摘? 要： 為了提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，實現(xiàn)金絲球壓焊機的全自動運行，提出了壓焊機設(shè)計原理，從理論上分析了系統(tǒng)的工作過程。重點分析了模板匹配算法，并指出了系統(tǒng)設(shè)計過程中必須重點處理好的三個環(huán)節(jié)，即比例設(shè)置、路徑設(shè)置和焊點矯正。接著利用UML統(tǒng)一建模語言畫出軟件類圖模型，分析了軟件設(shè)計中三層結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，然后畫出了自動運行程序的流程圖并指出了壓焊機的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，最后通過實驗證明了方案的可行性。
??? 關(guān)鍵詞： 壓焊機；引線鍵合；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引線或引線極短的表面安裝元器件(SMC、SMT)，通過貼裝設(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。然而目前像全自動粘片機和引線鍵合機等關(guān)鍵封裝設(shè)備仍需依賴進(jìn)口。進(jìn)口設(shè)備通常價格比較昂貴，購買進(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)品的市場競爭力。因此，加快半導(dǎo)體封裝設(shè)備的國產(chǎn)化進(jìn)程，打破對發(fā)達(dá)國家的技術(shù)依賴，對于發(fā)展我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)具有非常重要的意義。
全自動金絲球壓焊機正是用于半導(dǎo)體芯片引線鍵合的關(guān)鍵設(shè)備。它是集精密機械、自動控制、圖像識別、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 壓焊機研制方案
在IC封裝中，芯片和引線框(基板)的連接為電源和信號的分配提供了電路連接。有三種方式實現(xiàn)內(nèi)部連接：倒裝焊、載帶自動焊和引線鍵合。雖然倒裝焊的應(yīng)用增長很快，但是目前90%以上的連接方式仍然是引線鍵合。這主要是基于成本的考慮。事實上，對于一般產(chǎn)品的性能要求，用引線鍵合已經(jīng)能夠達(dá)到，沒有必要增加額外的成本。
引線鍵合(Wire Bonding)是將半導(dǎo)體芯片焊區(qū)與電子封裝外殼的I/O引線或基板上技術(shù)布線焊區(qū)用金屬細(xì)絲連接起來的工藝技術(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)致界面間原子擴散而形成焊合點[1]。
引線鍵合的技術(shù)有兩種：球形焊接和楔形焊接。對這兩種引線鍵合技術(shù)，基本的步驟包括：形成第一焊點(通常在芯片表面)，形成線弧，最后形成第二焊點(通常在引線框架/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)的開始會形成一個焊球，然后把這個球焊接到焊盤上形成第一焊點；而楔形焊接則是將引線在壓力和超聲能量下直接焊接到芯片的焊盤上[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。
全自動金絲球壓焊機的設(shè)計方案如圖1所示。
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??? 工控機是整個系統(tǒng)運算和控制的核心，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)行模板匹配運算，尋找圖像中的目標(biāo)位置，計算出目標(biāo)位置到窗口中心點的距離，再向運動控制卡發(fā)出一條相對位移指令，將目標(biāo)位置移動到中心點，并記下此時的電機位置。
??? 全部位置記錄完以后，再將芯片準(zhǔn)確移動到焊頭下面，然后給運動控制卡的I/O口發(fā)出啟動焊接信號，根據(jù)之前記錄的電機位置，按照焊接的順序逐次移動x-y控制平臺，直到焊接完一塊芯片。然后給運動控制卡的另外一個I/O口發(fā)出進(jìn)片信號，啟動進(jìn)片，為下一塊芯片的焊接作準(zhǔn)備。
??? 在進(jìn)行模板匹配運算的時候，由于芯片在制造過程中有一些變形，或者在輸送的過程中受到環(huán)境的污染，導(dǎo)致芯片表面的圖像比較模糊，這樣模板匹配運算后得到的匹配度就很低，無法準(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)約時間，同時避免對金絲不必要的浪費，遇到這種情況時，直接進(jìn)片即可。
2 壓焊機工作原理
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，其寬度為w，高度為h。將模板T在原始圖像中I遍歷，對于I中的像素點(x，y)，將模板的左上角放在此處，模板此時與圖像I中被模板覆蓋住的圖像的相關(guān)系數(shù)R(x，y)按(1)式計算。
R(x，y)即為模板T與圖像I在像素點(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(即圖像最亮點)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運動平臺上移動一定的距離時，其圖像相應(yīng)地會在圖像區(qū)域中移動一定的像素。此時就存在脈沖/像素比，它是后面自動運行時調(diào)整芯片位置的重要參數(shù)。
設(shè)初始時刻芯片左下角在圖像區(qū)域中的位置是(X1，Y1)，然后直接給運動控制卡發(fā)出進(jìn)行插補運動的命令，使x-y平臺從(Xini，Yini)運動到(Xdes，Ydes)，再運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
全自動金絲球壓焊機目前面對的具體對象是采用TO-92封裝的三極管芯片，將芯片上的兩個焊點與兩根管腳焊接起來。因此路徑設(shè)置主要是記錄在移動x-y運動控制平臺前后，芯片的不同位置位于圖像區(qū)域中時的電機位置MotoX、MotoY，用作自動運行時模板匹配時的模板TmpImage及模板矩形框的位置MRect，還有焊點相對于模板矩形框左上角的位置RelativeX和RelativeY。
??? 設(shè)計中將這些參數(shù)作為單獨的一個類Path保存起來，在自動運行時直接調(diào)用這些參數(shù)即可。
2.4 焊點矯正
焊點矯正是針對由光學(xué)鏡頭所標(biāo)示的位置與實際劈刀接觸工作表面的x軸與y軸打點位置的補償。此項補償確保鏡頭所看到的影像中心點與實際上劈刀所接觸物體表面的位置是同一個點[3]。
由于攝像頭所拍攝到的圖像不是正處于焊頭正下方，因此焊點矯正過程為：先在物體表面上打一點，并記下此時x-y工作臺的位置(X0，Y0)，然后移動x-y工作臺，直到實際打出的點進(jìn)入圖像區(qū)域(不一定要移動到圖像中心點)，再次記下x-y工作臺的當(dāng)前位置(X1，Y1)，并在圖像上實際打出點的位置畫一個點，計算出這一點與圖像中心點的偏移量Xoffset和Yoffset。最后根據(jù)式(5)和(6)計算出鏡頭所標(biāo)示的位置與實際劈刀接觸工作表面的x軸與y軸的打點位置的實際偏差ΔX和ΔY。
壓焊機在長時間的運行過程當(dāng)中，不可避免地存在著機械抖動，抖動使得攝像頭和焊頭的相對位置發(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，此時就需要重新進(jìn)行焊點矯正，直到找到準(zhǔn)確的偏移量為止。
3 壓焊機軟件設(shè)計
??? 軟件模型圖是進(jìn)行軟件開發(fā)的基礎(chǔ)，它對團隊的集體開發(fā)提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為團隊的合作開發(fā)和相互之間的交流提供了便利。本軟件采用UML統(tǒng)一建模語言來編寫軟件模型圖。
??? 統(tǒng)一建模語言UML(Unified Modeling Language)是用來對軟件密集系統(tǒng)進(jìn)行可視化建模的一種語言，是為面向?qū)ο箝_發(fā)系統(tǒng)的產(chǎn)品進(jìn)行說明、可視化和編制文檔的一種標(biāo)準(zhǔn)語言，是一種定義良好、易于表達(dá)、功能強大且普遍適用的建模語言。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，還支持從需求分析開始的軟件開發(fā)的全過程。最常用的是建立軟件系統(tǒng)的類圖模型。
??? 類圖描述系統(tǒng)中類的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，不僅定義系統(tǒng)中的類，表示類之間的聯(lián)系如關(guān)聯(lián)、依賴、聚合等，也包括類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(類的屬性和操作)。類圖描述的是一種靜態(tài)關(guān)系，在系統(tǒng)的整個生命周期都是有效的。
??? 本軟件采用三級結(jié)構(gòu)開發(fā)，第一級包括Motor類、Paint類、Camera類和Arithmatic類；第二級包括Proportion類、Path類和Correct類；第三級為Automatic類。8個類之間的相互依賴關(guān)系如圖5所示。
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??? 其中Motor類主要是封裝了運動控制卡的設(shè)置和讀取速度、位置，直線運動，插補運動以及I/O口控制打點、進(jìn)片等函數(shù)；Paint類則主要包含畫點、框、十字架以及擦除點、線、框等函數(shù)；Camera類主要包含圖像的亮度、灰度、飽和度、對比度的調(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類則包含模板設(shè)置和幾種典型的模板匹配算法等。
??? Proportion類主要包含x和y方向比例以及電機距離轉(zhuǎn)化為圖像距離函數(shù)和圖像距離轉(zhuǎn)化為電機距離函數(shù)等；Path類主要包含電機位置、偏移量、模板圖像和模板框大小等；Correct類包含鏡頭和劈刀位置的偏移量等。第二級的3個類主要依賴于第一級的4個類。
??? 第三級為Automatic類，它是在第二級的基礎(chǔ)上實現(xiàn)自動運行的，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)。
??? 實現(xiàn)自動運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
4.1 控制第一焊點可靠性
影響第一鍵合點可靠性的因素有很多，在諸多因素中，焊球與金屬線的直徑比對第一焊點的鍵合質(zhì)量影響最大、最為直觀，起著決定性的作用。通過調(diào)整鍵合工藝參數(shù)，即超聲波功率和壓力、時間、溫度等，以滿足焊球與金屬線的直徑比為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。為使焊球與金屬線的直徑比滿足2.5～5倍的要求，金屬線直徑的選擇須考慮芯片電極的大小。
4.2 提高第二焊點可靠性
球形鍵合第二焊點為楔形鍵合，其可靠性一般較第一焊點的球形鍵合低，在封裝應(yīng)力的作用下，更容易出現(xiàn)開焊、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。第二焊點可以用金屬球加固，一般為自動機臺所采用；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的可靠性，尤其經(jīng)過金屬球加固的第二焊點，其可靠性將有很大提升，在要求高質(zhì)量引線鍵合的生產(chǎn)線中應(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。
4.3 照明的優(yōu)化設(shè)計
??? 照明是影響機器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，因為它直接影響輸入數(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，光線是通過光學(xué)部件的物鏡來照亮鍵合區(qū)域。同軸光從引線框架或芯片表面返回到物鏡，因此對傾斜的表面非常敏感[5]。其原理如圖7所示。
??? 同軸光照明，對于框架和引腳對準(zhǔn)來說，達(dá)到最大值，因此它對框架這種平坦均勻的圖形能產(chǎn)生對比度；對于芯片對準(zhǔn)來說，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，對于芯片對準(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)生最大對比度；對引線框架和引腳對準(zhǔn)達(dá)到最小值。
全自動金絲球壓焊機運用機器視覺和模板匹配算法，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，成功實現(xiàn)了三極管芯片的引線鍵合。
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，而無芯片時匹配度則都在0.35以下，因此，可以將匹配度閾值設(shè)置在0.5。實踐證明，它能夠很好地區(qū)分有無芯片適合焊接，焊接成功率在96%以上。與手動和半自動壓焊機相比，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)逐步擺脫對國外昂貴的進(jìn)口設(shè)備的依賴性，提高了企業(yè)的市場競爭力。
??? 引線鍵合作為半導(dǎo)體封裝后道工序中的關(guān)鍵，在未來相當(dāng)長一段時間仍然將是封裝內(nèi)部連接的主流方式。只要對程序稍作修改，全自動金絲球壓焊機還可應(yīng)用在其他的半導(dǎo)體芯片的引線鍵合上，它是完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型封裝設(shè)備。
參考文獻(xiàn)
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