胡 鴻，陳名正，馬騰江，陳 華

（深圳市蘿卜智造機器人有限公司，廣東深圳 518000）

目前，人工智能領(lǐng)域的研究主要包括機器人技術(shù)、語音識別、圖像識別和自然語言處理。隨著機器視覺技術(shù)的突破，機器視覺的理論和技術(shù)也在穩(wěn)步發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴大。目前，人工智能技術(shù)可以模擬人類大腦的思維和部分意識。雖然人工智能不是人類智能，但它可以像人類一樣具有一定的思維能力，甚至可以超越人類智能。在當前人工智能時代環(huán)境下，機器視覺技術(shù)已經(jīng)達到了一個新的發(fā)展階段。機器視覺技術(shù)融入高級人工智能領(lǐng)域，使得機器視覺技術(shù)更具吸引力。

1 機器視覺簡介

機器視覺主要是利用計算機模擬人類的視覺功能，但它不僅是人眼的簡單擴展，更重要的是具有部分大腦功能，從不同的事物圖像中提取信息，并運用到實際的生產(chǎn)中。從目前人工智能的發(fā)展來看，機器視覺屬于人工智能的基礎(chǔ)。機器視覺在人工智能領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。從整個行業(yè)來看，我國人工智能行業(yè)正處于快速生態(tài)建設(shè)時期。從機器視覺領(lǐng)域來看，它正處于快速重建時期。

機器視覺技術(shù)最傳統(tǒng)的檢測方法是“眼、手、腳”，使用時間最長，適用范圍最廣。這種方法似乎是非接觸的，而手摸行走是一種接觸的方法，只能通過直接或間接接觸被測對象來檢測。機器視覺技術(shù)是非接觸式檢測的應(yīng)用之一，通過機器“看”的方法進行檢測。人類肉眼只能看到波長在400～760nm 的可見光。而機器視覺借助光電等方法不僅可見光可見，紫外線、紅外線、X 射線都可以見得到，從而拓寬了視野。

在工業(yè)生產(chǎn)中，人類將圖像信息傳遞給機器視覺系統(tǒng)，然后系統(tǒng)會自動對圖像中的信息進行處理和提取，從而檢查儀器的各個部件是否齊全。另外，當零件的顏色與基礎(chǔ)材料的顏色相似時，零件的形狀信息是非常重要的。例如，在工業(yè)焊點檢測中，儀表設(shè)備的形狀信息比儀表的顏色信息更能準確地判斷焊點的質(zhì)量。此外，工業(yè)上的激光成形技術(shù)也是利用機器視覺來工作的，相機圖像中細線的偏移量用于快速確定照明點的高度，掃描目標上的激光線圖案可以形成目標表面的完整深度外形輪廓，便于人類觀察探測物的結(jié)構(gòu)。

目前，機器視覺技術(shù)也適用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它可以根據(jù)機器視覺檢測醫(yī)療設(shè)備和檢測儀器中零件的完整性，從而保證儀器的使用安全。同時，機器視覺的使用可以幫助醫(yī)生更準確地形成醫(yī)學(xué)影像，也可以幫助外科醫(yī)生檢測患者失血量的變化，造福人類。人類在農(nóng)業(yè)上也廣泛使用機器視覺。通過機器視覺，可以快速判斷作物之間的距離，幫助農(nóng)民快速檢測作物上的害蟲和作物的生長情況。目前，機器視覺也被用于檢測種子的質(zhì)量，以便更好地讓作物生長。

2 基于機器視覺的半導(dǎo)體芯片封裝分類

目前，基于機器視覺的半導(dǎo)體芯片的種類很多，不同的封裝方法在封裝材料、封裝設(shè)備、封裝工藝等方面有很大的差異，這也使其具有一定的特點。根據(jù)封裝特性的不同，封裝可分為以下幾類：根據(jù)封裝材料的不同，機器視覺的半導(dǎo)體芯片可采用金屬–陶瓷封裝和塑料封裝；根據(jù)封裝材料的不同，封裝可分為金屬封裝、陶瓷封裝、金屬陶瓷封裝和塑料封裝。根據(jù)封裝的氣密性，封裝可分為兩大類：氣密性封裝和樹脂封裝；這兩種封裝方法的主要作用是將晶體與外界環(huán)境隔開，包括溫濕度和空氣等，從而達到電氣絕緣的目的，同時起到外部散熱和解除應(yīng)力的作用，從而保護晶體。按封裝的外形、尺寸和結(jié)構(gòu)可以將其分為引腳插入型、表面貼裝型和高級封裝等三大類，不同的封裝工藝各自具有獨自的特點，技術(shù)工藝也各有不同。

3 機器視覺的半導(dǎo)體芯片封裝過程及工藝說明

3.1 機器視覺的半導(dǎo)體芯片封裝工藝簡述

晶圓前道工藝的晶圓通過芯片切割以后，會被切割成為比較小的晶片，然后將其貼裝到相應(yīng)的基板引線框架之上，再用銀膠、焊錫等助焊劑黏貼好，然后采用超細的金、銅、鋁等超細金屬導(dǎo)線以及導(dǎo)電性樹脂等將晶片的接合焊盤連接到基板的相應(yīng)引腳，這就是焊接鍵合工藝；采用塑料外殼對獨立芯片進行封裝，從而起到保護作用。最后，進行了樹脂固化、切筋成型、電鍍、測試等步驟。完成最后的步驟后，對通過測試的產(chǎn)品進行打標，封裝，存儲和運輸。

3.2 機器視覺的半導(dǎo)體芯片封裝工藝的簡要描述

半導(dǎo)體封裝工藝主要包括芯片切割、貼片、焊接、塑料封裝、后固化、電鍍、切筋和成型、測試、打標和包裝等工藝，下面對這幾方面工藝進行詳細的說明。

（1）芯片切割工藝。這種工藝是通過使用切割機將晶圓上連接在一起的芯片進行切割，分離開來，其中，貼膜是指通過應(yīng)用藍色和白色的膜來把晶圓固定到繃環(huán)上，這一步是為下一次切割做準備。在此過程中，固定藍膜需要動力，在承載平臺上吸附晶片需要吸力。通常采用5 MPa 的壓縮空氣作為驅(qū)動力，承載平臺的吸附能力由真空提供。支撐平臺的溫度一般控制在45 ℃，這樣可以使藍膜、白膜、晶圓、繃帶更好地貼合。晶圓包覆后，切割芯片。在此過程中，通常需要真空為軸承臺提供吸附力，主軸的懸浮動力由5 MPa 的壓縮空氣提供；另外，為防止切割過程中靜電對芯片的損壞，會采用含二氧化碳的高純水來保護靜電。

（2）貼片工藝。貼片技術(shù)主要包括熱焊接和冷焊接兩大類。其中，熱焊是用錫銀銻焊料將芯片黏貼到框架上。在此過程中，將引入氮氫混合氣體進行保護。通過這個過程，芯片在工作過程中可以有更好的散熱效果；與熱焊不同，冷焊不需要保護氣體，但焊接后需要采取固化和干燥措施。貼片和進、出料缸的動力由壓縮空氣提供，引入1 ∶10氮氣氫氣混合氣保護機架；引入1 ∶5的氮氫混合物來減少機架。貼片工藝主要包括加熱、不加熱、鍍錫、打膠、模具、貼片等步驟。其中，加熱過程由長距離軌道在傳輸過程中完成，加熱溫度一般控制在380 ℃。對于不同的產(chǎn)品，加熱溫度會有所不同；鍍錫是指將一定數(shù)量的焊料熔解在高溫機架的設(shè)定位置；壓膜工藝的目的是在貼片前對處于熔融狀態(tài)的焊料進行定型，從而有效提高貼片后錫層的厚度，從而控制芯片的傾斜，使其具有更好的散熱性能；點膠過程是在不加熱的軌道上完成的。貼片是將藍膜上好的芯片通過圖像識別，吸取并貼在框架熔有焊錫、銀膠的位置上，使芯片與框架通過焊錫、銀膠焊接起來。

（3）焊接鍵合工藝是封裝工藝中非常重要的工藝。焊接和鍵合工藝主要采用超聲波壓力焊接技術(shù)，通常采用鋁絲、金絲或銅絲將芯片與引腳連接。超聲壓焊接技術(shù)的原理如下：超聲波機械能可以利用切刀使焊縫與焊面產(chǎn)生摩擦。這樣既可以去除焊接表面的氧化層，同時又可以進行塑性變形和相互擴散。這樣可以實現(xiàn)分段黏接，從而可以及時完成焊縫和焊接面的焊接工作。影響焊接和黏接工作成功的因素很多，主要包括功率、時間、壓力和溫度等參數(shù)。如果功率過大，可能會造成芯片出現(xiàn)彈坑，功率過小，則會導(dǎo)致虛焊；壓力過大會導(dǎo)致芯片被壓碎，壓力過小也會導(dǎo)致假焊的問題；如果時間過長，會出現(xiàn)過焊，會使焊點兩邊燒灼色。太小也會造成假焊的問題；因此，為了提高焊接成功率，在焊接過程中，應(yīng)根據(jù)芯片表面的鋁層和焊絲直徑制定合理的參數(shù)，以保證焊接良好，不損傷芯片。

（4）塑封工藝。在完成鍵合以后，用塑料材料對芯片進行封裝和密封，以保護芯片和隔熱。塑料封裝工藝主要按照以下流程進行：①排片，將鍵合好的芯片用排片機從料盒轉(zhuǎn)移到預(yù)熱臺上；②上料，預(yù)熱后的整個模架通過進料架轉(zhuǎn)移到塑料模具上；③合模加壓。具體步驟是通過封裝機將上下模具組合在一起，從而在模具內(nèi)形成型腔；④通過高頻加熱使塑料軟化；⑤喂食。將上一步中軟化的塑料密封材料通過料筒加入模具中；⑥注射成型，通過塑料封料機將塑料封料擠出模具型腔完成；⑦對塑料密封材料進行固化。固化條件為180 ℃，可在90～150s 內(nèi)將塑料密封材料轉(zhuǎn)化為固體；⑧下料，取下固化后的整模框架，將產(chǎn)品從塑體中剝離出來。

（5）后固化工藝。這個過程的功能是讓塑料粉可以更加充分的黏結(jié)在產(chǎn)品上，提高器件的性能：流程如下：①打開烘箱，設(shè)定加熱溫度和時間等參數(shù)；②待烘箱溫度達到設(shè)定值170 ℃且穩(wěn)定后，將產(chǎn)品及時效箱放入烘箱；③待后固化時間達到4h 后，停止加熱，取出產(chǎn)品。

（6）電鍍工藝。產(chǎn)品的塑料封裝完成后，需要去除溢料，對表面進行鍍錫。溢流工序前，需通過軟化劑對產(chǎn)品散熱片等溢流部位進行軟化，然后清洗軟化劑；清洗完畢后，將機架逐個放入施皮勒的進料軌道槽內(nèi)，通過高壓水將機架上溢出的物料清除，再在干燥槽內(nèi)吹干，然后下料、鍍錫。鍍錫后，將產(chǎn)品放入烤箱175 ℃烘烤1 h，以消除鍍錫帶來的應(yīng)力。

（7）鋼筋切割成型工藝。此工藝是對電鍍產(chǎn)品進行分型，采用設(shè)備的螺紋切割設(shè)備。具體過程如下：①進料，將合格的產(chǎn)品按正確的方向加入料盒中，然后推入進料導(dǎo)軌；②沖孔作業(yè)，通過自動沖孔系統(tǒng)對軌道上的產(chǎn)品進行切割；③完成產(chǎn)品的引腳成型，即滿足工藝的形狀要求。

（8）測試工藝。產(chǎn)品由試驗機進行試驗，由1、2、3個試驗臺進行一次檢測，選出合格產(chǎn)品。

（9）打標工藝。激光打標機應(yīng)使用能刻蝕和標記合格的產(chǎn)品。

（10）封裝過程。經(jīng)檢驗合格的產(chǎn)品應(yīng)按產(chǎn)品質(zhì)量進行封裝。

4 機器視覺的半導(dǎo)體芯片封裝外觀檢測缺陷機理

當機器視覺的半導(dǎo)體芯片受到腐蝕因素的影響或被油污染時，在芯片電極表面形成一層非金屬膜，導(dǎo)致封裝缺陷。機器視覺的半導(dǎo)體芯片電極表面有非金屬薄膜，經(jīng)過壓力焊接工藝，在焊接位置形成一個金屬–介質(zhì)–金屬結(jié)構(gòu)，又稱隧道結(jié)。當有一定強度的光照射到機器視覺的半導(dǎo)體芯片上時，如果機器視覺的半導(dǎo)體芯片失效，支架回路也無光電流流過；若非金屬膜層較厚，只有少數(shù)電子能隧穿膜層勢壘，機器視覺的半導(dǎo)體芯片支撐回路也無光電流流過；若非金屬膜層較薄，由于LED 芯片光生電流在隧道結(jié)兩側(cè)形成電場，電子主要以場致發(fā)射的方式隧穿膜層，流過單位面積膜層的電流可表示為：

其中：q為電子電量；m為電子質(zhì)量；h為普朗克常數(shù)；v、v、u分別是電子在x、y、z方向的隧穿速度；T（x）為電子的隧穿概率。又任意勢壘的電子

隧穿概率可表示為：

其中：jin、jout 分別是進入膜層和穿過膜層的電流密度；U（x）為膜層中x方向任意點的勢型期；E是金直芯片電極表面速度為v 電子的能量。

當LED 芯片發(fā)生光生伏特效應(yīng)時，流過芯片電極表面非金屬膜層的電流受到膜層厚度的影響，隨著膜層增厚，流過膜層的電流減小，流過LED 支架回路的光電流也將減小。

因此，引腳式LED 支架回路光電流的有無或大小能反映封裝工藝中LED 芯片的功能狀態(tài)及芯片電極與引線支架的電氣連接情況，因此，可通過檢測LED 支架回路光電流達到檢測引腳式封裝工藝中芯片功能狀態(tài)和封裝缺陷的目的。

5 結(jié)束語

在機器視覺的半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)過程中，封裝是一個重要的過程。通過良好的封裝，可以保護機器視覺的半導(dǎo)體芯片，提高機器視覺的半導(dǎo)體芯片的熱導(dǎo)率。同時，還可以溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁和規(guī)格通用的功能，實現(xiàn)一般規(guī)格的功能。因此應(yīng)加強封裝工藝的研究，提高封裝的效率和質(zhì)量。