用于檢驗半導(dǎo)體封裝的裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于檢驗半導(dǎo)體封裝的裝置與方法。所述裝置包括：至少一個3D攝像機，其設(shè)置在相對于所述半導(dǎo)體封裝的法線的第一角度處；以及光源，其配置為向所述至少一個3D攝像機提供照明，所述光源朝向所述半導(dǎo)體封裝。所述方法包括：將鍵合引線的陰影投射至半導(dǎo)體封裝上；獲取半導(dǎo)體封裝的3D圖像；確定圖像中的陰影與鍵合引線的距離S；以及獲得鍵合引線的引線弧高H。
【專利說明】
用于檢驗半導(dǎo)體封裝的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及用于檢驗半導(dǎo)體封裝的裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]晶粒(die)與引線鍵合是電子封裝行業(yè)所采用的最常見的互連技術(shù)。近年來，新的封裝趨勢趨向于例如互連數(shù)量增加、電路微型化、裝配的速度加快、每次互連的成本降低等。
[0003]應(yīng)當(dāng)注意的是，互連質(zhì)量影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著互連數(shù)量的增加，生產(chǎn)出有缺陷的部件的概率也增大。考慮到晶粒與引線鍵合典型地發(fā)生在半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的下游階段，相對于在生產(chǎn)工藝的早期階段所檢測到的有缺陷產(chǎn)品，由于壞的互連所導(dǎo)致的有缺陷廣品的成本會更尚ο目如可以檢測鍵合引線的尚度。該尚度又稱為弧尚(loop height)。還可以對晶粒/引線鍵合的質(zhì)量以及鍵合工藝之后的晶粒/引線/襯底的完整性進行檢驗。
[0004]用于引線鍵合(特別是在引線輪廓領(lǐng)域)的典型的檢驗方法通常要么人工地執(zhí)行(例如，利用顯微鏡的目視檢查、接觸檢驗等)，要么以半自動的方式執(zhí)行。令人遺憾的是，這類檢驗方法很慢、勞動密集、昂貴，并且還易于受到靜電損傷和/或由于接觸所造成的物理性損傷。此外，由于人類局限性，人工檢驗方法(例如，使用/不使用傳感器的目視檢驗)是有缺陷的，并且非常的主觀且依賴于人類檢驗員。
[0005]因此，顯然需要改善用于引線鍵合的檢驗方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在第一方面，提供了一種用于檢驗半導(dǎo)體封裝的裝置。該裝置包括:至少一個3D攝像機，其設(shè)置在相對于所述半導(dǎo)體封裝的法線的第一角度處；以及光源，其配置為向所述至少一個3D攝像機提供照明，所述光源朝向所述半導(dǎo)體封裝。優(yōu)選的是，在所述裝置中所述至少一個3D攝像機和所述光源以彼此相對固定的配置來進行布置。所述至少一個3D攝像機可以配置為相對于成像透鏡的同軸軸線樞轉(zhuǎn)。
[0007]優(yōu)選地，所述光源設(shè)置在相對于所述法線的第二角度處，與所述至少一個3D攝像機相對。優(yōu)選地，所述第一角度和所述第二角度為銳角。此外，所述光源可以通過較小的孔徑角來進行傳播。優(yōu)選的是，所述至少一個3D攝像機或者單獨的數(shù)據(jù)處理設(shè)備配置為執(zhí)行圖像處理。所述裝置還可以是相對于所述法線可旋轉(zhuǎn)的。
[0008]所述裝置可以進一步包括2D攝像機；以及照明模塊，所述照明模塊配置為向所述2D攝像機提供照明。所述2D攝像機可以為面掃描攝像機或線掃描攝像機。優(yōu)選的是，所述照明模塊配置為產(chǎn)生在不同波長的不同照明技術(shù)。所述2D攝像機可以配置為相對于成像透鏡的同軸軸線樞轉(zhuǎn)。
[0009]在第二方面，提供了一種用于檢驗半導(dǎo)體封裝的方法。所述方法包括:將鍵合引線的陰影投射至半導(dǎo)體封裝上;獲取半導(dǎo)體封裝的3D圖像;確定圖像中的陰影與鍵合引線的距離S;以及獲得鍵合引線的引線弧高H。
[0010]優(yōu)選的是，確定多個距離S，以計算鍵合引線的高度輪廓。
[0011]同樣優(yōu)選的是，利用3D攝像機獲得3D圖像，所述3D攝像機設(shè)置在相對于半導(dǎo)體封裝的法線的第一角度β處;并且利用光源來投射陰影，所述光源設(shè)置在相對于所述法線的第二角度α處，與所述3D攝像機相對。所述引線弧高H為S.cos(a)/sin(a+0)o
[0012]在最后的方面，提供了一種包括至少一個3D攝像機和至少一個光源的裝置，該裝置用于檢驗半導(dǎo)體封裝，并且執(zhí)行上述方法。
【附圖說明】
[0013]為了使本發(fā)明可以得到完全理解并且易于得到實際效果，現(xiàn)在將通過非限制性示例的方式來描述本發(fā)明的僅是優(yōu)選的實施方案，該描述參考所附示意圖來進行。
[0014]圖1示出了從晶粒到襯底的鍵合引線的圖。
[0015]圖2示出了用以形成鍵合引線的陰影以及對鍵合引線的陰影進行成像的攝像機-照明設(shè)備的簡化視圖。
[0016]圖3顯示了鍵合引線的陰影是如何形成與成像的簡化視圖。
[0017]圖4顯示了本發(fā)明的攝像機-照明設(shè)備的第一實施方案的前視圖。
[0018]圖5顯示了圖4的攝像機-照明設(shè)備的第一實施方案的主要部件的立體視圖。
[0019]圖6顯示了本發(fā)明的攝像機-照明設(shè)備的第二實施方案的頂視圖、前視圖以及后視圖。
[0020]圖7顯示了利用本發(fā)明的攝像機-照明設(shè)備而獲得的樣本3D圖像。
[0021]圖8顯示了相對于成像透鏡的同軸軸線樞轉(zhuǎn)的3D攝像機的簡化視圖。
【具體實施方式】
[0022]本發(fā)明提供有效、可靠、測量-驅(qū)動(measurement-driven)，并且能夠識別所有的晶粒與引線鍵合故障缺陷的用于檢驗后引線鍵合封裝(post wirebond package)20(如圖1中所示)的裝置與方法。此外，本發(fā)明還能夠在檢驗生產(chǎn)工藝的所有產(chǎn)品的同時包括以能夠跟上生產(chǎn)工藝的速度的對其他電子部件的測量與檢驗。應(yīng)當(dāng)理解的是，后引線鍵合封裝20也可以被認(rèn)為是半導(dǎo)體封裝。
[0023]參考圖2，其顯示了用于投射引線鍵合封裝20中的引線19的陰影(shadow)與對引線鍵合封裝20中的引線19的陰影進行成像的簡化設(shè)置。設(shè)置了 3D攝像機22，所述3D攝像機22布置于從引線鍵合封裝20的法線24測量的第一銳角β處。應(yīng)當(dāng)理解的是，法線24為無論引線鍵合封裝20的取向如何都垂直于該引線鍵合封裝20的軸線。此外，還設(shè)置了光源26，該光源26在法線24的與3D攝像機22相比的相對側(cè)布置于從法線24測量的第二銳角α處。光源26用于照射引線鍵合封裝20。光源26的類型可以選自例如:遠(yuǎn)心光、平行光、準(zhǔn)平行光和單光點照明等。來自光源26的光照被用于在襯底上投射引線19的陰影，該光照從引線鍵合封裝20反射出來，并且通過成像透鏡28返回至攝像機22。參考圖8，攝像機22可以相對于透鏡28的同軸軸線10傾斜，以根據(jù)沙伊姆弗勒原理(Scheimpflug principle)獲取封裝20的焦點對準(zhǔn)的完整視場(FOV)。攝像機22的傾斜參數(shù)(例如傾斜的角度、距透鏡的距離等)將取決于用戶對于所捕獲圖像的參數(shù)(例如光學(xué)分辨率、圖像質(zhì)量等)的要求。為了說明起見，攝像機22顯示為位于第一位置“A”，并且隨后移動至第二位置“B”，以獲得所需要的封裝20的焦點對準(zhǔn)的完整視場。
[0024]將3D攝像機22布置于第一銳角β處使得無論引線鍵合封裝20的表面加工如何，3D攝像機22都能夠捕獲到合適的圖像。如果3D攝像機22直接布置于引線鍵合封裝20的上方，而光線來自于側(cè)方，則3D攝像機22將能夠捕獲陰影，但是當(dāng)引線鍵合封裝20的表面具有鏡面加工時，3D攝像機22將無法捕獲陰影。此外，當(dāng)3D攝像機22直接位于引線鍵合封裝20上方時，如果引線鍵合封裝20的表面具有鏡面加工，則無法獲取從該引線鍵合封裝20反射的光線。通過使3D攝像機22傾斜，還可以評估沿著不同方向鍵合的引線。
[0025]圖3為鍵合引線的陰影如何形成與成像的簡化視圖。3D攝像機22和光源26的布置使得能夠投射引線鍵合封裝20中的引線19的陰影與對引線鍵合封裝20中的引線19的陰影進行成像，從而使得能夠?qū)σ€19的引線高度進行計算。圖中示出了引線19的引線弧高H。利用來自光源26(該光源26布置于從襯底17的法線24測量的第一銳角α處)的光照而將引線19的陰影投射在襯底17 (引線鍵合封裝20的一部分)上。通過3D攝像機22(該3D攝像機22布置于從襯底17的法線24測量的第二銳角β處)來獲得引線陰影的第一圖像30和引線19的第二圖像32。對光源26使用較小的孔徑角，以獲得襯底17上的引線陰影的高對比度。
[0026]圖像30、32為通過3D攝像機22捕獲的共同圖像的兩個獨立部分。典型地，共同圖像為具有兩個對應(yīng)于引線圖像32和引線陰影圖像30的暗條紋的明視場。圖7顯示了對于典型的引線鍵合封裝20的包括圖像30、32的樣本共同圖像。兩個暗條紋之間的距離S對應(yīng)于在襯底17上方的引線19的位置。參考圖7，相比于圖像的右邊部分，圖像的左邊部分得到更清晰地對焦。為了獲得焦點對準(zhǔn)的完整F0V，攝像機將必須相對于成像透鏡的光軸傾斜。
[0027]公共圖像的圖像處理分析可以測量引線圖像32與引線陰影圖像30(如圖3中所示)的中心之間的距離S?？梢酝ㄟ^利用包括算法的使用的專屬軟件來執(zhí)行圖像處理分析，以確定距離S。圖像處理分析可以在3D攝像機22中執(zhí)行，或者在單獨的數(shù)據(jù)處理設(shè)備中執(zhí)行。襯底17之上的引線弧高(H)通過下式來計算:
[0028]H=S.cos(a)/sin(a+0)(I)
[0029]其中，<^Ρβ本身為之前所描述的角度。
[0030]一般而言，如果襯底17具有無光澤的表面，則α#β;而如果襯底17具有有光澤的/類似鏡面的表面，則α = β。根據(jù)表面加工，3D攝像機22和光源26布置為使得3D攝像機22能夠?qū)?D攝像機22的視場內(nèi)的陰影和實際引線進行成像?？紤]到襯底表面可以進行不同的加工，例如，無光澤的、半光澤的、光滑的和鏡面加工等，則即使襯底17具有無光澤/半光澤表面，也令α = β。
[0031]當(dāng)α= β時，等式(I)可以簡化為:
[0032]H=S/(2.sin(a))(2)
[0033]因此，當(dāng)α= β = 45。時，
[0034]H=S.0.707(3)
[00；35]因此，在α = β = 45°的例子中，引線弧高H可以通過確定S的值來計算。襯底上方的引線位置會沿著引線的長度而變化，其結(jié)果為，所得到的距離S將相應(yīng)地變化。圖像處理軟件將沿著引線分析距離S。圖像處理軟件能夠處理圖像，并且對于每個引線能夠獲得多個S。通過獲得多個“S_es”(與已知的角度)，圖像處理軟件將能夠計算引線的高度輪廓。
[0036]引線弧高H為引線鍵合封裝的關(guān)鍵方面，這是因為該引線弧高H同時影響封裝的性能和可靠性?；「逪不可以太高，因為這會導(dǎo)致注塑期間暴露引線。此外，就算引線不暴露，高的弧高還會導(dǎo)致較長且松垂的引線，而這種較長且松垂的引線易于在封裝期間沿著注塑原料的流動方向被掃到。這會導(dǎo)致引線的短路。此外，過長的引線還會由于引線之間的串?dāng)_(cross-talk)而導(dǎo)致電性能的變差。
[0037]相對地，由于低引線弧高H可能預(yù)示了引線太過繃緊(由此大量的應(yīng)力已經(jīng)或者正在施加于鍵合件的頸部或根部)，因此低引線弧高H也是不想要的。這些應(yīng)力可以導(dǎo)致頸部或根部破裂/破壞，這通常導(dǎo)致了引線鍵合封裝20的故障。此外，低引線弧高H可能導(dǎo)致引線與引線鍵合封裝20之間的接觸，這導(dǎo)致了有故障的/不具有功能的封裝20。
[0038]通常，引線弧高的評估在微米的尺度進行，并且預(yù)定高度的額定偏差(例如，多于/少于預(yù)定高度十五至三十微米)將激活“故障”通知。確切的引線弧高和故障標(biāo)準(zhǔn)取決于例如半導(dǎo)體封裝的類型、封裝技術(shù)的類型、鍵合的類型、引線的直徑、用戶的生產(chǎn)工藝、最終產(chǎn)品需求等。應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明能夠以達(dá)到五至六微米的范圍的精確度和重復(fù)性對引線弧高進行測量。
[0039]應(yīng)當(dāng)理解的是，可以同時分析引線鍵合封裝20的多于一個的引線19。在這些示例中，共同的圖像將包括多對圖像30、32。圖像處理軟件可以分析所有對圖像，以測量各個S并且相應(yīng)地提供引線19的H。
[0040]2D攝像機和照明模塊的結(jié)合可以用于識別引線鍵合封裝20的缺陷。照明模塊將取決于預(yù)先定義的缺陷列表和質(zhì)量要求。照明模塊可以配置為產(chǎn)生在不同波長的不同照明技術(shù)，而能夠在操作期間生成不同的圖像數(shù)據(jù)的集合，從而提供識別引線鍵合封裝20的缺陷狀況的必要對比?？梢员蛔R別的缺陷狀況的類型包括例如:有刮痕的晶粒、破裂的晶粒、晶粒未對齊、晶粒缺失、環(huán)氧樹脂覆蓋/蔓延、環(huán)氧樹脂測量、引線的缺失/存在、引線連接問題、損壞的引線、引線未對齊、損壞的襯底、彎曲的襯底等。典型地，2D攝像機布置為垂直于引線鍵合封裝20。然而，有時候2D攝像機可以布置為以一定角度傾斜的配置，所述角度取決于引線輪廓和表面加工兩者。應(yīng)當(dāng)理解的是，以傾斜配置來布置的2D攝像機還可以涉及2D攝像機相對于成像透鏡的樞轉(zhuǎn)，以根據(jù)沙伊姆弗勒原理獲取封裝20的焦點對準(zhǔn)的全視場。用于2D攝像機的照明模塊典型地包括同軸照明設(shè)備和/或環(huán)形照明設(shè)備。
[0041]2D攝像機可以是面掃描攝像機或線掃描攝像機，所述面掃描攝像機或線掃描攝像機配置為移動以即時地(在引線鍵合封裝20的生產(chǎn)工藝期間)或以(引線鍵合封裝20的生產(chǎn)工藝的)開始-停止方法(start-stop method)來捕獲整個襯底表面以及所有引線的圖像。2D攝像機配置為:隨著引線鍵合封裝20中的鍵合引線的取向根據(jù)生產(chǎn)工藝和設(shè)備類型而變化，所述2D攝像機移動。大部分引線沿著X軸和/或Y軸而以晶粒至襯底的取向鍵合，但是也存在包括不只是沿著X軸和/或Y軸的鍵合引線的封裝的子集。
[0042]參考圖4和圖5，其示出了用于檢驗至少一個后引線鍵合封裝的裝置50的第一實施方案。裝置50包括第一 3D攝像機52和用于第一 3D攝像機52的光源54。此外，裝置50還包括第二 2D攝像機56和用于第二 2D攝像機56的照明模塊58。裝置50包括用于容納裝置50的部件的箱體60，并且箱體60還確保了裝置50的部件以彼此相對固定的配置來進行布置。應(yīng)當(dāng)注意的是，第一 3D攝像機52和光源54以固定配置來進行布置，從而能夠如同說明書的先前段落中所描述的那樣對引線鍵合封裝中的引線的陰影進行投射與成像，而第二 2D攝像機56和照明模塊58以固定配置來進行布置，從而如同說明書的先前段落中所描述的那樣識別引線鍵合封裝的缺陷狀況。裝置50還包括可選的(取決于用戶要求)環(huán)狀光源62，用于為引線鍵合封裝提供圓形的照明。
[0043]還應(yīng)當(dāng)理解的是，裝置50可以配置為關(guān)于法線70是可旋轉(zhuǎn)的，以使得無論引線的取向如何(由于引線可以沿著不同方向鍵合)，都可以對引線鍵合封裝中的引線的陰影進行投射與成像?？梢圆捎枚鄠€3D攝像機以滿足鍵合引線的不同方向，相比于可旋轉(zhuǎn)裝置50的速度，這將提高封裝檢驗的速度。然而，多個3D攝像機的使用是不劃算的。
[0044]參考圖6，其示出了用于檢驗至少一個后引線鍵合封裝的裝置80的第二實施方案。裝置80包括第一3D攝像機82和用于第一3D攝像機82的第一光源84。另外，裝置80還包括第二 3D攝像機86和用于第二 3D攝像機86的第二光源88。此外，還有第三2D攝像機90和用于第三2D攝像機90的照明模塊92。裝置80包括用于容納裝置80的部件的箱體94，并且箱體94還確保了裝置80的部件以彼此相對固定的配置來進行布置。應(yīng)當(dāng)注意的是，3D攝像機82、86以及它們各自的光源84、88以固定配置而布置為使得:每個3D攝像機-光源的配對能夠如同說明書的先前段落中所描述的那樣對引線鍵合封裝中的引線的陰影進行投射與成像。此外，3D攝像機82、86以及它們各自的光源84、88能夠以它們分別的配對而獨立地工作。分別的配對在這樣的例子中是有用的:其中一個3D攝像機及其隨同的光源由于引線的取向而無法獲得S的值，而這時，需要3D攝像機和光源的另一配對。另外，第三2D攝像機90和照明模塊92以固定配置而布置為如同說明書的先前段落中所描述的那樣識別引線鍵合封裝的缺陷狀況。還應(yīng)當(dāng)理解的是，裝置80可以以類似于第一實施方案的方式配置為可旋轉(zhuǎn)的，以使得無論引線的取向如何，都能夠執(zhí)行對引線鍵合封裝中的引線的陰影的投射與成像。
[0045]應(yīng)當(dāng)理解的是，裝置50/80具有緊湊的設(shè)計尺寸，并且能夠以圓形的配置來進行布置。裝置50/80能夠在單個站點(single stat1n)進行用于缺陷檢驗的2D成像以及用于晶粒和/或引線鍵合工藝的晶粒高度/引線輪廓測量的3D成像，而這不需要人工干預(yù)。此外，裝置50/80還能夠進行對引線鍵合封裝的即時檢驗，以提高檢驗系統(tǒng)的吞吐量(throughput)。另外，裝置50/80還使得能夠進行用于后晶?；蚝笠€鍵合工藝的100%檢驗的高精度與高速檢驗。裝置50/80可以是獨立的QA系統(tǒng)，或者可以與其他設(shè)備集成。就這一點而言，裝置50/80能夠使引線鍵合封裝的檢驗的乏味冗長的手動工藝得以自動化及改善。
[0046]在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案在前述說明書中得以描述的同時，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對設(shè)計或構(gòu)造的細(xì)節(jié)進行許多變化或修改。
【主權(quán)項】
1.一種用于檢驗半導(dǎo)體封裝的裝置，該裝置包括: 至少一個3D攝像機，其設(shè)置在相對于所述半導(dǎo)體封裝的法線的第一角度處；以及光源，其配置為向所述至少一個3D攝像機提供照明，所述光源朝向所述半導(dǎo)體封裝，其中，在所述裝置中，所述至少一個3D攝像機和所述光源以彼此相對固定的配置來進行布置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述光源設(shè)置在相對于所述法線的第二角度處，與所述至少一個3D攝像機相對。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，所述光源通過較小的孔徑角來傳播。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的裝置，其中，所述至少一個3D攝像機或者單獨的數(shù)據(jù)處理設(shè)備配置為執(zhí)行圖像處理。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項所述的裝置，其中，所述裝置相對于法線是能夠旋轉(zhuǎn)的。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項所述的裝置，進一步包括: 2D攝像機；以及 照明模塊，其配置為向所述2D攝像機提供照明。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述2D攝像機為面掃描攝像機或線掃描攝像機。8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置，其中，所述2D攝像機配置為相對于成像透鏡的同軸軸線樞轉(zhuǎn)。9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中的任一項所述的裝置，其中，所述照明模塊配置為產(chǎn)生在不同波長的不同照明技術(shù)。10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項所述的裝置，其中，所述第一角度和所述第二角度為銳角。11.根據(jù)權(quán)利要求1至10所述的裝置，其中，所述至少一個3D攝像機配置為相對于成像透鏡的同軸軸線樞轉(zhuǎn)。12.一種用于檢驗半導(dǎo)體封裝的方法，該方法包括: 將鍵合引線的陰影投射至半導(dǎo)體封裝上； 獲得半導(dǎo)體封裝的3D圖像； 確定圖像中的陰影與鍵合引線的距離S;以及 獲取鍵合引線的引線弧尚H。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，確定多個距離S，以計算一段鍵合引線的高度輪廓。14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其中，所述3D圖像利用具有成像透鏡的3D攝像機獲得，所述3D攝像機設(shè)置在相對于半導(dǎo)體封裝的法線的第一角度β處。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，利用光源來投射所述陰影，所述光源設(shè)置在相對于所述法線的第二角度α處，與所述3D攝像機相對。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述引線弧高H為S.cos(a)/sin(a+0)。17.—種包括至少一個3D攝像機和至少一個光源的裝置，該裝置用于檢驗半導(dǎo)體封裝，所述裝置配置為執(zhí)行權(quán)利要求12至16的任一項所述的方法。
【文檔編號】G01B11/00GK106030283SQ201480068396
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年11月10日
【發(fā)明人】振亞九, 何崇發(fā), V·費多普拉柯夫, 黃循威
【申請人】賽世科技私人有限公司