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技術趨勢
視覺檢測解決方案 以打線治具為例
2022.04.15∣瀏覽數:184

視覺檢測解決方案
以打線治具為例

工研院感測系統中心 李俊毅

數據顯示2021年台灣IC封裝產值達6,284億元、年成長14.5%,推估2022年產值將達到6,950億元、年增10.6%,且台灣各封裝大廠目前仍持續投資新技術,後續將持續拿下全球客戶訂單,成為驅動台灣半導體產業成長的主要動能。

IC封裝產業中,接合技術為重要的製程之一,此技術可細分為三類,分別為打線接合、捲帶式自動接合與覆晶接合,其中又以打線接合(Wire bonding)為目前最廣泛應用的接合技術,其原理為利用線徑15-50微米的金屬線材將晶片及導線架連接起來的技術,使微小的晶片得以與外面的電路做溝通,而不需要增加太多的面積。由於打線接合製程成熟、成本低、佈線彈性高且封裝後產品可靠度高,因此其為目前應用最廣的接合技術,約占所有封裝產品9成,在IC封裝產業中有著不可撼動的地位。

隨著規格不斷提升,電子產品朝向輕薄化、一體化與多功能化的趨勢發展在元件密度越來越高,且電子訊號傳輸速度越來越快的情況下,IC佈線密度隨之提高,這也使得打線接合技術面臨新的挑戰。在打線接合過程中,必須仰賴打線治具來固定IC組件間相對位置,以利組件間引線鍵合互連,因此在高精密IC封裝產業中,治具開口之加工精度公差、垂直度、同心度和孔至孔偏移等,必須確保高精度的加工品質。而在打線治具加工製程中,有三道程序,分別為CNC銑床、磨床機與線割機,依據不同的治具設計採用不同的加工機台,而為了確保每道製程後治具的精確度,需採用對應的量測儀器,如高度規、2D光學投影量測儀等,進行關鍵尺寸的量測確認,這也使得治具加工製程對於自動化檢測的需求與日俱增。



數據顯示,2019年,全球自動光學檢查系統市場規模為5.872億美元,預計從2020年到2027年,以複合年增長率(CAGR)18.7%成長。然而針對打線治具各製程的尺寸檢測,目前國內仍以人工手動檢測為主,例如:2D尺寸檢測方面,常藉由投影儀,以人工選取投影影像之工件特徵位置並進行尺寸計算;而在3D深度檢測方面,則需藉由人工操作高度規的方式進行檢測。然而因人工操作步驟繁雜,往往只針對治具局部區域進行檢測,此作法測得的結果便無法代表整體加工品質,且人工操作相對耗時,單一治具量測時間將達20分鐘,在現今治具嚴僅全檢需求下,需耗費大量時間與人力,此外,若再加上人為操作誤差,將無法滿足現今打線治具嚴格的品質要求;另一方面,人工手動檢測結果多以手寫抄錄數據為主,缺乏數位建檔,不利於產品品質履歷控管。因此本文以打線治具檢測為探討重點,透過工研院開發的視覺感測模組實現打線治具關鍵尺寸自動檢測,於每次產品出貨前進行高精度與快速全檢,並建立數位檢測記錄,以因應產能逐漸提升的檢測需求。



工研院開發適用於打線治具檢測製程之智慧視覺檢測模組,其同時結合了2D與3D感測模組,並藉由特殊的模組支架設計,使各感測器感測範圍不受其他感測器影響,更導入了2D影像特徵自動辨識與3D深度自動量測技術,使打線治具在進入感測器視野範圍後,同時啟動2D與3D量測功能,自動辨識治具的邊緣、中心、段差等特徵,進行各種關鍵尺寸運算,克服人工檢測時的操作偏差,以全域檢測的方式確保檢測品質,達到零漏放率;此外,更同時輸出數位化檢測記錄,並建立檢測數據資料庫,可於未來進行智慧化監測製程數據變化,並協助製程優化,大幅提升製程品質。而以下將詳述此模組之系統架構流程與軟體技術內容。




系統架構與流程

此模組包含了XY移動平台、大範圍攝影機、小範圍攝影機與3D線雷射感測器,如圖3所示。大範圍攝影機用於拍攝打線治具整體樣貌,以粗略定位治具上各量測區之平台座標位置。小範圍攝影機則搭載遠心鏡頭,用以高精度局部拍攝治具上待量測區域位置,提供高解析度影像以利各關鍵尺寸運算。3D線雷射感測器則用於3D剖線樣貌拍攝,以進行深度檢測。

此模組之運作流程如圖3所示,首先藉由大範圍攝影機拍攝平台定位孔,計算影像與平台間之座標轉換關係,接著拍攝治具整體樣貌以進行待量測區域定位,XY移動平台便可依據影像定位結果移動至待量測區域,此時即可觸發小範圍攝影機與線雷射感測器進行拍攝,並計算此位置之各種尺寸特徵,依此循環拍攝所有待量測區域,最終將量測結果進行數位化建檔與輸出。

2D影像特徵自動辨識與3D深度自動量測演算法

在小範圍攝影機拍攝完成後,藉由工研院開發之2D影像特徵自動辨識技術,可自動篩選影像上之線條輪廓特徵,並透過直線擬合與封閉輪廓擬合演算法,擬合出各直線與多邊形位置,用以取代人工特徵選取,避免人為操作誤差,最後即可根據欲檢測項目進行線至線或多邊形中心間之距離計算。取得3D線雷射拍攝之剖線樣貌後,3D深度自動量測演算法將先對剖線進行基準面校準,其透過統計方式,進行向量統計分析,決定剖線主軸方向,接著將自動擬合各平行線線段,確立剖線段差頂部與底部位置,進行2者間之深度計算,取代人工採用高度規進行接觸式量測之繁瑣流程,同時確保量測之高精度品質。



透過工研院所研發之智慧視覺檢測模組,其結合2D與3D自動量測技術,可自動辨識打線治具的邊緣、中心、段差等特徵,取代人工操作流程,單一治具量測時間可由20分鐘縮短為2分鐘,克服全檢時人工操作之耗時、不穩定問題,更同時記錄數位化檢測結果,並於產品出貨前提供尺寸資料給廠商,未來更可將此模組整合於各加工設備,開發機上自動化檢測系統,大幅提升製程品質。