基于CT技術的金屬鍵合引線三維測量專用夾具

荊曉冬 劉 晨 吳愛華 梁法國 范雅潔

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050051）

1 引 言

金屬鍵合引線［1］的材料屬于高表面反射材料，其形狀無規則，利用光學法［2-4］測量金屬鍵合引線三維形貌準確度很低，同時會導致圖形的缺失。利用顯微X-CT技術［5-6］能夠有效避免光學法測量結果中的圖形缺失，能夠完整還原金屬鍵合引線的三維形貌。

由于金屬鍵合引線處于級聯電路芯片之中，現有夾具無法長時間有效固定尺寸小且薄的級聯電路芯片，因此需要設計合適的夾具來提高測量金屬鍵合引線的準確度。

2 測量夾具設計

2.1 專用夾具的測量要求

X射線三維顯微鏡［7］是利用顯微X-CT技術測量微米量級物體的測量設備。其組成結構主要包括：X射線源、掃描轉臺、光耦探測器，如圖1所示。其中X射線源放射X射線，掃描轉臺承載測量夾具，光耦探測器接收X射線信息。

圖1 X射線三維顯微鏡的主要測量機構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the main measuring mechanism of a X ray three-dimensional microscope

在測量過程中，被測樣品由夾具固定在360°旋轉的掃描轉臺上，從各個角度獲取大量的圖像信息，之后將各個角度的圖像信息分析整合，最終重建出被測物體表面或內部結構的三維形貌。該儀器掃描微米量級結構所需時間將近15個小時，長時間的掃描過程中，若被測物體在某一時刻出現偏移晃動，會導致最終重構出的圖像與實際不同。所以掃描微小芯片對于測量夾具的穩定性有很高的要求。

同時，X射線的衰減量與所穿透的物體的密度和貫穿的距離有關，物體的密度越高，貫穿距離越長，X射線的衰減量越大。被測物體的被測區域對X射線的衰減量應明顯區別于其他區域，這樣在最終重構后，能更好的將被測區域與其他區域區分，單獨提取。

合理的設計測量夾具，避免因夾具連接不穩產生的晃動，或者因夾具對X射線衰減過大而對測量結果產生的不良影響是測量金屬鍵合引線的重要環節。

2.2 夾具的設計原則

通過分析金屬鍵合引線的測量過程得知，夾具是將被測鍵合引線固定在指定位置的裝置，夾具的穩定性對測量結果有決定性的影響。同時，測量微米級結構時，X射線源與光耦探測器之間的距離僅有15mm，限制了測量夾具在測量空間內的旋轉直徑，如圖2所示。

圖2 測量鍵合引線時X射線源與光耦探測器間距離Fig.2 The distance between the X ray source and the optocoupler detector

通過分析測量金屬鍵合引線的過程，總結出夾具的整體設計原則如下：

1）夾具各部分之間的連接要穩固，保證在長時間的測量過程中各部件之間不發生相對位移；

2）夾具固定被測芯片的方式要穩固，保證在長時間的測量過程中兩者不發生相對位移；

3）夾具的結構、尺寸要適合X射線三維顯微鏡的測量空間，避免在測量過程中發生磕碰，影響測量結果；

4）夾具要考慮芯片長時間暴露在空氣中產生的不良影響，增加合適的芯片保護裝置。

根據以上原則，可以將測量夾具設計成四部分，分別為底座、載片板、膠片及保護外罩。

1）底座是測量夾具與掃描轉臺連接的部件，通過借鑒掃描轉臺的結構形狀，將底座設計成與掃描轉臺契合的圓盤狀，中心開螺紋通孔，底部加工三個與掃描轉臺契合的定位點；

2）分析金屬鍵合引線的測量過程得出：夾具的穩定性決定著測量結果的好壞。載片板是與底座連接、承載被測芯片、將被測芯片置于儀器被測區域的部件，為保證載片板與底座連接穩定，載片板下端設計成外螺紋結構，與底座之間的連接方式采用螺紋連接，利用螺紋預緊力將兩者固定在一起，保證一定時間內不產生相對位移。

由于測量過程中X射線源與光耦探測器的距離十分接近，同時考慮被測芯片的尺寸大小限制，載片板的旋轉直徑應限制在7mm～13mm之內。

通過分析X-CT的成像原理與X射線的衰減特性，得知被測區域中，金屬鍵合引線對X射線的衰減量應明顯區別于其他結構，最終才能得到可靠的測量結果。因此載片板的材料應選用低密度材料，同時與被測芯片連接的部分應在保證剛度的情況下減小厚度，減小載片板對X射線的衰減；

3）膠片是連接載片板與被測芯片的部件，與載片板一樣，其部分結構處于被測區域中，在保證低X射線衰減的情況下，粘貼芯片的粘性也要有所保證。合適的膠片應滿足以下幾點：密度低、厚度薄、粘性強。一種透明的高度交聯聚合物凝膠滿足以上幾點要求。將該凝膠裁剪成與載片板契合的尺寸，利用其表面張力將一側粘貼在載片板上，另一側粘貼芯片，使芯片能夠長時間固定在合適的位置不發生偏移。該凝膠在垂直于膠面的方向上有很強的粘接力，但在平行于膠面的方向上粘結力較小，芯片可以隨時取下，夾具可以重復使用。

4）保護外罩與載片板連接，是將被測芯片與外界環境隔絕的部件。同樣考慮到對X射線的衰減，保護外罩的材料應選用低密度材料。保護外罩處于夾具的最外圍，分析整體測量過程得出，其整體旋轉直徑不得超過14mm，否則會造成夾具與儀器的相碰。保護外罩形狀要契合與載片板連接的部分，連接方式采用過盈配合連接。過盈配合的連接方式能保證保護外罩和載片板之間的連接穩定，同時還將保護外罩內部與外界環境隔絕，保護被測芯片。

2.3 夾具設計的具體方案

2.3.1 底座

底座是靠自身重力嵌在掃描轉臺的定位點上，為了保證旋轉過程的穩定，底座應選取質量較大的金屬，如鋼、黃銅。借鑒掃描轉臺的形狀與尺寸結構，底座設計結構實例如圖3所示。

圖3 底座實例Fig.3 An instance of base

2.3.2 載片板

載片板的要求是低密度、高剛度，厚度薄，旋轉直徑7mm～13mm。滿足以上條件的材料多為塑料，但是機加工難以實現薄塑料板的加工；對于可重復利用的夾具來說，不需要大批量的生產，塑料加工的模具費用就顯得太高。綜合考慮以上因素，采用3D打印技術來制作載片板。

滿足要求的3D打印材料為光敏樹脂，密度1．1g/cm3，通過三維制圖軟件建立載片板的3D模型，輸出保存為STL格式文件，STL格式文件是3D打印最常用的文件格式。載片板設計實例如圖4所示。

圖4 載片板實例Fig.4 An instance of chipboard

其中，上部板狀部分為粘貼芯片部分，設計厚度為1mm，寬度8mm，在保證成像清晰的情況下可適當加厚。下部M6外螺紋是與底座連接的重要結構，實例中設計2mm倒角是為了方便與底座配合。中部做成一個10mm直徑圓柱，保證了旋轉直徑在7mm～13mm之間。由于X射線三維顯微鏡的結構尺寸限制，為了防止夾具與儀器碰撞，該圓柱的高度應在30mm～100mm之內。在圓柱上設計一個10mm×8mm的長方形凹陷，為扳手空間，方便施加螺紋預緊力。在此僅以圓柱為例作說明，實際中可根據需求設計成不同形狀（圓柱、棱柱等）。

2.3.3 膠片

膠片的材料選用一種透明的高度交聯聚合物凝膠，厚度1mm，將其裁剪為長25mm，寬8mm的長方形，配合載片板上部薄板的尺寸，圖5為膠片實例圖。

圖5 膠片實例Fig.5 An instance of sticky patch

2.3.4 保護外罩

保護外罩的要求與載片板相同：低密度、透明，厚度薄。保護外罩的制作方式同樣選擇3D打印技術。3D打印材料選用光敏樹脂。保護外罩的設計實例如圖6所示。

圖6 保護外罩實例Fig.6 An instance of protective cover

為配合載片板結構，保護外罩設計成外徑為11mm，內徑10mm的試管狀結構。在距離保護外罩底部30mm的管外壁上增加一圈半徑為0．25mm的半圓形加強筋，在保護外罩底部套口外壁增加一圈半徑為0．5mm的四分之一圓形加強筋。由于管壁薄，導致其強度下降，加強筋的作用在于加強保護外罩的結構強度。保護外罩總高度100mm，其中直筒部分94．5mm。保護外罩可根據實際需求設計不同形狀，在此以圓柱為例。注意保護外罩應與載片板中間部分形狀相同，保證能夠配合連接。同時旋轉直徑不超過14mm。

2.3.5 組裝夾具

首先將膠片粘貼在載片板的上部，擠出貼合間隙中的氣泡，在凈化間內將被測芯片粘貼在膠片上，再將外罩從載片板上端罩下，通過過盈配合使外罩下端卡在載片板中部圓柱上，輕晃外罩，擺正其位置。之后將載片板下部螺紋擰進底座，擰到底后，用合適的扳手施加一定預緊力，完成裝配，如圖7所示，1為保護外罩，2為膠片，3為載片板，4為底座。

圖7 測量夾具裝配圖Fig.7 Assembly drawing of measuring fixture

3 測量結果對比

為了展示利用測量夾具測量芯片上微米級結構的效果，在此選用尺寸為1500μm×2500μm的芯片與700μm×700μm的芯片鍵合，測量兩者之間的鍵合引線三維形貌，其中鍵合點的尺寸均為100μm×80μm，鍵合引線標稱直徑25μm，鍵合方式如圖8所示。

圖8 被測芯片鍵合方案示意圖Fig.8 Schematic diagram of the bonding scheme of the measured chip

圖9中鍵合引線圖像有明顯的凹陷和不規則部分，這是由于轉臺旋轉過程中鍵合引線發生位移所導致，鍵合引線邊緣部分輪廓不明朗，且有大量干

圖9 未使用本文設計的夾具測量的鍵合引線Fig.9 The measurement results of the fixture without this article

圖10 使用本文設計的夾具測量的鍵合引線Fig.10 The measurement results of the fixture designed in this article

圖10中，為使用本文設計的夾具測量出的鍵合引線三維形貌，整體沒有結構缺失或變形，鍵合引線表面光滑平整，無干擾顆粒，鍵合引線標稱直徑25μm，利用本文設計的夾具測量出的鍵合引線直徑約為25．20μm，準確度為0．8%，測量效果極佳，兩次測量結果對比如圖11所示。

圖11 兩次測量結果對比Fig.11 Comparison of the results of two measurements

4 結束語

近年來航天、衛星、通訊等行業發展迅速，隨著測量頻率的升高，電磁泄漏、串擾等因素導致金屬鍵合引線在級聯電路中的影響逐漸增強，準確的測擾顆粒，這是由于夾具對于X射線的衰減過大所導致，測量效果不佳，測量出標稱直徑為25mm的鍵合引線直徑為27．02mm左右。量鍵合引線三維形貌能夠在仿真中更精準地系統、定量分析金屬鍵合引線對級聯電路的影響［8］。

測量夾具是保證測量過程穩定、測量結果可靠的重要部分，文中重新設計夾具的結構，實現了對級聯電路中金屬鍵合引線的高準確度測量。

［1］陳永泰，謝明，王松，等．貴金屬鍵合絲材料的研究進展［J］．貴金屬，2014（3）：66-70．

［2］宋昌江，何燕．顯微三維測量的技術及應用［J］．自動化技術與應用，2009，28（11）：80-85．

［3］唐建波．基于光束掃描的共焦顯微三位測量技術研究［D］．哈爾濱工業大學，2011．

［4］宋江山．基于景深的三維形貌測量技術研究［D］．山東大學，2009．

［5］朱小潔，錢付平，張浩．X射線顯微CT的應用現狀及發展［J］．化工新型材料，2011（S1）：5-8．

［6］桂建保，胡戰利，周穎，等．高分辨率顯微CT技術進展［J］．CT理論與應用研究，2009，18（2）：106-116．

［7］須穎，鄒晶，姚淑艷．X射線三維顯微鏡及其典型應用［J］．CT理論與應用研究，2014，23（6）：967-977．

［8］馮坤,朱思衡,鄒晶晶,等．PCB、鍵合線和芯片聯合仿真方法的研究［J］．微波學報,2012（s2）：252-254．