專利名稱：打火成球工藝中的參數優化方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于微電子封裝機械領域，涉及一種打火成球工藝中的參數優化方法及系統。
背景技術：
引線鍵合是當前最主要的微電子封裝技術，目前95%以上的芯片均采用引線鍵合技術進行封裝。引線鍵合是用細小金屬絲(直徑25微米及以下的金絲、銅絲或其他金屬絲， 為敘述方便，下文描述采用最常見的金絲作為代表)把芯片焊盤和引線框架(或基板)連接起來的過程。在引線鍵合過程中，首先，金絲通過毛細管劈刀中心的孔穿出(即尾絲)，由電弧放電將金絲伸出部分熔化，并在表面張力作用下形成金球；然后，劈刀往下運動，使金球和焊盤接觸；超聲能和鍵合力通過劈刀加在鍵合界面上，同時在溫度的共同作用下，將金球鍵合到芯片焊盤上，形成第一焊點；然后，劈刀升起將引線拉起，在空間中形成特定形狀的弧線；再往下運動，使金絲和焊盤接觸；在超聲和熱、力作用下將金絲鍵合到基板引腳或其他芯片焊盤上，形成第二焊點，并在鍵合后將金絲拉斷，形成尾絲，為下次鍵合做準備，從而將芯片和基板的電路連接在一起。在此循環過程中形成的金球大小、形狀不僅僅影響第一焊點的質量，而且影響弧線的形狀，以及形成低弧線的可行性。目前，一般通過上萬次試驗對打火成球后的金球形狀進行統計分析，通過掃描電子顯微鏡研究金球成球后的形狀、大小及其內部顯微結構等，然后確定打火參數(電流和時間)對成球的影響。這種對球完全形成之后的觀測，無法了解球形成的整個過程。這種方法費事費力，且改變金絲直徑后，打火參數必須重新試驗確定。 這種費時的停機確定參數過程，已經成為增加微電子封裝企業成本、降低產能的一個因素。 因此，有必要設計一種方法和系統以監測打火形成金球(簡稱打火成球)的過程，觀察和分析球在形成過程中的變化，以及各種打火參數對此過程的影響，以設置合適的參數，形成大小、形狀一致的金球，優化打火成球工藝。對現有監測打火成球過程以及相關技術的檢索，沒有發現類似本發明的內容。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種打火成球工藝中的參數優化方法及系統， 該方法和系統能快速確定打火參數對金球形成過程的影響，以便最快地優化打火成球工藝參數。發明的技術解決方案如下一種打火成球工藝中的參數優化方法，包括如下步驟步驟1 準備步驟將自動鍵合機通過同步驅動電路與攝像裝置連接；將攝像裝置中的鏡頭對準尾絲；為尾絲提供背光；步驟2 獲取圖像確定打火參數，當自動鍵合機進行打火成球時，通過同步驅動電路同步觸發攝像裝置獲取打火成球過程中的尾絲端部的連續多幅成球圖像；
步驟3 圖像處理采用圖像擬合圓方法，將獲取的成球圖像中的金球擬合成一個圓，獲取該圓的直徑數值；步驟4 參數調整將所述的直徑數值與預先設定數值比較，基于比較結果調整打火參數，所述的打火參數包括打火時間和打火電流；再返回步驟2，直到最終的直徑數值與預先設定數值之差在誤差閾值之內(預先設定數值的士5%)，此時的打火參數為最終的優化后的參數。所述的圖像處理步驟針對的成球圖像是連續多幅成球圖像中最大金球所對應的成球圖像。(即所述的直徑數值為獲取的多幅成球圖像中的多個金球直徑中的最大值。)所述的鏡頭的連拍速度大于10000幀/秒，光源采用功率為150W以上的鹵素燈。同步驅動電路由兩個0P37型運算放大器級聯而成。光源通過光纖為尾絲提供背光。一種基于前述的打火成球工藝中的參數優化方法的系統，包括計算機、自動鍵合機、光源和同步驅動電路；自動鍵合機通過同步驅動電路與攝像裝置連接；攝像裝置中的鏡頭對準尾絲；光源為尾絲提供背光；攝像裝置輸出成球圖像到計算機中，計算機中具有用于根據成球圖像獲取所述直徑數值的圖像處理單元。有益效果本發明提供了一種打火成球工藝中的參數優化方法及系統，可在打火開始的同時，觸發攝像裝置(實際上為一個高速攝像系統)，以清晰地記錄打火過程；可對所獲得的圖形進行自動處理，以了解成球動態過程；進而快速確定打火參數對金球形成過程的影響， 以優化打火成球工藝參數。盡管高速相機、圖像處理技術是現有技術，但是把二者結合起來完成打火過程的監測，是一個創新。因為這種方式僅僅通過幾次試驗就可以現場確定最優的參數，而傳統的統計試驗方法不能了解詳細的打火成球過程，需要上千次乃至上萬次試驗才能確定最優的參數。本方法能高效率地解決的參數優化的問題。本發明具有以下優點1)采用上述光學系統、照明光源、打光方法可以清楚觀測到微小尾絲(直徑25微米左右)；2)采用同步觸發電路，可以實現打火與高速相機的同步，準確觀測到僅數毫秒的打火全過程。否則，如果沒有同步觸發電路，打火過程僅有幾毫秒，根本無法記錄。3)采用上述攝像裝置可以實時記錄打火成球的全部過程，得到詳細打火過程的成球圖像，可以清晰的看到球大小和直徑的變化；4)采用上述圖像處理方法可以得到球在每一幀圖像中的球心位置，并得到球的尺寸，最后得到在打火成球過程中，球心和尺寸的變化；5)通過2-3次試驗在線確定打火參數。與傳統方法相比，大大減少了實驗的時間和次數。6)采用上述系統，可以詳細了解打火成球過程，確定高爾夫球、缺球等異常產生的原因。


圖1是打火成球工藝中的參數優化系統的總體結構示意圖；圖2為觸發電路原理圖；圖3為攝像裝置、金絲和光源的位置關系示意圖；圖4為原始圖像(圖a)及其處理后圖像(圖b)的示意圖。(圖4中的橫坐標和縱坐標的單位均為像素，當焦距確定后，像素指與實際尺寸具有比例關系)標號說明1-打火桿，2-金絲，3-金球，4-鏡頭，5-光源。
具體實施例方式以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明打火成球工藝中的參數優化系統構成如圖1，此系統包括攝像裝置、足夠放大倍數的光學鏡頭、照明光源、同步觸發電路以及配套的圖像處理方法和軟件。所述的攝像裝置，具有最小10000幀/秒的速度，分辨率最小為256 X 256像素；可以高速拍攝記錄打火成球過程，獲得清晰的圖像數據。光學鏡頭采用可變倍單筒光學鏡頭組，具有4. 5 1以上的變焦比率、0.5-6X的放大范圍和300X(根據使用的鏡頭附件的不同而不同)的總放大倍率。工作距離可在20-400 毫米之間變化。視野可在0. 02-125毫米之間變化；同步觸發電路，將自動鍵合機中的打火電壓信號接到攝像裝置，以觸發攝像裝置 (即高速攝像采集系統)，并可以同步打火成球與攝像裝置，以實現數毫秒打火過程的觀測。同步觸發電路的原理如圖2所示打火板輸出的電壓信號Vin (約為-0.4V)，經過0P37 芯片，反向并放大10倍后，成為Vout信號(約為4V)輸入高速攝像采集系統的“ TTL觸發輸入”端口，觸發攝像裝置記錄采集打火過程，從而獲得打火熔化成球過程的圖像資料。0P37 芯片的傳輸延遲時間為納米級，相對于打火過程的毫秒量級時間可以忽略不計。光源，其特征為功率為150W以上的鹵素燈，通過光纖傳輸，對尾絲打背光，以實現清楚的打火過程拍攝。高速相機、尾絲、光源之間的相對位置如圖3所示尾絲在高速相機鏡頭和光源之間。圖像處理過程為先濾波、二值化、邊界提取、再用最小二乘法擬合圓(上述步驟的實現可以參考現有的數字圖像處理技術，均為現有技術)，得到球的位置和大小。采用 matlab等軟件編寫程序實現上述步驟，并對攝像裝置所獲得的圖像進行處理，從而得到球的位置和大小。圖4為一幅典型高速攝像圖像的處理，左圖(即圖a)為原始圖像，右圖(即圖b)為擬合圓處理結果。具體的實施過程為在自動鍵合機中設置好打火參數后，切線，再開啟高亮度照明光源，調整攝像裝置的位置，將鏡頭對準劈刀下尾絲(即金絲尾端)的位置，直到可以清晰的看見圖像。然后，啟動自動鍵合機的打火過程，打火電路板輸出打火電流，經過打火桿向金絲放電，形成金球；同時，打火電路板產生打火電壓信號，經同步觸發地電路調理后輸出 Vout給攝像裝置的TTL trigger h端口，觸發攝像裝置；在高亮度照明光源的照明下，攝像裝置實時采集到上述打火成球過程。如圖1所示。最后對所得的圖像進行處理，得到所需要的相關信息，如球的直徑變化和球心位置變化圖。實施例1 基于高速攝像的直徑25微米金絲打火成球過程的監測采用Wiotron FASTCAM SAl. 1高速攝像采集系統，此系統最顯著的特征就是可以高速拍攝記錄，獲得清晰的圖像數據，最快幀數達6. 5X IO5幀/秒、最大分辨率達 IOMX IOM像素拍攝時間長達秒級。鏡頭采用Navitar公司的hom 6000的共焦點光學系統。本專利使用的此光學系統的光學放大倍數為20倍。通過標準C 口與Wiotron FASTCAM SAl. 1高速攝像采集系統相連接。本發明的工作流程先將打火電壓信號接到反向放大電路中，經此電路后，電壓信號反相放大10倍， 再將此信號接到高速攝像儀上，以便在打火開始后出發高速攝像儀拍攝記錄打火成球全過程；然后設置好打火參數后，切線，再調整攝像裝置的位置，大概將鏡頭對準劈刀下尾絲的位置。根據PFV軟件中尾絲所在的位置，調整高速攝像儀上鏡頭正對著尾絲，調整劈刀位置使得圖像清晰；調節ZOOM 6000光學系統，將鏡頭放大倍數調節到最大，在通過調整劈刀位置，使得尾絲在圖像中得以清楚的顯示。選擇20000幀/秒的拍攝速度，圖片分辨率為512X512 像素，并用鹵素燈對尾絲打背光，這樣既可以盡可能多的獲得打火成球過程的圖像，又可以使得從尾絲尖端熔化到成球都在鏡頭的視野范圍之內，高速攝像儀、尾絲和光源之間的相對位置如圖3所示；然后將攝像裝置調節到觸發模式，同時也將數據采集卡調節到觸發模式，通過操作自動鍵合機，進行打火操作，此時數據采集卡和攝像裝置同時記錄采集數據，得到我們想要的數據和圖像資料；由于打火時間很短，向對來說拍攝時間就較長了，所以在記錄結束后，只需要選擇保存我們所需要的一部分圖像，即保存從開始到球再沒有變化的這階段的圖像就可以了 ；最后對所得的圖像進行處理，得到所需要的相關信息，如球的直徑變化和球心位置變化圖，圖像處理效果圖如圖4。若金球直徑超過預先設定數據的5%，則可以減少打火時間或者電流，重復上述實驗，2-3次實驗即可現場確定最佳的打火參數。比如預先設定金球直徑為60微米。第一次試驗，給定打火電流大小為30mA，打火時間為1. 2ms,由本系統檢測到實際形成的金球直徑(此處采用最大直徑)是陽微米，需要增加打火時間；第二次試驗，保持打火電流為30mA，增加打火時間到1. 25ms,由本系統檢測到實際形成的金球直徑是62微米，基本滿足了預定的需要；第二次試驗，保持打火電流為30mA，改變打火時間到 1. 24ms,由本系統檢測到實際形成的金球直徑是60微米。通過3次試驗，即獲得了與預設金球直徑完全相同的結果。
權利要求
1.一種打火成球工藝中的參數優化方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1 準備步驟將自動鍵合機通過同步驅動電路與攝像裝置連接；將攝像裝置中的鏡頭對準尾絲；為尾絲提供背光；步驟2 獲取圖像確定打火參數，當自動鍵合機進行打火成球時，通過同步驅動電路同步觸發攝像裝置獲取打火成球過程中的尾絲端部的連續多幅成球圖像；步驟3 圖像處理采用圖像擬合圓方法，將獲取的成球圖像中的金球擬合成一個圓， 獲取該圓的直徑數值；步驟4 參數調整將所述的直徑數值與預先設定數值比較，基于比較結果調整打火參數，所述的打火參數包括打火時間和打火電流；再返回步驟2，直到最終的直徑數值與預先設定數值之差在誤差閾值之內，此時的打火參數為最終的優化后的參數。
2.根據權利要求1所述的打火成球工藝中的參數優化方法，其特征在于，所述的圖像處理步驟針對的成球圖像是連續多幅成球圖像中最大金球所對應的成球圖像。
3.根據權利要求1所述的打火成球工藝中的參數優化方法，其特征在于，所述的鏡頭的連拍速度大于10000幀/秒，光源采用功率為150W以上的鹵素燈。
4.根據權利要求1所述的打火成球工藝中的參數優化方法，其特征在于，同步驅動電路由兩個0P37型運算放大器級聯而成。
5.根據權利要求1-4任一項所述的打火成球工藝中的參數優化方法，其特征在于，光源通過光纖為尾絲提供背光。
6.一種基于權利要求1-4任一項所述的打火成球工藝中的參數優化方法的系統，其特征在于，包括計算機、自動鍵合機、光源和同步驅動電路；自動鍵合機通過同步驅動電路與攝像裝置連接；攝像裝置中的鏡頭對準尾絲；光源為尾絲提供背光；攝像裝置輸出成球圖像到計算機中，計算機中具有用于根據成球圖像獲取所述直徑數值的圖像處理單元。
7.一種基于權利要求5所述的打火成球工藝中的參數優化方法的系統，其特征在于， 包括計算機、自動鍵合機、光源和同步驅動電路；自動鍵合機通過同步驅動電路與攝像裝置連接；將攝像裝置中的鏡頭對準處于劈刀下的尾絲；光源為尾絲提供背光；攝像裝置輸出成球圖像到計算機中，計算機中具有根據成球圖像獲取所述直徑數值的圖像處理單元。
全文摘要
本發明公開了一種用于微電子封裝自動引線鍵合中的打火成球工藝中的參數優化方法及系統，先將自動鍵合機通過同步驅動電路與攝像裝置連接；將攝像裝置中的鏡頭對準尾絲；確定打火參數，當自動鍵合機進行打火成球時，通過同步驅動電路同步觸發攝像裝置獲取打火成球過程中的尾絲端部的連續多幅成球圖像；再采用圖像擬合圓方法獲取金球擬合直徑，最后將金球擬合直徑與參考數值比較，調整打火參數，所述的打火參數包括打火時間和打火電流。該方法和系統能快速確定打火參數對金球形成過程的影響，以便最快地優化打火成球工藝參數。
文檔編號H01L21/50GK102437062SQ20111036683
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者向康, 李軍輝, 王福亮, 韓雷 申請人:中南大學