一種芯片三維外觀視覺檢測光路設(shè)計

摘要：半導(dǎo)體芯片的三維外觀檢測是芯片生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，而其中的光路設(shè)計是三維外觀檢測技術(shù)中的一個難點和重點。針對QFP芯片的三維外觀檢測，提出了一種新的光路。新的光路通過采用數(shù)字相機和平面反射鏡，在一個視場內(nèi)同時實現(xiàn)了芯片的底面和四個側(cè)面的成像。新的光路降低了標(biāo)定的難度和后續(xù)軟件計算芯片三維指標(biāo)的難度，同時也減少了硬件成本。新的光路采用平行光路設(shè)計，可對外形尺寸為5 mm×5 mm～40 mm×40 mm范圍內(nèi)的QFP芯片進(jìn)行清晰成像，從而使得一套外觀檢測裝置可以檢測各種型號的QFP芯片。此外，該光路減少了芯片輸送時間，提高了檢測效率。該光路已成功應(yīng)用在外觀檢測設(shè)備中，實驗結(jié)果表明，它較好的克服了目前外觀檢測裝置的不足，并且能夠滿足工業(yè)實際生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體芯片； QFP芯片； 三維外觀檢測； 光路設(shè)計

中圖分類號：TN91134文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004373X(2012)04017704

Optical path design for threedimensional exterior inspection

based on machine vision of semiconductor chip

LUO Mingcheng， XIONG Bo， YIN Zhouping

(State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China)

Abstract： The threedimensional exterior inspection is an critical step in the manufacturing process of semiconductor chips， and the optical path design is an unsolved problem in this step. In order to solve this problem， a novel optical path is proposed for the threedimensional exterior inspection of QFP (plastic quad flat package). The new optical path can obtain the images of the chip's bottom and four sides simultaneously by using the digital camera and planar specula. The new optical path reduces the difficulties of calibration and the subsequent software for calculating the chip threedimensional index， and the hardware cost. It is suitable for the QFP chip whose size is from 5mm×5mm to 40mm×40mm by using parallel optical path design. Therefore， it can detect various types of QFP chips. In addition， the optical path can shorten the conveying time of the chips， and the efficiency of inspection is greatly improved. The optical path has been successfully applied in exterior inspection device， and the experimental results reveal that it is able to overcome some drawbacks of current exterior inspection device， and satisfy the industrial production requirements.

Keywords： semiconductor chip; QFP chip; threedimensional exterior inspection; optical path design

收稿日期：20110926

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(50805060)；國家IC重大專項（2009ZX02021004）0引言

在電子集成電路芯片的生產(chǎn)線上，芯片的外觀檢測是一項重要的工序［1］。目前很多生產(chǎn)線上仍采用傳統(tǒng)的人工目測檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷后，手動剔除不合格產(chǎn)品，這樣的檢測方法存在很多問題［2］，難以滿足工業(yè)需求。隨著機器視覺技術(shù)的發(fā)展，它們已被成功應(yīng)用到工況監(jiān)視、成品檢測和質(zhì)量控制等領(lǐng)域［3］。機器視覺檢測作為一種高效的檢測手段，與傳統(tǒng)的檢測方法相比，具有不可替代的優(yōu)越性［48］，它們大幅度地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，保證了生產(chǎn)的速度［910］。

1芯片外觀檢測

芯片外觀檢測指標(biāo)中一般有二維指標(biāo)和三維指標(biāo)，如圖1所示，檢測項目有管腳跨距、管腳間距、管腳對稱性、管腳一致性、管腳排彎、管腳傾斜、管腳寬度、管腳彎曲度、管腳棧高和管腳共面度等。其中三維指標(biāo)檢測難度最大，同時也是三維外觀檢測的重點，如管腳棧高和管腳共面度等的檢測。該問題主要有兩個關(guān)鍵技術(shù)：硬件采圖和軟件算法。硬件采圖裝置的光路原理直接決定了軟件計算芯片三維指標(biāo)的方法，同時它所采集的圖像質(zhì)量直接影響著軟件算法的復(fù)雜度和檢測精度，因此硬件采圖裝置的光路設(shè)計顯得尤為重要。在實際生產(chǎn)中，QFP芯片的種類繁多，外形尺寸范圍跨度大（如外形尺寸從5 mm×5 mm~40 mm×40 mm），如何設(shè)計一個光路可以采集高質(zhì)量圖像，同時可以對各種規(guī)格芯片進(jìn)行可靠成像并滿足軟件處理要求，也是一個技術(shù)難點。

圖1 芯片檢測項目在QFP芯片檢測領(lǐng)域，國外起步較早，目前國內(nèi)尚無成熟的相關(guān)產(chǎn)品，國外代表廠家為美國的KLATencor、SCANNERTECH和Coherix以及馬來西亞的TTVision等。KLATencor采用特有的陰影檢測技術(shù)，通過精確的打光傾斜照射管腳，管腳的陰影將投射到一個半透明玻璃平臺，分析每個管腳不同角度打光下影子的尺寸，重構(gòu)管腳的三維坐標(biāo)，該方案對打光要求高，并且標(biāo)定復(fù)雜，同時軟件實現(xiàn)難度較大。

SCANNER公司和TTVision公司采用單相機加棱鏡方式獲取芯片五面圖像，通過圖像處理算法計算三維指標(biāo)。該方案芯片檢測時有下降動作，降低了檢測效率。Coherix公司采用三相機成像的方式檢測芯片的三維指標(biāo)，三套圖像采集系統(tǒng)增加了硬件成本，同時增加了標(biāo)定的難度。

本文針對目前視覺檢測裝置的不足和工業(yè)的實際需求，提出了一種新的QFP芯片的三維外觀視覺檢測光路，該光路已成功應(yīng)用在外觀檢測設(shè)備上，并較好地滿足了實際生產(chǎn)要求。

2光路設(shè)計方法

根據(jù)前面的分析，為了克服現(xiàn)有裝置的不足，本文提出了一種新的光路設(shè)計方法。針對芯片三維指標(biāo)求取難以及多相機成像硬件成本高的問題，本光路采用1個數(shù)字相機加4個平面反射鏡的方式，在一個視場內(nèi)同時對芯片的五面（芯片底面和四側(cè)面）采圖。針對芯片外形尺寸范圍跨度大導(dǎo)致的成像困難問題，本光路采用平行光路設(shè)計。針對芯片輸送過程中有下降動作的問題，本光路采用特殊的U行反光板打光方式，可使芯片在輸送過程中平行移動到采圖裝置上方而無需下降動作。此外，本光路采用LED條行光背光照明，另加大景深鏡頭，從而保證了芯片成像均勻，對比度高，有利于提高整個裝置的檢測精度。

如圖2（a）和圖2（b）所示，該光路主要包括吸取機構(gòu)1、U形反光板2、兩個光源3、待測芯片4、四個平面反射鏡5、鏡頭6、相機7及工作距離調(diào)節(jié)機構(gòu)8。其中吸取機構(gòu)1負(fù)責(zé)吸取待檢測芯片4至檢測位，檢測完成后，吸取芯片1離開檢測位。U形反光板2安裝在吸取機構(gòu)1上，隨吸取機構(gòu)一起動作，起反光作用。兩個光源3安裝在U形反光板2和平面反射鏡5之間，起打光作用。四個平面反射鏡5以一定的角度安裝在四面，起改變光路的作用。鏡頭6為一大口徑、大景深鏡頭，安裝在相機7上。相機7安裝在工作距離調(diào)節(jié)機構(gòu)8上，工作時對芯片4進(jìn)行采圖。若要采集清晰的圖像，鏡頭前端面離芯片之間的距離（以下稱工作距離）必須合適，因此工作距離調(diào)節(jié)機構(gòu)8負(fù)責(zé)對相機和鏡頭進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，把相機和鏡頭調(diào)節(jié)到一個合適的工作距離。

下面將對該光路原理進(jìn)行詳細(xì)的敘述。

圖2（a）為主視光路示意圖，表達(dá)了待檢測芯片底面成像的光路原理；圖2（b）為右視光路示意圖（除去光源），表示了待檢測芯片側(cè)面1和側(cè)面3成像的光路原理；圖2（c）為主視光路示意圖，表達(dá)了待檢測芯片側(cè)面2和側(cè)面4成像的光路原理。

圖2光路原理圖針對三維成像問題，本光路采用單個數(shù)字相機和4個平面反射鏡在一個相機視場內(nèi)同時對芯片底面和四側(cè)面成像，打光原理如圖2所示。采集的圖像主要有兩部分：芯片4底面（見圖3）視圖和芯片4四側(cè)面視圖（如圖4所示）。芯片4底面成像原理如圖2（a）所示，光源發(fā)出的光照射在U形反光板2上，把U形反光板2內(nèi)部整個區(qū)域照亮，經(jīng)U形反光板2反射后照射在芯片底面4，從而在相機中成像，成像光路如圖2（a）中的細(xì)實線部分，一成像實例的效果如圖4中的底面視圖。芯片4四側(cè)面（如圖3）成像根據(jù)打光方式的不同分為兩組，側(cè)面1和側(cè)面3為一組，記為A組，側(cè)面2和側(cè)面4為一組，記為B組。A組的成像原理如圖2（b）所示，光源發(fā)出的光照射在U形反光板2上，把U形反光板2內(nèi)部整個區(qū)域照亮，經(jīng)U形反光板2側(cè)面反射的光透射芯片側(cè)面1和側(cè)面3的管腳，經(jīng)平面鏡反射后垂直入射鏡頭，在相機上成像，成像光路如圖2(b)中的細(xì)實線部分，一成像實例的效果如圖4中的側(cè)面視圖1和側(cè)面視圖3。B組的成像原理如圖2（c）所示，光源發(fā)出的光直接透射芯片側(cè)面2和側(cè)面4的管腳，經(jīng)平面鏡反射后垂直入射鏡頭，在相機上成像，成像光路如圖2（c）中的細(xì)實線部分所示，一成像實例的效果見圖4中的側(cè)面視圖2和側(cè)面視圖4。

圖3待測芯片

圖4芯片成像圖對芯片底面視圖（圖4芯片的底面視圖）進(jìn)行數(shù)字圖像處理后，可以求芯片的二維指標(biāo)；對芯片四側(cè)面視圖（圖4芯片的側(cè)面視圖）進(jìn)行數(shù)字圖像處理后，可以求出芯片的三維指標(biāo)，如管腳棧高。三維指標(biāo)求取原理如圖5所示。

圖5三維成像原理圖圖5中SV為芯片側(cè)面視圖管腳的長度，可對芯片側(cè)面視圖進(jìn)行數(shù)字圖像處理后求出；θ角為一固定角度，由機械結(jié)構(gòu)設(shè)計決定；fb是待測芯片的固有參數(shù)，由芯片設(shè)計廠家提供；stoff為待求三維指標(biāo)，即管腳棧高。stoff的求解公式如公式1：stoff=SVcos θfbtan θ(1)成像過程中，由于入射光線都是垂直鏡頭前端面入射（各入射光線均平行），所以只需對鏡頭進(jìn)行平面標(biāo)定即可，無需三維標(biāo)定，大大降低了標(biāo)定難度。同時該光路借助單個相機和4個平面反射鏡，把芯片的底面視圖和側(cè)面視圖同時成像在一個視場內(nèi)，對圖片進(jìn)行數(shù)字圖像處理時，無需進(jìn)行多坐標(biāo)系變換，從而降低了軟件處理難度。此外，該光路通過單個相機即完成三維測量的任務(wù)，相對三個相機成像光路而言，大大降低了視覺檢測裝置的硬件成本。

針對不同規(guī)格的芯片檢測問題，該光路采用平行光路設(shè)計，當(dāng)芯片尺寸發(fā)生變化時，經(jīng)U形反光板或平面反射鏡反射后的光線平行移動，并且光線在移動的同時，芯片底面和側(cè)面成像的入射光線始終都是垂直鏡頭入射，因此只需對該光路標(biāo)定一次。當(dāng)更換芯片規(guī)格時，無須重新標(biāo)定，且不用更換任何零部件，因此一套外觀檢測裝置可以檢測各種型號的QFP芯片（可檢測的芯片外形尺寸范圍為5 mm×5 mm~40 mm×40 mm），從而增強了視覺檢測裝置的通用性。

針對檢測時待測芯片有下降動作的問題，本光路采用特殊的U形反光板設(shè)計，反光板除了給芯片底面成像打光外，同時還對芯片其中的兩側(cè)面成像打光，這樣使得視覺檢測裝置上端可以設(shè)計一缺口，如圖6所示。檢測時，吸取頭可帶動待測芯片平行移動到視覺裝置上方，無需下降動作即可開始采圖（見圖6、圖7），這縮短了芯片輸送時間，提高了檢測效率。

圖6芯片平行移動過程狀態(tài)圖3實驗結(jié)果

圖8是用該光路設(shè)計的裝置采集的圖片效果圖。可以看出，芯片的五面同時在一個相機視場內(nèi)成像，并且成像均勻、對比度高。用該裝置對測試芯片進(jìn)行拍照采集圖片，采集的圖片經(jīng)過軟件處理計算芯片各個管腳的各個檢測項目的值，對同一測試芯片連續(xù)采集和計算100次，把這100次計算的值分別求平均值，將該平均值作為該芯片各個管腳各個檢測項的測試值，然后把該測試值與芯片相應(yīng)管腳相應(yīng)檢測項的標(biāo)準(zhǔn)值取差值并求絕對值得絕對誤差，該芯片各個管腳的某一檢測項的最大絕對誤差即為該檢測項的檢測精度，依此方法求出各個檢測項的檢測精度。

圖7芯片在檢測位時的狀態(tài)（沒有向下的位移）圖8采集圖片效果圖

測試中共用了10個測試芯片（芯片各個管腳各個檢測項的標(biāo)準(zhǔn)值已知），芯片的型號為QFP64（每邊共16個管腳）。經(jīng)測試，各個芯片的各檢測項的檢測精度均小于15 μm，達(dá)到視覺行業(yè)檢測標(biāo)準(zhǔn)，表明了應(yīng)用該光路采集的圖片滿足軟件處理要求。表1中列出了某測試芯片1~16號管腳的管腳寬度和管腳棧高的檢測結(jié)果。

4結(jié)語

本文提出了一種新的芯片三維外觀檢測光路設(shè)計方法。該光路成像均勻，并且采集的圖片對比度高。在滿足軟件處理要求的情況下，該光路可對大尺寸范圍內(nèi)的芯片進(jìn)行可靠成像。相對目前的視覺檢測裝置，該光路降低了軟件處理難度、標(biāo)定難度及視覺裝置硬件成本，減少了芯片輸送時間，有利于提高整個檢測系統(tǒng)的檢測效率。該光路已成功應(yīng)用在QFP外觀檢測設(shè)備上，應(yīng)用結(jié)果表明，它能夠滿足工業(yè)實際生產(chǎn)要求。同時，該光路也存在一定的不足：U行反光板設(shè)計思路，導(dǎo)致了反光板尺寸較大，實際應(yīng)用時，給外觀檢測設(shè)備機械手的設(shè)計帶來不便，在以后的工作中，將對反光板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

［1］楊勇.一種集成芯片引腳外觀檢測系統(tǒng)的研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2002，23（5）:7476.

［2］許國慶.基于機器視覺的IC芯片外觀檢測系統(tǒng)［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2010.

［3］牛一帆.機器視覺在印刷質(zhì)量檢測中的應(yīng)用［J］.印刷質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化，2009(9):4346.

［4］PHAM D T， ALCOCK R J. Automated grading and defect inspection：a review \\[J\\]. Forest Products Journal，1998， 48 (4): 3442．

［5］NEWMAN T S， JAIN A K. A survey of automated visual inspection \\[J\\].Computer Vision and Image Understanding， 1995， 61 (2): 231262．

［6］JARVIS J F. Research directions in industrial machine vision：a workshop summary \\[J\\]. Computer， 1982， 15 (12): 5561.

［7］吳敏金.圖像形態(tài)學(xué)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1991.

［8］萬宏輝，朱更明.D I P外觀缺陷機器視覺檢測系統(tǒng)［J］.邵陽學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2007（4）:5457.

［9］唐向陽，張勇，李江有，等.機器視覺關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用展望［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報:理工版，2004，29（2）：3639.

［10］段峰，王耀南.機器視覺技術(shù)及其應(yīng)用綜述［J］.自動化博覽，2002(3):5961.

［11］李淑慧.智能化橋檢車圖像采集分析系統(tǒng)設(shè)計與研究\\[J\\].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33(3)：154156.