使用 UV 荧光 AOI 进行助焊剂检测 — 让“隐形”可见

发表于 Advanced Packaging，2004 年 9 月 — 作者：George T. Ayoub

对于 Flip Chip 和 BGA 组装厂而言，助焊剂（Flux）检测一直是一个挑战，因为包括 AOI（自动光学检测）在内的检测系统无法准确看到该材料，因此无法在保持产线速度的情况下对其进行检测。特别是对于 Flip Chip，助焊剂检测是控制工艺的重要部分，并且可以防止高成本错误的发生。幸运的是，一种利用 UV（紫外线）照明的机器视觉解决方案经过多年研究开发，能够检测来自助焊剂沉积的缺陷。这项技术在高产量制造线上已成功应用超过三年，它用专门的 UV 光替代可见光 AOI 光源，使其匹配基板和助焊剂的特性，以实现优化的检测结果。

♦ BGA/CSP 封装中助焊剂检测的重要性

助焊剂在 BGA/CSP 封装装配工艺动态中起着关键作用。最终装配中的大量缺陷可追溯到助焊剂或锡膏沉积不良。例如，一些最终装配缺陷源于助焊剂相对于预期焊盘的对准不良、助焊剂厚度/用量不足、助焊剂过量或涂抹造成的污染。在过程早期检测这些合格/不合格类型（属性数据）的缺陷可显著降低装配成本。此外，许多制造商都同意，通过相关的测量变量来控制助焊剂沉积过程，以检测趋势并防止缺陷的发生非常重要。这需要一个能够测量过程关键变量的系统（变量数据）。通过提供关键工艺参数的实时信息，制造商可以采取纠正措施，防止返工和生产损失。

♦ 技术挑战：使“不可见”变为“可见”

助焊剂检测过程对 AOI 制造商来说一直是一个挑战，因为可见光无法很好地成像助焊剂材料，因此无法对其进行检测。高角度或低角度的可见光照明都会因助焊剂与背景之间的低信噪比而受到影响。然而，当助焊剂在 UV 光照射下时，它会在可见光范围内产生荧光，并且可通过适当的滤光片捕捉该信号，从而消除任何非来自助焊剂荧光的背景光。在这些条件下，助焊剂与背景之间的信噪比显著增强。获得良好信噪比的关键在于滤光片和照明的适当设计——这些都是专有的——并且必须适应助焊剂本身以及基板材料（陶瓷及可能的 FR4），同时消除可见背景光。（参见图示“A”——可见光与 UV 光下的图像。）

♦ 挑战：在线系统的速度与分辨率

图像采集参数在系统能力中起着重要作用。两个重要参数是检测速度和适当的光学放大率（分辨率）。二者相关，因为采集速度与所采集像素数量成反比，而像素数量又与放大率平方成线性关系。此外，对小区域进行照明需要大量光线以及足够数量的目标像素。为了满足非常快的节拍时间和高分辨率的要求，系统采用了多摄像头、适当 UV 照明以及专用电子设备。多个摄像头（在本例中使用三个）将视野从方形扩展为矩形，同时不牺牲分辨率。专用电子系统允许摄像头并行采集，并将采集速度与处理器速度匹配。使用 UV 二极管则确保了系统的长寿命和稳定性，这在需要让一个检测程序在不同系统或产线上不做修改地运行时尤为重要。

该系统还能够在 UV 和/或普通可见光下测量锡膏的参数，使其在控制锡膏沉积过程中极具价值。用于提取位置、面积、焊盘覆盖率和亮度的算法基于斑点分析（blob analysis），并且仅应用于感兴趣区域。

♦ 缺陷检测、测量变量与 SPC

利用 UV 荧光技术，该系统不仅能检测合格/不合格（属性数据）缺陷，还能通过对测量变量进行 SPC（统计过程控制）来提高产率。它测量助焊剂沉积的位置、面积、焊盘覆盖率和亮度。亮度通过计算锡膏斑点的中值灰度获得。虽然理想情况下应测量助焊剂的高度和体积，但在此 UV 技术中，这些测量依赖于助焊剂和基板的材料特性，因此不能在所有情况下作为绝对测量值。许多逻辑理由和实验结果证明亮度与助焊剂高度相关。实际上，亮度取决于助焊剂中荧光材料的数量，因此应与体积线性变化。然而，这种线性关系并非总是绝对的，并且取决于环境。因此，在解释亮度测量时应谨慎，因为其他材料也可能产生荧光并增加噪声。所描述的方法已被证明在生产环境中有效，通过使用亮度以及位置、面积和焊盘覆盖率作为测量参数，为采用 SPC 方法控制最终工艺质量提供了一种逻辑且充分的途径。

在生产环境中，实时过程控制已被证明能够通过跟踪趋势和防止缺陷发生来提升工艺价值（参见图示“B”——实时数据图表），并成为系统的关键组成部分。根据报警设置，系统能够停止生产线或点亮黄色或红色指示灯，以向操作员提供视觉反馈。

♦ 结论

该技术已在在线检测中成功应用超过三年。系统具有 2.5% 至 8% 范围内的 GRR 能力。它能够在保持较快的生产线速度的同时，实现 10–20ppm 的误报率和低于数 ppm 的误判率。通过在工艺早期控制缺陷并使用 SPC 监控趋势，已经取得了良好成果。未来的工作将继续提高信噪比，并将该技术扩展到不同的基板和助焊剂类型。