Создание системы для разварки проволочных траверс между выводами прибора и кристаллом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время на многих промышленных предприятиях происходит модификация систем. В связи с этим я решил спроектировать визуальную систему по разварке кристаллов. Такая система не только автоматизирует, но и ускорить процесс визуального контроля, а также исключить из него человеческий фактор. Польза системы визуальной инспекции на основе машинного зрения заключается в высокой скорости работы с увеличением оборота, возможности 24-часовой работы и точности повторяемых измерений. Так же преимущество машин перед людьми заключается в отсутствии утомляемости, болезней или невнимательности.

Технология компьютерного зрения по праву может считаться одной из самых передовых и перспективных на данном этапе развития глобальных цифровых компьютерных технологий.

Целью данной работы является создание системы для разварки проволочных траверс между выводами прибора и кристаллом.

Для разработки был изучен действующий порядок разварки кристаллов и его недостатки. Также были изучены соответствующие нормативные документы, в которых описаны требования к технологическому процессу и перечислены те дефекты, которые подлежат разбраковке.

На основе полученных исходных данных было принято решение о проектировании и создании данной машины как программно - аппаратного комплекса, который способен в режиме реального времени получать информацию о визуальных свойствах кристалла в цифровом формате, анализировать и обрабатывать полученную информацию с помощью алгоритмов машинного зрения, выдавать результат анализа и повторять этот опыт многократно.

Применение машинного зрения разнообразно, оно охватывает различные области деятельности, моя же дипломная работа относиться к применению машинного зрения в крупном промышленном производстве.

1. Общие сведения

1.1 Определение понятия «машинное зрение»

Сегодня высокий уровень автоматизации различных сфер человеческой деятельности требует от компьютерных систем не только быстро, но и точно выполнять вычисления, и также эффективно распознавать визуальную информацию и на основе ее анализа решать сложные задачи управления и контроля. Такие системы принято называть - системы машинного зрения. [1]

В общем виде они представляют собой взаимосвязанную технологическую последовательность, включающую следующие звенья:

· получения изображения от видеокамеры;

· обработку (оцифровку) изображения;

· логический анализ цифрового изображения и выделение нужной информации;

· перемещение камеры в пространстве

Видеокамера и устройство обработки изображения являются главными составляющими системы машинного зрения, их объединяет термин «техническое зрение».

В самом общем виде системы машинного зрения подразумевают преобразование данных, поступающих с устройств захвата изображения, с выполнением дальнейших операций на основе этих данных. Возможное поле применения машинного зрения, по-настоящему, огромно -- эти технологии могут быть использованы практически во всех сферах жизнедеятельности.

Система машинного зрения включает следующие основные компоненты:

· подсистему формирования изображений;

· вычислительную систему;

· алгоритмы анализа изображений.

Развитие машинного зрения интенсивно идет по всем трем перечисленным компонентам. «Однако, в условиях, когда качественные устройства захвата изображений становятся вполне доступными для их не только промышленного или военного использования, но и бытового, а вычислительные мощности позволяют совершать миллиарды операций в секунду, давая тем самым возможность их использования в системах реального времени, критичным становится построение эффективных алгоритмов для анализа получаемых изображений»[1].

Одной из наиболее сложных задач в машинном зрении при применении его в робототехнике является распознавание, включающее в себя обнаружение и идентификацию объектов. В частности, решение этой задачи позволяют выполнить оценку положения объекта относительно устройства захвата изображения.

Перспективным направлением развития машинного зрения является получение и дальнейшая обработка данных с использованием пассивных устройств захвата изображения, к которым относится камера. В отличие от применения различных датчиков, такой метод вплотную приближает работу системы машинного зрения к той, что использует человек для решения зрительных задач. Другими словами, на входе и робототехническая система, и человек получают одну и ту же зрительную информацию. Разнятся только алгоритмизация и вычислительные мощности, которые используются для ее преобразования и интерпретации. Но и в этом направлении уже сделаны весомые шаги, дающие решать различные задачи в самом общем виде.

Такой подход позволяет эффективно внедрять робототехнические системы, использующие машинное зрение, непосредственно в обычную для человека среду. «А это дает возможность расширить сферы применения машинного зрения, выводя их далеко за рамки жестко детерминированных сред в промышленности и постепенно захватывая все новые области его использования в быту»[1].

Системы машинного зрения, предназначенные для использования на производстве, в медицине, в обороне и т.д. должны отличаться высокой производительностью, надежностью и гибкостью. Всем этим требованиям удовлетворяют системы, построенные на базе промышленных ПК со стандартными шинами PCI и PCIe. Для решения сложных и ответственных задач, приложений реального времени в наибольшей степени соответствуют системы построенные на базе CompactPCI и PXI.

1.2 История развития машинного зрения

Технология компьютерного зрения по праву может считаться одной из самых передовых и перспективных на данном этапе развития глобальных цифровых компьютерных технологий.

Компьютерное зрение оформилось как самостоятельная дисциплина к концу 60х годов. Это направление возникло в рамках искусственного интеллекта в тот его период, когда еще были горячи споры о возможности создания мыслящей машины. Оно выделилось из работ по распознаванию образов.

Кратко история развития машинного зрения представлена на рисунке 1.1.1.

Рисунок 1.1.1 - История машинного зрения

В истории развития машинного зрения можно выделить следующие этапы:

· 1955 г. - профессор Массачусетского технологического института (МТИ) Оливер Селфридж опубликовал статью «Глаза и уши для компьютера». В ней автор выдвинул теоретическую идею оснащения компьютера средствами распознавания звука и изображения.

· «1958 г. - психолог Фрэнк Розенблатт из Корнеллского университета создал компьютерную реализацию персептрона (от perception - восприятие) - устройства, моделирующего схему распознавания образов человеческим мозгом. Аппаратный вариант - Mark I Perceptron - был построен в 1960 г. и предназначался для распознавания зрительных образов [10]».

· 1960-е гг.- появление первых программных систем обработки изображений (в основном для удаления помех с фотоснимков, сделанных с самолетов и спутников), стали развиваться прикладные исследования в области распознавания печатных символов. К началу 60-х годов задачи компьютерного зрения в основном охватывали область космических исследований, требовавших обработки большого количества цифровой информации.

· 1970-е гг. - Лавренсе Робертс, аспирант МТИ, выдвинул концепцию машинного построения трехмерных образов объектов на основе анализа их двумерных изображений. На данном этапе стал проводиться более глубокий анализ данных. Начали развиваться различные подходы к распознаванию объектов на изображении, например структурные, признаковые и текстурные.

· 1979 г. - профессор Ганс-Хельмут Нагель из Гамбургского университета заложил основы теории анализа динамических сцен, позволяющей распознавать движущиеся объекты в видеопотоке.

· В конце 1980-х годов были созданы роботы, способные более-менее удовлетворительно оценивать окружающий мир и самостоятельно выполнять действия в естественной среде

· 80-е и 90-е годы ознаменовались появлением нового поколения датчиков двухмерных цифровых информационных полей различной физической природы. Развитие новых измерительных систем и методов регистрации двухмерных цифровых информационных полей в реальном масштабе времени позволило получать для анализа устойчивые во времени изображения, генерируемые этими датчиками.

· С начала 90-х годов в алгоритмическом аспекте последовательность действий по обработке изображения принято рассматривать в согласии с так называемой модульной парадигмой. Эта парадигма, предложенная Д. Марром на основе длительного изучения механизмов зрительного восприятия человека, утверждает, что обработка изображений должна опираться на несколько последовательных уровней восходящей информационной линии: от «иконического» представления объектов (растровое изображение, неструктурированная информация) - к их символическому представлению (векторные и атрибутивные данные в структурированной форме, реляционные структуры и т. п.).

· В середине 90-х годов появились первые коммерческие системы автоматической навигации автомобилей. Эффективные средства компьютерного анализа движений удалось разработать в конце XX века

· «2003 г. - на рынок были выпущены первые достаточно надежные корпоративные системы распознавания лиц [10]».

1.3 Компоненты системы машинного зрения

Хотя машинное зрение -- процесс применения компьютерного зрения для промышленного применения, полезно перечислить часто используемые аппаратные и программные компоненты. Типовое решение системы машинного зрения включает в себя несколько следующих компонентов:

· скоростные видеокамеры,

· чувствительные датчики,

· специальную подсветку,

· контроллер -- компьютер с предустановленным ПО,

· устройства для синхронизации работы элементов.

Датчик определяет, когда деталь, которая часто движется по столику, находится в положении, подлежащем инспекции. Датчик запускает камеру, чтобы сделать снимок детали, когда она проходит под камерой и часто синхронизируется с импульсом освещения, чтобы сделать четкое изображение. Освещение, используемое для подсветки деталей предназначено для выделения особенностей, представляющих интерес, и скрытия или сведения к минимуму появление особенностей, которые не представляют интереса (например, тени или отражения). Для этой цели часто используются светодиодные панели подходящих размеров и расположения. [10]

Изображение с камеры попадает в захватчик кадров или в память компьютера в системах.

Программное обеспечение, как правило, совершает несколько шагов для обработки изображений.

1. изображение для начала обрабатывается с целью уменьшения шума или конвертации множества оттенков серого в простое сочетание черного и белого (бинаризации);

2. затем программа будет считать, производить измерения и/или определять объекты, размеры, дефекты и другие характеристики изображения;

3. в качестве последнего шага, программа пропускает или забраковывает деталь в соответствии с заданными критериям

Если деталь идет с браком, программное обеспечение подает сигнал механическому устройству для отклонения детали; другой вариант развития событий, система может остановить производственную линию и предупредить человека работника для решения этой проблемы и сообщить, что привело к неудаче.

Хотя большинство систем машинного зрения полагаются на «черно-белые» камеры, использование цветных камер становится все более распространенным явлением. Кроме того, все чаще системы машинного зрения используют цифровые камеры прямого подключения, а не камеры с отдельным захватчиком кадров, что сокращает расходы и упрощает систему.



2. Алгоритмы обработки изображений

Обработка изображений связана с решением таких задач, в которых и входные, и выходные данные являются изображениями.

Задачей распознавания изображений является применение методов, позволяющих либо получить некоторое описание изображения, поданного на вход системы, либо отнести это изображение к некоторому определенному классу. Процедура распознавания применяется к некоторому изображению и обеспечивает преобразование его в некоторое абстрактное описание: набор чисел, цепочку символов или график.

Рассмотрим основные алгоритмы обработки изображений:

· Счетчик пикселей: подсчитывает количество светлых или темных пикселей. С помощью счетчика пикселей пользователь может выделить на экране прямоугольную область в интересующем месте. Камера в ответ немедленно даст сведения о количестве пикселей, представленных сторонами прямоугольника. Счетчик пикселей дает возможность быстро проверить, соответствует ли смонтированная камера нормативным требованиям или требованиям заказчика относительно пиксельного разрешения.

· Бинаризация: бинаризация изображений, т.е. перевод полноцветного или в градациях серого изображения в монохромное, где присутствуют только два типа пикселей (темные и светлые) имеет большое значение при распознавании образов. Особенно это относится к бинарным объектам, таким, как штриховые коды, текст, чертежи и т.п. Существуют различные подходы к бинаризации, которые условно можно разделить на 2 группы:

1. пороговые;

2. адаптивные.

Если говорить кратко, то пороговые методы бинаризации работают со всем изображением, находя какую-то характеристику (порог), позволяющую разделить все изображение на чёрное и белое. Адаптивные методы работают с участками изображений и используются при неоднородном освещении объектов.

Хотелось бы объединить достоинства методов с пороговой и адаптивной бинаризацией. И существует ряд решений для этого. Суть их состоит в том, чтобы с помощью пороговой бинаризации выделить три группы пикселей - белые, чёрные и промежуточные. А уже промежуточные пиксели с помощью адаптивной бинаризации относятся к черному или белому.

· Сегментация: сегментация -- это процесс разделения цифрового изображения на несколько сегментов (множество пикселей, также называемых суперпикселями). Цель сегментации заключается в упрощении и/или изменении представления изображения, чтобы его было проще и легче анализировать. Результатом сегментации изображения является множество сегментов, которые вместе покрывают всё изображение, или множество контуров, выделенных из изображения. Все пиксели в сегменте похожи по некоторой характеристике или вычисленному свойству, например, по цвету, яркости или текстуре. Соседние сегменты значительно отличаются по этой характеристике.

· Поиск и анализ блобов: проверка изображения на отдельные блобы связанных пикселей (например, черной дыры на сером объекте) в виде опорных точек изображения. Эти блобы часто представляют цели для обработки, захвата или производственного брака.

· Надежное распознавание по шаблонам: поиск по шаблону объекта, который может быть повернут, частично скрыт другим объектом, или отличным по размеру.

· Чтение штрих-кодов: декодирование 1D и 2D кодов, разработанных для считывания или сканирования машинами.

· Оптическое распознавание символов: ОРС - механический или электронный перевод изображений рукописного, машинописного или печатного текста в текстовые данные - последовательность кодов, использующихся для представления символов в компьютере (например, в текстовом редакторе). Оптическое распознавание текста позволяет редактировать текст, осуществлять поиск слов или фраз, хранить его в более компактной форме, демонстрировать или распечатывать материал, не теряя качества, анализировать информацию, а также применять к тексту электронный перевод, форматирование или преобразование в речь.

· Измерение: измерение размеров объектов в дюймах или миллиметрах

· Обнаружение краев: выделение краев играет важную роль в анализе изображений и распознавании образов при решении проблемы компьютерного зрения. Представление краев объектов на изображении позволяет уменьшить количество данных, сохраняющих важную информацию о форме объектов в сцене. При определении границ объекта производится вычисление двумерного пространственного градиента на изображении, и выявляются области, соответствующие краям. При этом происходит оценка модуля градиента в каждой точке полутонового изображения [1]. Выделение краев - термин в теории обработки изображения и компьютерного зрения, частично из области поиска объектов и выделения объектов, основывается на алгоритмах, которые выделяют точки цифрового изображения, в которых резко изменяется яркость или есть другие виды неоднородностей.

Результатом выделения границ является набор связанных кривых, обозначающих границы объектов, граней и оттисков на поверхности, а также кривые, которые отображают изменения положения поверхностей. [1]. Край в изображении - это существенное местное изменение в интенсивности изображения, обычно связываемое с неоднородностью в интенсивности изображения.

· Этапы выделения краев

Выделение краев происходит за 3 этапа: фильтрация, улучшение и выделение.

1. Фильтрация - случайные изменения значения интенсивности на изображении называются шумом. Наиболее распространенными типами шума являются: соль и перец, импульсный шум и гауссовский шум. Алгоритмы шумоподавления обычно специализируются на подавлении одного конкретного вида шума. Не существует пока универсальных фильтров, детектирующих и подавляющих все виды шумов.

2. Улучшение - чтобы облегчить обнаружение края, важно определить изменения в интенсивности в соседней точке. Улучшение подчеркивают пиксели, которые имеют существенное изменение значения интенсивности. Обычно на этом этапе происходит вычисление градиента для пикселей изображения.

3. Выделение - у многих точек изображения имеются значения градиента, отличные от нуля, и не все эти точки являются краями. Поэтому должны использоваться некоторые методы, чтобы определить, какие точки являются краями

· Сопоставление шаблонов: поиск, подбор, и/или подсчет конкретных моделей

«В большинстве случаев, системы машинного зрения используют последовательное сочетание этих методов обработки для выполнения полного инспектирования [2]».



3. Применение машинного зрения

Методы машинного зрения находят применение в следующих областях:

· Медицина (автоматический анализ медицинских изображений рентген, томография, УЗИ);

· Охранные системы (идентификация личности, детекторы движения, распознавание и отслеживание движущихся объектов, распознавание автомобильных номеров и т.д.);

· Естественный интерфейс человек-компьютер, основанный на жестах, мимике и голосовых командах пользователя, не обремененный устройствами "удобными компьютеру" (клавиатурой, мышью);

· Мультимедия-приложения, игры (реальный пример - автоматическое создание модели игрока для Quake3), расширенная реальность (комбинация виртуального окружения и реальных объектов);

· Системы распознавания рукописного и печатного текста;

· Сжатие видео с учетом содержимого передающегося видеопотока;

· Промышленность (дефектоскопия, контроль качества, промышленные роботы)

· автомобилестроение;

· электроника;

· машиностроение;

Одним из наиболее важных применений является обработка изображений в медицине. Эта область характеризуется получением информации из видеоданных для постановки медицинского диагноза пациентам. В большинстве случаев, видеоданные получают с помощью микроскопии, рентгенографии, ангиографии,ультразвуковых исследований и томографии. «Примером информации, которая может быть получена из таких видеоданных является обнаружение опухолей,артериосклероза или других злокачественных изменений. Также примером может быть определение физического состояния человека по выражениям его лица и т.д. Эта прикладная область также способствует медицинским исследованиям, предоставляя новую информацию, например, о строении мозга или качеству медицинского лечения [14]».

Другой прикладной областью машинного зрения является промышленность. Здесь информацию получают для целей поддержки производственного процесса. Примером может служить контроль качества, когда детали или конечный продукт автоматически проверяются на наличие дефектов. Другим примером является измерение положения и ориентации деталей, поднимаемых рукой робота.

Военное применение является, пожалуй, самой большой областью машинного зрения. Очевидными примерами являются обнаружение вражеских солдат и транспортных средств и управление ракетами. Наиболее совершенные системы управления ракетами посылают ракету в заданную область, вместо конкретной цели, а селекция целей производится, когда ракета достигает заданной области, основываясь на получаемых видеоданных. Современное военное понятие, такое как "боевая осведомленность", подразумевает, что различные датчики, включая датчики изображения, предоставляют большой набор информации о поле боя, которая может быть использована для принятия стратегических решений. В этом случае, автоматическая обработка данных используется, чтобы уменьшить сложность или увеличить надежность получаемой информации.

Одними из новых областей применения являются автономные транспортные средства, включая подводные, наземные (роботы, машины), воздушные. Уровень автономности изменяется от полностью автономных (беспилотных) до транспортных средств, где системы, основанные на машинном зрении, поддерживают водителя или пилота в различных ситуациях. Полностью автономные транспортные средства используют компьютерное зрение для навигации, т.е. для получения информации о месте своего нахождения, для создания карты окружающей обстановки, для обнаружения препятствий. Они также могут быть использованы для определенных задач, например, для обнаружения лесных пожаров. Примерами таких систем могут быть система предупредительной сигнализации о препятствиях на машинах и системы автономной посадки самолетов. Некоторые производители машин демонстрировали системы автономного управления автомобилем, но эта технология все еще не достигла того уровня, когда её можно запустить в массовое производство.

Машинное зрение относится к инженерным автоматизированным системам визуализации в промышленности и на производстве, и в этом качестве машинное зрение связано с самыми разными областями компьютерных наук: компьютерное зрение, оборудование для управления, базы данных, сетевые системы и машинное обучение.



4. Обзор машины по разварке кристаллов

4.1 Описание машины

Одними из немаловажных этапов производства электронных компонентов можно считать этапы посадки кристалла в корпус и разварки кристалла. Данные операции являются определяющими критериями в оценке таких параметров, как надежность и долговечность изготавливаемого компонента.

Операцию посадки кристалла в корпус и притирки осуществляют с помощью специализированной установки монтажа. К данному устройству предъявляют очень высокие требования - высокое качество посадки и притирки, универсальность (например, использование клеевой или эвтектической основы), гибкость работы (наличие термического и ультразвукового воздействия).

Не менее высокие требования предъявляют и к установкам для разварки кристаллов. Создание соединений между кристаллом и корпусом осуществляют, главным образом, с помощью золотой или алюминиевой проволоки. Также может использоваться лента, что актуально для силовой микроэлектроники. Учитывая разнообразие методов (ультразвук, термокомпрессия, термозвук) и типов (клин-клин, шар-клин) микросварки, разработчик должен иметь возможность выбрать именно то, что необходимо для каждого конкретного применения.

Запатентованная конструкция однорычажного микроманипулятора с плечом 8 : 1 и двойным противовесом, которая применяется и в установках разварки кристаллов, обеспечивает максимальное удобство в управлении инструментом. Надежность сварки обеспечивается применением пневматических тормозов по каждой из осей движения в момент контакта электрода с подложкой. Встроенный оптический датчик отслеживает движение по оси Z, определяя вертикальное положение инструмента. Контроль выполнения операции осуществляется через микроскоп. Параметры притирки и посадки кристалла сохраняются в памяти и запускаются микроконтроллером. Быстрое переключение сохраненных настроек очень удобно, когда необходима посадка разных кристаллов. Это актуально, например, в лабораторных исследованиях.

Таким образом, устройства данной серии отличаются отличной сбалансированностью и удобством при использовании. Для притирки кристалла используется ультразвук с частотой 63 кГц. Зашита от электростатического разряда предусмотрена посредством покрытия поверхностных сборок и подвижных частей проводящим никелевым гальваническим покрытием и окрашиванием других частей устройства рассеивающим составом с порошковым покрытием.

Рисунок 4.1.1 - Внешний вид машины

Существуют несколько типов машин для разварки:

· 7367E - объединяет в себе механический и вакуумные захваты для захвата, расположения и притирки кристалла. Пневматическая активация и усилие зажима, настраиваемое до очень маленьких значений, позволяет работать с хрупкими кристаллами, для которых другие методы установки не подходят.

· 7372E - особенностью данной модели является наличие сменных головок для присоединения кристалла как на эпоксидную, так и на эвтектическую основу, что делает эту установку максимально универсальной.

· 7374E - модель, адаптированная для установки и разварки beamlead диодов.

Ручные установки для разварки кристаллов серии Е, обладают всеми описанными выше достоинствами: нет ограничения на геометрический размер заготовки, использование запатентованного микроманипулятора, гибкость настроек и удобство работы. Движение инструмента контролируется вручную, при этом оператор видит объект сварки с помощью микроскопа и управляет позиционированием инструмента при помощи микроманипулятора.

4.2 Разработка структурной схемы программно-аппаратного комплекса

Разработанный комплекс можно описать как совокупность нескольких взаимосвязанных функциональных модулей.

Разработанная структурная схема комплекса имеет вид в соответствии с рисунком.

Рисунок 4.2.1 - Структурная схема комплекса

Комплекс состоит из:

1. Объект измерения - кристалл. Объект измерения является продукцией НЗПП.

2. Зондовый автомат - автомат, осуществляющий позиционирование кремниевой пластины (объекта измерения) относительно поля зрения микроскопа путем перемещения столика и маркировку бракованных кристаллов. Он способен перемещать пластину с заданным заранее шагом в плоскости по осям x и y.

3. Цифровой микроскоп - устройство для получения и передачи изображения исследуемого объекта, оптически увеличенного в несколько раз. Передача изображения на персональный компьютер осуществляется с помощью интерфейса USB 2.0.

Система освещения - лампа накаливания и система зеркал, создающие освещение объекта измерения под прямым углом. Функционально связана с микроскопом, т.к. от нее зависит качество получаемого изображения.

4. Персональный компьютер - осуществляет анализ и обработку полученного изображения.



4.3 Принцип работы

Поддерживает 3 типа сварки:

· «клин-клин» с подачей проволоки под углом 45°

· «клин-клин» с подачей проволоки под углом 90°

Это реализация функции глубокого доступа, что позволяет производить разварку в таких местах, где под углом 45° подача проволоки невозможна из-за физических ограничений (например, разность высот). Установки с функцией глубокого доступа так же могут использовать для разварки ленту вместо проволоки, что актуально для силовой микроэлектроники.

Рисунок 4.3.1 - Разварка «клин-клин»

· «шар-клин». Так же имеется функция постановки одиночного шара, которая используется при особо надежной разварке, суть которой заключается в постановке одиночного шара поверх второго клинового соединения.

Рисунок 4.3.2 - Разварка «шар-клин»

Так же предлагается существование модели с ультразвуковым генератором повышенной частоты: вместо 63 кГц используется ультразвук с частотой 110 кГц, что необходимо при работе с мягкими материалами.

Рисунок 4.3.3 - Инструменты для создания соединений

Следует заметить, что разварка алюминиевой проволокой возможна только типом «клин-клин» при использовании ультразвука, разварка золотой проволокой возможна любым из вышеперечисленных способов, в том числе термокомпресией или термозвуком (комбинацией ультразвука и температурного нагрева).

Модульная конструкция позволяет добавить к имеющейся установке различные дополнительные аксессуары: рабочий столик с фиксатором корпуса, термоконтроллер для рабочего стола, модуль подсветки, микроскопы, набор инструментов для обслуживания установки и многое другое. бинаризация программный разварка



5. Описание основных алгоритмов работы

5.1 Chip-on-Board

Рассмотрим технологию Chip-on-Board или СОВ представляющую собой процесс непосредственного монтажа кристаллов на подложку. В качестве подложек применяют печатные платы, изготовленные из стеклотекстолита различных марок (FR4, FR5), гибкие платы (полиимид) и т.д. Монтаж на подложку некорпусированных кристаллов позволяет повысить коэффициент интеграции изделия и минимизировать его размеры. Технология COB особенно эффективна при изготовлении миниатюрных электронных устройств, которые используются в конечных продуктах малого размера, например мобильных телефонах, различных датчиках и др.

Процесс изготовления COB-матрицы состоит из следующих основных этапов:

1. нанесение на подложку вещества, обеспечивающего адгезию;

2. установка кристаллов на подложку;

3. затвердевание слоя защитного покрытия;

4. удаления загрязнений с помощью плазменной очистки;

5. соединение контактов кристаллов и платы ультратонкими (всего несколько микрон);

6. покрытие массива кристаллов люминофором, смешанным с силиконом, что обеспечивает герметизацию кристаллов;

7. отвердение силикона.

Ключевым моментом, долгое время не позволявшим реализовать технологию COB на практике, была необходимость нанесения на подложку очень тонкого равномерного слоя адгезивного материала. Если очень упростить ситуацию, то можно сказать, что кристаллы «приклеиваются» к подложке. На подложку нужно нанести слой «клея» строго определенной толщины. Если он будет слишком тонким, то кристалл «отклеится». А если слишком толстым, то будет недостаточным тепловой контакт между кристаллом и подложкой.

Задача была решена в 2009 году учеными Китайской академии наук. Они предложили метод магнетронного распыления, обеспечивающий равномерное нанесение адгезивного вещества с точно заданной толщиной. В итоге, тепловой контакт между подложкой и кристаллом получается значительно лучше, чем при монтаже на теплопроводящую плату SMD-светодиодов.

Новая технология получила название «многочисленные кристаллы на плате» - MCOB, тем самым подчеркивается возможность создания мощных светодиодных матриц. Практически все выпускаемые сейчас светодиодные COB-матрицы изготавливаются по технологии MCOB.

5.1.1 Процессы технологии Chip-on-Board

Достаточно важным вопросом в технологии COB является нанесение адгезива. Наиболее распространенные адгезивы - это эпоксидные смолы (или клей). Они могут иметь различные свойства в зависимости от требований процесса и своего состава (наполнителя). Например, если необходимо получить электрическое соединение между подложкой и кристаллом, то в качестве наполнителя используется серебро. Для того чтобы полученное соединение проводило тепло, в качестве наполнителя используют алюминиевые соединения. Отверждение смол происходит при температурах от 60 до 180°C в течение от 30-60 минут до 6 часов. Отверждение может происходить и в нормальных условиях - в зависимости от типа клея. Существуют также быстро затвердевающие материалы (например, под воздействием УФ-излучения), которые высыхают не более чем за 60 с. Имеются и другие, менее распространенные адгезивы для технологии Chip-on-Board, например, стекло с серебряным наполнителем. Для их обработки нужна более высокая температура (приблизительно 300-400°С), поддерживаемая в течение 6-8 мин.

Выбирая необходимый адгезив нужно учитывать температурный диапазон его сушки (нельзя применять адгезив, температура плавления которого выше температуры остальных компонентов на подложке).

Рассмотрим несколько методов нанесения адгезива:

· Трафаретная печать - самый дешевый способ и лучше всего подходит для крупного производства.

· Нанесение адгезива методом переноса (stamping).

Второй способ дороже первого, но при этом более гибкий, поскольку позволяет выполнять более точные присоединения, с очень маленьким шагом. Наиболее распространенный способ нанесения адгезива - дозирование. Способ достаточно дорогой, но очень гибкий и универсальный, что позволяет применять его для многих процессов.

Адгезив необходимо наносить таким образом, чтобы он максимально полно покрывал площадь посадки кристалла. Если под кристаллом остаются пустоты, он может треснуть или сломаться на последующих операциях. Такие зоны имеют большее термическое сопротивление. Рекомендуемая толщина наносимой эпоксидной смолы должна, в зависимости от процесса, составлять от 13 до 76 мкм. Более толстый слой отрицательно влияет на термическую устойчивость и уменьшает сцепление.

Кристалл обычно устанавливают с помощью вакуумного наконечника для захвата. Пинцет применять для захвата кристаллов не следует. Он часто становится причиной повреждения кромок кристалла и легко соскальзывает, что может лишить кристалл работоспособности.

Кристаллы толщиной менее 254 мкм требуют дополнительной защиты для предотвращения появления трещин и разломов. Чем меньше толщина изделия и/или больше площадь, тем больше внимания нужно уделять этому аспекту.

Важным шагом в обеспечении чистоты поверхности кристалла и подложки от загрязнений для последующей разварки и заливки жидким компаундом является плазменная чистка. Она необходима, т.к. на подложке или кристалле могут остаться подтеки смолы, частицы пыли, продукты коррозии и другие загрязнения, возникающие при технологических операциях. Загрязнения также могут стать причиной образования пор при герметизации.

Обязательный в технологии COB процесс: разварка проволокой. Во время сварки порошковой проволокой в сварочную ванну подается трубчатая проволока с флюсом внутри. Проволока выступает в качестве материала наплавления, а флюс защищает сварочную ванну от окружающего воздуха. Защитный газ при этом может требоваться или не требоваться. С его помощью получают электрические соединения между контактными площадками кристалла и подложки. Разварка производится методом ультразвуковой микросварки на специализированном оборудовании. В качестве соединительного материала используют микропроволоку из алюминия, золота и меди. Для разварки применяют специальные инструменты: для сварочных соединений типа "шарик" - капилляр, для соединений типа "клин" - клин. При разварке необходимо контролировать проволоку на прочность?- тестировать ее на отрыв и на сдвиг соединения. Необходимо отслеживать также износ клина и капилляра.

Завершающая стадия процесса - заливка кристалла жидким компаундом, или герметизация. Жидкий компаунд - это эпоксидная смола или силикон, хотя смола распространена больше.

В технологии COB существует несколько способов заливки:

1. С помощью наконечника, имеющего специальную форму для заливки

2. Нанесение дозированием с использованием шприца

Заливку кристалла производят различными по вязкости компаундами:

1. Использование компаунда единой вязкости. Заливку в этом случае производят как без защитного барьера от растекания, так и с барьером.

Компаунд с большей вязкостью наносят для образования защитного барьера вокруг корпусируемого компонента, а материалом с меньшей вязкостью заполняют и корпусируют изделие, т.е. кристалл с разваренными выводами.

2. Изоляционная защита. При этом способе используют высокое кольцо для ограничения растекания компаунда.

5.1.2 Требуемое оборудование для каждой операции

Как уже упоминалось выше, процесс COB начинается с операции нанесения адгезива для посадки кристалла. В данной операции применяются дозаторы адгезивов (пасты или клеи). Дозатор следует выбирать либо ручной, либо полуавтоматический, либо автоматический - в соответствии с объемом выпуска изделий. В зависимости от типа наносимого адгезива дозаторы оснащают различными видами дозирующих головок.

Следующая операция - это монтаж кристалла. Здесь применяются установщики кристаллов, которые подразделяются на ручные, полуавтоматические и автоматические. Выбор вида автоматизации зависит также от типа производства и его серийности. Одними из основных характеристик данного оборудования являются точность посадки кристаллов и производительность оборудования.

Для сушки и отверждения адгезивов в COB применяются печи отверждения. Процесс отверждения в технологии COB аналогичен процессам оплавления припоя и сушки клея в технологии поверхностного монтажа, а соответственно аналогично и используемое оборудование. Разница между двумя процессами заключается лишь в выборе правильного режима отверждения для соответствующего типа адгезива.

Следующий вид оборудования для технологии COB - установки плазменной очистки. Это установки камерного типа с настольным или отдельно стоящим конструктивным исполнением. Установки плазменной очистки могут использовать различные газы (кислород, аргон и др.). Они оснащены программируемым логическим контроллером для настройки параметров процесса, а также массовыми расходомерами для настройки подачи рабочего газа. Установки различаются размером рабочей камеры, максимальные габариты которой составляют 400х340х450 мм. Установки оснащены генератором плазмы с частотой 2,45 ГГц и мощностью до 1,2 кВт. К установкам можно подключать до четырех линий подачи газа.

В зависимости от изделия и условий процесса, в технологии COB применяют два способа разварки кристаллов - шариковый и клиновый.

Соответственно, оборудование для этих операций также подразделяется на установки шариковой и клиновой сварки. Существуют также и универсальные установки, позволяющие выполнять оба вида сварки. Оборудование для разварки может работать с алюминиевой и золотой проволокой диаметром от 12,5 до 85 мкм, а также с лентой для клиновой сварки размерами 25х300 мкм. Точность разварки на автоматизированном оборудовании достигает 1 мкм с шагом менее 40 мкм.

5.2 Flip-Chip

Flip-Chip («перевернутый кристалл») - метод монтажа кристаллов на печатные платы и другие подложки, при котором кристалл устанавливается на выводы, выполненные непосредственно на его контактных площадках. Выводы Flip-Chip выполняются различными способами: приваренными золотыми шариками, оплавлением паяльной пасты, из проводящего клея и др.

Процесс монтажа Flip-Chip заключается в присоединение полупроводникового кристалла интегральной схемы на подложку активной стороной вниз. Выводы кристалла могут быть выполнены из проводящего полимера, а также представлять собой металлические шарики или столбики металла, припоя или металлические контактные площадки. «Методы присоединения кристаллов по данной технологии включают в себя ультразвуковую и термозвуковую сварку, присоединение с помощью анизотропных или изотропных проводящих клеев, пайку оплавливанием [11]».

Основным преимуществом технологии сборки методом перевернутого кристалла являются возможность матричного расположения контактных площадок и очень малая протяженность межкомпонентных соединений, что сводит к минимуму величину их индуктивности. Основные недостатки этого метода - худшие тепловые характеристики и трудность герметизации матрицы контактных площадок.

При автоматизированном монтаже кристаллов на ленточном носителе столбики из золота получают электролитическим осаждением на аллюминевых контактных площадках кристалла после вскрытия пассивирующего слоя. После ионной очистки наносят контактный барьерный слой толщиной в 100 нм, являющимся проводящим при электролитическом осаждении золота.

Критической операцией, влияющей на выход хороших приборов, является селективное травление слоев, нанесенных вакуумным или ионно-лучевым распылением. При химическом травлении этих слоев реактив может проникать в пассивирующее покрытие и растворять алюминиевое межсоединение. Для избежания технологических потерь применяют плазменное травление, что удорожает стоимость изделий. Формирование столбиков припоя гальваническим методом или напылением имеет определенные недостатки, такие как сложность процесса или высокая стоимость оборудования. На рисунке 5.2.1 можно наглядно увидеть процесс обработки

Рисунок 5.2.1 - Формирование золотых столбиков на алюминиевых контактных площадках: а) пластина после операций очистки и ионного травления; б) создание контактного барьерного слоя со слоем золота для предотвращения окисления; в) нанесение фоторезиста; г) электролитическое осаждение слоя золота; д) снятие резиста; е) удаление проводящих тонких пленок химическим травлением;

К особенностям компонентов Flip-Chip, влияющим на технологию их монтажа, относятся отсутствие компенсации механического напряжения, хрупкость кристалла и его подверженность внешним воздействиям. Поэтому при установке компонентов Flip-Chip автомат должен быть снабжен контролем усилия по оси Z, а зона монтажа должна отвечать требованиям запыленности. После монтажа обычно выполняется подзаливка для компенсации механических напряжений и общая заливка для защиты кристалла.

Основное преимущество компонентов Flip-Chip - высокая плотность монтажа и очень короткие электрические связи, поскольку вывод располагается непосредственно в необходимой точке кристалла.

Технология Flip-Chip используется также для монтажа кристаллов внутри микросхем, например, BGA-компонентов.



6. Экспериментальная часть

6.1 Результаты и характеристики контактных площадок проектируемых кристаллов

Экспериментально показано влияние параметров микросварочного инструмента, применяемого в процессе микросварки методом «клин-клин», на протяженность зоны взаимодействия микропроволоки с металлизацией подложки. Предложено аналитическое выражение, позволяющее расчетным путем определить такой параметр, как длина микросварного соединения, влияющий на размеры контактных площадок проектируемых кристаллов.

Микросварка методом «кпин-клин». Сейчас в производстве маломощных ИЭТ наиболее широко используется формирование микропроволочных перемычек между контактными площадками кристалла и подложки методом клиновой ультразвуковой микросварки с применением алюминиевой микропроволоки диаметром от 17 до 30 мкм. На этой технологической операции может использоваться как ручное, так и автоматическое оборудование и весьма широкая гамма специального микросварочного инструмента. В процессе формирования микропроволочных перемычек микросварное соединение образуется в результате передачи ультразвуковых колебаний инструментом под нагрузкой на микропроволоку и последующего ее взаимодействия с металлизацией подложки.

Внешний вид такого микросварного соединения свидетельствует о том, что для правильного определения размеров контактных площадок проектируемого кристалла и оптимального шага их расположения на кристалле необходимо знать геометрические размеры получаемого микросварного соединения, а именно его длину и ширину. Геометрические размеры микросварных соединений, ширина микросварного соединения -- это параметр, наблюдаемый и легко определяемый путем его простого измерения при контроле внешнего вида.

Для правильного определения длины микросварного соединения необходимо знать протяженность той зоны, в пределах которой происходит микросварка. Простым визуальным контролем протяженность (длину) этой зоны определить невозможно. Следовательно, длина микросварного соединения -- параметр неочевидный и не поддающийся простому измерению. Вкратце рассмотрим основные этапы формирования внутренних микропроволочных перемычек, часто именуемые «разваркой».

При проведении разварки кристаллов микросхем, смонтированных на основания металлокерамических корпусов, первая микросварка выполняется преимущественно на траверсе основания, а вторая -- на поверхности контактной площадки кристалла. В области взаимодействия инструмента с микропроволокой как на первой, так и на второй микросварке образуется след («отпечаток») инструмента и происходит ее наиболее интенсивное деформирование (расплющивание), формирующее ширину микросварного соединения.

В результате взаимодействия микропроволоки с металлизацией подложки формируется интересующая нас зона, именуемая в дальнейшем зоной А, в пределах которой образуются участки микросварки. Длина этой зоны является длиной сформированного микропроволочного соединения, однако увидеть эту зону можно только используя специальные неразрушающие методы или после проведения разрушения полученного микросварного соединения. Определение геометрических размеров микросварного соединения «алюминий-золото»

Для наблюдения интересующей нас зоны А в области первой микросварки, образующейся при присоединении алюминиевой микропроволоки к золоченой поверхности траверсы основания металлокерамического корпуса, было сделано следующее. Из текущей партии изготавливаемых микросхем, дошедших по технологическому маршруту до операции «Контроль внешнего вида открытых микросхем», было взято одно основание металлокерамического корпуса с кристаллом и сформированными внутренними перемычками из алюминиевой микропроволоки диаметром 27 мкм и проведены фоторегистрация внешнего вида выбранных (выделенных) микросварных соединений и измерение их длины и ширины.

Всего таким образом было проверено и измерено пять микросварных соединений. Затем это основание погружали в заранее подготовленный раствор едкой щелочи (КОН) и проводили стравливание алюминиевых микропроволочных перемычек. После промывки и сушки основания осуществляли контроль внешнего вида «вскрытых» зон А ранее выделенных микросварных соединений и измерение их длины. Эти зоны образованы в результате взаимодействия алюминиевой микропроволоки с золотым покрытием траверсы основания металлокерамического корпуса и при воздействии щелочи не разрушаются.

В исходном состоянии длина микросварного соединения измерялась от условно выделенной границы перехода микропроволоки в деформированный участок микросварного соединения до крайней точки его «хвостика». Геометрические параметры микросварочного инструмента, применявшегося при формировании рассматриваемых микросварных соединений с использованием микропроволоки диаметром 27 мкм, ширина микросварного соединения в этом случае составила примерно 45 мкм, а длина «вскрытой» зоны А -- примерно 122 мкм. Наблюдаемое различие в измеренных значениях длины зоны А в исходном состоянии и после ее «вскрытия» можно объяснить некорректностью определения одной из ее границ в исходном состоянии.

Заметим, что в этом эксперименте нам важно не получить совпадение результатов измерений в исходном состоянии и после травления, а узнать длину «вскрытой» зоны, полученной при вышеуказанных условиях. Определение геометрических размеров микросварного соединения «алюминий-алюминий» Для наблюдения зоны А в области второй микросварки, получаемой в процессе присоединения алюминиевой микропроволоки к металлизации контактной площадки на кристалле, проведено формирование микропроволочных перемычек к алюминиевой металлизации, нанесенной на рабочую поверхность кремниевой пластины. В автоматическом режиме разварки к алюминиевой металлизации пластины последовательно приваривалось по 10-15 параллельных перемычек.

Экспериментальные работы проводились с использованием алюминиевой микропроволоки диаметром 17,5 и 25 мкм. «Для обеспечения «вскрытия» интересующих нас зон А режимы микросварки подбирались таким образом, чтобы при проведении контроля прочности микросварного соединения по методу 109-4 ОСТ 11073.013-2008» [7] можно было получить его разрушение в виде подъема (отслоения или «отлипа»).

Проведенные измерения указанных зон для обеих микропроволок диаметром 17,5 и 25 мкм показали, что длина зоны А -- зоны взаимодействия микропроволоки с металлизацией подложки -- находится в диапазоне 82-90 мкм, что значительно превышает размер рабочей плоскости инструмента (BF). Сравнительный анализ внешнего вида микросварных соединений и «вскрытых» зон взаимодействия микропроволоки с металлизацией подложки, в пределах которых образуются участки микросварки (зоны А), показал, что в формировании этих зон участвует не только плоская рабочая часть микросварочного инструмента (BF), но и оба его радиуса (FR и BR) и даже «хвостик» микропроволоки. Заметим, что величина (длина) «хвостика» на первой и второй микросварке будет различной. Как правило, на первой микросварке эта величина больше и может составлять несколько диаметров используемой микропроволоки, а на второй микросварке (на кристалле) величина «хвостика» должна быть не более одного диаметра используемой микропроволоки. Сопоставим измеренные значения «вскрытых» зон А с численными значениями параметров применяемого микросварочного инструмента. Заметим, что в наших экспериментах эти параметры были одинаковы для микросварочных инструментов, использовавшихся с микропроволоками диаметром 17,5 и 25 мкм.

Суммируя численные значения параметров FR, BR и BF, получим величину, равную 78 мкм. Далее, добавив к полученной сумме трех параметров микросварочного инструмента величину, равную 0,5 диаметра используемой микропроволоки, получим значение длины зоны А, равное примерно 87 мкм для микропроволоки диаметром 17,5 мкм и 90 мкм -- для микропроволоки диаметром 25 мкм.

Полученные таким образом расчетные значения длины зоны А хорошо согласуются с результатами измерений. Проведем аналогичное численное сопоставление параметров микросварочного инструмента и измеренных значений для первой сварной точки. Напомним, среднее измеренное значение длины зоны А первой микросварной точки составило 122 мкм.

Сумма трех параметров для микросварочного инструмента, использовавшегося для микропроволоки диаметром 27 мкм,-- 91 мкм. Разница двух рассматриваемых величин равна 31 мкм, что примерно соответствует одному диаметру использовавшейся микропроволоки. Обобщая результаты сопоставления измеренных значений вскрытых зон микросварки и параметров применяемого микросварочного инструмента, можно утверждать, что длина микросварного соединения (LCB) может быть достаточно точно определена через параметры используемого микросварочного инструмента и применяемой микропроволоки:

LCB = BF+(FR+BR)+A, (6.1)

где А -- величина, учитывающая «вклад» «хвостика» микросварного соединения в общую длину сформированного соединения.

Таким образом, при проектировании топологии кристаллов, зная требуемый диаметр микропроволоки и параметры выбранного микросварочного инструмента, можно рассчитать длину получаемого микросварного соединения (LCB) как на первой, так и на второй микросварке. При этом величина А для первой точки должна быть принята равной одному диаметру используемой микропроволоки, а для второй точки -- 0,5 диаметра.

Рассчитав возможную длину будущего микросварного соединения и задав его требуемую или допустимую ширину на контактной площадке проектируемого кристалла, можно перейти к определению требуемых геометрических размеров контактных площадок и их шагов на проектируемом кристалле.