CN102032872A - 基于阴影法的高密度bga焊料球高度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统及方法，该方法为：步骤1：开启SIP模块正上方的环形光源，从SIP模块上的正上方获取SIP模块上的BGA焊料球的无阴影图像，从所述的无阴影图像中获得BGA焊料球的半径R和焊料球中心点；步骤2：关闭环形电源，开启SIP模块侧上方的点光源，从SIP模块上的正上方获取SIP模块上的BGA焊料球的带阴影图像，从所述的带阴影图像中获得BGA焊料球中心点到阴影顶点的距离L；步骤3：通过几何关系计算焊料球高度H。该测量方法和系统易于实施，检测精度高，检测速度快。

Description

基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于阴影法的系统集成封装(SIP)器件中的高密度球栅阵列(Ball GridArray，BGA)焊料球高度测量设备和方法。

技术背景

随着IC(集成电路)技术的进步，继LSI(大规模集成电路)、VLSI(极大规模集成电路)、ULSI(超大规模集成电路)后，硅单芯片集成度难以继续提高，SIP(系统集成封装)将多种不同类型、不同工艺的芯片集成在一起进行封装，是提高集成密度的一种有效方法。在SIP中，BGA是实现芯片与基板甚至是芯片间互连的一种有效手段，具有组装成品率高、寄生参数减小，信号传输延迟小、封装体积小等优势，发展速度非常迅速。

为了控制产品质量，在BGA球栅阵列器件与其他器件互连之前，需要测量①BGA焊料球的高度，以确定所有焊料球的共面性；②BGA焊料球表面污染情况，以确定其是否需要清洗。在此基础上，③测量BGA焊料球是否缺失等。其中，BGA焊料球的高度的测量是技术的难点。

为此，中国发明专利(CN 1306582C)提出一种基于双目机器视觉的球栅阵列半导体器件品质检测系统，用两套CCD和光源来采集球栅阵列的图像信息，经过对顶部CCD摄像机所采集图像的处理，可以获取器件上焊料球的大小、形状、位置、间距等信息。经过对侧面CCD采集图像的处理，通过几何换算，可以从图像的二维信息中得到各个焊料球的高度信息，对焊料球的共面性进行评定。但是并未详细阐述测量焊料球高度的原理和方法，只是模糊地提到根据光学成像原理和几何关系来确定，无法确定其高度如何测量，且需要复杂的光学成像系统。美国发明专利(US 6177682 B1)公布了一种利用BGA球阴影来估计铅锡焊料球的方法，用X射线或者可见光从不同角度形成焊料球的阴影，将光线与焊料球的切点作为球顶点的近似点，通过预先设定的修正方法来修正这种测量的误差。但是，该方法要求光源与基板的夹角在10-40°之间，以使得切点与顶点尽可能接近，这对于SIP中的高密度焊料球(间距小于焊料球直径1.5倍)而言是不可行的，过小的光源与基板的夹角将使得阴影投影到相邻的焊料球，无法测定阴影的长度，此外，目前已经不使用含铅焊料，且由于SIP具有多层结构，基于X射线的方法不能确定所得阴影是否是焊料球的阴影，因此难以精确测定SIP中焊料球的高度。

因此有必要研制一种光学成像系统结构简单、测量精度高、适用于测定SIP中高密度BGA焊料球高度的系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统及方法，该测量系统结构简单，易于实施，检测精度高，检测速度快。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统，在平板上设有支架；在平板上设有带X轴导轨的X轴电移台，可在X轴电移台上沿X轴导轨滑动的Y轴电移台上设有Y轴导轨，SIP模块夹具设置在Y轴导轨上并可以沿Y轴导轨滑动；

CCD摄像机以竖直方向安装在支架上，CCD摄像机的下方设有光学放大镜头；SIP模块夹具和光学放大镜头之间设有环形光源，SIP模块夹具的侧上方设有点光源；

CCD摄像机的图像数据输出端与微处理器相连接；

微处理器中具有无阴影图像处理单元用于从CCD摄像机获取的SIP模块上的BGA焊料球的无阴影图像中获得BGA焊料球的半径R和焊料球中心点；获取无阴影图像时，环形光源开启，点光源关闭；

微处理器中具有带阴影图像处理单元用于从CCD摄像机获取的SIP模块上的BGA焊料球的带阴影图像中获得BGA焊料球中心点到阴影顶点的距离L；获取带阴影图像时，环形光源关闭，点光源开启；

微处理器中具有焊料球高度计算单元用于计算焊料球高度H的值，焊料球高度H为：

其中，α为点光源光线方向与CCD摄像机镜头中心线之间的夹角的余角。

CCD摄像机竖直方向通过Z轴电移台安装在支架上，Z轴电移台上设有竖直方向的导轨，CCD摄像机可以沿Z轴导轨移动。

所述的点光源为多个，此时，带阴影图像处理单元获取的BGA焊料球中心点到阴影顶点的距离L为多个BGA焊料球中心点到阴影顶点的距离的平均值。

所述的点光源为4个，4个点光源相对于SIP模块夹具的中心水平周向均匀分布。

一种基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：开启SIP模块正上方的环形光源，从SIP模块上的正上方获取SIP模块上的BGA焊料球的无阴影图像，从所述的无阴影图像中获得BGA焊料球的半径R和焊料球中心点；

步骤2：关闭环形电源，开启SIP模块侧上方的点光源，从SIP模块上的正上方获取SIP模块上的BGA焊料球的带阴影图像，从所述的带阴影图像中获得BGA焊料球中心点到阴影顶点的距离L；

步骤3：计算焊料球高度H：

焊料球高度H为：其中，α为点光源光线方向与CCD摄像机镜头中心线之间的夹角的余角。

一种基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量方法，采用前述的基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统；

具体包括以下步骤：

步骤1：开启SIP模块正上方的环形光源，从SIP模块上的正上方获取SIP模块上的BGA焊料球的无阴影图像，从所述的无阴影图像中获得BGA焊料球的半径R和焊料球中心点；

步骤2：关闭环形电源，开启SIP模块侧上方的点光源，从SIP模块上的正上方获取SIP模块上的BGA焊料球的带阴影图像，从所述的带阴影图像中获得BGA焊料球中心点到阴影顶点的距离L；

步骤3：计算焊料球高度H：

焊料球高度H为：

其中，α为点光源光线方向与CCD摄像机镜头中心线之间的夹角的余角。

有益效果：

采用本发明的有益效果有：

1)图像成像系统结构简单。只采用一个CCD、一套LED低角度环形光源和一套高亮度LED点光源，分两次成像，即可实现焊料球高度的测量。但是不限于一套高亮度LED点光源，也可以是一个CCD、一套LED低角度环形光源和四套高亮度LED点光源，分五次成像，以提高焊料球高度测量的精度。详细情况见“实施例2”。

2)焊料球高度计算算法准确。利用焊料球的BGA焊料球的中心坐标、半径、中心到阴影顶点的距离，可以准确地计算出焊料球高度，没有计算原理的误差和近似，算法准确而简单。

3)焊料球高度检测速度快。由于系统的结构简单，可以在普通的环境下使用；同时算法准确，因此具有检测速度快的特点，在普通微机(Intel Core2 Duo T5500CPU，1G内存)上可在0.5秒内处理20个以上焊料球。

4)焊料球高度检测精度高。由于在高分辨率CCD摄像机(200万像素)前面安装了近距镜头或者光学放大镜头，所形成焊料球的图像清晰，一个图像像素等于实际1-5微米的成像精度。可实现误差小于1微米的焊料球高度检测。

5)可测量信息多。不仅可以测定焊料球高度，还可以测定焊料球位置、半径、形状、表面污染情况。

附图说明

图1基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统的逻辑结构

图2基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统的机械结构；(图2中光学放大镜头是垂直放置的，其中水平的突出部分是一个光源接口，在这里没有用到。)

图3LED低角度环形光源、高亮度LED点光源、SIP模块、CCD摄像机之间的相对位置关系

图4由正面图像处理得到焊料球的形状、中心坐标、半径

图5由阴影图像处理得到焊料球中心到阴影顶点的距离

图6BGA焊料球中心到阴影顶点的距离、半径、光照角度与高度的几何关系

图7冗余实施方案的LED点光源布置

标号说明：1、光学平板；2、门式框架横梁；3、门式框架立柱；4、Z轴电移台；5、门式框架横梁；6、门式框架立柱；7、CCD摄像机；8、光学放大镜头；9、环形光源支架；10、LED低角度环形光源；11、X轴电移台；12、Y轴电移台；13、SIP模块夹具；14、高亮度LED点光源；15、点光源支架。16-第二高亮度LED点光源；17-第三高亮度LED点光源；18-第四高亮度LED点光源；19-SIP模块，20-高亮度LED点光源光线方向；21-CCD摄像机中心线(LED低角度环形光源中心线、光学放大镜头中心线)。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明利用BGA焊料球阴影和BGA焊料球直径信息来测定BGA焊料球高度，该系统包括系统硬件和软件两部分，其中硬件包括光学成像和运动平台两部分；软件包括图像处理、运动控制和用户交互界面三个模块。系统的逻辑结构如图1，机械结构如图2。

所述光学成像部分包括CCD摄像机、光学放大镜头、LED低角度环形光源和高亮度LED点光源、环形光源支架、点光源支架。

所述软件的图像处理模块对光学成像中CCD摄像机所获得的BGA焊料球的灰度图像进行二值化、阈值分割、边缘提取、圆拟合、椭圆拟合等运输，获得BGA焊料球的中心坐标、半径、阴影长度等信息，并进而计算出BGA焊料球的高度、判断表面是否有污染物、形状是否规则等。

所述运动平台包括光学平板、门式框架立柱、门式框架横梁、X、Y、Z轴电移台、电移台驱动器、电移台控制器、SIP模块夹具、主控计算机。运动平台的X、Y轴电移台固定在光学平板上，X、Y轴电移台正交，并与光学平板平面平行；Z轴电移台固定在门式框架横梁上，门式框架横梁通过门式框架立柱固定在光学平板上并与光学平板垂直，并确保Z轴电移台与光学平板垂直。X\Y\Z轴电移台由松下A4-400W伺服电机或直线电机或步进电机等驱动，电机通过控制器控制并驱动，可以实现1-5微米的定位精度。

所述CCD摄像机安装在运动平台的Z轴电移台上并与X/Y轴电移台所构成的平面垂直；SIP模块夹具(采用负压吸附或机械夹持等方法夹住SIP模块)安装在X、Y轴所确定的水平面上，SIP模块装夹后BGA焊料球朝上，面向200万像素的HD-SV20000FM型CCD摄像机。光学放大镜头(放大2倍)安装在CCD摄像机的下方，镜头中心与CCD中心重合以便形成焊料球清晰、放大的图像，实现一个图像像素等于实际1-5微米的成像精度。

所述LED低角度环形光源和高亮度LED点光源通过环形光源支架和点光源支架分别固定在门式框架横梁上，LED低角度环形光源中心与CCD中心重合，高亮度LED点光源光线方向与水平面夹角α为30-60度。被测SIP模块放置在LED低角度环形光源中心位置，与环形光源距离L为1-20mm，以形成清晰的图像；被测SIP模块与高亮度LED点光源的距离依亮度而定，以不与LED低角度环形光源干涉，能形成焊料球阴影为准，如图3。

所述软件的运动控制模块提供上述运动平台的驱动支持，实现SIP模块与CCD镜头之间的任意相对位置和相对距离，以在CCD中形成SIP模块中所需部分的清晰图像；

所述软件的用户交互界面模块在图像处理和运动控制软件的支持下，向用户提供测量过程的所需支持，如：测量范围确定、测量轨迹确定、测量结果统计、测量结果保持等。

系统测量SIP模块中高密度BGA焊料球高度的原理为：首先主控计算机控制开启LED低角度环形光源(关闭高亮度LED点光源)，通过CCD摄像机采集到焊料球正面的图像信息，图像经软件处理后，得到BGA焊料球的形状、中心坐标(x，y)、半径(R)等信息，如图4；然后开启高亮度LED点光源(关闭LED低角度环形光源)，从CCD摄像机中获得焊料球侧面及其阴影图像，通过图像处理软件，获得BGA焊料球中心到阴影顶点的距离(L)，如图5，如果阴影为不规则椭圆，则表明焊球表面有污染物，据此可以检测焊球表面的污染物情况。由上述获得的BGA焊料球的中心坐标(x，y)、半径(R)、焊料球中心到阴影顶点的距离(L)，根据图6所示的BGA焊料球中心到阴影顶点的距离、半径、光照角度与高度的几何关系，采用以下公式：

$H=(L-\frac{R}{\sin \left(\mathrm{\α}\right)})\×\tan \left(\mathrm{\α}\right)+R$

可以计算出焊料球的高度(H)，其中α为点光源光线方向与CCD摄像机中心夹角的余角，在安装的时刻即已经确定。实际应用中可以同时采集多个焊球图像，同时测量其高度。

根据所测得的SIP模块中焊料球的高度，可以进一步评定焊料球的平均高度、最小高度、最大高度以及最小与最大高度差，为SIP模块产品质量评定提供依据。

实施例1：

如图1所示，基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统简化实施方案。光学成像系统包括一台CCD摄像机、一个光学放大镜头、一个LED低角度环形光源和一个高亮度LED点光源。

SIP模块通过负压固定在SIP模块夹具上，BGA焊料球朝上，面对200万像素的CCD摄像机，通过光学放大镜头，可以在视野内获得20个直接为300微米的焊料球清晰图像。所述的LED低角度环形光源中心与CCD摄像机中心重合，LED低角度环形光源与SIP模块的距离为5mm；高亮度LED点光源光线中心与水平面的夹角α为45°，与SIP模块的距离为20mm。采用上述方案可以获得边缘清晰的BGA焊料球正面和阴影图像。

高度测量实现过程为：①主控计算机控制开启LED低角度环形光源(关闭高亮度LED点光源)，通过CCD摄像机采集焊料球正面图像信息；②主控计算机控制X/Y轴电移台运动，扫描预先设定的区域，同时由图像处理算法，计算出所有BGA焊料球的中心坐标、半径、形状等信息，并将被测工件图像信息和计算结果重叠显示在屏幕上。③根据用户的选择，对选定区域的BGA焊料球进行测高。此时，主控计算机根据前述扫描过程所获得的信息，定位需要测高的区域，然后开启高亮度LED点光源(关闭LED低角度环形光源)，从CCD摄像机中获得焊料球侧面及其阴影图像，通过图像处理如昂吉安，获得需要测高区域所有BGA焊料球的阴影形状信息、焊料球中心到阴影顶点的距离。④最后，由上述的每个BGA焊料球的中心坐标、半径、焊料球中心到阴影顶点的距离；根据公式

所确定的关系，可以准确计算出需要测高区域所有BGA焊料球的高度。⑤测高完成后，测高区域所有BGA焊料球的阴影图像及其处理结果将叠加显示在屏幕上，用户可以随意选择感兴趣的焊球查看图像和处理细节。

根据测定的焊料球平均直径和高度以及预设的范围，还可以将超差的焊料球以不同的颜色显示，以便用于查看。如果焊料球表面有污染物附着，则其正面图像处理后的形状不是圆，必定有突出部分，据此也可以判定焊料球表面污染情况，在污染比较严重情况下，也可以提示用于进行必要的清洗处理。根据所测得的SIP模块中焊料球的高度，可以进一步评定焊料球的平均高度、最小高度、最大高度以及最小与最大高度差，为SIP模块产品质量评定提供依据。

实施例2：基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统冗余实施方案

基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统冗余实施方案与上述的基本实施方案类似，所不同的是冗余实施方案有4个高亮度LED点光源，其高度相同，光线中心与CCD摄像机中心的夹角相同，且均匀布置在CCD摄像机四周，如图7。

在实现过程中，完成工件扫描后，对测量感兴趣区域BGA焊料球阴影时，依次开启四个光源，对同一个焊料球将获得四个不同方向的阴影图像，计算出四个焊料球中心到阴影顶点的距离L。然后，利用正面图像处理获得的BGA焊料球的中心坐标(x，y)、半径R，同样利用公式

可以计算出焊料球的4个高度值。四个高度值互相校正，可进一步减小测量误差，提高精度。

Claims (6)

1.一种基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统，其特征在于，在平板上设有支架；在平板上设有带X轴导轨的X轴电移台，可在X轴电移台上沿X轴导轨滑动的Y轴电移台上设有Y轴导轨，SIP模块夹具设置在Y轴导轨上并可以沿Y轴导轨滑动；

CCD摄像机以竖直方向安装在支架上，CCD摄像机的下方设有光学放大镜头；SIP模块夹具和光学放大镜头之间设有环形光源，SIP模块夹具的侧上方设有点光源；

CCD摄像机的图像数据输出端与微处理器相连接；

微处理器中具有无阴影图像处理单元用于从CCD摄像机获取的SIP模块上的BGA焊料球的无阴影图像中获得BGA焊料球的半径R和焊料球中心点；获取无阴影图像时，环形光源开启，点光源关闭；

微处理器中具有带阴影图像处理单元用于从CCD摄像机获取的SIP模块上的BGA焊料球的带阴影图像中获得BGA焊料球中心点到阴影顶点的距离L；获取带阴影图像时，环形光源关闭，点光源开启；

微处理器中具有焊料球高度计算单元用于计算焊料球高度H的值，焊料球高度H为：其中，α为点光源光线方向与CCD摄像机镜头中心线之间的夹角的余角。

2.根据权利要求1所述的基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统，其特征在于，CCD摄像机竖直方向通过Z轴电移台安装在支架上，Z轴电移台上设有竖直方向的导轨，CCD摄像机可以沿Z轴导轨移动。

3.根据权利要求1所述的基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统，其特征在于，所述的点光源为多个，此时，带阴影图像处理单元获取的BGA焊料球中心点到阴影顶点的距离L为多个BGA焊料球中心点到阴影顶点的距离的平均值。

4.根据权利要求3所述的基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统，其特征在于，所述的点光源为4个，4个点光源相对于SIP模块夹具的中心水平周向均匀分布。

5.一种基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：开启SIP模块正上方的环形光源，从SIP模块上的正上方获取SIP模块上的BGA焊料球的无阴影图像，从所述的无阴影图像中获得BGA焊料球的半径R和焊料球中心点；

步骤2：关闭环形电源，开启SIP模块侧上方的点光源，从SIP模块上的正上方获取SIP模块上的BGA焊料球的带阴影图像，从所述的带阴影图像中获得BGA焊料球中心点到阴影顶点的距离L；

步骤3：计算焊料球高度H：

焊料球高度H为：

其中，α为点光源光线方向与CCD摄像机镜头中心线之间的夹角的余角。

6.一种基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的基于阴影法的高密度BGA焊料球高度测量系统；

具体包括以下步骤：

步骤1：开启SIP模块正上方的环形光源，从SIP模块上的正上方获取SIP模块上的BGA焊料球的无阴影图像，从所述的无阴影图像中获得BGA焊料球的半径R和焊料球中心点；

步骤2：关闭环形电源，开启SIP模块侧上方的点光源，从SIP模块上的正上方获取SIP模块上的BGA焊料球的带阴影图像，从所述的带阴影图像中获得BGA焊料球中心点到阴影顶点的距离L；

步骤3：计算焊料球高度H：

焊料球高度H为：

其中，α为点光源光线方向与CCD摄像机镜头中心线之间的夹角的余角。

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