挑揀與貼裝的微秒級品質控制：高速攝影機在 Pick & Place 的深度應用

在半導體後段封裝製程中，挑揀與貼裝（Pick-and-Place）是將獨立的晶粒（Die）從切割好的晶圓上精準拾取，並高速貼裝到導線架、基板或另一顆晶片上的自動化過程。這一過程的核心是工業機器人（通常是高速並聯臂或 SCARA 機器人）的超高速運動。隨著晶片尺寸越來越小、I/O 密度越來越高，對貼裝精度與速度的要求也達到了前所未有的高度。

任何在高速運動中發生的微小偏差，如吸嘴的振動、晶粒的姿態偏移、貼裝的衝擊力等，都可能導致晶片損壞、貼裝偏位或可靠性問題。高速攝影機為工程師提供了一雙能夠洞察這些微米級高速運動的「眼睛」，成為優化製程、提升良率的關鍵工具。

挑揀與貼裝的挑戰：速度與精度的極致平衡

• 超高速運動：現代貼片機的理論速度（UPH, Units Per Hour）可達數萬甚至十萬級別，單次挑揀-移動-貼裝的循環時間（Cycle Time）極短。
• 微米級精度：對於先進封裝，貼裝精度要求達到 ±10 微米甚至更高，這對機器人的定位精度、振動抑制和末端執行器（吸嘴）的穩定性提出了極高要求。
• 脆弱的元件：晶粒本身非常薄且脆弱，挑揀時的頂針力道、吸嘴的真空吸力以及貼裝時的衝擊力都必須被精確控制，以避免造成隱形裂紋（Micro-cracks）。

高速攝影機在挑揀與貼裝製程中的關鍵應用

1. 挑晶（Die Eject）過程分析：在晶粒被吸嘴拾取前，需要由晶圓背部的頂針（Ejector Needle）向上頂出。高速攝影機可以清晰捕捉頂針的運動速度、加速度以及與晶粒接觸的瞬間，分析是否存在頂針速度過快導致晶粒跳動，或頂針與吸嘴動作時序不匹配導致的拾取失敗。

2. 吸嘴（Nozzle）拾取動態觀測：高速攝影機可以觀測吸嘴下降拾取晶粒的完整過程，分析真空吸力建立的響應時間、晶粒被吸附後的姿態是否平穩，以及是否存在因靜電或殘膠導致的粘滯現象。這有助於優化吸嘴設計和真空參數。

3. 機器人運動學與振動分析：透過在機器人手臂上設置標記點，高速攝影機可以精確追蹤其在高速運動中的實際軌跡、速度和加速度，並利用數位影像相關（DIC）技術分析其結構振動。這為優化機器人的運動曲線（Motion Profile）、平滑加減速、抑制末端振動提供了寶貴的數據。

4. 貼裝（Bond）衝擊力分析：晶粒與基板接觸的瞬間會產生衝擊力。高速攝影機可以捕捉到晶粒接觸基板時的微小反彈和姿態變化，結合力感測器，可以建立衝擊力與製程參數之間的關係模型，從而優化 Z 軸的下壓速度和力控參數，將貼裝衝擊降至最低。

5. 故障診斷：當發生連續的貼裝偏位、晶粒旋轉或元件丟失時，高速攝影機是最高效的診斷工具。透過慢動作回放，可以快速判斷問題是源於機械臂的定位不準、吸嘴的真空不穩，還是供料器的問題。

結論

在追求速度與精度極致平衡的半導體挑揀與貼裝領域，高速攝影機的作用早已超越了簡單的監看。它成為一門研究微觀運動學、動力學和振動學的精密科學儀器。從頂針的微動到機械臂的飛馳，從吸嘴的輕取到晶粒的穩落，高速攝影機將每一個曾經的「黑盒子」環節都轉化為清晰、可量化的視覺數據，賦予工程師持續優化製程、挑戰物理極限的能力，是通往更高封裝效率與完美品質之路上的必備利器。

參考資料

[1] S. (n.d.). _Semiconductor Chip-PickProcess with S-Speed Camera_. 檢索自 https://www.s.com/application108.html

[2] 元利儀器. (2021). _晶粒挑揀製程優化的最好幫手– 高速攝影機_. 檢索自 https://yuanli.com.tw/部落格_-phpid55/

[3] SinceVision. (n.d.). _高速相机拍摄半导体分选机筛选过程_. 檢索自 https://www.cnsszn.com/…