CN102072700B - 一种基于投影莫尔原理的共面度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于投影莫尔原理的共面度测量系统，包括冷光源(1)，准直透镜(2)，CCD摄像机(3)，LCD面板(4)，投影透镜(5)，光学平台(6)，高精度移动台(7)和计算机(8)。所述LCD面板(4)上显示通过所述计算机(8)产生的条纹图案，所述冷光源(1)发出的光经所述准直透镜(2)后照射到所述LCD面板(4)上，将显示在所述LCD面板(4)上的条纹图案投影到被装载在高精度移动台(7)上的参考平面或者待测物表面上，所述CCD摄像机(3)设置在LCD面板(4)侧面。本发明使整个光场的均匀性、测量面积和测量精度都得到很大提高，能够满足当今封装测试中所需要的大面积、高精度实时快速测量的要求。

Description

一种基于投影莫尔原理的共面度测量系统

技术领域

本发明属于电子封装领域，具体涉及一种电子封装中的封装器件共面度测量系统，适用于对BGA(Ball Grid Array，球栅阵列封装)和CSP(Chip Size Package，芯片尺寸封装)等大规模集成电路封装体的共面度进行实时的检测。

背景技术

集成电路(IC)产业已成为国民经济发展的关键，而IC设计、制造和封装测试是IC产业发展的三大产业支柱。在实际生产中，由于在线、离线评测手段匮乏，很多产品投入市场之前未能发现产品中存在的可靠性隐患，甚至只能通过器件的使用过程来检测其加工质量与可靠性，严重阻碍了微电子工业的快速发展。在各种新型封装材料、结构和工艺不断涌现的今天，IC封装测试显得尤为重要。因为封装测试可以实时检测器件在封装工艺过程中的形貌特征，也可以检测每一个封装器件的质量，在大批量生产中迅速发现有缺陷的产品。为IC产品的一致性、重复性、可靠性和耐久性提供了保障。

球栅阵列(Ball-Grid-Array)是当今最流行的封装技术。在BGA封装的过程中，由材料热膨胀系数(CTE)不匹配等因素而导致的基板翘曲以及BGA焊球自身的不均匀性都会导致基板上BGA焊球不共面的情况，会诱发电路的短路或断路，导致非安全的电气连接，影响电气连接性能和产品可靠性，甚至导致器件失效。因此，BGA焊球的共面性检查是至关重要的。

当今，BGA焊球共面性检查的三维测试系统主要是基于激光扫描技术或者是结构光投影方法。激光束的物理扫描过程会导致很低的测量速度。而且传统的检测方式是通过机械运动移动参考栅的位置实现相移，移动速度慢，运动带来震动、噪声和重复相移精度不好，不能满足高精度实时测量的要求。随着测量面积加大，待测器件在深度方向测量范围加大以及对测量精度和效率的要求不断提高，急需一种稳定可靠的快速测量方法。

发明内容

本发明目的在于提出一种基于投影莫尔原理的共面度测量系统，该系统将投影莫尔与LCD相移技术相结合，采用一个非相干冷光源和一个LCD虚拟光栅垂直投影正弦条纹图案到CCD视场下的待测物表面。同时冷光源垂直投影到参考平面，整个测量系统的测量面积和测量精度都得到很大提高。

一种基于投影莫尔原理的共面度测量系统，包括冷光源，准直透镜，CCD摄像机，LCD面板，投影透镜，光学平台，高精度移动台和计算机，其中，

所述准直透镜、LCD面板、投影透镜以及高精度移动台沿轴向依次被夹持固定在光学平台上，所述LCD面板与所述计算机相连，该LCD面板上显示通过所述计算机产生的条纹图案，所述冷光源发出的光经所述准直透镜后照射到所述LCD面板上，将显示在所述LCD面板上的条纹图案投影到被装载在高精度移动台上的参考平面或者待测物表面上，所述CCD摄像机设置在LCD面板侧面，用于捕捉投影在高精度移动台上的参考平面或待测物表面上的条纹图案强度，综合捕获的所述待测物表面条纹图案强度和所述参考平面的条纹图案强度，即可得出待测物表面的高度值h(x，y)。

作为本发明的进一步改进，所述得出待测物表面的高度值h(x，y)的具体过程为：通过上述捕获的参考平面和待测物表面上的条纹图案强度，分别获得参考平面和待测物表面上的相位值φ(x，y)，并进一步计算出参考平面和待测物表面上每个坐标值对应的相位差Δφ(x，y)，即可得到待测物表面的高度值h(x，y)。

作为本发明的进一步改进，所述相位值φ(x，y)通过四步相移方法获得，即将所述正弦条纹图案实施四步数字相移，相位分别为0，π/2，π和3π/2，再通过以下公式计算出参考平面或者待测物表面上的相位值φ(x，y)：

$\mathrm{\φ}(x,y)={\tan }^{-1}\left[\frac{I_4(x,y)-I_2(x,y)}{I_1(x,y)-I_3(x,y)}\right]$

其中，I₁(x，y)，I₂(x，y)，I₃(x，y)，I₄(x，y)分别表示相位分别为0，π/2，π和3π/2时的条纹图案强度。

作为本发明的进一步改进，所述的条纹图案为可调节的正弦条纹图案。

本发明将投影莫尔与LCD相移技术相结合，采用一个非相干冷光源和一个LCD虚拟光栅投影正弦条纹图案到CCD视场下的待测物表面。LCD面板通过液晶显示控制接口与电脑相连，直接由软件控制生成正弦条纹图案和相位变化，以实现可调节的光栅图案。传统的正弦条纹图案是有两束激光干涉产生的，由于相干光产生的斑点噪声会影响正弦条纹图案的强度分布，降低整个系统的测量精度，且形成的光栅图案不可调节。LCD面板独特的光电特性使它非常适合作为可控的正弦透射光栅。通过设置LCD面板的图案区域、正弦条纹的周期和相移的增量等参数，很容易得到所需要的正弦条纹图案。

本发明采用与已有测量系统不同的投影与成像机构，冷光源通过LCD面板垂直投影到待测器件表面，以保证整个光场投影强度的均匀性，提高了测量精度。

本发明中投影到待测物表面的正弦条纹随着待测物表面高度的变化而产生变形。通过检测变形的正弦条纹图案，与相移分析技术相结合，就能够得到相当大范围待测物表面的三维测量值。通过计算众多的焊球高度值就能可靠地得到待测物表面的共面度。

本发明中整个测量系统由计算机控制，包括移动台的移动，生成LCD面板的图案与实现相移以及图像的采集与后处理等。图像的采集与后处理采用CCD摄像机接收的条纹图案经过图像采集卡进行图案的数字化变换，变换后的图像信号由计算机接收和处理。由图像处理软件进行相移运算、去包裹运算等，最后在计算机上得到所测表面的形貌信息。

本发明与已有的测量系统相比较，具有以下的优点：

其一，本发明采用冷光源垂直投影到参考平面的方法，使得条纹的对比度较好，并且不会因为温度影响LCD面板的光电特性。

其二，本发明采用基于LCD相移的测试技术。LCD面板通过液晶显示控制接口与电脑相连，生成正弦条纹图案和相位变化，以实现可调节的光栅图案。

其三，本发明采用的是全场测量技术，测量面积，测量精度和测量速度都得到很大提高，能够实现当今封装测试中所需要的大面积、高精度实时快速测量的要求。

附图说明

图1是本发明中投影与图像采集系统的光学几何原理图。

图2是本发明的共面度测量系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，其中本实施例中的待测物为BGA焊球，但不限于为BGA焊球，也可以为也可以为其他封装形式的基板平整度等。

本发明的基于投影莫尔原理的共面度测量系统包括冷光源1，准直透镜2，CCD摄像机3，LCD液晶面板4，投影透镜5，光学平台6，高精度移动台7和计算机8。

准直透镜2、LCD面板4、投影透镜5以及高精度移动台7依次沿轴向呈线性被夹持固定在光学平台6上，所述CCD摄像机3设置在LCD面板4侧面，用于捕捉在高精度移动台7上的待测物表面上形成的条纹图案。LCD面板4与计算机8相连，通过计算机8在所述LCD面板4产生数字光栅图案。

所述的高精度移动台7用于承载待测物，并可以设置参考平面。

所述冷光源1通过准直透镜2产生一束平行光照射到LCD面板4上，通过计算机8的控制在LCD面板4上产生正弦条纹图案，并通过投影透镜5将产生的正弦条纹图案聚焦投影到参考平面或待测物表面上。将LCD面板4上由计算机8产生的正弦条纹图案实施数字相移，参考平面或者待测物表面装载在一个高精度移动台7上，可以精确的调节其位置到CCD摄像机3的视场下。投影到参考平面或者待测物表面上的正弦条纹图案的强度被CCD摄像机3抓取到，可以获得参考平面或者待测物表面上的相位值φ(x，y)。然后计算出参考平面和待测物表面上每个坐标值对应的相位差Δφ(x，y)，最后就能计算出视场下待测物表面的高度值h(x，y)。

由于LCD面板4的透明度容易受到高温的影响，所以采用功率范围为0-150w(也可以采用其他功率)的冷光源1。冷光源发出的光通过LCD面板4垂直投影到待测器件表面。

本发明中采用的准直透镜2的焦距为50mm(也可以采用其他焦距值)，安装在冷光源1后以产生平行光照射到LCD面板4上。参考平面或者待测物表面装载在高精度移动台7上，以便精确地移动所测表面到CCD摄像机3的视场下。

由计算机8控制LCD面板4产生条纹图案以及CCD摄像机3的图像抓取。LCD面板4与计算机8相连，直接由软件控制生成正弦条纹图案和相位变化，以实现可调节的光栅图案。采用四步相移技术，将LCD面板4上由计算机8产生的正弦条纹图案实施四步数字相移，相位分别为0，π/2，π，3π/2。通过以下公式计算出参考平面或者待测物表面上的相位值φ(x，y)。

$\mathrm{\φ}(x,y)={\tan }^{-1}\left[\frac{I_4(x,y)-I_2(x,y)}{I_1(x,y)-I_3(x,y)}\right]$

其中，I₁(x，y)，I₂(x，y)，I₃(x，y)，I₄(x，y)分别表示相位分别为0，π/2，π，3π/2时正弦条纹的强度图案。

本实施例中投影到BGA焊球表面的正弦条纹随着焊球表面高度的变化而产生变形。通过检测变形的正弦条纹图案，与相移分析技术相结合，就能够得到相当大BGA焊球表面的三维测量值。通过计算众多的焊球高度值就能可靠地得到BGA焊球表面的共面度。

本实施例中整个测量系统由计算机8控制，包括移动台7的移动，生成LCD面板4的图案与实现相移以及图像的采集与后处理等。图像的采集与后处理采用CCD摄像机3接收的条纹图案经过图像采集卡进行图案的数字化变换，变换后的图像信号由计算机8接收和处理。由图像处理软件进行相移运算、去包裹运算等，最后在计算机8上得到所测BGA焊球表面的形貌信息。

Claims (3)

1.一种基于投影莫尔原理的共面度测量系统，包括冷光源（1），准直透镜（2），CCD摄像机（3），LCD面板（4），投影透镜（5），光学平台（6），高精度移动台（7）和计算机（8），其中，

所述准直透镜（2）、LCD面板（4）、投影透镜（5）以及高精度移动台（7）沿轴向依次被夹持固定在光学平台（6）上，所述LCD面板（4）与所述计算机（8）相连，该LCD面板（4）上显示通过所述计算机（8）产生的条纹图案，所述冷光源（1）发出的光经所述准直透镜（2）后照射到所述LCD面板（4）上，将显示在所述LCD面板（4）上的可调节的正弦条纹图案垂直投影到被装载在高精度移动台（7）上的参考平面或者待测物表面上，所述CCD摄像机（3）设置在LCD面板（4）侧面，用于捕捉投影在高精度移动台（7）上的参考平面或待测物表面上的条纹图案强度，综合捕获的所述待测物表面条纹图案强度和所述参考平面的条纹图案强度，即可得出待测物表面的高度值h(x,y)；

其中，所述冷光源（1）功率为0-150w，所述的待测物为BGA焊球。

2.根据权利要求1所述的共面度测量系统，其特征在于，得出所述待测物表面的高度值h(x,y)的具体过程为：通过上述捕获的参考平面和待测物表面上的条纹图案强度，分别获得参考平面和待测物表面上的相位值φ(x,y)，并进一步计算出参考平面和待测物表面上每个坐标值对应的相位差Δφ(x,y)，即可得到待测物表面的高度值h(x,y)。

3.根据权利要求2所述的共面度测量系统，其特征在于，所述相位值φ(x,y)通过四步相移方法获得，即将所述正弦条纹图案实施四步数字相移，相位分别为0，π/2，π和3π/2，再通过以下公式计算出参考平面或者待测物表面上的相位值φ(x,y)：

$\mathrm{\φ}(x,y)={\tan }^{-1}\left[\frac{I_4(x,y)-I_2(x,y)}{I_1(x,y)-I_3(x,y)}\right]$

其中，I₁(x,y)，I₂(x,y)，I₃(x,y)，I₄(x,y)分别表示相位分别为0，π/2，π和3π/2时的条纹图案强度。

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