CN102820240B - 基于机器视觉的玻璃覆晶互联电阻的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的互联电阻的预测方法，包括步骤：获取显示模块的驱动芯片的凸点的图片；对图片进行计算机视觉处理，获得对应该凸点的多个导电颗粒的个数和每个导电颗粒与该凸点接触的接触面积；使用互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型，对每个导电颗粒计算其互连电阻；将多个导电颗粒的互连电阻作为多个并联电阻，获得凸点与电极之间的互连电阻。本发明可以在线式地或离线式地应用于预测使用玻璃覆晶封装的显示模块的驱动芯片的凸点与玻璃基板的电极之间的互联电阻，具有精度高、功能性强的优点。

Description

基于机器视觉的玻璃覆晶互联电阻的预测方法

技术领域

本发明涉及一种互联电阻的预测方法，尤其涉及一种用于玻璃覆晶封装的显示模块的基于机器视觉的互联电阻预测方法。

背景技术

平板显示器系列产品是现代信息社会中使用最广泛的一种人机交互媒介，它在民用、商用和军用领域里都扮演着举足轻重的角色，如平板电视、手机、笔记本电脑等都涉及它的应用。在平板显示器的制造过程中，玻璃覆晶封装(Chip on Glass，COG)是一项关键的生产技术，它由日本公司在20世界八十年代首先开发并运用于便携式电视机显示屏生产的，具有密度高、成本低、效率高、尺寸小等优点，随着平板显示不断向高密度和大容量方向发展，已成为显示驱动封装领域内支配性的封装互联技术。目前平板显示器行业应用最为广泛的COG封装工艺采用的是各向异性导电胶(Anisotropic Conductive Film，ACF)热压。ACF由高分子聚合物和均匀分散在其中的导电颗粒组成，导电颗粒的直径大约为3-5微米，通常是一种表面包裹金属材料的树脂颗粒。如图1所示的采用ACF-COG的显示模块，其中，驱动芯片(Driver Chip)2的下表面具有多个凸点4，这些凸点的间距为a、中心距为b；玻璃基板(Glass Substrate)3的上表面具有多个透明的铟锡氧化物(Indium-TinOxidation，ITO)电极5。在COG封装过程中，首先将ACF层1贴敷于驱动芯片2和玻璃基板3之间，并使凸点4和电极5的相互对准，然后进行加热并施加压力F。如图2所示，ACF层1中的高分子聚合物受热后固化，将驱动芯片2和玻璃基板3粘结固定在一起，与此同时，ACF层中的导电颗粒6部分地被捕捉在凸点4和电极5之间，并在外力条件下受到挤压。这样，通过其表面包裹的金属材料，被捕捉的导电颗粒6在凸点4和电极5之间建立了电连接。

随着平板显示器单位面积像素数、像素色彩度越来越高，产业界对ACF-COG封装密度的需求也越来越高，其中驱动芯片的凸点与玻璃基板的电极之间的互联电阻及电气可靠性是产品最重要的一项特性指标，其数值与模块邦定(bonding)参数(如压力、温度)、邦定设备特性(如对位精度、邦头与基准面平行度、邦定设备刚度等)、材料特性参数(如弹性模量、泊松比、电阻率、颗粒密度、绝缘树脂粘度)、凸点及电极参数(如凸点尺寸、间距)等诸多参数相关，影响因素众多。如何确保在凸点间不短路的情况下，互联电阻小、均匀并且可控是产业界与学术界研究的热点。现有平板显示器封装企业检测互联电阻多数通过制造模拟芯片，经热压邦定过程后，用四点测电阻方式测定互联电阻，经过统计分析控制产品的良品率。ACF的供应商则建议凸点下方保证5个以上压至天使翅膀形(精灵形)的导电颗粒即可保证互联电阻特性。显而易见，前者方法费料并需要大量人工，且因驱动芯片管脚众多，该方法无法快速发现互联电阻异常的凸点；后者方法仅提供了一个统计后的经验性指标，评判标准模糊，也无对应的定量电阻特性，在现有封装企业也仅用于前者方法的参考对照(通常由工程师人工经光学放大镜数导电颗粒)。另外，目前提出的针对导电颗粒是金属球的各向异性导电胶(Anisotropic ConductiveAdhesive，ACA)互联电阻模型预测得到的电阻普遍比实测的电阻(通常为100mΩ)小1～2个数量等级。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于机器视觉的互联电阻预测方法，提高对使用ACF-COG封装的显示模块的驱动芯片的凸点与玻璃基板的电极之间的互联电阻的预测精度。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于机器视觉的互联电阻的预测方法，通过建立互联电阻基于导电颗粒的接触面积的模型以及获取导电颗粒的接触面积，实现对使用ACF-COG封装的显示模块的驱动芯片的凸点与玻璃基板的电极之间的互联电阻的高精度预测。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于机器视觉的互联电阻的预测方法，用于预测使用玻璃覆晶封装的显示模块的驱动芯片的凸点与玻璃基板的电极之间的互联电阻，所述凸点与所述电极之间具有多个导电颗粒，其特征在于，包括步骤：

获取所述凸点的图片；

对所述图片进行计算机视觉处理，获得所述多个导电颗粒的个数和每个所述导电颗粒与所述凸点接触的接触面积；

使用互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型，对每个所述导电颗粒计算所述导电颗粒的互连电阻；

将多个所述导电颗粒的互连电阻作为多个并联电阻，获得所述凸点与所述电极之间的所述互连电阻。

进一步地，所述多个导电颗粒在所述凸点和所述电极之间被压缩成鼓状。

进一步地，所述互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型为：

$R_{\mathrm{sp}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{tb}}+2{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pc}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bp}}}{4}\×\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{A_c}}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{blk}}}{{\mathrm{\πd}}_{\mathrm{thick}}}\×\ln \left(\frac{\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\β}}+\mathrm{\α}-\mathrm{\β}}{\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\β}}-\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}\right)/\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\β}};$

其中，R_sp为所述导电颗粒的互连电阻，ρ_tb为所述凸点的表层金属的电阻率，ρ_pc为所述导电颗粒的表层金属的电阻率，ρ_bp为所述电极的表层金属的电阻率，A_c为所述导电颗粒与所述凸点接触的接触面积，ρ_blk为所述导电颗粒内部金属的导电率，d_thick为所述导电颗粒的所述表层金属的厚度，β为所述导电颗粒的所述接触面积与所述导电颗粒未压缩时的中心面积的比值，所述导电颗粒与所述电极接触的接触面积等于A_c。

优选地，所述凸点的所述图片的获取方式为在线式的，包括：在进行所述玻璃覆晶封装的邦定机的底部设置透明材料的支撑板并在所述支撑板的下方安装光学显微摄像系统；在进行所述玻璃覆晶封装的过程中，使用所述光学显微摄像系统获取所述凸点的所述图片。

进一步地，所述光学显微摄像系统包括光学镜头、光源系统和摄像头，所述摄像头正对所述凸点。

进一步地，所述摄像头的快门速度不低于0.1ms。

进一步地，所述透明材料为石英。

可选地，所述凸点的所述图片的获取方式为离线式的，包括：在光学显微镜的顶部安装摄像头；把完成所述玻璃覆晶封装的所述显示模块放在所述光学显微镜的载物台上，使用所述摄像头获取所述凸点的所述图片。

进一步地，所述摄像头获取经过所述光学显微镜放大的所述凸点的所述图片。

进一步地，所述计算机视觉处理包括步骤：

将所述图片处理成灰阶图像；

在所述灰阶图像上提取所述凸点的凸点图像；

二值化所述凸点图像并进行包括颗粒分离和滤波的处理，得到所述多个导电颗粒的个数及每个所述导电颗粒与所述凸点接触的接触面积。

在本发明的较佳实施方式中，在进行玻璃覆晶封装的邦定机的底部设置石英的支撑板并在支撑板的下方安装光学显微摄像系统，光学显微摄像系统包括光学镜头、光源系统和摄像头，摄像头正对凸点。在进行所述玻璃覆晶封装的过程中，使用光学显微摄像系统获取凸点的图片。其中，摄像头的快门速度为0.1ms，图片的像素为130万。对该凸点的图片进行计算机视觉处理后获得与该凸点接触的多个导电颗粒的个数以及每个导电颗粒与该凸点接触的接触面积。使用互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型，计算每个导电颗粒的互连电阻。最后，将这些导电颗粒的互连电阻作为多个并联电阻，获得凸点与电极之间的互连电阻。

由此可见，本发明基于机器视觉的互联电阻的预测方法通过建立互联电阻基于导电颗粒的接触面积的模型以及获取导电颗粒的接触面积，实现了对使用ACF-COG封装的显示模块的驱动芯片的凸点与玻璃基板的电极之间的互联电阻的高精度预测，并可以准确地获得互联电阻的分布特性，十分适用于COG封装时显示模块的互联电气特性的控制。本发明的主要优点包括：1)可以准确获取导电颗粒的数目及其接触面积，本发明建立的互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型能较精确地获取电阻特性；2)在玻璃覆晶封装的过程中使用本发明进行导电颗粒的接触面积的监测，可以快速获取邦定参数特别是热压的温度与压力的设置参数，用于指导COG封装的工艺参数设定；3)该互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型还可以用于后续邦定全过程的监测优化，从而为后续产品整体可靠性做预测；4)大大减少了此前制作样片、测电阻、人工数导电颗粒的方法所发生的材料与工程师人工，并可以将全过程定量化，为后续产品电气特性与可靠性预测积累数据库；5)为芯片的设计，特别是芯片的凸点和/或电极的设计提供了检测手段，由于凸点捕捉导电颗粒数目越多，互联电阻越低，互联电气特性越好，因此本方法可以快速验证甚至对芯片的凸点进行全检，从而判别芯片设计是否需要优化以符合互联电气特性及可靠性要求。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是使用玻璃覆晶封装的显示模块的结构示意图。

图2是完成图1所示的显示模块完成玻璃覆晶封装后的结构示意图。

图3是本发明基于机器视觉的互联电阻的预测方法的在线式地获取凸点的图片的系统架构示意图。

图4是在本发明的一个实施例中，使用计算机视觉处理对凸点的图片进行处理的过程图像。

图5是本发明的基于机器视觉的互联电阻的预测方法的互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型的示意图，图中显示了凸点和电极间的多个导电颗粒。

图6是图5的互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型的等效电路图。

具体实施方式

如图3所示，在本发明的一个实施例中，用于在线式地获取凸点的图片的系统包括邦定机10和光学显微摄像系统。邦定机10的底部设置有透明材料的支撑板11，光学显微摄像系统安装在支撑板11的下方。在本实施例中，支撑板11的材料是石英。显示模块12置于邦定机10内进行玻璃覆晶封装，显示模块12如图1所示，其玻璃基板置于支撑板11之上。

光学显微摄像系统包括光学镜头22、光源系统21和摄像头23，光学镜头22正对着支撑板11。由于石英的支撑板11、显示模块12的玻璃基板、玻璃基板上的ITO材料的电极以及ACF中的高分子聚合物都是透明的，因此通过光源系统21的照明以及对光学镜头22的调焦，摄像头23可以透过支撑板11、玻璃基板、电极以及高分子聚合物获取显示模块12的驱动芯片的凸点的图片(图片中可见ACF中的导电颗粒)。本实施例采用CCD摄像头，摄像头的快门速度为0.1ms(或更快)，图片的像素值为130万。获取的凸点的图片上可以是显示模块12的驱动芯片上所有的凸点的图片，也可以是驱动芯片上部分的凸点的图片。另外，还可以对支撑板11设置移动对位装置，这样通过该移动对位装置可以移动支撑板11从而移动支撑板11上的显示模块12相对于光学镜头22的位置，以使摄像头23能够对驱动芯片上各部分的凸点获取图片。

摄像头23把所获取的凸点的图片传送给计算机30，对该凸点的图片进行计算机视觉处理。处理步骤包括(参见图4)：

第一步，将图片处理成灰阶图像。

如图4所示，其中图4a为原始图片，即摄像头23所获取的凸点的图片。经过对该图片进行灰阶值计算，将该图片处理成灰阶图像(图4b)。

第二步，在灰阶图像上提取凸点的凸点图像。

根据已知的凸点长、宽、间距等信息以及光学镜头22的放大倍数来标定参数，进行模板匹配、边界提取的步骤，获得图像区域内凸点个数及位置信息，并截取有效的凸点图像。如图4c所示，在该图像的区域内，截取了6个凸点的凸点图像。

第三步，二值化凸点图像并进行包括颗粒分离和滤波的处理，得到多个导电颗粒的个数及每个导电颗粒与凸点接触的接触面积。

对图4c中的6个凸点的凸点图像分别进行处理，包括二值化、颗粒分离及滤波，得到这6个凸点处理后的凸点图像(图4d)并获得对应每个凸点的导电颗粒的信息，包括导电颗粒的个数和每个导电颗粒与该凸点接触的接触面积。

以上述方式，遍历所有凸点，建立对应各凸点的导电颗粒的接触面积列表，并根据第二步中获得的图像区域内凸点的位置信息建立驱动芯片的凸点链表。

将对应各凸点的导电颗粒的接触面积列表输入互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型，以计算各凸点与电极之间的互连电阻。

如图5所示，驱动芯片的凸点40与玻璃基板的电极50之间具有n个导电颗粒61、62、…、6n，这些导电颗粒在其间被压缩成鼓状(n为自然数)。图6是图5所示的结构的等效电路，即凸点40和电极50之间可看成是n个电阻的并联结构，其中R_sp1是导电颗粒61的电阻，R_sp2是导电颗粒62的电阻，…，R_spn是导电颗粒6n的电阻。由此可得凸点40和电极50之间的互连电阻(由于凸点、电极的电阻远小于导电颗粒的电阻，故此处被忽略)：

$R_b=1/\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(1/R_{\mathrm{spi}}),---\left(1\right)$

式中R_spi为导电颗粒6i的电阻，1≤i≤n。

对于一个导电颗粒，其电阻R_sp可以通过互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型计算得到，该模型的建立过程如下：

导电颗粒的电阻R_sp包括凸点与导电颗粒之间的接触电阻R_bpc、导电颗粒顶部的接触电阻R_plcu、导电颗粒底部的接触电阻R_plcb、导电颗粒与电极之间的接触电阻R_pdc、凸点与导电颗粒之间的隧穿效应电阻R_tu、电极与导电颗粒之间的隧穿效应电阻R_tb和导电颗粒的体电阻R_blk，并且由这些电阻串联形成，即：R_sp＝R_bpc+R_plcu+R_tu+R_blk+R_tb+R_plcb+R_pdc。

其中，由于凸点与导电颗粒的表层金属多数采用金，隔绝了氧化效应，同时导电颗粒的内核采用弹性的环氧树脂，导电颗粒与凸点、电极基本完全接触，因此可以忽略电极与导电颗粒之间的隧穿效应电阻R_tb和凸点与导电颗粒之间的隧穿效应电阻R_tu。由于将凸点和电极之间的导电颗粒视作鼓状，可以推导出导电颗粒之间的接触电阻导电颗粒顶部的接触电阻导电颗粒底部的接触电阻导电颗粒与电极之间的接触电阻其中，ρ_tb为凸点的表层金属的电阻率，ρ_pc为导电颗粒的表层金属的电阻率，ρ_bp为电极的表层金属的电阻率，A_c为导电颗粒与凸点接触的接触面积而导电颗粒与电极接触的接触面积也等于A_c。鼓状的导电颗粒的体电阻 $R_{\mathrm{blk}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{blk}}}{\mathrm{\π}{d}_{\mathrm{thick}}}\×\ln \left(\frac{\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\β}}+\mathrm{\α}-\mathrm{\β}}{\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\β}}-\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}\right)/\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\β}},$ 其中，ρ_blk为所述导电颗粒内部金属(一般为镍)的导电率，d_thick为导电颗粒的表层金属的厚度，β为导电颗粒的接触面积与该导电颗粒未压缩时的中心面积的比值， $\mathrm{\α}=\frac{{(4+\sqrt{16+8{\mathrm{\β}}^3})}^{2/3}-2\mathrm{\β}}{2{(4+\sqrt{16+8{\mathrm{\β}}^3})}^{1/3}}.$ 由此可以得到导电颗粒的互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型：

$R_{\mathrm{sp}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{tb}}+2{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pc}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bp}}}{4}\×\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{A_c}}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{blk}}}{{\mathrm{\πd}}_{\mathrm{thick}}}\×\ln \left(\frac{\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\β}}+\mathrm{\α}-\mathrm{\β}}{\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\β}}-\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}\right)/\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\β}}.---\left(2\right)$

已知导电颗粒与凸点接触的接触面积A_c，就可以通过式(2)计算得到该导电颗粒的电阻R_sp。

当测得对应某个凸点的n个导电颗粒的与该凸点接触的接触面积，就可以通过式(1)计算该凸点和电极之间的互连电阻。

在本实施例中，在线式地获取凸点的图片可以在对显示模块12进行玻璃覆晶封装的过程中进行，以实时获得凸点与电极之间的互连电阻值，从而可以据此调整玻璃覆晶封装的工艺参数或材料参数。例如，设定互连电阻预警上限，对玻璃覆晶封装过程中的互联电阻进行监测，当监测到的互连电阻值大于设定的预警上限值，系统可以报警并提取该凸点的位置信息及图片信息，方便工程师分析电阻超限原因，以利于后续调整玻璃覆晶封装中的工艺参数或材料参数。

另外，在本发明的其它实施例中，还可以采用离线式地获取凸点的图片。具体地为：在光学显微镜的顶部安装摄像头，把完成玻璃覆晶封装的显示模块放在所述光学显微镜的载物台上，其中，显示模块的玻璃基片面向上。使用光学显微镜聚焦驱动芯片的凸点，并使用摄像头获取该凸点的图片。该图片可以是经过光学显微镜放大的凸点的图片。将此凸点的图片传送到计算机，并使用计算机视觉处理，获得对应该凸点的多个导电颗粒的个数和每个导电颗粒与该凸点接触的接触面积。使用互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型，对每个导电颗粒计算该导电颗粒的互连电阻。将多个导电颗粒的互连电阻作为多个并联电阻，获得凸点与电极之间的互连电阻。具体的计算机视觉处理方式及使用互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型计算凸点与电极之间的互连电阻的过程与前面叙述的实施例的情况一样，在此不赘述。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于机器视觉的互联电阻的预测方法，用于预测使用玻璃覆晶封装的显示模块的驱动芯片的凸点与玻璃基板的电极之间的互联电阻，所述凸点与所述电极之间具有多个导电颗粒，其特征在于，包括步骤：

获取所述凸点的图片；

对所述图片进行计算机视觉处理，获得所述多个导电颗粒的个数和每个所述导电颗粒与所述凸点接触的接触面积；

使用互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型，对每个所述导电颗粒计算所述导电颗粒的互连电阻；

将多个所述导电颗粒的互连电阻作为多个并联电阻，获得所述凸点与所述电极之间的所述互连电阻；

所述多个导电颗粒在所述凸点和所述电极之间被压缩成鼓状；

其中所述互连电阻基于导电颗粒的接触面积的模型为：

$R_{\mathrm{sp}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{tb}}+2{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{pc}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bp}}}{4}\×\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{A_c}}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{blk}}}{\mathrm{\π}{d}_{\mathrm{thick}}}\×\ln \left(\frac{\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\β}}+\mathrm{\α}-\mathrm{\β}}{\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\β}}-\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}\right)/\sqrt{{\mathrm{\α}}^2-\mathrm{\β}}$

其中，R_sp为所述导电颗粒的互连电阻，ρ_tb为所述凸点的表层金属的电阻率，ρ_pc为所述导电颗粒的表层金属的电阻率，ρ_bp为所述电极的表层金属的电阻率，A_c为所述导电颗粒与所述凸点接触的接触面积，ρ_blk为所述导电颗粒内部金属的导电率，d_thick为所述导电颗粒的所述表层金属的厚度，β为所述导电颗粒的所述接触面积与所述导电颗粒未压缩时的中心面积的比值，所述导电颗粒与所述电极接触的接触面积等于A_c。

2.如权利要求1所述的基于机器视觉的互联电阻的预测方法，其中所述凸点的所述图片的获取方式为在线式的，包括：在进行所述玻璃覆晶封装的邦定机的底部设置透明材料的支撑板并在所述支撑板的下方安装光学显微摄像系统；在进行所述玻璃覆晶封装的过程中，使用所述光学显微摄像系统获取所述凸点的所述图片。

3.如权利要求2所述的基于机器视觉的互联电阻的预测方法，其中所述光学显微摄像系统包括光学镜头、光源系统和摄像头，所述摄像头正对所述凸点。

4.如权利要求3所述的基于机器视觉的互联电阻的预测方法，其中所述摄像头的快门速度不低于0.1ms。

5.如权利要求4所述的基于机器视觉的互联电阻的预测方法，其中所述透明材料为石英。

6.如权利要求1所述的基于机器视觉的互联电阻的预测方法，其中所述凸点的所述图片的获取方式为离线式的，包括：在光学显微镜的顶部安装摄像头；把完成所述玻璃覆晶封装的所述显示模块放在所述光学显微镜的载物台上，使用所述摄像头获取所述凸点的所述图片。

7.如权利要求6所述的基于机器视觉的互联电阻的预测方法，其中所述摄像头获取经过所述光学显微镜放大的所述凸点的所述图片。

8.如权利要求5或7所述的基于机器视觉的互联电阻的预测方法，其中所述计算机视觉处理包括步骤：

将所述图片处理成灰阶图像；

在所述灰阶图像上提取所述凸点的凸点图像；

二值化所述凸点图像并进行包括颗粒分离和滤波的处理，得到所述多个导电颗粒的个数及每个所述导电颗粒与所述凸点接触的接触面积。