CN1940582A - 用于检查半导体元件上的标记的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及摄像机所获取的激光标记图像的方法和设备，以使具有浅蚀刻激光标记的图像高对比度和低背景干扰成分，适于被元件检查系统检查。所述方法包括以下步骤：以相对于水平面的一低角度照射所述半导体封装件表面，利用摄像机以大约所述低角度获取从所述半导体封装件表面反射的图像。其它实施例中，所获取的图像是在与照射方向相对的方向上以低角度反射的。所获取的图像还可以是在与照射方向相同的方向上以低角度反射的。或者，所述图像是在由半导体封装件表面反射的照射光最明亮的角度上获取的。反射镜可被用于以低角度将反射图像反射到安置在受检半导体元件正上方的摄像机。

Description

用于检查半导体元件上的标记的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于检查半导体元件上、特别是半导体封装件的进行激光雕刻或标记的表面上的标记的方法。还公开了采用上述方法并且可以组合在检查设备中的光学结构。

背景技术

在微电子制造行业，包括半导体封装行业，通常需要对半导体元件进行标记，以显示第一个管脚或球状引脚，从而便于正确地安装在电路板等上，或是指示元件的型号或代码、批次号、制造商的名称或徽标等。

在标记过程中，颜料或油墨被用于在封装件的顶表面上产生点或印记，但是对于集成电路的小型化和大集成规模来说，裸晶尺寸和相应的封装件尺寸缩小，可供标记使用的面积显著减小，从而墨滴尺寸的分辨率和印制速度成为问题。因此，激光标记方法较为理想。

由于被蚀刻的封装件的量非常大，因此激光标记通常在封装件表面上非常轻地雕刻或烧蚀到这样的程度，即，不容易从任意角度可见，从而标记在由摄像机以目前通常光学设置拍摄出的图像中不显眼。加上大多数光学设置和图像采集系统中存在的固有背景干扰(噪声)的原因，标记变得更不容易被觉察到。

有很多种照明方法被使用，最常见的是LED(发光二极管)，因为其具有柔性因而可被布置在具有各种形状和尺寸的照射器组件和控制器中，使用寿命长，亮度高，且能耗低。

半导体元件通常是这样封装的，即利用树脂模塑化合物密封半导体裸晶及其相关的引线框。然后，利用激光束在硬化的模塑化合物的表面上蚀刻出产品识别标记，激光束通过其纯粹的加热能量在半导体元件的化合物表面上产生具有预期图像或标记形状的烧蚀迹线。

密封着元件的模塑化合物可能会基于其成分以及模塑和固化的工艺而改变其光学特性。模塑化合物的光学特性对于确定向元件表面进行照射的最佳角度和清楚地观察标记的最佳角度而言，是至关重要的。通常，模塑化合物是黑色的，其表面略带反光性光泽。

取决于所施加光束的功率、焦点和时间以及模塑化合物材料的本质，蚀刻在模塑化合物上的标记迹线的深度、宽度和烧蚀程度可能会变化。一般而言，烧蚀的程度越高，烧蚀迹线的宽度越大，则激光标记相对而言更容易被肉眼或摄像机看见(即使是从任意角度)。另一方面，如果烧蚀迹线的烧蚀程度低且窄，则标记的可视性显著下降。

这可能是基于这样的事实，即烧蚀程度越高，模塑化合物表面的光学特性的变化越大。同原始化合物表面相比，具有烧蚀迹线的表面通常变得光泽度减小，并且光反射率的扩散更为严重。未受影响的模塑化合物表面可以向观察者反射显著不同的光频谱和强度，从而可以感觉到标记与其周围环境具有良好的反差。

模塑化合物表面上的蚀刻标记还产生了不均匀的表观形状。这一特征加强和提高了标记的光线漫射特性，而周围环境化合物保持具有光泽。从根本上讲，漫射表面可以沿所有方向散布入射光，而光泽表面只沿一个方向较多地反射入射光。此外，同标记的呈现为淡黄色的激光烧蚀迹线相比，模塑化合物的黑颜色在本质上是吸光性的。光吸收率的差异导致两个区域之间的反差增大，因而有助于使得标记的可视性提高。

用于检查激光标记的传统半导体元件检查系统因此而提供了一种传统的光学结构，其中低角度入射照明光(相对于水平面)被指向元件，摄像机被布置在元件的正上方。摄像机可以包括一个可将图像俘获在介质上的光学器件，或是一个图像传感器例如电荷耦合器件(CCD)。

如图1(现有技术)所示，典型的元件检查系统使用摄像机10，其连接着适宜的供应入射光12的结构，以照亮元件20的表面14上的受检特征，所述特征为以标记14a指示的字母“A”。摄像机10拍摄到元件的图像14b，并将图像数据供应到处理单元(未示出)，在此根据预定的合格标准来判断元件的标记是否可被接受。因此，重要的是，由摄像机10从半导体元件20的表面获取的图像14b应当以良好的反差(对比度)显示标记，如图1所示，并且没有背景干扰。

除了背景干扰，所获取的图像还存在另一个潜在的问题。这是由模塑化合物表面的不均匀性特性导致的，即尽管所述表面具有光泽外观，但存在微小的跳跃(pop corn)结构。这种结构导致光散射效果，从而引起在模塑化合物表面周围有杂散的亮斑被俘获并记录在所获取的图像中。这种通常被称作跳跃干扰(噪声)的亮斑，给所获取的图像中所看到的标记的周围环境添加了干扰成分。

如图1所示，低角度的入射光12会被模塑化合物的光泽表面14以杂散较小、单向性更高的方式反射，大部分的光线被以与入射角相同的角度反射。如果入射光12在模塑化合物的无标记表面上的入射角足够小，则其基本上会全部避开位于元件20正上方的摄像机10而被反射。

另一方面，由标记反射的光是漫射光16，即沿所有方向、包括朝向摄像机10被反射。如果入射光12足够强，则摄像机10可以俘获足够的由标记14a反射的光，并且很难遭受到从无标记光泽模塑表面14反射的光的干涉。所产生的图像是由摄像机10获得的关于标记的反差良好的图像14b，如图1所示。

参看图2，其中光12以相对于水平面的更大入射角照射半导体元件表面14，如图所示，会有更高比例的来自无标记光泽模塑化合物表面14的反射光13进入摄像机10。这会干涉所获得的标记图像14b，并因此而降低标记在图像14b中的对比度，如图2所示。

参看图3，其中标记被激光束深蚀刻，并且入射光12从半导体元件20的几乎竖直上方入射。由于构成标记14a的迹线的蚀刻部位较深，因此高比例的照亮标记14a的入射光12被模塑表面14俘获或吸收。结果，只有较小比例的光被反射到摄像机中，导致在所获得的图像14b中产生暗标记图像和亮周围环境部分，如图3所示。如图3所示的照明和光学结构，是传统的半导体元件检查系统中通常采用的另一种方法，主要用在空间有限而不能以低角度安装照射器的情况下。

参照因前述跳跃结构反射的亮斑引起的背景干扰，需要指出，图3所示的光学器件设置会俘获杂散暗斑，而非前述构成干扰成分的亮斑。还应指出，这一现象与光线更均匀地沿所有方向扩散的光散射效果不同。

随着入射光的强度增加，跳跃干扰也成比例地增加。如果标记在所获取的图像中的对比度较差，例如在浅蚀刻标记的情况下，增加入射光强度导致跳跃结构的扩大程度大于标记本身。如果在能够由模塑化合物接收较大比例杂散反射光的方向上察看这种情况，所获取的标记图像会同时受到跳跃结构和来自模塑化合物的周围环境干扰成分的负面影响，从而使得标记极其模糊。

如前所述，浅蚀刻激光标记没有增强可视性的可能。这包括下述情况，即模塑化合物的烧蚀强度较低或较浅、烧蚀迹线较窄和/或无标记表面区域粗糙，从而在所获取的图像中产生明显的周围环境跳跃干扰问题。事实上，前面在图1至3中所示的光学结构均不能观察浅蚀刻标记，或者说，所获取的标记图像对比度差或可视性差，从而导致废品率增加。

用于检查半导体封装件或元件上的激光标记的传统半导体元件检查系统不能检查非常浅的蚀刻激光标记。然而，半导体元件制造商的责任是确保激光标记被蚀刻到足够的程度以使得所获取的标记图像足够清楚。因此，这种检查系统的制造者往往在对已有系统做出改进方面重视不足，并且为了解决上述问题往往期待半导体封装商更注意激光蚀刻深度。

发明内容

本发明期望提供一种方法和设备来克服前述缺陷，其中对摄像机拍摄的激光标记图像做出改进，以使得激光标记图像具有高对比度和低背景干扰成分，适于由元件检查系统进行标记检查。

本发明的方法被创作出来，其可以使得半导体元件或封装件的模塑成分表面上的标记的图像具有高对比度和低背景干扰成分，所述标记包括非常浅地蚀刻在半导体封装件表面的标记，还包括由激光蚀刻形成的标记。用于实施上述方法的设备也被公开。

在本发明的第一个方面，提供了一种用于检查半导体封装件表面上的标记的方法，包括以下步骤：

-以相对于水平面的一低角度(low angle)照射所述半导体封装件表面；

-以大约所述低角度获取从所述半导体封装件表面反射的图像；

其中，形成在所述半导体封装件上的标记的表面的光漫反射率(light diffusion)与无标记表面不同。

利用上述方法，通过在半导体封装件表面上进行浅蚀刻、例如在半导体封装件表面进行激光烧蚀或其它光刻而形成的标记可以被观察到。

在本发明的第二方面，所获取的图像是在与照射方向相对的方向上以低角度反射的。优选地，所获取的图像在与照射方向相对的方向上以低角度反射。还优选地，在由半导体封装件表面反射的照射光最明亮的角度获取图像。

在本发明的第三方面，通过至少一个反射表面将所获取的图像以一低角度反射到大约位于半导体封装件上方的位置。优选通过两个反射表面实现反射，所述反射表面的倾斜角度是可调的。优选地，该低角度为相对于水平面大约15°至30°。还优选照射光的照射角度是可调的。

用于实施上述方法的设备的实施例也在此被公开。

附图说明

参照附图和下面的详细描述，可以更好地理解本发明，其中，特定的实施例以非限定的方式显示和描述。

图1(现有技术)是第一种传统结构中的设备的示意图；

图2(现有技术)是第二种传统结构中的设备的示意图；

图3(现有技术)是第三种传统结构中的设备的示意图；

图4是根据本发明的方法的第一实施例中的设备的示意图；

图5是根据本发明的方法的第二实施例中的设备的示意图；

图6是根据本发明的方法的第三实施例中的设备的示意图；

图7是根据本发明的方法的第四实施例中的设备的示意图；

具体实施方式

作为宽范围内的一般性实施例，本发明的用于检查半导体封装件表面上的标记的方法包括以下步骤：以相对于水平面的一低角度照射所述半导体封装件表面，以及以大约所述低角度获取(拍摄)从所述半导体封装件表面反射的图像，其中形成在所述半导体封装件上的标记的表面的光漫反射率与无标记表面不同。

本发明的本质在于发现了半导体元件上的激光标记漫反射的光多于周围无标记模塑化合物表面。标记周围的无标记模塑化合物表面通常比标记更具光泽。因此，当照射光以特定的入射角度落在半导体元件表面上时，标记会在所有方向上相对均匀地反射光，但无标记表面会在窄反射角度范围内反射光，该反射角度主要是在等于或类似于入射角度的角度附近。

在本发明的第一实施例中，如显示于图4，本发明的方法包括以相对于水平面或半导体元件的受检表面的一低角度照射入射光22，并且提供这样的光学结构，其中摄像机10从入射光22的相同侧并且以大约相同的角度有效地观测标记。有效观察角度应当优选沿背离从模塑化合物反射的光的方向，从而在实际上可以获取(拍摄)标记图像24，如图4所示，并且在标记14a周围来自无标记模塑化合物表面14的干扰最小。所获取的图像是位于暗背景上的亮标记，从而具有良好的对比度和低周围环境干扰。

如果照射角度和观测角度未被仔细选择，则这种结构中仍有可能出现跳跃干扰。尽管如此，由于背景干扰成分被减小，跳跃作用干扰成分和标记周围的无标记模塑化合物表面的背景干扰成分之间相组合所产生的作用仍较小。

在第二替代性实施例中，如显示于图5，本发明的方法的改变之处在于，摄像机10被安置成在反射光23的方向上以光反射最强的角度观测由模塑化合物表面14反射的光。这种结构具有相反的效果，即以无标记模塑化合物表面14作为前景、以标记作为背景细节对它们进行拍摄。摄像机10相对于受检半导体元件20安置在入射光22的光源的相对侧。所获取的图像25如图5所示具有与前面的实施例相反的效果，即如果所采用的入射光22具有适宜的高强度的话，则图像呈现为暗标记，而标记周围的无标记表面呈现为亮背景。

优选地，入射光22的入射角度是一低角度(相对于水平面或受检半导体元件的表面平面)。还优选地，图像是相对于元件而言在入射光22的相对侧以与小入射角度相似或相等的角度由反射光23获取的。最优选地，图像是以由半导体封装件表面14反射的光最明亮的角度获取的。

可能存在一些实际问题，例如在实施本发明方法的上述两个实施例时可能会遇到设备和结构布置方面的困难。例如，如图4所示将摄像机10与光源安装在受检测半导体元件的相同侧，可能会由于空间限制、阴影投影问题、光受阻问题等而遇到困难。还难以在这种结构中将摄像机安装装置构造成允许对视角进行一定程度的调节，以满足精确调整视角的要求。应当指出，摄像机可能较重并且对其在安装位置处的机械偏移敏感。因此，摄像机安装装置优选是固定且结实的。

还有一个问题涉及到观测者在小倾角观测物体时的特殊感觉，特别是在这样的低角度下有一系列的受观测物体彼此紧密相邻或是其它物体靠近实际被观察物体时。观测者可能无法真正精确识别当前被获取图像的物体，这是因为在这样的倾角下，观测者不能立即意识到摄像机的精确焦点或摄像机的观察位置。

在快速移动检查系统，例如半导体组装的带卷工艺中，多个半导体元件以彼此相邻的方式安置在承载带的压槽中，如果以这样的低角度观察，则检测中识别元件的人为误差可能性较大，特别是再加上人的头脑和视力方面的弱点，例如视差。

大部分观测人希望光学结构非常类似于图1至3所示的前述传统的光学结构，即摄像机10安置在受检测物体的正上方。在这样的传统的摄像机位置，几乎不会误观察受检测物体。因此，根据本发明的思想，还在随后的实施例中提供了这样的摄像机定位，即观察人容易正确识别受观察的物体或半导体元件。

为此，本发明的第三替代性实施例中，如图6所示，本发明的结构中的摄像机10的被定位在这样的位置，即能够在受观测物体或半导体元件20的正上方的位置获取图像。为了使摄像机以一低角度获取由半导体元件表面反射的光线，正如第一实施例中那样，设有至少一个反射表面，例如反射镜。

然而，优选设有两个反射表面32、34或反射镜，如图6所示。摄像机安装在被检测其标记的半导体元件的正上方。入射光22以相对于水平面的一低角度、优选15°至30°照射在元件上。在到达元件表面后，以大约相等的低角度反射出反射光23。标记表面以漫射的反射光26的方式反射光线，反射光可在入射光22的相同侧被反射表面例如第一反射镜32以相对于水平面的大范围角度拾取，第二反射表面例如第二反射镜34可以被设置成对来自第一反射镜32的反射图像26a进行反射以形成反射光26b，从而图像可以被安置在半导体元件正上方的摄像机10拾取。

优选地，第一反射镜被安置成在入射光22的相同侧以相对于水平面大约50°的角度接收并反射由半导体元件表面标记14a反射出的迎面而来的反射光26。如此形成的图像25具有位于暗背景或周围环境上的亮标记。通过改变所述两个反射镜32、34中至少一个的倾角或斜角，可以容易地改变摄像机10的视角，而不需要改变摄像机10的倾斜角度。事实上，通过在照射器的机械支承结构上提供简单的倾斜装置，即使是入射光22的角度也可以容易地改变。因此，在某些情况下为了获得最佳结果，可以如前所述略微改变入射角和视角，这一点可以非常容易地采用在本发明的设备结构中。

所述设备可以容易地改造成图7所示的第四替代性实施例，其中以类似角度安置的照射器可以在与前面图6所示的方向相对的方向上照射半导体元件。照射器可以安置在这样的角度，即照射在模塑化合物光泽无标记表面上的光被以反射光27的形式反射到第一反射镜32上，第一反射镜进一步以反射光27a的形式将光反射到第二反射镜34，第二反射镜又以反射光27b的形式将光向上反射到摄像机10。所获取的图像在对比度方面与上面图6所示相反，即标记为位于亮背景或周围环境上的暗图像。

本发明为元件检查系统及相关检查系统提供了若干优点。首先一点，也是最重要的，是提高了标记的图像质量，特别是如果标记被非常浅地蚀刻的情况下。对这样的浅蚀刻元件进行标记检查，这种在以前会由于标记的对比度差而受到阻碍的事情，现在利用本发明可以获得显著更清晰和可靠的图像，因此可以用在生产运行中。

第二点，由于摄像机的定向与传统技术相符，且观测者感知误差最小化，因此本发明的设备没有明显偏离传统的光学结构。这样，可以以最小的变化应用在现有的机械结构中。

第三点，如有必要，入射角和摄像机视角均可以通过简单的机械装置而被改变，并且可以精确调整以获得最佳结果。

可以理解，多个前面描述的特征可以经调整、修改、重构而被使用，或者，可以根据受检物体、光线的波长、带通过滤器的频率、反射器的位置，并基于将被形成图像的元件底表面尺寸而进行改造，所有这些都被认为基于本发明的相同基本思想、特征和工作原理。这些变化和替代性实施例可被替代用来前面描述的部件、元件、材料、工艺步骤，它们可以被当作未在这里专门描述但仍有效地采用了本发明的思想和工作原理的替代性结构或实施例。因此，不能认为它们脱离了本发明，而是应被认为落在权利要求限定的范围内。

Claims (25)

1.一种用于检查半导体封装件表面上的标记的方法，包括以下步骤：

-以相对于水平面的一低角度照射所述半导体封装件表面；

-以大约所述低角度获取从所述半导体封装件表面反射的图像；

其中，形成在所述半导体封装件上的标记的表面的光漫反射率与无标记表面不同。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标记是通过对半导体封装件表面进行浅蚀刻而形成的。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述蚀刻是通过对半导体封装件表面进行激光烧蚀而实现的。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述标记被浅蚀刻在半导体封装件表面上。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所获取的图像是在与照射方向相对的方向上以低角度反射的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所获取的图像是在与照射方向相同的方向上以低角度反射的。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述图像是在由半导体封装件表面反射的照射光最明亮的角度上获取的。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所获取的图像已通过至少一个反射表面被以低角度反射到大约位于半导体封装件上方的位置。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述反射是通过两个反射表面实现的。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，至少一个所述反射表面的倾斜角度是可调的。

11.如权利要求1至9中任一所述的方法，其特征在于，所述低角度为相对于水平面大约15°至30°。

12.如权利要求1、5至7中任一所述的方法，其特征在于，所述照射光的照射角度是可调的。

13.一种用于检查半导体封装件表面上的标记的设备，包括：

-至少一个光源，其被定向为以相对于水平面的一低角度照射所述半导体封装件表面；

-至少一个图像获取装置，其包括摄像机，用于以大约所述低角度获取从所述半导体封装件表面反射的图像；

其中，形成在所述半导体封装件上的标记的表面的光漫反射率与无标记表面不同。

14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述标记是通过对半导体封装件表面进行浅蚀刻而形成的。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述蚀刻是通过对半导体封装件表面进行激光烧蚀而实现的。

16.如权利要求14或15所述的设备，其特征在于，所述标记被浅蚀刻或雕刻在半导体封装件表面上。

17.如权利要求13所述的设备，其特征在于，图像获取装置获取在与照射方向相对的方向上被以低角度反射的半导体封装件表面图像。

18.如权利要求13所述的设备，其特征在于，图像获取装置获取在与照射方向相同的方向上被以低角度反射的半导体封装件表面图像。

19.如权利要求17所述的设备，其特征在于，图像获取装置的获取角度是可调的，以在由半导体封装件表面反射的照射光最明亮的角度获取图像。

20.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所获取的图像被通过至少一个反射表面以低角度反射到位于半导体封装件上方的图像获取位置，所述反射表面包括反射镜。

21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述反射是通过两个反射表面实现的。

22.如权利要求20或21所述的设备，其特征在于，反射表面的倾斜角度是可调的。

23.如权利要求13至22中任一所述的设备，其特征在于，所述低角度为相对于水平面大约15°至30°。

24.如权利要求13、17至18中任一所述的设备，其特征在于，所述照射光的照射角度是可调的。

25.如权利要求20至24中任一所述的设备，其特征在于，所述图像获取装置，包括摄像机，具有相对于水平面的大约50°的视场。

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