ГЛАВА 5. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ И МИКРОСХЕМ ПО ИХ ВНЕШНЕМУ ВИДУ

5.1. ЗАДАЧИ ВИЗУАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ

Контроль внешнего вида изделий издавна является неотъемлемой частью многих технологических процессов. Он явно или неявно использовался и используется для оценки качества отдельных технологических операций и как составная часть итогового контроля. Например, по внешнему виду контролируется качество тканей, процесс и результат плавки металлов, нанесение лако-красочных покрытий, качество обработки металла, выпечка хлеба и кулинарных изделий, выращивание сельскохозяйственных культур. Этот список без особого труда можно было бы продолжить. При этом под контролем внешнего вида изделия мы понимаем определение степени его соответствия некоторому эталону. Эталон может присутствовать в явном виде и в этом случае наиболее естественно (если это возможно) совместить контролируемое изображение с эталоном и оценить степень отличия. Чаще же эталона нет как такового, а есть лишь представление о нем. Суть контроля в этом случае заключается в оценке соответствия наблюдаемой картины этому представлению.

И в том, и в другом случае контроль внешнего вида осуществлялся человеком и, естественно, не был лишен субъективных ошибок. Однако до недавнего времени задача автоматизировать такой контроль и тем самым избежать субъективных оценок не возникала. Ошибки визуального контроля как-то корректировались данными объективного анализа. Сама расплывчатость постановки задачи визуального контроля допускала некоторый произвол в принятии решений. В таких условиях экспертные оценки специалистов с достаточной степенью точности отражали как ход, так и результат соответствующих технологических процессов.

Одним из первых технологических процессов, в котором субъективные ошибки контроля внешнего вида существенно влияют на результаты, стал процесс производства интегральных схем. Здесь свою роль сыграли масштабы применения этой контрольной операции и ответственность задач, решаемых с ее помощью. На ранних стадиях нанесения рисунка печатного монтажа визуальный контроль является единственным способом выявления дефектов. В то же время выявление дефектов именно после начальных технологических операций необходимо, поскольку в последующем их устранение (ремонт) существенно затрудняется или становится невозможным.

Если говорить об итоговом контроле, то и здесь анализ внешнего вида рисунка печатного монтажа тоже необходим, так как электрический и функциональный контроль не выявляет многие

«скрытые» дефекты. К числу таких дефектов следует отнести различные царапины, сколы, раковины и другие нарушения металлизации, а также вкрапления и наросты, приводящие к чрезмерному сужению расстояния между соседними элементами топологии печатного монтажа. Подобные дефекты зачастую не нарушают функциональные характеристики готового изделия, но существенно уменьшают его надежность и срок службы. Все это обусловило широкое использование операций контроля внешнего вида или, как их еще называют, операций оптического контроля [33]. Достаточно сказать, что около 70% всех контрольных операций составляет контроль внешнего вида Следствием того, что такой контроль осуществляется субъективно, является его низкая достоверность, не превышающая 60—65% Кроме того, сама операция контроля требует весьма больших затрат утомительного, монотонного и напряженного труда. Уже одна необходимость избавить человека от выполнения такой трудоемкой операции ставит проблему автоматизации контроля внешнего вида печатного монтажа в число важных и актуальных. По утверждению специалистов [1] к 1990 г. использование автоматических систем визуального контроля станет всеобщим

Обзор различных систем, автоматизирующих или упрощающих процесс оптического контроля изделий микроэлектроники содержится в [33] Здесь же основное внимание сосредоточено не на описании подобных систем, а на алгоритмической стороне решаемой проблемы Задачи анализа топологии печатного монтажа для выявления дефектов несколько отличаются от традиционных задач обработки изображений на ЭВМ (например, от задач классификации, распознавания или анализа сцен) Отличаются они прежде всего тем, что классификация схем на бездефектные и содержащие дефекты делается нечетко, так как многие нарушения в рисунке печатного монтажа могут быть классифицированы как существенный дефект лишь с некоторой вероятностью. Дело здесь не только в том, что допуски на отклонения чаще всего не исследуются строго, но и в том, что эти допуски во многом зависят от качества последующих технологических операций или от условий эксплуатации схем, т. е. от причин, носящих в момент контроля случайный характер.

Другой отличительной особенностью рассматриваемых задач является бесконечно большое число принципиально возможных бездефектных конфигураций и особенно конфигураций, содержащих дефекты. В этих условиях часто используемый прием, в котором обучение обработке идет на некоторой обучающей выборке, оказывается практически непригодным. Определенные трудности создает и тот факт, что возможные размеры дефектной области одного и того же изделия колеблются в широких пределах: от нескольких микрон до нескольких сантиметров. К сожалению, пока еще не разработана ни общая абстрактная постановка задач данного класса, ни теоретическая основа построения решающих алгоритмов, как это сделано, например, в задачах распознавания

образов. Все известные в литературе алгоритмы контроля носят в основном эмпирический характер. Тем не менее, представляется, что знакомство с ними будет способствовать как практическому их использованию, так и разработке общей теории распознавания дефектов. Изложению таких алгоритмов в основном и посвящена эта глава.

Условимся, что объектами оптического контроля могут быть печатные платы, микросхемы и фотошаблоны, применяемые для их изготовления. Цель контроля заключается в том, чтобы выявить участки рисунка печатного монтажа, существенно отличающиеся от эталона. Назовем такие участки дефектными или просто дефектами. Отличие анализируемого рисунка от эталона определяется с помощью соответствующих допусков. Допуски зависят от контролируемого объекта, от технологии его изготовления и от некоторых других факторов, Например, к качеству изготовления фотошаблонов применяются более жесткие требования, чем к качеству изготовления соответствующих печатных плат. Для сохранения общности методов контроля различных изделий будем задавать допуски параметрически.

Как правило, любой рисунок печатного монтажа состоит из некоторых стандартных элементов. Это особенно четко видно на топологиях, разработанных с помощью какой-либо автоматизированной системы проектирования. Примем, что при ортогональном способе разводки контролируемое изображение может содержать следующие элементы: проводники вертикальные и горизонтальные, контактные площадки, выводы, отверстия на перечисленных выше элементах.

Проводник — проводящее покрытие, обеспечивающее электрическое соединение элементов схемы.

Переходное отверстие — металлизированное отверстие, служащее для электрического соединения проводников в соседних слоях коммутации.

Контактные площадки — металлизированные участки для подключения активных элементов.

Выводы — металлизированные участки, расположенные по краю подложки и предназначенные для подключения к корпусу или к специальной рамке с выводами.

В табл. 5.1 представлены типы контролируемых дефектов, их размеры и отличительные признаки. Технологические допуски чаще всего выбирают равными друг другу и измеряют в долях Т — минимальной ширины проводника или межпроводникового расстояния. Например, в Аналогично задаются .

Иногда вместе с контролем качества изготовления фотошаблона измеряют и некоторые интегральные характеристики. К их числу относится суммарная площадь металлизации в слое, необходимая для правильного выбора режимов ряда технологических операций.

Таблица 5.1. Контролируемые дефекты элементов топологического чертежа

(см. скан)

Продолжение табл. 5.1.

(см. скан)

Окончание табл. 5.1.

(см. скан)

Примеры представления топологии печатного монтажа в памяти ЭВМ приведены на рис. 6.1 и 5.2. Металлизированные участки, поверхности представлены «звездочкой». На рис. 5.2 видны дефекты типа «разрыв» и «недопустимое утоньшение».

Рис. 5.1. Двухградационное представление топологии печатного монтажа

Рис. 5.2. Изображение проводников, отражающее дефекты изготовления

Для распознавания дефектов в автоматических системах контроля внешнего вида микросхем и печатных плат можно предложить два метода. Первый из них основан на сравнении контролируемого изображения с идеальным (эталоном). Отличия классифицируются в соответствии с допусками, определяемыми технологией

как существенные (т. е. дефекты) или несущественные. При другом подходе эталон изображения в памяти машины отсутствует. Дефекты в этом случае определяются как нарушение определенных правил, которым должна удовлетворять правильная топология.

Первый метод назовем методам сравнения с эталоном, а второй — безэталонным методом контроля. В основе алгоритмов безэталонного контроля лежит моделирование действий человека-контролера, который проверяет правильность изготовления элементов монтажа, не зная правильной топологии. Для выделения дефектных мест можно использовать следующие признаки: нарушение ортогональности проводников при ортогональном способе разводки; нарушение допусков на минимальные линейные размеры металлизированных и неметаллизированных областей; нарушение параллельности границ проводников; нарушение «гладкости» границ проводников.

Предполагается, что в дефектной области с большой вероятностью будет хотя бы одно из перечисленных нарушений. Если же дефект выполнен в строгом соответствии с требованиями, предъявляемыми к любой топологии печатного монтажа (что мало вероятно), обнаружить его можно только методом сравнения с эталоном. Таким образам, алгоритмы сравнения с эталоном позволяют получить более надежное распознавание дефектов. Однако для их реализации требуется вести библиотеку эталонов. Эталоны могут быть выполнены в виде специальных фотошаблонов, рисунок которых считывается параллельно с контролируемой топологией или хранится в памяти ЭВМ. И в том, и в другом случае необходимо вручную или автоматически сопоставить каждой контролируемой топологии определенный эталон из библиотеки и совместить эти два изображения.

Разработка программного обеспечения для автоматического решения подобных задач усложняется тем, что в системах контроля обычно используют мини- и микро-ЭВМ, т. е. ЭВМ с ограниченными ресурсами памяти. Кроме того, нужно учитывать, что в процессе выполнения технологических операций носитель, на который наносится контролируемый рисунок, может претерпевать некоторую деформацию (например, усадку), допустимую с точки зрения технологии, но существенно затрудняющую процесс совмещения. Однако даже если преодолеть эти трудности, то все равно необходимо иметь программы анализа результатов сравнения с эталоном, чтобы отличить существенное несовпадение (дефект) от несущественного. Алгоритмы решения только этой последней задачи по своей трудоемкости сравнимы с некоторыми алгоритмами безэталонного контроля. Очевидно поэтому чаще всего используют алгоритм безэталонного контроля. Их описанию уделено основное внимание в последующих параграфах.