模式3为高级操作模式，采用此模式可以得到芯片的实际温度值，对芯片实际温度的分析可以得到该芯片的热阻等热学性能的参数。该模式可以通过确定芯片各材料的发射率，通过图像处理，获得该芯片工作时的温度分布。
利用本发明检测凸点倒装焊方式封装的1mm×1mm尺寸的LED芯片，检测平台底部温度设定为50℃，注入工作电流为350mA，IR Camera纪录芯片的表面温度，样品1的温度图样中，表面最大温度为69.3℃，样品1焊接面完好；样品2的温度图样中，表面最大温度为103.2℃，表面温度场显示表面存在显著温升和热区域(hot spot)；样品3的温度图样中，表面最大温度为111.6℃，表面温度场显示表面存在显著温升和热区域(hot spot)；然后用传统的焊点检测方式超声波(C-SAM)来对芯片缺陷位置进行定位，通过三颗样品芯片的C-SAM图，焊点缺陷的数量越多，表面温度场的温升越大，表面温度场的最大温度位置出现在焊点缺陷的位置。这说明利用芯片表面温度变化(如温升、热区域)来预测粘结面缺陷是可行的。对于其它凸点方式(如铅锡凸点、金锡凸点等)封装的倒装芯片、BGA芯片等，都可采用这种方法进行判断。
利用本发明检测共晶焊料方式封装的大功率LED芯片，检测平台底部温度设定为50℃，注入工作电流为350mA，IR Camera纪录芯片的表面温度，该芯片表面附有金属电极，金属电极由于发射率不同而在热像图上呈现不同温度，样品1的温度图样中，表面最大温度为53℃，样品1焊接面完好；样品2的温度图样中，表面最大温度为60℃，表面温度场显示表面存在较大温升；选取模式1，将中心位置作为温度判据，通过该位置的温度区间判断芯片有无缺陷是可行的。对于其它焊料或胶体方式(如铅锡合金、金锡合金、银胶、导热胶等)封装的芯片等，都可采用这种方法进行判断。
Claims (6)
1.一种芯片焊点在线检测和缺陷辨识装置，其特征在于包括检测平台、图像采集装置、图像处理***、前端接口；
所述检测平台作为处理芯片样品的平台，其通过前端接口与芯片封装设备连接，并可使检测样品发热；
所述图像采集装置设于检测平台上方，其设置有红外热像仪，以摄取样品的热图像；
所述图像处理***设置有中央处理器，通过中央处理器对图像采集装置所摄取的样品热图像进行处理以判别样品的焊点。
2.根据权利要求1所述的芯片焊点在线检测和缺陷辨识装置，其特征在于所述检测平台包括电源驱动模块、芯片归类模块、温度控制模块。
3.根据权利要求1或2所述的芯片焊点在线检测和缺陷辨识装置，其特征在于所述图像处理***包括三种处理模式：
模式1为通过芯片关键位置的温度值来快速判断芯片有无缺陷；
模式2为以芯片表面的温度场进行判据，通过芯片表面温度场的变化对焊点粘结面的缺陷进行分析定位；
模式3为通过确定芯片各材料的发射率，通过图像处理，获得该芯片工作时的温度分布。
4.根据权利要求3所述的芯片焊点在线检测和缺陷辨识装置，其特征在于所述图像采集装置还设置有CCD图像摄取设备。
5.根据权利要求4所述的芯片焊点在线检测和缺陷辨识装置，其特征在于还包括有反馈装置，所述反馈装置设置有机械传动部件，并通过该机械传动部件对缺陷芯片进行剔除。
6.一种芯片封装装置，其特征在于包括封装设备和检测设备，所述检测设备包括检测平台、图像采集装置、图像处理***、前端接口，检测设备通过前端接口与封装设备连接。
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