葉楨 王道暢 潘曠

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088）

1 概述

自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于微組裝領(lǐng)域，其應(yīng)用的微波多芯片組件具有體積小，組裝密度高，組裝精度要求高，產(chǎn)能需求迫切的特點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中依賴人工目檢的方式已經(jīng)完全無(wú)法勝任組件的檢驗(yàn)工作，尤其是導(dǎo)電膠膠量的過(guò)程控制。一般的微波多芯片組件往往基于復(fù)合介質(zhì)微帶板或多層互聯(lián)陶瓷基板，通過(guò)導(dǎo)電膠或者不同合金焊料將砷化鎵芯片，硅芯片，芯片電容或者表貼元件與底層基板互聯(lián)起來(lái)。而導(dǎo)電膠由于具有良好的粘接性能和流動(dòng)性能，和易返工性被廣泛應(yīng)用于各種混合集成電路模塊中的芯片機(jī)械固定和電連接。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，我們得知微波芯片元件的尺寸大小，決定裝配時(shí)填涂導(dǎo)電膠的用量，而導(dǎo)電膠的厚度與導(dǎo)電膠的熱阻和電阻有著密切的聯(lián)系。當(dāng)膠層太厚會(huì)導(dǎo)致熱阻過(guò)大，而當(dāng)膠層太薄時(shí)，底層的空洞又會(huì)增加熱阻，減少粘接可靠性。因此保證導(dǎo)電膠的膠層厚度在一定范圍內(nèi)，是提高組件電性能和可靠性的要求。本篇文章中分別采用了二維和三維的方法統(tǒng)計(jì)導(dǎo)電膠的膠量，并比較兩種方法的準(zhǔn)確程度。

2 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀檢測(cè)導(dǎo)電膠的基本原理和算法

自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)一種應(yīng)用于先進(jìn)制造領(lǐng)域的高級(jí)生產(chǎn)過(guò)程控制手段，是通過(guò)計(jì)算機(jī)結(jié)合光學(xué)鏡頭，利用自動(dòng)化的機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置將光學(xué)鏡頭運(yùn)動(dòng)到被檢測(cè)對(duì)象的位置，對(duì)被檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行高精度的數(shù)字化成像，利用圖像濾波算法對(duì)于被檢測(cè)圖像進(jìn)行噪聲濾波，通過(guò)圖像增強(qiáng)算法突出被檢測(cè)對(duì)象，通過(guò)特征提取的相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)于被檢測(cè)對(duì)象的關(guān)鍵尺寸，位置和其他相關(guān)信息的提取，從而判斷被檢測(cè)對(duì)象的質(zhì)量和整個(gè)工藝過(guò)程是否處于可控狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，微組裝生產(chǎn)過(guò)程中采用二維平面拍照的方式實(shí)現(xiàn)檢測(cè)圖像的采集，從而對(duì)于諸如焊點(diǎn)，導(dǎo)電膠，芯片圖案等對(duì)象的檢測(cè)。但是平面圖案只能對(duì)于導(dǎo)電膠涂敷面積進(jìn)行計(jì)算，而對(duì)于導(dǎo)電膠的Z軸方向剖面信息，二維手段提取的數(shù)據(jù)往往不能夠充分表征，因此不能有效識(shí)別良點(diǎn)與不良點(diǎn)。因此，在檢測(cè)手段中添加三維測(cè)量手段成為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)關(guān)鍵。我們以自動(dòng)化產(chǎn)線上的某一種變頻電路為例，示范利用光學(xué)檢測(cè)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電膠膠量的測(cè)量和控制，圖1是該種產(chǎn)品的示意圖。

圖1：某變頻電路示意圖

2.1 導(dǎo)電膠的二維平面測(cè)量

一般來(lái)說(shuō)，微組裝生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)于涂覆的導(dǎo)電膠的面積進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于膠量多少和短路可能性的預(yù)判。我們采用的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備的光源系統(tǒng)如圖2，實(shí)驗(yàn)中采用的各種組合光源強(qiáng)度如表1 。

圖2：自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備光源結(jié)構(gòu)示意圖

不同編號(hào)光源對(duì)應(yīng)的膠點(diǎn)示意圖如圖3所示。

圖3：不同組合光源下的導(dǎo)電膠圖片

觀察組圖發(fā)現(xiàn)，對(duì)于1，6，7圖來(lái)說(shuō)，當(dāng)光源中的共軸白光較強(qiáng)時(shí)，入射到導(dǎo)電膠表面的白色光線會(huì)被導(dǎo)電膠弧形鏡面以反射的形式散開(kāi)，重新進(jìn)入鏡頭的比例很少，而焊盤(pán)表面的金層卻由于沒(méi)有弧形結(jié)構(gòu)，保證一定比例的同軸光線可以以表面漫反射的形式進(jìn)入鏡頭，使得圖片中的導(dǎo)電膠區(qū)域與焊盤(pán)相比，對(duì)比度較大，可以有效地利用后續(xù)的二值化算法進(jìn)行區(qū)域百分比計(jì)算。而對(duì)于2，8，10圖來(lái)說(shuō)，我們發(fā)現(xiàn)焊盤(pán)的亮度較低，而導(dǎo)電膠區(qū)域的亮度較大。這是由于2，8，10圖中加入了水平白光，這種角度的光線會(huì)從焊盤(pán)表面掠過(guò)，從焊盤(pán)部分反射進(jìn)入鏡頭的光線較少，而當(dāng)遇到具有連續(xù)變化角度的導(dǎo)電膠表面弧形鏡面結(jié)構(gòu)時(shí)，就會(huì)有相當(dāng)比例的光線進(jìn)入鏡頭，使得導(dǎo)電膠表面明亮，增強(qiáng)和與焊盤(pán)的對(duì)比度。然后，我們將不同光源下的圖像導(dǎo)入Matlab，通過(guò)計(jì)算全圖的對(duì)比度數(shù)值大小，來(lái)確定最終的用于測(cè)量點(diǎn)膠面積百分比的光源組合。對(duì)于圖像對(duì)比度計(jì)算，參考公式：

表1：組合光源設(shè)置參數(shù)

對(duì)于灰度圖像的對(duì)比度計(jì)算公式，其中i,j角標(biāo)遍歷整個(gè)灰度圖像，N是平方項(xiàng)求和的總個(gè)數(shù)N=4×m×n-2×(m-2)-2×(n-2)-4×2，其中m,n為圖像矩陣的長(zhǎng)和寬。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)圖6的對(duì)比度最大，選擇6號(hào)光源用于測(cè)量導(dǎo)電膠面積。

2.2 導(dǎo)電膠基于激光三角測(cè)距法的剖面和體積測(cè)量

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于導(dǎo)電膠這種流動(dòng)不定型的三維對(duì)象的檢測(cè)，我們引入了激光三角測(cè)距手段作為導(dǎo)電膠表面形貌測(cè)量的工具。

圖4展示了激光三角測(cè)距法的具體原理圖[2]。

如圖4所示，由激光發(fā)出的光線在不同位置物體處發(fā)生反射，反射光進(jìn)入棱鏡的角度不同，折射后激發(fā)圖像傳感器感光元件的位置就不同，隨著物體表面高度的變化，或者表面移動(dòng)，圖像激光器位置和感光單元之間的三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算即可知道被檢測(cè)物體的空間位置坐標(biāo)。由圖中示意圖我們得到：

圖4：激光三角測(cè)距法的光路圖

考慮到傳感器自身光學(xué)系統(tǒng)的像差，光點(diǎn)大小和形狀，以及探測(cè)器檢測(cè)電路位置的不確定度等各種因素，以及表面傾斜，表面光澤和粗糙度等外部不確定性的影響，不同傳感器在測(cè)量不同物質(zhì)時(shí)的誤差是變化的，使用之前需要對(duì)這些因素進(jìn)行標(biāo)定。

圖5展示了應(yīng)用激光三角測(cè)距測(cè)量導(dǎo)電膠膠量的示意圖，圖中標(biāo)出了導(dǎo)電膠剖面的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)。

圖5：導(dǎo)電膠3D示意圖

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工藝改進(jìn)

3.1 膠點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

影響導(dǎo)電膠出膠量的因素有很多，根據(jù)點(diǎn)膠過(guò)程的示意圖[3]：如圖6，整個(gè)點(diǎn)膠過(guò)程分為前點(diǎn)膠階段（Stage1），點(diǎn)膠階段（Stage2）和后點(diǎn)膠階段（Stage3）。

圖6：點(diǎn)膠過(guò)程示意圖

前點(diǎn)膠階段主要是指點(diǎn)膠針頭下落的過(guò)程，它包括了在最高點(diǎn)的停留時(shí)間(T1)，下落加速度(Afa)，和下落速度(Vfa)等幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，這幾個(gè)參數(shù)影響著點(diǎn)膠速率。點(diǎn)膠階段包含了開(kāi)閥時(shí)間(T2)，針頭停留高度(H2)，噴射次數(shù)等參數(shù)，這個(gè)階段的參數(shù)直接決定了單次點(diǎn)膠的出膠量，也決定了被導(dǎo)電膠涂覆區(qū)域的總出膠量。而單次點(diǎn)膠出膠量的一致性，也決定了被涂覆區(qū)域總膠量的不確定度，在實(shí)驗(yàn)中我們有針對(duì)性的調(diào)節(jié)開(kāi)閥時(shí)間和停留高度這兩個(gè)工藝參數(shù)來(lái)調(diào)控被涂覆區(qū)域的膠量，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)與點(diǎn)膠量的量化建模。后點(diǎn)膠階段的主要參數(shù)有停留時(shí)間(T3)，回撤距離(H1)，回撤速度(Vre)，回撤加速度(Are)，和回吸時(shí)間(T4)，這個(gè)階段的參數(shù)主要是為了保證當(dāng)點(diǎn)膠結(jié)束后，膠點(diǎn)的尾巴能夠通過(guò)重力作用下落與管體分離，而回吸時(shí)間通過(guò)對(duì)于管內(nèi)膠體施加一個(gè)負(fù)壓確保沒(méi)有后續(xù)的膠體流出從而實(shí)現(xiàn)單一點(diǎn)膠動(dòng)作的完整性。

通過(guò)在自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)上設(shè)定不同的開(kāi)閥時(shí)間和針頭停留高度，并保持其他參數(shù)不變，然后利用自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備分別采用2D和3D的方法，測(cè)量100只變頻模塊后不同組件某區(qū)域的導(dǎo)電膠體積和面積，從而確定開(kāi)閥時(shí)間和針頭停留高度對(duì)于涂覆導(dǎo)電膠膠量的影響。

從圖7，圖8中，看出無(wú)論是二維測(cè)量導(dǎo)電膠和三維測(cè)量導(dǎo)電膠的方法，都有隨著開(kāi)閥時(shí)間增加，膠點(diǎn)覆蓋面積和體積增加的趨勢(shì)。而針頭高度變化對(duì)于出膠量的影響并非單一線性的，說(shuō)明對(duì)于導(dǎo)電膠這種非牛頓流體，在出膠到膠液與針管脫離的過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程非常復(fù)雜，不能用一般的線性過(guò)程來(lái)解釋。影響這一動(dòng)力學(xué)過(guò)程的主要因素，包括了導(dǎo)電膠的體積，排出氣壓，還包括了具體組件基板表面的粗糙度等，外部條件的微小擾動(dòng)都可能導(dǎo)致出膠量的變化，尤其是當(dāng)導(dǎo)電膠與管體內(nèi)的分離時(shí)因此當(dāng)針頭停留高度變化時(shí)，膠點(diǎn)體積會(huì)發(fā)生波動(dòng)，表明這一過(guò)程受到極大的外部不確定因素的干擾。

圖7：面積隨開(kāi)閥時(shí)間和針頭高度的變化

圖8：體積隨開(kāi)閥時(shí)間和針頭高度的變化

我們統(tǒng)計(jì)了在開(kāi)閥時(shí)間為0.072秒，停留高度為0.06mm的在線生產(chǎn)的100只狀態(tài)較好的組件，分為10組，分別測(cè)量其點(diǎn)膠面積和體積的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，來(lái)計(jì)算整個(gè)點(diǎn)膠工藝的過(guò)程能力指數(shù)。

由表2可知采用2D方法測(cè)量得到的膠點(diǎn)面積和膠點(diǎn)體積的數(shù)量大小并不明顯正相關(guān)，主要原因是導(dǎo)電膠接觸焊盤(pán)表面，由于摩擦力，表面張力和重力的共同作用會(huì)向四周鋪展，但鋪展的面積是隨機(jī)不可控的，而且受到試驗(yàn)時(shí)間的影響，因此通過(guò)傳統(tǒng)的二維面積測(cè)量的方法，并不能準(zhǔn)確反映從針頭流出導(dǎo)電膠的實(shí)際體積。加上，在測(cè)量過(guò)程中采用的二值化算法本身，在區(qū)分點(diǎn)膠區(qū)域與非點(diǎn)膠區(qū)域時(shí)，由于導(dǎo)電膠頂端的同軸光強(qiáng)過(guò)于明亮，統(tǒng)計(jì)面積時(shí)并未考慮進(jìn)去，進(jìn)一步增加了面積測(cè)量與導(dǎo)電膠體積的不相關(guān)性。而采用3D激光掃描得到的導(dǎo)電膠體積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是基于光線在導(dǎo)電膠表面反射角度變化造成的探測(cè)器感光單元的位置變化從而計(jì)算得到的高度信息，其準(zhǔn)確度較高。本身這種測(cè)量方法受到液體表面張力，重力，基板表面狀態(tài)和同軸光反射，影響較小，因此測(cè)量出來(lái)的膠點(diǎn)體積更能反映導(dǎo)電膠流量和開(kāi)閥時(shí)間以及停留高度的直接關(guān)系，其樣本標(biāo)準(zhǔn)差主要來(lái)源于導(dǎo)電膠由管內(nèi)排除時(shí)開(kāi)閥時(shí)間和氣壓的不確定度，由針頭高度不確定度引起的膠體與管體分離狀態(tài)的不確定度，還有點(diǎn)膠一段時(shí)間后膠體被壓縮的突然性釋放。

表2：在線測(cè)量2D，3D方法測(cè)量的膠量均值和標(biāo)準(zhǔn)差(過(guò)程控制前和過(guò)程控制后）

3.2 統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制分析

3.2.1 施加統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制前

施加過(guò)程控制前：根據(jù)上面的3D測(cè)量結(jié)果輸入origin，得到3D測(cè)量的平均值控制圖9。

圖9：3D測(cè)量的均值圖（施加過(guò)程控制前）

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)組件工藝過(guò)程卡的經(jīng)驗(yàn)性要求，可以設(shè)定符合工藝標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)電膠3D測(cè)量上公差75mm3，下公差為45mm3，標(biāo)準(zhǔn)值為60mm3。[4]則該工藝過(guò)程能力指數(shù)：

3.2.2 施加統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制后

針對(duì)點(diǎn)膠過(guò)程中發(fā)生的點(diǎn)膠量起伏波動(dòng)問(wèn)題，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)超過(guò)了設(shè)定的膠量控制線，就根據(jù)前面標(biāo)定的點(diǎn)膠機(jī)開(kāi)閥時(shí)間，停留高度與膠量的關(guān)系進(jìn)行建模，來(lái)調(diào)整不斷變化的平均膠量，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制。根據(jù)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中[5]，建立真空氣壓P，開(kāi)閥時(shí)間T和停留高度H與導(dǎo)電膠涂敷體積V的函數(shù)關(guān)系，和實(shí)時(shí)測(cè)定的平均膠量與標(biāo)準(zhǔn)膠量之間的差值，對(duì)于原有的模型進(jìn)行修正，并根據(jù)修正的結(jié)果對(duì)于當(dāng)前的點(diǎn)膠量進(jìn)行調(diào)控：

V=V(P,T,H)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用SPC統(tǒng)計(jì)方法測(cè)得上一個(gè)點(diǎn)膠組的平均膠量與標(biāo)準(zhǔn)膠量偏差滿足：

VK+1=VK+ ΔV

通過(guò)對(duì)于時(shí)間-壓力點(diǎn)膠模型，我們通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)開(kāi)閥時(shí)間，來(lái)修正平均膠量的波動(dòng)，滿足：

并調(diào)節(jié)設(shè)備中的開(kāi)閥時(shí)間參數(shù)，將ΔT抵消，實(shí)現(xiàn)對(duì)于平均點(diǎn)膠量的實(shí)時(shí)控制。

在過(guò)程控制的狀態(tài)下，我們重新選擇連續(xù)生產(chǎn)的100個(gè)變頻模塊，得到3D測(cè)量的平均值控制圖10。施加過(guò)程控制后的工藝過(guò)程能力指數(shù)變?yōu)椋?/p>

圖10：3D測(cè)量的均值圖（施加過(guò)程控制后）

根據(jù)過(guò)程能力指數(shù)變化，我們看出施加統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制可以有效減少點(diǎn)膠量的劇烈波動(dòng)，使得點(diǎn)膠量更加穩(wěn)定在上下公差限內(nèi)，但是不能確保標(biāo)準(zhǔn)值不發(fā)生偏移造成Cpk的下降。究其原因，不同時(shí)間對(duì)于點(diǎn)膠工序的采樣，存在導(dǎo)電膠管內(nèi)膠量變化，而管內(nèi)膠量變化會(huì)帶來(lái)氣壓的變化，當(dāng)氣閥以恒定的壓力P作用于膠管內(nèi)氣體，由于氣體的可壓縮性和時(shí)滯性使得，這個(gè)壓力P當(dāng)傳導(dǎo)到膠體時(shí)，已經(jīng)開(kāi)始了一段時(shí)間的非平衡態(tài)排膠過(guò)程，而根據(jù)流體力學(xué)中的Navier-Stokes方程[6]，管內(nèi)一定時(shí)間流出的膠量與氣壓和排膠時(shí)間直接相關(guān)，所以實(shí)驗(yàn)中的排膠標(biāo)準(zhǔn)量會(huì)隨著管內(nèi)膠體體積而變化，因此要消除這種系統(tǒng)性偏差需要建立另外一個(gè)針對(duì)排膠時(shí)間隨管內(nèi)膠體體積變化的補(bǔ)償機(jī)制。

4 結(jié)論

隨著微波模塊的頻段越來(lái)越高，對(duì)于組裝工藝的精確度和穩(wěn)定性要求也越來(lái)越高，因此在關(guān)鍵工序進(jìn)行過(guò)程控制成為了必需手段。點(diǎn)膠工藝中膠量的控制直接影響著互聯(lián)射頻芯片的高度，也影響著微波模塊腔體內(nèi)的電磁場(chǎng)分布和最終的電測(cè)試指標(biāo)。以往的自動(dòng)點(diǎn)膠工序只是通過(guò)編程和參數(shù)設(shè)定來(lái)調(diào)控導(dǎo)電膠的出膠量。而生產(chǎn)過(guò)程控制手段，則是通過(guò)設(shè)備自帶的電子秤對(duì)于一定參數(shù)下的排膠量進(jìn)行稱(chēng)重來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于導(dǎo)電膠的出膠量的校準(zhǔn)和調(diào)控，缺乏實(shí)時(shí)性和直觀性。在引入了自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)的手段后，可以在線對(duì)所有生產(chǎn)出來(lái)模塊的點(diǎn)膠參數(shù)進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)分析，并且進(jìn)行建模，利用模型進(jìn)行預(yù)測(cè)反饋。本文首先參考了不同的光源設(shè)定，通過(guò)計(jì)算不同光照下的圖片對(duì)比度，為我們確定最終測(cè)量采用的最優(yōu)光源設(shè)制提供了理論依據(jù)。其次，本文實(shí)現(xiàn)了對(duì)于導(dǎo)電膠膠量和關(guān)鍵工藝參數(shù)的建模分析，發(fā)現(xiàn)決定導(dǎo)電膠膠量的主要工藝參數(shù)是開(kāi)閥時(shí)間，而停留高度對(duì)于膠量的作用并不明確，帶有極大的非線性。最后，本文同時(shí)采用2D和3D兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于導(dǎo)電膠膠量的實(shí)時(shí)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)3D方法相較于2D方法可以更能準(zhǔn)確反映出膠量與各種物理量的直接函數(shù)關(guān)系和更少的不確定度來(lái)源，對(duì)于未來(lái)膠量的過(guò)程控制研究更有意義。