使用 AOI 检测 Wire-Bond 后互连连接

刊登于《Advanced Packaging Magazine》2006年4月

作者：George T. Ayoub 博士，MVP Inc. 总裁兼首席执行官

线键合（wire bond）技术在电子封装行业的许多领域中，在可预见的未来仍将持续繁荣。多年来，该行业的主要趋势包括：互连数量的持续增加、线路微型化、行业对于组装速度的重视，以及每个互连点的成本降低。线键合设备已跟上这些趋势，并变得更加复杂、可靠、快速且精确。然而，线键合检测缺乏自动化手段来确保线键合互连的完整性，而这一点直接影响最终产品的质量。随着互连数量的增加，产生缺陷元件的机会呈倍数增加。由于线键合发生在生产流程的末端，与流程开始阶段即可检测并纠正的缺陷相比，一个不良互连的成本要高得多。因此，不良互连是一个影响产品成本和质量的风险。

目前，大多数线键合检测方法仍为人工方式，使用显微镜进行目视检查、接触检测或借助光学/ X 射线传感器的半自动检测。这些检测方法速度慢、耗费人力、成本高。由于这些限制，这些方法通常仅用于抽样检测。人工方法——无论是目视还是传感器辅助——都远非完美，并受到人为检查固有的可变性影响。由于缺乏自动测量，它们具有主观性并依赖操作者。接触检测通过物理接触来测试线键合的牢固性。这种方法速度慢，并且可能因接触或静电损伤而造成风险。所有这些方法都仅限于线键合检测，这是另一个缺点。检测工具的能力应该涵盖芯片（die）放置的测量，并检查线键合区域附近其他元件的焊点质量。目前急需一种高效、可靠的检测方法，其应具备：有效、安全、可靠、基于测量、能够检测所有线键合失效模式，且足够灵活，可以测量和检测其他电子元件，并且速度足够快，能够跟上生产节奏并对 100% 的产品进行检测。

与封装行业的演进相并行，基于规则的自动光学检测（AOI）已成为 PCB 装配流程中所有步骤的一种有效检测和测量方法。AOI 已成为一种成熟、可靠的工具，用于检测锡膏、元件放置和焊点，并已被广泛用于提升质量与降低组装成本。AOI 的显著进步得益于相机技术的发展以及快速、经济的计算平台的出现。如今的 AOI 使用快速、灵敏的相机传感器，以及大量可编程 LED 光源，由复杂的检测与测量算法驱动，能够满足以生产线速度执行 100% 检测的要求。这带来了更高的缺陷覆盖率、更高的检测速度以及更低的误判与漏检率。与此同时，AOI 的编程难度也在不断降低，使其得以广泛普及。自然就会产生这样一个问题：AOI 技术能否满足线键合后检测（post-wire-bond inspection）的严格要求？

这个问题的答案是“可以”。过去，AOI 行业无法满足线键合后检测的要求。直到最近，还不存在能够满足所有要求的通用设备。而现在，一种新工具的出现，为线键合后检测的多个方面提供了有效的解决方案。能够从芯片与焊盘之间复杂且多变的背景中提取出导线，是线键合后检测的一个关键部分。要实现这一点，需要智能化照明与检测算法协同工作，提高导线与背景之间的信噪比。该检测工具使用大型彩色相机传感器，以及定制的、可编程的多角度 LED 光源，这些光源以不同角度照射线键合点。由于导线的金属表面会反射光线，因此相对于背景，它可能呈现黑色或白色，具体取决于照射角度的高度。提高信噪比的关键在于利用所有角度的光，以更有效地将导线从背景中分离出来。该任务由专有的复杂算法与光源协同完成。算法会检查导线是否出现在芯片与焊盘的正确区域内，然后评估其在芯片与焊盘上的连接质量，并检查这些区域是否存在划痕。接着，算法会跟踪导线，并检查其连续性、直线性以及相对于拟合直线的最大偏差。回路高度则通过不同照明角度下导线反射的特征来确认其是否符合公差要求。所有算法均按顺序使用数字滤波器，以提取特征并在每一步中使用测量方式检查信号特征。

芯片（die）相对于理想位置的平移和旋转，将通过多个边缘窗口以亚像素精度进行测量，从而将误差降至最低。芯片的注册定位依赖于平台的机械精度，以及准确的对准点（fiducial）和 CAD 数据。该工具还能够测量电路中其他元件的位置，并确定焊点质量，将任何缺陷标记出来。

大型传感器与专有的帧采集器允许在相机移动过程中进行“动态”图像采集，以满足分辨率与速度的要求。为了确保目标区域有足够的像素，视野会被设计得较小。此外，系统配备了照明装置，以保证图像质量和景深。无论是细线还是粗线，其照明和算法方法是一致的；然而相机的分辨率（以微米/像素衡量）会根据检测速度需求而变化，以达到最佳检测效率（见图 1 和图 2）。

该工具不仅限于检测合格/不合格，还通过对测量变量和属性数据进行统计过程控制（SPC），来帮助提升生产良率。SPC 模块是系统的组成部分，可实时跟踪任何测量数据，如果数值超出预期范围，操作员可以采取纠正措施。防止缺陷产生对于保持流程受控至关重要。根据报警设置，系统可以停止生产线并点亮黄色或红色指示灯，为操作员提供视觉反馈。

初步结果显示，该工具能够在复杂背景下成功跟踪厚度为 0.5 至 10 mil 的导线。测量精度和重复性的数据表明，芯片的平移可在三倍标准差范围内达到 <10 微米的精度，其旋转角度的测量精度可小于 0.05 度。这项创新是首次尝试解决线键合后检测的挑战。未来的工作将继续提升信噪比、扩展多层线键合的缺陷覆盖范围，并提高检测速度。