KR100313092B1

KR100313092B1 - 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법

Info

Publication number: KR100313092B1
Application number: KR1019990046423A
Authority: KR
Inventors: 이용희
Original assignee: 박종섭; 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 1999-10-25
Filing date: 1999-10-25
Publication date: 2001-11-07
Also published as: KR20010038453A

Abstract

본 발명은 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법에 관한 것으로서, 특히 이 방법은 와이어 본딩 볼을 찍은 영상에 라플라시안 필터 및 가우스 필터를 적용하여 영상 잡음을 제거하고, 그 영상을 이진화하여 패드 배경과 볼 영상을 서로 분리한 후에, 이진화된 영상에 에로젼(erosion) 연산과 다이레이션(dilation) 연산을 적용하여 볼 영상을 추출하고, 그 영상에 연결성 분석을 실시하여 볼의 중심과 크기를 추출한 후에, 그 측정 결과와 기준 볼 본딩 상태를 비교하여 해당 와이어의 볼 상태 이상 유/무를 판별한다. 이에 따라, 본 발명은 와이어 본딩 볼 상태를 찍은 영상에서 잡음 제거 및 볼의 형태를 정확하게 판별할 수 있도록 상술한 영상처리 과정을 거쳐 와이어 볼의 존재 유/무, 크기 모양 등의 상태를 검사함으로써 검사 결과의 신뢰성을 높일 수 있다.

Description

와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법{Method for testing ball shape of wire bonding device }

본 발명은 반도체장치의 검사방법에 관한 것으로서, 특히 컴퓨터 비젼(computer vision)을 이용하여 패드부분에 본딩된 와이어 볼의 상태를 검사하는 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법에 관한 것이다.

일반적으로, 와이어 본딩장치는 입력된 반도체칩의 패드(pad)와 리드(lead)를 와이어(wire)로 본딩하기 위한 장비이다.

도 1은 일반적인 반도체칩의 패드와 리드를 서로 연결하는 와이어를 간략적으로 나타낸 도면으로서, 이를 참조하면, 반도체칩(10)의 패드 부분(미도시)과 리드 부분(30)을 서로 연결하는 와이어(40)가 도시되어 있다. 여기서, 도면 부호 20은 반도체칩(10) 하부에 부착된 리드 프레임을 나타내고, 42는 패드에 연결된 와이어(40)의 부분을 나타낸 것이다. 대개 패드 부분의 본딩 형태는 원형을 갖고 있어볼(ball) 본딩이라고도 한다.

도 2는 일반적인 와이어 본딩장치의 기능 블록도로서, 이를 참조하면 현재 대부분의 와이어 본딩장치는 본딩할 패드와 리드 각각의 위치를 정확하게 찾기 위하여 컴퓨터 비젼을 이용한 PRS(Pattern Recognition System)를 포함한다. 이 PRS는 오퍼레이터가 컴퓨터 비전을 적용할 패드와 리드의 위치를 기억시키는 과정을 기반으로 하고 있다. 그리고, 상기 와이어 본딩장치는 정렬부(50)를 통해 반도체칩과 디바이스를 정렬해서 본딩할 각 디바이스마다 정렬 패턴의 위치와 많은 패드와 리드들 중 본딩해야 하는 것들만을 표시한 본딩 다이어그램을 갖는다.

종래 시스템에서 오퍼레이터는 본딩 좌표를 입력하기 위하여 이 본딩 다이어그램에 지정된 위치로 영상 모니터를 보면서 XY 테이블을 직접 움직여 정렬 패턴 또는 패드와 리드의 위치를 PRS에 기억시키고 컴퓨터 비젼으로 위치를 찾기 위한 적절한 파라미터들을 입력시킨다. 이 과정이 PRS의 VPLL(Video Pad Lead Locator)(60) 훈련 과정이다.

현재, 디바이스들을 본딩하기 위해서는 수십개에서 수백개의 패드-리드쌍의 위치로 테이블을 직접 움직이고 패턴을 훈련하고 기억시켜야 한다. 와이어 본딩 장치에서 본딩할 각 와이어의 본딩 위치는 컴퓨터 모니터를 이용하여 계산되어 본드 헤드(80)에 전달된다. 본드 헤드(80)는 이 위치에서 본딩을 수행하지만 XY 테이블의 진동이나 기계적인 오차로 인해서 볼 본딩 위치의 변이가 발생할 수 있다. 리드는 크기가 크므로 볼 본딩의 오차가 별로 커다란 문제를 일으키진 않지만 패드의 크기는 작기 때문에 문제가 될 수 있다. 다행히도, 그러한 오차가 대부분 오프셋을 잘못 설정한 경우에 일어나거나, 기계적인 오차의 누적으로 인해 발생하므로 본딩시킬 위치와 실제로 본딩된 곳의 위치 사이의 오차를 측정하여 이 문제를 해결할 수 있다.

하지만, 본딩 불량으로 인해 와이어 본딩 볼이 제대로 형성되지 않은 경우에는 본딩을 한 후에 본딩 검사부(70)가 카메라를 이용하여 와이어 상태를 찍어서 볼 영상을 보고 그 불량 유/무를 확인하였다. 여기서, 패드 검사부(72)는 패드에 연결된 와이어 볼 상태를 검사하는 부분이고, 리드 검사부(74)는 와이어와 리드 사이의 연결 상태를 검사하는 부분이다.

도 3a 및 도 3b는 패드 부분의 와이어 볼 상태의 이상 유/무를 검사하기 위해 얻어진 영상과 추출해낸 볼 이미지와, 그 볼 이미지에서 설정된 크기를 나타낸 도면이다.

우선, 도 3a에 도시된 바와 같이, 카메라에 찍히는 화상에서 볼의 색은 밝은 배경(패드 영역)(a)에 비해 어두운 색을 띤다. 볼 검사에서는 이 어두운 영역(c)을 볼로 간주하고 예상되는 볼의 크기에 맞는 어두운 원형 또는 타원 영역을 추출하여 볼 중심의 위치(c)와 볼의 외곽선(d)을 찾아 그 크기를 측정한다. 여기서, (b)는 와이어 부분을 나타낸 것이다.

그러나, 도 3b에 도시된 바와 같이, 카메라에서 찍혀진 화상 내에서 볼의 높이와 볼의 너비 등을 설정하고 최소 크기 또는 최대 크기의 볼의 직경내에서 와이어 본딩 볼의 존재 유/무, 크기, 모양 등의 이상 유/무를 검사하는데에는 한계가 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 와이어 본딩 볼 상태를 찍은 영상에서 잡음 제거 및 볼의 형태를 정확하게 판별할 수 있도록 소정의 영상 개선처리 과정을 거쳐 와이어 볼의 존재 유/무, 크기 모양 등의 상태를 검사함으로써 검사 결과의 신뢰성을 높일 수 있는 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법을 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 반도체칩의 패드와 리드를 서로 연결하는 와이어를 간략적으로 나타낸 도면,

도 2는 일반적인 와이어 본딩장치의 기능 블록도,

도 3a 및 도 3b는 패드 부분의 와이어 볼 상태의 이상 유/무를 검사하기 위해 얻어진 영상과 추출해낸 볼 이미지와, 그 볼 이미지에서 설정된 크기를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법을 나타낸 흐름도,

도 5는 본 발명의 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법에 의해 입력 영상과 라플라시안 필터를 통과시킨 입력영상을 합하여 잡음이 제거된 영상을 나타낸 도면,

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법에 의해 입력 영상의 잡음을 제거하기 위해 사용되는 라플라시안 필터와 연속 구간에서의 가우스 필터를 나타낸 그래프들,

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법에 의해 픽셀 맵을 이용한 이진화 그래프와, 임계값을 다르게 했을 때 다양한 이진화 영상을 나타낸 도면,

도 8은 본 발명의 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법에 의해 잡음이 제거된 영상과, 이진화된 영상, 에로젼 연산을 이용하여 볼 영상을 추출한 결과를 나타낸 도면.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반도체 칩의 패드 부분과 리드 부분을 와이어로 서로 연결하는 와이어 본딩장치에서 패드에 본딩된 와이어의 볼 상태를 검사하는 방법에 있어서, 와이어 본딩 볼의 영상을 입력하는 단계와, 입력된 영상에 라플라시안 필터 및 가우스 필터를 적용하여 영상 잡음을 제거하는 단계와, 잡음이 제거된 영상을 이진화하여 패드 배경과 볼 영상을 서로 분리하는 단계와, 이진화된 영상에 에로젼(erosion) 연산과 다이레이션(dilation) 연산을 적용하여 볼 영상을 추출하는 단계와, 에로젼 연산과 다이레이션 연산이 처리된 영상에 연결성 분석을 실시하여 볼의 중심과 크기를 추출하는 단계와, 측정 결과와 기준 볼 본딩 상태를 비교하여 해당 와이어의 볼 상태 이상 유/무를 판별하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 상기 영상 이진화 방법은 픽셀 맵을 이용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 와이어 본딩장치에서 본딩한 패드 부분의 볼 상태를 검사하기 위해 카메라에 찍힌 영상을 라플라시안 및 가우스 필터를 통해 잡음을 제거하고, 배경화면(패드 영역)으로부터 볼을 분리하기 위해 영상을 이진화처리한 후에, 상기 영상에 정확한 볼의 에지를 검출하기 위하여 에로젼 및 다이레이션(dilation) 연산처리를 실시하고, 연결성 분석으로 볼의 중심과 크기를 추출하여 볼 본딩의 이상 유/무 및 크기를 검사한다. 그러므로, 본 발명의 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법은 볼 본딩 상태의 불량 검출을 찾아내는데 정확성을 높인다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명하고자 한다.

본 발명은 패드에 연결된 와이어의 볼 상태를 검사하기 위하여 통상의 와이어 본딩장치에서 컴퓨터 비젼을 이용한다.

도 4는 본 발명에 따른 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법을 나타낸 흐름도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 와이어 본딩장치에서 본딩 검사부를 통해 카메라로부터 와이어 본딩 볼을 촬영하여 컴퓨터 비젼에 그 영상을 입력받는다.(S10참조) 이때, 카메라로부터 받아들인 이미지는 카메라의 초점이 맞지 않거나 그림자 등으로 인하여 번짐 현상이 있다. 본 발명은 이러한 이미지로부터 볼을 깨끗하게 분리해 내기 위해 입력 영상 개선 과정을 수행하게 된다.

우선, 입력된 영상에 대해 라플라시안 필터 및 가우스 필터를 적용하여 영상잡음을 제거한다.(S11참조)

도 5는 본 발명의 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법에 의해 입력 영상과 라플라시안 필터를 통과시킨 입력영상을 합하여 잡음이 제거된 영상을 나타낸 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 입력 영상(a)에 라플라시안 연산자를 적용한 결과(b)를 원래의 입력 영상에 더하면 원래의 볼 형태를 유지하면서 볼의 에지가 선명해진 개선된 영상(c)을 얻는다.

여기서, 이차원 함수 f(x,y)의 라플라시안 연산자는 f(x,y)의 2차 미분으로 정의된다.

∇²f=∂²f

3×3의 디지털 영역에서는 아래와 같이 표현된다.

z1	z2	z3
z4	z5	z6
z7	z8	z9

라플라시안 연산자를 그림으로 표현하면, 도 6a 및 도 6b와 같다. 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법에 의해 입력 영상의 잡음을 제거하기 위해 사용되는 라플라시안 필터와 연속 구간에서의 가우스 필터를 나타낸 그래프들이다.

본 발명에 적용된 라플라시안 필터(도 6a)는 입력 영상에 라플라시안 연산자를 적용하면 입력 영상에서 명암이 변화되는 부분에서 절대값이 크게 나오고, 명암이 변화하지 않는 영역에서 값이 0에 가깝게 나온다. 그러므로, 이 필터에 입력 영상을 통과시키면 명암이 바뀌는 영역을 더욱 선명하게 해주어 에지 부분을 강화시킨다. 하지만, 라플라시안 필터는 명암이 바뀌는 영역에 대해서는 민감하게 반응하는 특성을 가지고 있지만, 영상 잡음에는 민감하게 반응하는 단점이 있다.

이를 보상하기 위해 라플라시안 필터를 통과한 입력 영상을 다시 가우스 필터를 사용하여 영상 잡음을 제거한다. 도 6b에 도시된 가우스 필터는 번짐 효과를 얻거나 영상 잡음을 제거하는데 주로 사용하는 필터이다.

기본적인 2항식의 가우스 필터는 아래 식과 같다.

영상 처리에서는 주로 2차원 필터를 사용하는데, 수평 필터와 수직 필터를 병합하여 2차원 필터를 만든다. 본 발명에서도 다음과 같은 2차원 필터를 이용한다.

그 다음, 입력 영상에 대한 영상 개선 과정(라플라시안 필터 및 가우스 필터이용)을 통해 얻어진 영상으로부터 볼을 추출하기 위하여 영상 분활 과정을 거친다. 이 영상 분활 과정은 상기 잡음이 제거된 입력 영상에 픽셀 맵(pixel map)을 이용하여 그 영상을 이진화함으로서 패드 배경과 볼 영상을 서로 분리한다.(S12참조)

즉, 입력 영상은 여러 단계의 명암도를 갖는 회색 영상이다. 이러한 명암도 영상으로부터 볼을 추출하는 것은 상당히 어려우므로 입력 영상을 두 단계의 명암도(휜색과 검은색)로 이진화해야 한다. 그러기 위해서 사용하는 방법이 픽셀 맵이다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법에 의해 픽셀 맵을 이용한 이진화 그래프와, 임계값을 다르게 했을 때 다양한 이진화 영상을 나타낸 도면이다.

본 발명은 픽셀 맵에서 입력 영상의 명암도를 도 7a에서 도시된 바와 같이, 지정된 임계값(여기에서는 24) 이하는 0으로 매핑하고 임계값 이상은 63으로 매핑한다. 임계값을 크게 잡은 경우 도 7b에 도시된 바와 같이, 밝은 부분의 영역이 줄어들어 볼의 크기가 커지고 배경에서 약간 어두운 곳도 볼과 같은 명암이 되어 볼에 병합된다. 반면에, 임계값을 작게 잡은 경우 어두운 영역이 줄어들어 배경에서 약간 어두운 곳은 볼과 다른 영역으로 구분되며 볼과 같이 어두운 영역만 볼과 같은 색이 된다.

이와 같이 이진화 처리를 실시하였어도 아직 완전하게 볼이 배경으로부터 분리된 것은 아니다. 배경 이미지 자체에도 볼과 같은 색이 남아 있을 수 있기 때문에 다시 입력 영상의 배경에서 볼을 선명하게 추출하기 위하여 이진화된 영상에 에로젼(erosion) 연산과 다이레이션(dilation) 연산을 적용한다. (S13 및 S14 참조)

에로젼 연산 방법은 볼을 둘러싼 배경을 잘라내기 위한 방법으로 볼의 전체적인 모양이 둥글다는 점에서 착안되었다. 일반적으로 에로젼은 객체의 경계주변을 삭제하거나 구조 집합보다 작은 요소들을 삭제하는데 사용하는 영상처리 기법이다. 구조집합보다 작은 미소한 부분들이 삭제되므로 이미지에서 미세한 부분을 삭제하고 객체사이의 간격을 멀리하는데 유용하다. 수학적으로는 구조 집합의 각 원소들에 대해 그 좌표만큼 객체를 반대 방향으로 평행이동시킨 것을 교집합 연산을 통하여 얻은 이미지가 된다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

이때, b = (x,y)이고, -b = (-x,-y)이다.

여기서, 상기 식에서 집합 A는 이미지를 의미하며, 집합 B는 구조 집합을 의미한다. b는 구조 집합 B의 각 구성원을 의미한다. 그리고, 상기 기호 '×'는 한 집합을 다른 집합으로 에로젼한다는 것을 의미한다. (A)-b는 이미지 A를 -b만큼 평행이동하는 것을 의미한다.

그러므로, 상기 입력 영상에 에로젼을 수행하게 되면 폭이 작은 부분부터 삭제되는데, 일반적으로 볼에 붙은 잔 영상들이 먼저 삭제되고 충분히 에로젼을 수행하면, 최종적으로 볼의 순수한 중앙 부분만이 남게 된다.

도 8은 본 발명의 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법에 의해 잡음이 제거된 영상과, 이진화된 영상, 에로젼 연산을 이용하여 볼 영상을 추출한 결과를 나타낸 도면으로서, (a)는 라플라시안 및 가우스 필터를 통과한 입력 영상이며 (b)는 픽셀 맵을 통해서 이진화된 영상이며 (c)는 에로젼 연산에 의해 볼의 중앙 부위의 영상만이 남은 것을 나타낸다.

이렇게 에로젼 연산처리가 된 영상에 에로젼을 적용한 횟수만큼 다이레이션(dilation)을 적용한다. 그러면, 에로젼에 의해 삭제된 영상 부분에서 잡음을 제외한 볼 부분의 영상을 복원시킬 수 있다.

한편, 다이레이션은 객체를 확장시키거나 두껍게 하는 역할을 하는 영상처리 기법이다. 이 연산은 가늘거나 윤곽이 흐트러진 객체에 대해서 적합한데, 객체 외곽을 확장하여 객체의 영역을 넓혀주므로 객체의 일반적인 모양을 유지하면서 키울 수 있다. 다이레이션을 통해 객체를 키우게 되면 탐색이나 패턴의 인식에 편리하다. 수학적으로는 화소들로 이루어진 두 집합 A,B에 대해 집합 A의 각 픽셀(x,y)에 대해 집합 B의 각 원소들이 더해지는 연산이다. 결과적으로 이미지 A를 집합 B에 있는 각 픽셀만큼 평행 이동한 이미지에 대해서 합집합 연산을 하는 것과 같다.

이때, b = (x,y)이다.

'+' 기호는 한 집합을 다른 집합을 이용하여 다이레이션하는 것을 의미한다. 상기 식에서 집합 A는 이미지를 의미하며, 집합 B는 구조 집합을 의미한다. b는 구조 집합 B의 각 구성원을 의미한다.

그러므로, 다이레이션이 평행 이동한 이미지들의 합집합이라면, 에로젼은 평행이동한 이미지들의 교집합이라고 할 수 있다. 단지, 평행이동하는 방향이 반대라는 점에서 차이가 있을 뿐이다.

그 다음에, 에로젼 연산과 다이레이션 연산이 처리된 영상에 연결성분석(blob analysis)을 실시하여 볼의 중심과 크기를 추출한다.(S15∼S16참조)

그리고, 본 발명에 따른 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법으로 얻어진 측정 결과와 기준 볼 본딩 상태를 비교하여 해당 와이어의 볼 상태 이상 유/무를 판별한다. (S17참조)

한편, 본 발명의 와이어 본딩 볼 상태 검사 방법을 적용하기에 앞서, 와이어 본딩장치내의 본딩 검사부에서는 미리 볼의 크기에 대한 사전 정보와 볼이 위치해야 하는 영역에 대한 정보를 갖고 있어야 한다. 그리고, 카메라로부터 양질의 영상을 얻기 위해 볼이 화면에 잘 잡히도록 조명을 설정해주어야 한다.

또한, 본 발명은 입력된 영상의 잡음을 제거하는데 있어서, 입력된 영상에서 배경과 볼을 보다 선명하게 구분하기 위해서는 먼저 가우스 필터를 적용하고 그 결과에 대하여 라플라시안 필터를 적용한다. 그 다음, 영상의 각 화소값에 2를 곱하여 얻어진 영상을 입력 영상과 더한 후에 픽셀 맵을 수행한다. 픽셀 맵의 결과가 63보다 큰 값이 나오면 63으로 만들고 음수가 나온 경우에는 0으로 만든다. 이때, 라플라시안 필터를 적용함으로써 아직 남아 있을 수 있는 잡음을 제거하기 위하여 다시 한번 가우스 필터를 적용하여 최종 영상 이미지를 얻는다. 그리고, 본 발명의 볼 이미지 추출 과정(에로젼 및 다이레이션 등)을 수행하여 와이어 본딩 볼 상태를 검사한다.

상기한 바와 같이 본 발명은, 컴퓨터 비젼을 사용하여 잡음 제거 및 볼의 형태를 정확하게 판별할 수 있도록 라플라시안, 가우스 필터, 영상 이진화, 에로젼 및 다이레이션등의 영상처리 과정을 거쳐 패드 부분의 와이어 본딩 볼의 이상 유/무를 검사한다. 이에 따라, 본 발명을 이용한 반도체 제조 공정은 와이어 본딩 단계에서 불량인 디바이스들을 다음 조립 공정으로 넘겨 보내지 않아 불량률을 크게 낮추어 제조 공정의 수율을 높인다.

또한, 본 발명은 컴퓨터 비젼을 응용한 검사 응용 분야에서 폭넓게 사용될 수 있으며 특히 영상 잡음을 내포하고 있는 원형 또는 타원체의 존재 및 이상 유/무의 검사에 사용될 수도 있다.

Claims

반도체 칩의 패드 부분과 리드 부분을 와이어로 서로 연결하는 와이어 본딩장치에서 패드에 본딩된 와이어의 볼 상태를 검사하는 방법에 있어서,

와이어 본딩 볼의 영상을 입력하는 단계;

상기 입력된 영상에 라플라시안 필터 및 가우스 필터를 적용하여 영상 잡음을 제거하는 단계;

상기 잡음이 제거된 영상을 이진화하여 패드 배경과 볼 영상을 서로 분리하는 단계;

상기 이진화된 영상에 에로젼(erosion) 연산과 다이레이션(dilation) 연산을 적용하여 볼 영상을 추출하는 단계;

상기 에로젼 연산과 다이레이션 연산이 처리된 영상에 연결성 분석을 실시하여 볼의 중심과 크기를 추출하는 단계; 및

상기 측정 결과와 기준 볼 본딩 상태를 비교하여 해당 와이어의 볼 상태 이상 유/무를 판별하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법.
제 1항에 있어서, 상기 영상 이진화 방법은 픽셀 맵을 이용하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩장치의 볼 상태 검사방법.