專利名稱：基于雙目機(jī)器視覺(jué)的球柵陣列半導(dǎo)體器件品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于雙目機(jī)器視覺(jué)的球柵陣列(Ball Grid Array，BGA)半導(dǎo)體器件品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，采用軟件觸發(fā)信號(hào)控制圖像采集，雙CCD攝像機(jī)多角度捕捉和彩色圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)球柵陣列半導(dǎo)體器件品質(zhì)的高速、高分辨率無(wú)損檢測(cè)，屬于自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
我國(guó)是芯片制造大國(guó)，但具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)很少，很多電子制造設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備均是國(guó)外進(jìn)口。造成這種局面的原因在于微電子制造是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，而我國(guó)在電子制造方面起步晚，科研資金和條件缺乏。自20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，球柵陣列半導(dǎo)體器件因?yàn)榫哂幸€間距大，高密度的I/O接口，自對(duì)準(zhǔn)特性高，優(yōu)良的電氣性能等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展相當(dāng)迅速。為了控制產(chǎn)品質(zhì)量，在球柵陣列半導(dǎo)體器件貼裝到印制電路板之前，需要對(duì)如下指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)封裝組件的可靠性；與印刷電路板的熱匹配性；焊料球的共面性；對(duì)熱、濕氣的敏感性等。需要指出的是，球柵陣列基板上的焊球無(wú)論是通過(guò)高溫焊球(90Pb/10Sn)轉(zhuǎn)換，還是采用球射工藝形成，焊球都有可能出現(xiàn)丟失、成形過(guò)大或過(guò)小、焊料橋接、缺損等缺陷。因此，在進(jìn)行表面貼裝之前，需對(duì)其中的一些指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)焊球有可能出現(xiàn)的丟失、成形過(guò)大或過(guò)小、焊料橋接、缺損等缺陷，以及焊料球的共面性的檢測(cè)，有人提出采用激光線結(jié)構(gòu)光傳感器結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。不過(guò)基于線結(jié)構(gòu)光的系統(tǒng)在技術(shù)上主要存在以下問(wèn)題檢測(cè)速度慢；需要專門馬達(dá)驅(qū)動(dòng)放置器件的工作臺(tái)；工作臺(tái)的震動(dòng)易帶來(lái)測(cè)量誤差等。美國(guó)發(fā)明專利(專利號(hào)6,134,013)公開(kāi)了一種“Optical ball grid array inspection system(球柵陣列芯片光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng))”，采用平行光照射被測(cè)器件，通過(guò)測(cè)定反射光線與已知軸的角度，來(lái)計(jì)算反射面的位置信息。其主要缺陷是光學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜，檢測(cè)速度不高。
因此有必要研制一種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快、檢測(cè)精度高的系統(tǒng)。對(duì)現(xiàn)有球柵陣列半導(dǎo)體器件品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)以及相關(guān)技術(shù)的檢索，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類似于本發(fā)明用來(lái)解決上述問(wèn)題的專利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于雙目機(jī)器視覺(jué)的球柵陣列半導(dǎo)體器件品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，可以通過(guò)高分辨率的圖像采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)球柵陣列半導(dǎo)體器件品質(zhì)的高速、無(wú)損檢測(cè)。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的基于雙目機(jī)器視覺(jué)的球柵陣列半導(dǎo)體器件品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)包括光學(xué)成像和圖像采集兩部分。光學(xué)成像系統(tǒng)包括光學(xué)顯微鏡、彩色CCD攝像機(jī)和LED紅光源，所有器材放置在密封箱內(nèi)以防止外界光線的干擾。被測(cè)球柵陣列半導(dǎo)體器件放置在載物臺(tái)上，兩個(gè)CCD攝像機(jī)分別從光學(xué)顯微鏡的正上方和被測(cè)器件側(cè)面多角度采集半導(dǎo)體器件圖像信息。圖像采集部分包括臺(tái)式計(jì)算機(jī)和圖像采集卡，利用軟件觸發(fā)信號(hào)逐幀采集圖像，通過(guò)高速圖像采集卡，將圖像信息傳送到計(jì)算機(jī)，經(jīng)處理后得到器件檢測(cè)需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行器件品質(zhì)的評(píng)定。
本發(fā)明系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)描述如下本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)包括光學(xué)成像和圖像采集兩部分，分別實(shí)現(xiàn)圖像捕捉、處理功能。光學(xué)成像部分包括光學(xué)顯微鏡、彩色CCD攝像機(jī)和LED紅光源。被測(cè)BGA器件放置在顯微鏡正下方的載物臺(tái)上，一個(gè)環(huán)形LED紅色光源固定在顯微鏡物鏡的下方，照明BGA芯片。一個(gè)彩色CCD攝像機(jī)通過(guò)C型接口直接連接在顯微鏡上方，采集經(jīng)顯微鏡放大的半導(dǎo)體器件圖像信息。另一個(gè)彩色CCD攝像機(jī)安裝在BGA器件的一側(cè)上方，此側(cè)面CCD攝像機(jī)鏡頭光軸與被測(cè)半導(dǎo)體器件平面成一定角度，大致為30～40度左右，根據(jù)被測(cè)器件尺寸而加以調(diào)節(jié)，兩者之間的距離為BGA器件尺寸的20～30倍，以保證獲得完整的圖像而又避免失真。與此側(cè)面CCD攝像機(jī)相對(duì)，在被測(cè)BGA器件另一側(cè)上方配置一個(gè)環(huán)形面陣列紅色LED光源，其與BGA器件的距離為器件尺寸的5～10倍，光源平面與側(cè)面CCD光軸平行。所有器材放置在密封箱內(nèi)以防止外界光線的干擾。圖像采集部分包括臺(tái)式計(jì)算機(jī)和圖像采集卡，利用軟件觸發(fā)信號(hào)將上述兩CCD攝像機(jī)捕捉的圖像通過(guò)圖像采集卡輪流采集到計(jì)算機(jī)，圖像處理軟件通過(guò)對(duì)圖像信息的分析，得到器件檢測(cè)需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行器件品質(zhì)的評(píng)定。
本發(fā)明的光學(xué)成像部分安裝在密封箱體內(nèi)，以避免外界光線的影響，同時(shí)保持器材的干凈。密封箱內(nèi)壁為白色，底部為黑色漫反射材料，使得底部光線反射盡可能的均勻，以最大限度消除由此引起的干擾。
本發(fā)明的系統(tǒng)為每一個(gè)CCD攝像機(jī)配置一套光源設(shè)備。當(dāng)上方CCD攝像機(jī)捕捉圖像時(shí)，關(guān)閉側(cè)面LED光源，打開(kāi)固定在顯微鏡物鏡正下方的環(huán)狀LED紅光源，擴(kuò)散的光線以低角度均勻地照射在被測(cè)半導(dǎo)體器件表面上，為正上方的CCD攝像機(jī)提供光照。而當(dāng)側(cè)面CCD攝像機(jī)捕捉圖像時(shí)，打開(kāi)側(cè)面LED光源，關(guān)閉固定在顯微鏡上的LED光源。兩套CCD攝像機(jī)和光源輪流作業(yè)，互相獨(dú)立。
系統(tǒng)進(jìn)行焊球高度測(cè)量的工作原理為首先根據(jù)球柵陣列半導(dǎo)體器件的尺寸和測(cè)量高度的要求，由光學(xué)成像原理和幾何關(guān)系確定側(cè)面CCD攝像機(jī)安裝的極限角度，以此為基準(zhǔn)，對(duì)安裝角度進(jìn)行微調(diào)。原則是安裝角度盡可能的接近極限角度，又能得到每一排焊球的高度信息。確定安裝角度以后，進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。將側(cè)面CCD捕捉圖像信息進(jìn)行分析，由標(biāo)定參數(shù)和圖像與空間被測(cè)器件的幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系即可得焊球的高度信息。
采用本發(fā)明的效果是能準(zhǔn)確有效地檢驗(yàn)球柵陣列半導(dǎo)體器件的品質(zhì)。通過(guò)采用雙CCD攝像機(jī)多角度采集方法，全方位捕捉器件的圖像信息。經(jīng)過(guò)對(duì)頂部CCD攝像機(jī)所采集圖像的處理，可以獲取器件上焊球的大小、形狀、位置、間距等信息。經(jīng)過(guò)對(duì)側(cè)面CCD采集圖像的處理，通過(guò)幾何換算，可以從圖像的二維信息中得到各個(gè)焊料球的高度信息，對(duì)焊料球的共面性進(jìn)行評(píng)定。根據(jù)被測(cè)器件的尺寸，精確地確定側(cè)面CCD攝像機(jī)的安裝角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)焊球高度的檢測(cè)。本系統(tǒng)為每個(gè)CCD攝像機(jī)提供獨(dú)立的光源，采用合理的光源配置，可以得到清晰的圖像，適合圖像預(yù)處理。系統(tǒng)采用軟件觸發(fā)方式，控制圖像抓取，也可以通過(guò)外部電平觸發(fā)信號(hào)控制攝像頭抓取圖像。本系統(tǒng)采用高分辨率(1024×1024)的圖像采集，可以滿足球柵陣列半導(dǎo)體器件品質(zhì)的檢測(cè)要求。


圖1為本發(fā)明球柵陣列半導(dǎo)體器件品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1為正上方CCD攝像機(jī)，2為光學(xué)顯微鏡，3為正上方LED紅光源，4為側(cè)面LED紅光源，5為顯微鏡載物臺(tái)，7為被測(cè)器件，8為側(cè)面CCD攝像機(jī)，9為CCD固定旋鈕，10為上下調(diào)節(jié)旋鈕，11為支架，12為密封箱，13為整套光學(xué)成像系統(tǒng)，14為圖像采集卡，15為整套圖像采集系統(tǒng)，16為圖像處理單元。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光學(xué)成像系統(tǒng)13和圖像采集系統(tǒng)15兩部分組成。
光學(xué)成像系統(tǒng)13包括正上方CCD攝像機(jī)1，光學(xué)顯微鏡2，LED紅光源3，側(cè)面LED紅光源4，載物臺(tái)5，側(cè)面CCD攝像機(jī)8，CCD固定旋鈕9，上下調(diào)節(jié)旋鈕10，支架11，密封箱12，所有器件放置在密封箱12內(nèi)，以防止外界光線的干擾。被測(cè)BGA器件7放置在光學(xué)顯微鏡2正下方的載物臺(tái)5上，一個(gè)環(huán)形LED紅色光源3固定在顯微鏡2物鏡的下方，照明被測(cè)BGA器件7。一個(gè)彩色CCD攝像機(jī)1通過(guò)C型攝像接口直接安裝在光學(xué)顯微鏡2的上方，采集經(jīng)顯微鏡放大的半導(dǎo)體器件圖像信息。另一個(gè)彩色CCD攝像機(jī)8安裝在被測(cè)BGA器件7右側(cè)的支架11上，CCD攝像機(jī)8的鏡頭光軸與被測(cè)器件7平面成一定角度，大致為30～40度，確切的角度隨被測(cè)器件尺寸變化而加以調(diào)整。攝像機(jī)8可以通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕10上下調(diào)節(jié)，支架11上刻有高度信息，精確到毫米。通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕10上的指示針，可以得到CCD攝像機(jī)8的高度信息。固定旋鈕9將CCD攝像機(jī)8固定在支架11上，同時(shí)可以使得CCD攝像機(jī)8在垂直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整角度。側(cè)面攝像機(jī)8和被測(cè)器件7保持一定的距離，大致為器件尺寸的20～30倍，以保證獲得完整圖像而又避免失真。與側(cè)面CCD攝像機(jī)8相對(duì)，在被測(cè)BGA器件7的左側(cè)上方配置一個(gè)環(huán)形面陣列紅色LED光源4，其與BGA器件7的距離為器件尺寸的5～10倍，光源平面與側(cè)面CCD攝像機(jī)8的光軸平行。
當(dāng)正上方CCD攝像機(jī)1采集圖像時(shí)，關(guān)閉側(cè)面LED光源4，打開(kāi)正上方的光源3。而當(dāng)側(cè)面CCD攝像機(jī)8采集圖像時(shí)，關(guān)閉器件正上方的光源3，打開(kāi)側(cè)面LED光源4。本發(fā)明采用的CCD攝像機(jī)1和8可以采用彩色2/3’CCD攝像機(jī)，分辨率為1024×1024象素。采用手動(dòng)調(diào)焦的鏡頭，焦距變化范圍8-48mm。
圖像采集系統(tǒng)15包括臺(tái)式計(jì)算機(jī)16和圖像采集卡14。圖像采集卡14通過(guò)數(shù)字電纜分別和兩個(gè)攝像機(jī)1、8相連，先后將兩攝像機(jī)采集的圖像信息傳遞到計(jì)算機(jī)16。本發(fā)明采用軟件觸發(fā)信號(hào)，控制被測(cè)器件的圖像抓取。圖像采集系統(tǒng)沒(méi)有嚴(yán)重的噪聲信息，能夠滿足后續(xù)圖像處理的需要。圖像經(jīng)過(guò)軟件的處理，可以得到器件檢測(cè)需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行器件品質(zhì)的評(píng)定。
權(quán)利要求
1.一種基于雙目機(jī)器視覺(jué)的球柵陣列半導(dǎo)體器件品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，由光學(xué)成像和圖像采集兩部分組成，其特征在于整個(gè)光學(xué)成像部分(13)放置在密封箱(12)內(nèi)，其中被測(cè)器件(7)放置在光學(xué)顯微鏡(2)正下方的載物臺(tái)(5)上，一個(gè)環(huán)形LED紅色光源(3)固定在顯微鏡(2)物鏡的下方，一個(gè)彩色CCD攝像機(jī)(1)通過(guò)攝像接口直接安裝在光學(xué)顯微鏡(2)的上方，采集經(jīng)顯微鏡放大的半導(dǎo)體器件圖像信息，另一個(gè)彩色CCD攝像機(jī)(8)安裝在被測(cè)器件(7)一側(cè)的支架(11)上，并通過(guò)固定旋鈕(9)調(diào)節(jié)垂直平面內(nèi)的角度，通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕(10)調(diào)節(jié)上下位置，側(cè)面CCD攝像機(jī)(8)的鏡頭光軸與被測(cè)器件(7)平面成30～40度角度，側(cè)面CCD攝像機(jī)(8)和被測(cè)器件(7)之間距離為被測(cè)器件(7)尺寸的20～30倍，與側(cè)面CCD攝像機(jī)(8)相對(duì)，在被測(cè)器件(7)的另一側(cè)上方配置一個(gè)環(huán)形面陣列紅色LED光源(4)，其與被測(cè)器件(7)的距離為器件尺寸的5～10倍，光源平面與側(cè)面CCD攝像機(jī)(8)的光軸平行，圖像采集部分中的圖像采集卡(14)通過(guò)數(shù)字電纜分別和兩個(gè)CCD攝像機(jī)(1、8)相連，將攝像機(jī)采集的圖像信息傳遞到計(jì)算機(jī)(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的基于雙目機(jī)器視覺(jué)的球柵陣列半導(dǎo)體器件品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述密封箱(13)的內(nèi)壁為白色，底部為黑色漫反射材料。
全文摘要
一種基于雙目機(jī)器視覺(jué)的球柵陣列半導(dǎo)體器件品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，由光學(xué)成像和圖像采集兩部分組成，被測(cè)球柵陣列半導(dǎo)體器件放置在載物臺(tái)上，兩個(gè)CCD攝像機(jī)分別設(shè)置在光學(xué)顯微鏡的正上方和被測(cè)器件側(cè)面，每一個(gè)CCD攝像機(jī)配置一套光源，兩個(gè)CCD攝像機(jī)多角度采集的半導(dǎo)體器件圖像信息，通過(guò)高速圖像采集卡傳送到計(jì)算機(jī)，經(jīng)處理后得到器件檢測(cè)需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行器件的品質(zhì)的評(píng)定。本發(fā)明采用軟件信號(hào)觸發(fā)控制圖像采集、雙CCD攝像機(jī)和彩色圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)球柵陣列半導(dǎo)體器件品質(zhì)的高速、高分辨率無(wú)損傷檢測(cè)，滿足在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的需要。
文檔編號(hào)G01B11/24GK1581457SQ20041001848
公開(kāi)日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2004年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月20日
發(fā)明者夏年炯, 曹其新 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)