專利名稱：用于二維和三維圖像檢測的系統(tǒng)的制作方法
用于二維和三維圖傳驗測的系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明一般性涉及進(jìn)行三維(3-D)和二維(2-D)標(biāo)準(zhǔn)分 析的檢測系統(tǒng)。尤其涉及，所述三維和二維標(biāo)準(zhǔn)分析被用于進(jìn)行集成 電路(IC)器件的檢測。
背景技術(shù)：
存在制造用于檢測如半導(dǎo)體封裝的引線和焊球的電子元件 的IC器件的需求。 一些系統(tǒng)對半導(dǎo)體封裝的單獨的二維和三維檢測是 可利用的。
美國專利第5,956,134號公開一種引線檢測系統(tǒng)，當(dāng)該引線導(dǎo)體封裝的二維和三維測量。這個系統(tǒng)包括第一光傳感器，如CCD攝 像機，用于獲取半導(dǎo)體器件封裝的二維圖像并將該圖像與存儲在中央 處理器(CPU)中預(yù)定的二維圖像進(jìn)行比較。高強度光源，如激光器， 產(chǎn)生從半導(dǎo)體封裝的引線反射到生成了三維圖像的第二光傳感器(如 另一個CCD攝像機)的光平面。中央處理器將三維圖像和預(yù)定或計算 過的引線的位置關(guān)系進(jìn)行比較，從而建立引線頂端的共面性，或缺少 共面性。這個系統(tǒng)還包括傳感器，該傳感器的位置使半導(dǎo)體封裝位于 攝像機視野范圍內(nèi)的中心以獲取各個圖像。"13 4"的缺點在于它對于二 維和三維在^L野范圍內(nèi)分別具有不同的中心，并且在沖企測可以進(jìn)行之 前需要單獨的機械結(jié)構(gòu)對目標(biāo)器件進(jìn)行挑選和定向。
美國專利第6,118,540號公開一種用于自動檢測封裝的半 導(dǎo)體器件的二維和三維標(biāo)準(zhǔn)的檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)采用單個攝像機 和一些激光源。提供二維光源對進(jìn)行檢測的物體照明。單個攝像機獲 取物體的圖像。這通過連接到系統(tǒng)的計算機提供用于二維分析的圖像 數(shù)據(jù)。多個激光源為三維標(biāo)準(zhǔn)測量的進(jìn)行提供照明。這個系統(tǒng)的一個 缺點是對于二維和三維檢測都使用同一個攝像機，使檢測通量減慢。 二維和三維標(biāo)準(zhǔn)輸入數(shù)據(jù)的數(shù)量的不同，成為只運用一個攝像機的檢 測系統(tǒng)的檢測速度的瓶頸。
美國專利第6,291,816號公開一種運用二維和三維掃描裝 置的成像系統(tǒng)。二維掃描裝置對物體的選定區(qū)域進(jìn)行預(yù)掃描。來自二 維掃描裝置的數(shù)據(jù)用于預(yù)先確定包含三維特征的興趣區(qū)，并控制三維掃描裝置。二維掃描裝置包括線陣攝像機(line camera)或面陣攝像機 (area array camera )。三維掃描裝置包括用于三維照明的激光器，聲光 (AO)偏轉(zhuǎn)器和位置敏感探測器(PSD)。該系統(tǒng)復(fù)雜且安裝成本高。
對相對簡單、緊密且安裝成本低并且同時改進(jìn)三維檢測速 度的檢測系統(tǒng)的需求仍然存在。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明指向?qū)㈦娮悠骷脑亩S檢測和三維檢測結(jié)合 在一個緊湊模塊中的檢測系統(tǒng)。本發(fā)明中的檢測系統(tǒng)包括用于檢測 元件的二維標(biāo)準(zhǔn)的二維圖像獲取裝置；用于檢測元件的三維標(biāo)準(zhǔn)的三維圖像獲取裝置；和連接到二維圖像獲取裝置和三維圖像獲取裝置用 于分析二維和三維圖像的處理單元。三維圖像獲取裝置包括三維圖像傳感器和三維光源。優(yōu)選地，三維光源是能夠產(chǎn)生基本垂直于電子器
件所在平面的平面層狀光(planar sheet of light)的激光器。二維圖像 獲取裝置包括二維傳感器和位于支架上方的二維光源。二維和三維圖 像獲取裝置的排列使得電子器件被固定在同 一位置時可以完成二維和三維;險測。
本發(fā)明將二維和三維檢測功能結(jié)合在一個帶有分光鏡的模 塊中。二維和三維系統(tǒng)的排列使它們在視野范圍內(nèi)具有相同的中心。 由于不同需要和選擇標(biāo)準(zhǔn)用到不同的攝像機。二維攝像機是常規(guī)攝像 機，典型的是CCD攝像機。二維攝像機致力于檢測如焊球/引線的位置 和尺寸的二維特征以及器件表面的瑕瘋等。三維攝像機是帶有與高速 數(shù)據(jù)處理硬件單元配合工作的可編程窗口尺寸的高速CMOS傳感攝像 機。


將下文中示例性實施例的詳細(xì)描述與附圖相結(jié)合，本發(fā)明 的優(yōu)點和新穎特征將變得明顯。
圖1表示代表根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的檢測系統(tǒng)的基本 布置的結(jié)構(gòu)圖。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的三維圖像獲取裝置的 結(jié)構(gòu)。
圖3對三維數(shù)據(jù)分析進(jìn)行圖解說明。
圖4表示本發(fā)明的檢測系統(tǒng)的主視圖。
圖5表示將二維成像系統(tǒng)和三維照明相結(jié)合的光學(xué)儀器。圖6表示三維圖像獲取裝置的可替換結(jié)構(gòu)，其中只用到一個三維攝像機。圖7表示三維圖像獲取裝置的另一個可替換結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu) 滿足高度和空間限制的需求。圖8表示球柵陣列(BGA)器件和沿一行焊球排列的激光 的三維圖像的俯視圖。圖9表示用于檢測系統(tǒng)以增加圖像的幀速的帶有可編程窗 口尺寸的CMOS圖像傳感器。
具體實施例方式圖1表示代表根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的檢測系統(tǒng)的基本 布置的結(jié)構(gòu)框圖。本發(fā)明的檢測系統(tǒng)由四個基本組件組成二維圖像 獲取裝置101,該裝置包括二維光源102和二維傳感器103;三維圖像 獲取裝置104，該裝置包括三維光源105以及一個或兩個三維傳感器 106;主可編程計算機(PC) 108;以及高速圖像處理器107。 二維光 源101對將要檢測的電子器件如IC封裝進(jìn)行照明。然后電子器件元件 的二維圖像被二維傳感器102獲取。二維圖像被傳送到執(zhí)行二維圖像 處理任務(wù)的主機108。同時，三維光源105被激活，照亮固定在同一位 置的器件。元件的三維圖像被三維傳感器106獲取。來自傳感器106 的原始圖像被傳送到實時對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行重整并提取激光中線的高速 圖像處理器107。由圖像處理器107提取的激光線被主機108讀取，以 計算如焊球高度、共面性和折曲度等三維參數(shù)。主機108計算二維和 三維檢測結(jié)果以確定是否拒絕或接受關(guān)于預(yù)定規(guī)格的器件。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的三維圖像獲取裝置 104的結(jié)構(gòu)。圖2中省略了二維圖像獲取裝置101的細(xì)部圖，接下來將 參照圖4和圖5對其進(jìn)行描述。參看圖2，電子器件201放置在檢測臺 205上，并由常規(guī)支架(未標(biāo)明)支撐。器件201包括將要檢測的元件 202，如引線焊球(solder ball lead )(此處只標(biāo)出 一個焊J求)。在檢測過 程中，器件201與由攝像機106、 106'和激光器105組建構(gòu)成的三維傳 感器需要發(fā)生相對運動。圖2只表示出沿X方向運動的器件。另一種 可行的方法是，將器件保持靜止的同時移動三維傳感器。三維攝像機 106以相對于4全測臺205成銳角如45。的角度安裝在4全測臺205上。三 維光源105，優(yōu)選的是激光二極管，安裝在檢測臺205上方并能夠在器 件201上生成平面層狀光204。如圖2所示，三維光源105的位置使層 狀光204基本垂直于檢測臺205。為了提高檢測速度并減少由元件2()2 的高度造成的陰影效應(yīng)，提供第二三維圖像傳感器106'。此外，第二 三維傳感器106'也能夠檢測第一三維傳感器106的盲點。第二三維傳 感器106'相對于第一三維攝像機106對稱安裝。三維攝像機106和K)6' 可以是分別帶有透鏡402和402'的高速攝像機。工作過程中，三維光 源105給器件201提供照明，來自器件201表面的隨機反射光通過透 鏡402和402'成像并被三維攝像機106和106'接收。三維攝像機106 和106'可將變形的激光線203的投影偏差轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像。圖3說明如何從變形的激光線203計算出焊球高度。焊球202由 透鏡402以斜角(3觀察，并在檢測臺205上成像，假定焊球202在攝 像機106的焦距的高度范圍內(nèi)。焊球具有頂點C，最低點A和高度II， H等于頂點C與4企測臺205之間的距離。當(dāng)層狀光204擊中焊球202，
直的激光線203變形。激光線的投影偏差Z^與距離H之間的關(guān)系可 定義如下<formula>formula see original document page 9</formula>此處M是透鏡的放大率，L是透鏡402的光心與檢測臺205之間 的距離，d是透鏡402的光心與層狀光204之間的距離。L和d是需要 校準(zhǔn)的系統(tǒng)參數(shù)。以上關(guān)系式基于1 11這一假設(shè)，以便H相對于L 是可以忽略的。投影偏差I(lǐng)^可在圖像傳感器的成像臺上獲取。采用第 二三維纟l^象機106'和透鏡402'可完成相似計算。
圖4表示本發(fā)明的檢測系統(tǒng)的主視圖。帶有兩個攝像機106 和106'的三維圖像獲取裝置的結(jié)構(gòu)結(jié)合圖2進(jìn)行了描述。如圖4所示， 二維光源102安裝在器件201上方，但在三維光源激光器105的下方， 提供二維光學(xué)儀器401對器件圖像轉(zhuǎn)向，并使這個二維獲取裝置與三 維獲取裝置一體化。二維光源可以是環(huán)形發(fā)光二極管(LED)陣列。
參看圖5， 二維傳感器103是具有透鏡403的攝像機。二 維傳感器103可以是正常速度的二維攝像機，如電荷耦合元件(CCD) 或基于CMOS的攝像機。二維光學(xué)儀器401包括透射與反射比例是50: 50的分光鏡501，以及用于改變光學(xué)儀器方向的平面鏡502。如圖5所 示，激光器105和二維光源102共軸排列。在二維工作過程中，二維 光源102對器件照明。視野范圍(由虛線206表示)必須設(shè)計成能夠 覆蓋將要檢測的最大器件。0023]再次參看圖5,應(yīng)該注意的是二維纟企測獲取裝置101和三 維檢測獲取裝置103可相互獨立工作。由此得出結(jié)論，當(dāng)僅需要三維 檢測獲取裝置時，可去掉二維光學(xué)儀器401和二維傳感器(103和403 )。
圖6表示三維圖像獲取裝置104的可替換結(jié)構(gòu)。在這個實 施例中，只用到一個攝像機106。
圖7表示滿足高度和空間限制的另一個實施例。在這個實 施例中，用平面鏡收攏光學(xué)通道以減小物理高度，從而滿足限制高度 的情形。提供一對平面鏡403和404，用于將從器件201反射的光引導(dǎo) 到攝像機106。提供另 一對平面鏡403'和404',用于將從器件20.1反射 的光引導(dǎo)到攝像機106'。L0026]圖8表示包括平面襯底301和引線焊球302的典型的球柵 陣列(BGA)器件。為清楚起見，只標(biāo)出有代表性數(shù)量的引線。焊球 在連接到IC器件的導(dǎo)體的墊片(未標(biāo)出)上進(jìn)行再流處理。在檢測引 線焊球時，核實它們彼此之間以及與襯底的適當(dāng)位置十分重要。核實 所有引線的存在以及引線的共面性同樣重要。當(dāng)三維光源105對BGA 器件照明時，由三維攝像機106觀測到的一行引線焊球在圖8中表示 為303。三維圖像獲取裝置104繼續(xù)在運動之間的間隔距離處獲取圖像； 一系列類似303的圖像形成并被處理以提取出焊球的外形圖，從而使 系統(tǒng)能夠計算出焊球的高度。
圖9表示帶有可編程窗口尺寸的CMOS圖像傳感器。當(dāng)在 較小傳感區(qū)域工作時，圖像幀速可以更高。系統(tǒng)算法使得用于測量高 度和提高檢測畫面速度的圖像傳感器窗口尺寸內(nèi)的窗口興趣區(qū)更小。 幀速在1280 (水平)乘1024 (豎直)全解析時可高達(dá)500幀每秒，這
是CCD攝像機所不能達(dá)到的速率?？删幊檀翱诔叽绲奶卣魇蛊湓赿 、窗口運行得更快。當(dāng)采用80行的傳感區(qū)域時，本發(fā)明中可達(dá)到每秒6400 畫面的4企測速度。
基于本發(fā)明的裝置，當(dāng)器件201被固定在沿X方向的相同 位置時，可以完成二維檢測和三維檢測。此外，二維和三維圖像獲取 裝置可彼此獨立工作。這意味著當(dāng)僅需要三維檢測功能時，二維圖像 獲取裝置沒有被激活。
應(yīng)該理解，盡管對一些優(yōu)選實施例進(jìn)行了詳述，在不背離 本發(fā)明的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可作出各種其它變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1、 一種用于檢測電子器件的檢測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 用于將電子器件固定在檢測臺上的裝置；二維(2-D)檢測裝置，該裝置包括用于對電子器件照明的二維光 源，以及用于獲取電子器件的二維圖像的二維傳感器，所述二維光源 和二維傳感器設(shè)置于檢測臺的上方；及三維(3-D)檢測裝置，該裝置包括能夠在電子器件上生成層狀光 的三維光源，以及用于獲取電子器件的三維圖像的第一三維傳感器， 所述三維光源和第一三維傳感器設(shè)置于檢測臺的上方，并且所述三維 光源被定向以使層狀光基本垂直于檢測臺，其中二維檢測裝置和三維檢測裝置的排列使當(dāng)電子器件被固定在 同 一位置時可以完成二維4全測和三維4全測。
2、 如權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第二三維傳感器， 該傳感器設(shè)置于檢測臺上方并與第 一三維傳感器對稱排列。
3、 如權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其中第一三維傳感器的定向相 對于才企測臺成銳角。
4、 如權(quán)利要求2所述的檢測系統(tǒng)，其中第二三維傳感器的定向相 對于4企測臺成銳角。
5、 如權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其中第一三維傳感器包括三維 攝像機。
6、 如權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其中第二三維傳感器包括三維攝像機。
7、 如權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其中二維傳感器包括CCD攝像機或CMOS攝像機。
8、 如權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其中二維光源包括環(huán)形LED陣列。
9、 如權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其中二維成像系統(tǒng)和三維光源 共軸排列。
全文摘要
本發(fā)明公開一種檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)將二維檢測(用于檢測電子器件201的元件的二維標(biāo)準(zhǔn))和三維檢測(用于檢測電子器件201的元件的三維標(biāo)準(zhǔn))結(jié)合在一個模塊中。還提供了用于控制和數(shù)據(jù)分析的計算機。三維圖像獲取裝置包括三維圖像傳感器和三維光源(105)(優(yōu)選的是激光輻射的平面層狀光，基本垂直于電子器件的平面)。二維圖像獲取裝置包括二維傳感器(103和403)和二維光源(102)。當(dāng)電子器件被固定在同一位置時可以完成二維和三維檢測。
文檔編號H05K13/08GK101124453SQ200580030154
公開日2008年2月13日 申請日期2005年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月6日
發(fā)明者潘榮裕, 華 范, 陳學(xué)偉 申請人:精益視覺科技有限公司