用于检验半导体封装的装置与方法
【专利摘要】本发明提供了用于检验半导体封装的装置与方法。所述装置包括：至少一个3D摄像机，其设置在相对于所述半导体封装的法线的第一角度处；以及光源，其配置为向所述至少一个3D摄像机提供照明，所述光源朝向所述半导体封装。所述方法包括：将键合引线的阴影投射至半导体封装上；获取半导体封装的3D图像；确定图像中的阴影与键合引线的距离S；以及获得键合引线的引线弧高H。
【专利说明】
用于检验半导体封装的装置与方法
技术领域
[0001]本发明涉及用于检验半导体封装的装置与方法。
【背景技术】
[0002]晶粒(die)与引线键合是电子封装行业所采用的最常见的互连技术。近年来，新的封装趋势趋向于例如互连数量增加、电路微型化、装配的速度加快、每次互连的成本降低等。
[0003]应当注意的是，互连质量影响最终产品的质量。随着互连数量的增加，生产出有缺陷的部件的概率也增大。考虑到晶粒与引线键合典型地发生在半导体生产工艺的下游阶段，相对于在生产工艺的早期阶段所检测到的有缺陷产品，由于坏的互连所导致的有缺陷广品的成本会更尚ο目如可以检测键合引线的尚度。该尚度又称为弧尚(loop height)。还可以对晶粒/引线键合的质量以及键合工艺之后的晶粒/引线/衬底的完整性进行检验。
[0004]用于引线键合(特别是在引线轮廓领域)的典型的检验方法通常要么人工地执行(例如，利用显微镜的目视检查、接触检验等)，要么以半自动的方式执行。令人遗憾的是，这类检验方法很慢、劳动密集、昂贵，并且还易于受到静电损伤和/或由于接触所造成的物理性损伤。此外，由于人类局限性，人工检验方法(例如，使用/不使用传感器的目视检验)是有缺陷的，并且非常的主观且依赖于人类检验员。
[0005]因此，显然需要改善用于引线键合的检验方法。
【发明内容】
[0006]在第一方面，提供了一种用于检验半导体封装的装置。该装置包括:至少一个3D摄像机，其设置在相对于所述半导体封装的法线的第一角度处；以及光源，其配置为向所述至少一个3D摄像机提供照明，所述光源朝向所述半导体封装。优选的是，在所述装置中所述至少一个3D摄像机和所述光源以彼此相对固定的配置来进行布置。所述至少一个3D摄像机可以配置为相对于成像透镜的同轴轴线枢转。
[0007]优选地，所述光源设置在相对于所述法线的第二角度处，与所述至少一个3D摄像机相对。优选地，所述第一角度和所述第二角度为锐角。此外，所述光源可以通过较小的孔径角来进行传播。优选的是，所述至少一个3D摄像机或者单独的数据处理设备配置为执行图像处理。所述装置还可以是相对于所述法线可旋转的。
[0008]所述装置可以进一步包括2D摄像机；以及照明模块，所述照明模块配置为向所述2D摄像机提供照明。所述2D摄像机可以为面扫描摄像机或线扫描摄像机。优选的是，所述照明模块配置为产生在不同波长的不同照明技术。所述2D摄像机可以配置为相对于成像透镜的同轴轴线枢转。
[0009]在第二方面，提供了一种用于检验半导体封装的方法。所述方法包括:将键合引线的阴影投射至半导体封装上;获取半导体封装的3D图像;确定图像中的阴影与键合引线的距离S;以及获得键合引线的引线弧高H。
[0010]优选的是，确定多个距离S，以计算键合引线的高度轮廓。
[0011]同样优选的是，利用3D摄像机获得3D图像，所述3D摄像机设置在相对于半导体封装的法线的第一角度β处;并且利用光源来投射阴影，所述光源设置在相对于所述法线的第二角度α处，与所述3D摄像机相对。所述引线弧高H为S.cos(a)/sin(a+0)o
[0012]在最后的方面，提供了一种包括至少一个3D摄像机和至少一个光源的装置，该装置用于检验半导体封装，并且执行上述方法。
【附图说明】
[0013]为了使本发明可以得到完全理解并且易于得到实际效果，现在将通过非限制性示例的方式来描述本发明的仅是优选的实施方案，该描述参考所附示意图来进行。
[0014]图1示出了从晶粒到衬底的键合引线的图。
[0015]图2示出了用以形成键合引线的阴影以及对键合引线的阴影进行成像的摄像机-照明设备的简化视图。
[0016]图3显示了键合引线的阴影是如何形成与成像的简化视图。
[0017]图4显示了本发明的摄像机-照明设备的第一实施方案的前视图。
[0018]图5显示了图4的摄像机-照明设备的第一实施方案的主要部件的立体视图。
[0019]图6显示了本发明的摄像机-照明设备的第二实施方案的顶视图、前视图以及后视图。
[0020]图7显示了利用本发明的摄像机-照明设备而获得的样本3D图像。
[0021]图8显示了相对于成像透镜的同轴轴线枢转的3D摄像机的简化视图。
【具体实施方式】
[0022]本发明提供有效、可靠、测量-驱动(measurement-driven)，并且能够识别所有的晶粒与引线键合故障缺陷的用于检验后引线键合封装(post wirebond package)20(如图1中所示)的装置与方法。此外，本发明还能够在检验生产工艺的所有产品的同时包括以能够跟上生产工艺的速度的对其他电子部件的测量与检验。应当理解的是，后引线键合封装20也可以被认为是半导体封装。
[0023]参考图2，其显示了用于投射引线键合封装20中的引线19的阴影(shadow)与对引线键合封装20中的引线19的阴影进行成像的简化设置。设置了 3D摄像机22，所述3D摄像机22布置于从引线键合封装20的法线24测量的第一锐角β处。应当理解的是，法线24为无论引线键合封装20的取向如何都垂直于该引线键合封装20的轴线。此外，还设置了光源26，该光源26在法线24的与3D摄像机22相比的相对侧布置于从法线24测量的第二锐角α处。光源26用于照射引线键合封装20。光源26的类型可以选自例如:远心光、平行光、准平行光和单光点照明等。来自光源26的光照被用于在衬底上投射引线19的阴影，该光照从引线键合封装20反射出来，并且通过成像透镜28返回至摄像机22。参考图8，摄像机22可以相对于透镜28的同轴轴线10倾斜，以根据沙伊姆弗勒原理(Scheimpflug principle)获取封装20的焦点对准的完整视场(FOV)。摄像机22的倾斜参数(例如倾斜的角度、距透镜的距离等)将取决于用户对于所捕获图像的参数(例如光学分辨率、图像质量等)的要求。为了说明起见，摄像机22显示为位于第一位置“A”，并且随后移动至第二位置“B”，以获得所需要的封装20的焦点对准的完整视场。
[0024]将3D摄像机22布置于第一锐角β处使得无论引线键合封装20的表面加工如何，3D摄像机22都能够捕获到合适的图像。如果3D摄像机22直接布置于引线键合封装20的上方，而光线来自于侧方，则3D摄像机22将能够捕获阴影，但是当引线键合封装20的表面具有镜面加工时，3D摄像机22将无法捕获阴影。此外，当3D摄像机22直接位于引线键合封装20上方时，如果引线键合封装20的表面具有镜面加工，则无法获取从该引线键合封装20反射的光线。通过使3D摄像机22倾斜，还可以评估沿着不同方向键合的引线。
[0025]图3为键合引线的阴影如何形成与成像的简化视图。3D摄像机22和光源26的布置使得能够投射引线键合封装20中的引线19的阴影与对引线键合封装20中的引线19的阴影进行成像，从而使得能够对引线19的引线高度进行计算。图中示出了引线19的引线弧高H。利用来自光源26(该光源26布置于从衬底17的法线24测量的第一锐角α处)的光照而将引线19的阴影投射在衬底17 (引线键合封装20的一部分)上。通过3D摄像机22(该3D摄像机22布置于从衬底17的法线24测量的第二锐角β处)来获得引线阴影的第一图像30和引线19的第二图像32。对光源26使用较小的孔径角，以获得衬底17上的引线阴影的高对比度。
[0026]图像30、32为通过3D摄像机22捕获的共同图像的两个独立部分。典型地，共同图像为具有两个对应于引线图像32和引线阴影图像30的暗条纹的明视场。图7显示了对于典型的引线键合封装20的包括图像30、32的样本共同图像。两个暗条纹之间的距离S对应于在衬底17上方的引线19的位置。参考图7，相比于图像的右边部分，图像的左边部分得到更清晰地对焦。为了获得焦点对准的完整F0V，摄像机将必须相对于成像透镜的光轴倾斜。
[0027]公共图像的图像处理分析可以测量引线图像32与引线阴影图像30(如图3中所示)的中心之间的距离S。可以通过利用包括算法的使用的专属软件来执行图像处理分析，以确定距离S。图像处理分析可以在3D摄像机22中执行，或者在单独的数据处理设备中执行。衬底17之上的引线弧高(H)通过下式来计算:
[0028]H=S.cos(a)/sin(a+0)(I)
[0029]其中，<^Ρβ本身为之前所描述的角度。
[0030]一般而言，如果衬底17具有无光泽的表面，则α#β;而如果衬底17具有有光泽的/类似镜面的表面，则α = β。根据表面加工，3D摄像机22和光源26布置为使得3D摄像机22能够对3D摄像机22的视场内的阴影和实际引线进行成像。考虑到衬底表面可以进行不同的加工，例如，无光泽的、半光泽的、光滑的和镜面加工等，则即使衬底17具有无光泽/半光泽表面，也令α = β。
[0031]当α= β时，等式(I)可以简化为:
[0032]H=S/(2.sin(a))(2)
[0033]因此，当α= β = 45。时，
[0034]H=S.0.707(3)
[00；35]因此，在α = β = 45°的例子中，引线弧高H可以通过确定S的值来计算。衬底上方的引线位置会沿着引线的长度而变化，其结果为，所得到的距离S将相应地变化。图像处理软件将沿着引线分析距离S。图像处理软件能够处理图像，并且对于每个引线能够获得多个S。通过获得多个“S_es”(与已知的角度)，图像处理软件将能够计算引线的高度轮廓。
[0036]引线弧高H为引线键合封装的关键方面，这是因为该引线弧高H同时影响封装的性能和可靠性。弧高H不可以太高，因为这会导致注塑期间暴露引线。此外，就算引线不暴露，高的弧高还会导致较长且松垂的引线，而这种较长且松垂的引线易于在封装期间沿着注塑原料的流动方向被扫到。这会导致引线的短路。此外，过长的引线还会由于引线之间的串扰(cross-talk)而导致电性能的变差。
[0037]相对地，由于低引线弧高H可能预示了引线太过绷紧(由此大量的应力已经或者正在施加于键合件的颈部或根部)，因此低引线弧高H也是不想要的。这些应力可以导致颈部或根部破裂/破坏，这通常导致了引线键合封装20的故障。此外，低引线弧高H可能导致引线与引线键合封装20之间的接触，这导致了有故障的/不具有功能的封装20。
[0038]通常，引线弧高的评估在微米的尺度进行，并且预定高度的额定偏差(例如，多于/少于预定高度十五至三十微米)将激活“故障”通知。确切的引线弧高和故障标准取决于例如半导体封装的类型、封装技术的类型、键合的类型、引线的直径、用户的生产工艺、最终产品需求等。应当理解的是，本发明能够以达到五至六微米的范围的精确度和重复性对引线弧高进行测量。
[0039]应当理解的是，可以同时分析引线键合封装20的多于一个的引线19。在这些示例中，共同的图像将包括多对图像30、32。图像处理软件可以分析所有对图像，以测量各个S并且相应地提供引线19的H。
[0040]2D摄像机和照明模块的结合可以用于识别引线键合封装20的缺陷。照明模块将取决于预先定义的缺陷列表和质量要求。照明模块可以配置为产生在不同波长的不同照明技术，而能够在操作期间生成不同的图像数据的集合，从而提供识别引线键合封装20的缺陷状况的必要对比。可以被识别的缺陷状况的类型包括例如:有刮痕的晶粒、破裂的晶粒、晶粒未对齐、晶粒缺失、环氧树脂覆盖/蔓延、环氧树脂测量、引线的缺失/存在、引线连接问题、损坏的引线、引线未对齐、损坏的衬底、弯曲的衬底等。典型地，2D摄像机布置为垂直于引线键合封装20。然而，有时候2D摄像机可以布置为以一定角度倾斜的配置，所述角度取决于引线轮廓和表面加工两者。应当理解的是，以倾斜配置来布置的2D摄像机还可以涉及2D摄像机相对于成像透镜的枢转，以根据沙伊姆弗勒原理获取封装20的焦点对准的全视场。用于2D摄像机的照明模块典型地包括同轴照明设备和/或环形照明设备。
[0041]2D摄像机可以是面扫描摄像机或线扫描摄像机，所述面扫描摄像机或线扫描摄像机配置为移动以即时地(在引线键合封装20的生产工艺期间)或以(引线键合封装20的生产工艺的)开始-停止方法(start-stop method)来捕获整个衬底表面以及所有引线的图像。2D摄像机配置为:随着引线键合封装20中的键合引线的取向根据生产工艺和设备类型而变化，所述2D摄像机移动。大部分引线沿着X轴和/或Y轴而以晶粒至衬底的取向键合，但是也存在包括不只是沿着X轴和/或Y轴的键合引线的封装的子集。
[0042]参考图4和图5，其示出了用于检验至少一个后引线键合封装的装置50的第一实施方案。装置50包括第一 3D摄像机52和用于第一 3D摄像机52的光源54。此外，装置50还包括第二 2D摄像机56和用于第二 2D摄像机56的照明模块58。装置50包括用于容纳装置50的部件的箱体60，并且箱体60还确保了装置50的部件以彼此相对固定的配置来进行布置。应当注意的是，第一 3D摄像机52和光源54以固定配置来进行布置，从而能够如同说明书的先前段落中所描述的那样对引线键合封装中的引线的阴影进行投射与成像，而第二 2D摄像机56和照明模块58以固定配置来进行布置，从而如同说明书的先前段落中所描述的那样识别引线键合封装的缺陷状况。装置50还包括可选的(取决于用户要求)环状光源62，用于为引线键合封装提供圆形的照明。
[0043]还应当理解的是，装置50可以配置为关于法线70是可旋转的，以使得无论引线的取向如何(由于引线可以沿着不同方向键合)，都可以对引线键合封装中的引线的阴影进行投射与成像。可以采用多个3D摄像机以满足键合引线的不同方向，相比于可旋转装置50的速度，这将提高封装检验的速度。然而，多个3D摄像机的使用是不划算的。
[0044]参考图6，其示出了用于检验至少一个后引线键合封装的装置80的第二实施方案。装置80包括第一3D摄像机82和用于第一3D摄像机82的第一光源84。另外，装置80还包括第二 3D摄像机86和用于第二 3D摄像机86的第二光源88。此外，还有第三2D摄像机90和用于第三2D摄像机90的照明模块92。装置80包括用于容纳装置80的部件的箱体94，并且箱体94还确保了装置80的部件以彼此相对固定的配置来进行布置。应当注意的是，3D摄像机82、86以及它们各自的光源84、88以固定配置而布置为使得:每个3D摄像机-光源的配对能够如同说明书的先前段落中所描述的那样对引线键合封装中的引线的阴影进行投射与成像。此外，3D摄像机82、86以及它们各自的光源84、88能够以它们分别的配对而独立地工作。分别的配对在这样的例子中是有用的:其中一个3D摄像机及其随同的光源由于引线的取向而无法获得S的值，而这时，需要3D摄像机和光源的另一配对。另外，第三2D摄像机90和照明模块92以固定配置而布置为如同说明书的先前段落中所描述的那样识别引线键合封装的缺陷状况。还应当理解的是，装置80可以以类似于第一实施方案的方式配置为可旋转的，以使得无论引线的取向如何，都能够执行对引线键合封装中的引线的阴影的投射与成像。
[0045]应当理解的是，装置50/80具有紧凑的设计尺寸，并且能够以圆形的配置来进行布置。装置50/80能够在单个站点(single stat1n)进行用于缺陷检验的2D成像以及用于晶粒和/或引线键合工艺的晶粒高度/引线轮廓测量的3D成像，而这不需要人工干预。此外，装置50/80还能够进行对引线键合封装的即时检验，以提高检验系统的吞吐量(throughput)。另外，装置50/80还使得能够进行用于后晶粒或后引线键合工艺的100%检验的高精度与高速检验。装置50/80可以是独立的QA系统，或者可以与其他设备集成。就这一点而言，装置50/80能够使引线键合封装的检验的乏味冗长的手动工艺得以自动化及改善。
[0046]在本发明的优选实施方案在前述说明书中得以描述的同时，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对设计或构造的细节进行许多变化或修改。
【主权项】
1.一种用于检验半导体封装的装置，该装置包括: 至少一个3D摄像机，其设置在相对于所述半导体封装的法线的第一角度处；以及光源，其配置为向所述至少一个3D摄像机提供照明，所述光源朝向所述半导体封装，其中，在所述装置中，所述至少一个3D摄像机和所述光源以彼此相对固定的配置来进行布置。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源设置在相对于所述法线的第二角度处，与所述至少一个3D摄像机相对。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述光源通过较小的孔径角来传播。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，所述至少一个3D摄像机或者单独的数据处理设备配置为执行图像处理。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，其中，所述装置相对于法线是能够旋转的。6.根据权利要求1至5中的任一项所述的装置，进一步包括: 2D摄像机；以及 照明模块，其配置为向所述2D摄像机提供照明。7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述2D摄像机为面扫描摄像机或线扫描摄像机。8.根据权利要求6或7所述的装置，其中，所述2D摄像机配置为相对于成像透镜的同轴轴线枢转。9.根据权利要求6至8中的任一项所述的装置，其中，所述照明模块配置为产生在不同波长的不同照明技术。10.根据权利要求1至9中的任一项所述的装置，其中，所述第一角度和所述第二角度为锐角。11.根据权利要求1至10所述的装置，其中，所述至少一个3D摄像机配置为相对于成像透镜的同轴轴线枢转。12.一种用于检验半导体封装的方法，该方法包括: 将键合引线的阴影投射至半导体封装上； 获得半导体封装的3D图像； 确定图像中的阴影与键合引线的距离S;以及 获取键合引线的引线弧尚H。13.根据权利要求12所述的方法，其中，确定多个距离S，以计算一段键合引线的高度轮廓。14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述3D图像利用具有成像透镜的3D摄像机获得，所述3D摄像机设置在相对于半导体封装的法线的第一角度β处。15.根据权利要求14所述的方法，其中，利用光源来投射所述阴影，所述光源设置在相对于所述法线的第二角度α处，与所述3D摄像机相对。16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述引线弧高H为S.cos(a)/sin(a+0)。17.—种包括至少一个3D摄像机和至少一个光源的装置，该装置用于检验半导体封装，所述装置配置为执行权利要求12至16的任一项所述的方法。
【文档编号】G01B11/00GK106030283SQ201480068396
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2014年11月10日
【发明人】振亚九, 何崇发, V·费多普拉柯夫, 黄循威
【申请人】赛世科技私人有限公司