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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Qualitätskontrolle
von Anschlusskugeln von elektronischen Bauelementen, insbesondere
von Ball-Grid-Arrays, Chip-Scale Packages, Micro Ball-Grid-Arrays
und/oder Flip-Chips, bei denen die Anschlusskugeln auf einer flächigen Unterseite
des Bauelements angeordnet sind.
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Durch die immer weiter steigende
Integrationsdichte auf elektronischen Baugruppen nimmt die Zahl
der Anschlüsse
von elektronischen Bauelementen stetig zu. Um diesem Trend zu entsprechen,
wurden Montage- und Kontaktierungsverfahren entwikkelt, bei denen
die Bauelemente über
Lotkugeln auf der Unterseite der Bauelemente mit auf einem zu bestückenden
Substrat ausgebildeten Anschlussflächen kontaktiert werden. Derartige
Bauelemente sind beispielsweise sogenannte Ball-Grid-Arrays, Chip-Scale
Packages, Micro Ball-Grid-Arrays und/oder Flip-Chips. Um eine zuverlässige Kontaktierung
zu gewährleisten,
müssen
die Anschlüsse
vor dem Bestücken
genau inspiziert werden, da nach dem Bestücken fehlerhafte Anschlüsse, die
zu einem schlechten elektrischen Kontakt zwischen Bauelement und
den Anschlussflächen
führen,
nur sehr schwer detektiert werden können.
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Bei BGA-Bauelementen können zum
Beispiel fehlende, unvollständige
oder flachgedrückte Anschlusskugeln
zu einer fehlerhaften Kontaktierung des gesamten Bauelements führen.
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Aus der
EP 968522 B1 ist ein Verfahren zur Anwesenheitskontrolle
von Anschlusskugeln, insbesondere auf Ball-Grid-Arrays bekannt,
bei dem die Anschlusskugeln mit aus einer Richtung schräg einfallendem
Licht beleuchtet werden, so dass von jeder Anschlusskugel ein Lichtreflex
und seitlich der An schlusskugel auf der Unterseite des BGA-Bauelements
ein Schattenwurf erzeugt wird. Die Lichtreflexe sowie die Schatten
der einzelnen Anschlusskugeln werden von einer Kamera erfasst. Eine
der Kamera nachgeschaltete Bildauswerte-Einheit verwendet die Größe des bei
einer bestimmten Höhe
der jeweiligen Anschlusskugel zu erwartenden Schattens bei gleichzeitiger
Anwesenheit eines zugehörigen
Lichtreflexes der Anschlusskugel als Kriterium für die Anwesenheit der jeweiligen
Anschlusskugel. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es
bei einem reflektierenden, d.h. glänzenden Bauteilgehäuse nicht
und bei einem absorbierenden, d.h. schwarzen Bauteilgehäuse nur
sehr schlecht funktioniert.
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Aus der
JP 02-081449 ist ein Verfahren zur Vermessung
von Anschlusskugeln bekannt, bei dem die Anschlusskugeln unter einem
schrägen
Winkel beleuchtet werden und der jeweils resultierende Schattenwurf
vermessen wird. Dabei kann anhand der Größe und der Form des Schattenwurfs
auf die Größe und die
Form der jeweiligen Anschlusskugel rückgeschlossen werden. Auch
dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Genauigkeit der Vermessung der
Anschlusskugeln stark von der Reflektivität des jeweiligen Bauteilgehäuses abhängt, an
dem die Anschlusskugeln ausgebildet sind.
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Aus der WO 99/44408 ist ein Verfahren
zur Vermessung von Anschlusskugeln bekannt, bei dem eine auf der
Unterseite eines Bauelements vorhandene Anschlusskugel von einem
allseitig schräg
einfallenden Licht beleuchtet und der zugehörige Lichtreflex von einer
Kamera erfasst wird. Der Strahlengang des Beleuchtungslichts verläuft dabei
parallel oder zumindest nahezu parallel zu der Unterseite des Bauelements.
Die Kamera ist derart angeordnet, dass diejenigen Lichtreflexe erfasst
werden, deren Strahlengang senkrecht zu der Unterseite des Bauelements
verläuft.
Auf diese Weise entstehen bei intakten Anschlusskugeln Lichtreflexe
mit einer ringförmigen
Struktur. Aus dem Durchmesser der ringförmigen Struktur und der Helligkeit
der Lichtreflexe kann auf die Größe und damit
auch auf die Anwesenheit der jeweiligen Anschlusskugel rückgeschlossen
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Qualitätskontrolle
von Anschlusskugeln von elektronischen Bauelementen zu schaffen,
mittels welchem eine Vielzahl von möglichen Defekten von Anschlusskugeln
schnell und zuverlässig unabhängig von
der Reflektivität
des Bauelementgehäuses
erkannt werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein Verfahren zur Qualitätskontrolle
von Anschlusskugeln von elektronischen Bauelementen mit den Merkmalen des
unabhängigen
Anspruchs 1. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch
eine getrennte Bildverarbeitung von zwei unterschiedlichen Bildern der
Anschlusskugeln und eine nachfolgende Kombination der Ergebnisse
der beiden Bildverarbeitungen die Qualität der Anschlusskugeln schnell
und zuverlässig
bestimmt werden kann. Dabei wird ein erstes Bild der Anschlusskugeln
dadurch erzeugt, dass die flächige
Unterseite des Bauelements unter einem steilen, d.h, einem kleinen
Winkel zur Normalen der Unterseite beleuchtet wird. Das andere Bild
wird bei einer flachen Beleuchtung, d.h. einem großen Winkel zur
Normalen der Unterseite beleuchtet. Eine Kombination der beiden
Bildverarbeitungen erlaubt eine schnelle und zu verlässige Bestimmung
der Qualität der
einzelnen Anschlusskugel. Der Begriff der Qualität einer Anschlusskugel ist
in diesem Zusammenhang dahingehend zu verstehen, dass qualitativ hochwertige
Anschlusskugeln eine gering Abweichung in ihrer Form und ihrer Größe von einer
bestimmten Referenz-Anschlusskugel aufweisen, so dass bereits vor
der eigentlichen Kontaktierung der Bauelemente vorausgesagt werden
kann, dass eine einwandfreie elektrische Kontaktierung des Bauelements
erreicht werden kann, wenn sämtliche
Anschlusskugeln eine hohe Qualität
aufweisen.
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Da in Bestückautomaten für die Erkennung von
BGA-Bauelementen neben einer Bauelementekamera in der Regel auch
eine hochwer tige Beleuchtungseinrichtung mit sowohl einer steilen
als auch mit einer flachen Beleuchtung vorhanden ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren
ohne große
Umbauten in herkömmlichen
Bestückautomaten
durchgeführt werden.
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Die sequentielle Beleuchtung gemäß Anspruch
2, bei der die Anschlusskugeln nicht gleichzeitig, sondern nacheinander
von der steilen und von der flachen Beleuchtung beleuchtet werden,
hat den Vorteil, dass sämtliche
Lichtreflexe besonders deutlich, d. h. mit hohem Kontrast von der
Kamera erfasst werden können.
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Die Verwendung von unterschiedlichen
Beleuchtungsfarben für
unterschiedliche Beleuchtungswinkel gemäß Anspruch 3 ermöglicht auf
vorteilhafte Weise eine gleichzeitige Erfassung der ersten und der
zweiten Lichtreflexe, sofern eine spektral auflösende Kamera verwendet wird.
Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren besonders schnell durchgeführt werden
kann.
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Bei dem Verfahren gemäß Anspruch
4 besteht zwischen dem Einfallswinkel der steilen Beleuchtung und
dem Einfallswinkel der flachen Beleuchtung kein Überlapp. Dies kann beispielsweise dadurch
erreicht werden, dass zwischen den Einfallswinkeln der steilen Beleuchtung
und den Einfallswinkeln der flachen Beleuchtung ein großer Unterschied gewählt wird
bzw. dass für
die steile Beleuchtung und/oder für die flache Beleuchtung ein
Beleuchtungslicht mit zumindest annähernd parallelen Lichtstrahlen
verwendet wird.
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Bei dem Verfahren gemäß Anspruch
5 werden die Anschlusskugeln von der flachen Beleuchtung gleichzeitig
von verschiedenen Seiten beleuchtet. Dies kann beispielsweise durch
eine segmentierte flache Ringbeleuchtung oder durch eine quasi kontinuierliche
Ringbeleuchtung erreicht werden, bei der eine Vielzahl von Lichtquellen
mit einem Höhenversatz
senkrecht zu der Unterseite des Bauelements ringförmig um
das Bauelement herum angeordnet ist. Es wird darauf hingewiesen,
dass die Lichtquellen auch durch eine entsprechende Spiegelanordnung ersetzt
werden können,
welche das Beleuchtungslicht von einer oder von einer Mehrzahl von
Lichtquellen derart reflektieren, dass die Anschlusskugeln von verschiedenen
Seiten unter einem flachen Einfallswinkel beleuchtet werden. Anstelle
einer Spiegelanordnung können
auch mehrere Lichtwellenleiter verwendet werden, die das von den
Beleuchtungslichtquellen emittierte Licht an die entsprechende Stellen leiten,
so dass das Bauelement ebenfalls entsprechend beleuchtet wird.
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Bei dem Verfahren gemäß Anspruch
6 wird das Licht der steilen Beleuchtung senkrecht auf die Unterseite
des Bauelements gerichtet, so dass die ersten Lichtreflexe besonders
einfach ausgewertet werden können.
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Gemäß Anspruch 7 werden diejenigen
Lichtstrahlen des reflektierten Lichts erfasst, deren Strahlengänge senkrecht
zu der Unterseite verlaufen.
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In Verbindung mit einer kontinuierlichen Ringbeleuchtung
(siehe Anspruch 5) ergeben sich für rotationssymmetrische Anschlusskugeln
kreisförmige
zweite Lichtreflexe, deren Durchmesser ein Maß für die Volumina der Anschlusskugeln
darstellen. Zudem ist die Vollständigkeit
der Ringstruktur der kreisförmigen
zweiten Lichtreflexe ein Maß für die Symmetrie
der Anschlusskugeln.
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In Verbindung mit einer senkrechten
Beleuchtung (siehe Anspruch 6) ist die Helligkeit der ersten Lichtreflexe
ein Maß für eine eventuell
vorhandene Abflachung der Anschlusskugeln. Zudem deutet eine seitliche
Verschiebung eines erste Lichtreflexes auf eine eventuell vorhandene
seitliche Abflachung der entsprechenden Anschlusskugeln hin.
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An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass
eine relativ zu der flächigen
Unterseite des Bauelements senkrechte Beleuchtung kombiniert mit
einer relativ zu der Unterseite senkrechten Erfassung des reflektierten
Lichts durch den Einsatz eines herkömmlichen Strahlteilers realisiert
werden kann. Dabei kann sowohl das senkrechte Beleuchtungslicht an
dem Strahlteiler reflektiert und die Lichtreflexe durch den Strahlteiler
transmittiert als auch umgekehrt das senkrechte Beleuchtungslicht
transmittiert und die von der Kamera zu erfassenden Lichtreflexe an
dem Strahlteiler reflektiert werden.
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Da für eine zuverlässige elektrische
Kontaktierung eines Bauelements koplanare Anschlusskugeln erforderlich
sind, ist nicht das absolute, sondern das relative Volumen der einzelnen
Anschlusskugeln maßgeblich.
Aus diesem Grund werden gemäß Anspruch
8 die ersten und/oder die zweiten Lichtreflexe mit Referenz-Lichtreflexen
verglichen, welche durch eine statistische Auswertung wie beispielsweise
eine einfache Mittelwertbildung über
verschiedene erste bzw. zweite Lichtreflexe bestimmt werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften
Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform.
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In der Zeichnung zeigen
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1a eine
senkrechte Beleuchtung einer intakten Anschlusskugel und den zugehörigen senkrechten
Lichtreflex bei einem relativ zu der Unterseite des Bauelements
senkrechten Beobachtungswinkel,
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1b eine
ringförmige
Beleuchtung einer intakten Anschlusskugel unter einem flachen Beleuchtungswinkel
und den zugehörigen
senkrechten Lichtreflex,
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2a eine
intakte Anschlusskugel und die entsprechenden senkrechten Lichtreflexe
bei einer senkrechten und bei einer flachen Beleuchtung,
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2b eine
fehlende Anschlusskugel und die entsprechenden Lichtreflexe bei
einer senkrechten und bei einer flachen Beleuchtung, und
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2c -f vier verschiedene Möglichkeiten
für fehlerhafte
Anschlusskugeln und die entsprechenden Lichtreflexe bei einer senkrechten
und bei einer flachen Beleuchtung.
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Die 1a und 1b zeigen ein elektronisches Bauelement 100 mit
einer Anschlussfläche 101,
an welcher sich eine intakte Anschlusskugel 102 befindet.
Wie aus 1a ersichtlich,
wird die Anschlusskugel 102 von einer senkrechten Beleuchtung 103a beleuchtet.
Eine nicht dargestellte Kamera erfasst den aufgrund der senkrechten
Beleuchtung 103a erzeugten Lichtreflex, dessen Strahlengang
senkrecht zu der Unterseite des Bauelements 100 nach unten gerichtet
ist. Die Strahlengänge
des senkrechten Beleuchtungslichts 103a und des senkrecht
zu der Unterseite des Bauelements 100 verlaufenden Lichtreflexes
werden auf herkömmliche
Weise mittels eines nicht dargestellten Strahlteilers räumlich getrennt.
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Die 1b zeigt
eine flache Beleuchtung 103b der Anschlusskugel 102,
die gemäß dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung von einer ringförmigen
Beleuchtungsenheit erzeugt wird, so dass die Anschlusskugel 102 unter
einem festen Winkel gleichzeitig von allen Seiten beleuchtet wird. Die
Strahlengänge
der Beleuchtungsstrahlen der flachen Beleuchtung 103b definieren
dabei die Mantelfläche
eines Kegels, der sich in Richtung auf die zu vermessenden Anschlusskugeln 102 verjüngt. Die nicht
dargestellte Kamera erfassen den aufgrund der flachen Beleuchtung 103b erzeugten
Lichtreflex, welcher senkrecht zu der Unterseite des Bauelements 100 nach
unten gerichtet ist. Dabei ergibt sich bei der intakten Anschlusskugel 102 ein
kreisringförmiger Lichtreflex 104b,
dessen Durchmesser ein Maß für das Volumen
der Anschlusskugel 102 ist.
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Zur Bestimmung der Qualität, d.h.
zur Vermessung der Form und der Grieße der Anschlusskugel 102 werden
die Lichtreflexe 104a und 104b jeweils getrennt
von einem Bildverarbeitungssystem ausgewertet und dabei mit Referenz-Lichtreflexen verglichen,
welche die Größe und die
Form einer vorgegebenen intakten Anschlusskugel widerspiegeln. Auf
diese Weise kann bei einer Abweichung von zumindest einem der beiden
Lichtreflexe 104a bzw. 104b von einem entsprechenden
Referenz-Lichtreflex eine fehlende oder eine defekte Anschlusskugel zuverlässig erkannt
werden.
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Die 2a bis 2f zeigen in Form einer tabellarischen Übersicht
verschiedene Anschlusskugeln (linke Spalte), zugehörige von
einer senkrechten Beleuchtung erzeugte erste Lichtreflexe (mittlere
Spalte) und zugehörige
von einer flachen Ringbeleuchtung erzeugte zweite Lichtreflexe (reche
Spalte). Die dargestellten Lichtreflexe werden von einer Kamera aufgenommen,
welche die flächige
Unterseite des Bauelements unter einem senkrechten Winkel erfasst.
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2a zeigt
noch einmal eine intakte Anschlusskugel, die unter einer senkrechten
Beleuchtung einen Lichtreflex mit einer punktsymmetrischen Helligkeitsverteilung
und bei einer flachen kontinuierlichen Ringbeleuchtung einen punktsymmetrischen ringförmigen Lichtreflex
ergibt. Es wird darauf hingewiesen, dass aufgrund des Reflexionsgesetzes,
wonach der relativ zu der reflektierenden Oberfläche der Einfallswinkel gleich
dem Ausfallswinkel ist, der helle Punkt in der Mitte des ersten
Lichtreflexes einen Durchmesser aufweist, der deutlich kleiner als
der reale Durchmesser der Anschlusskugel ist. Ebenso ergibt sich
aus dem Reflexionsgesetz, dass in dem zweiten Lichtreflex der Durchmesser
des Kreisringes etwas kleiner als der reale Durchmesser der Anschlusskugel
ist.
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2b zeigt
den ersten und den zweiten Lichtreflex bei einer fehlenden Anschlusskugel.
Für eine
senkrechte Beleuchtung ergibt sich ein kreisförmiger Reflex, der die Anschlussfläche des
Bauelements abbildet. Da die Anschlussflächen üblicherweise eine plane Oberfläche aufweisen,
ergibt sich ein kreisförmiger
Lichtreflex, der einen gegenüber
einer intakten An schlusskugel deutlich größeren Durchmesser aufweist.
Bei einer flachen Beleuchtung ergibt sich ein ebenfalls kreisförmiger Lichtreflex,
dessen Helligkeit stark von der optischen Oberflächenbeschaffenheit der Anschlussfläche abhängt. Ist
die Anschlussfläche
mit Lotresten bedeckt, dann kann eine geringe Helligkeit detektiert
werden. Bei einer blanken Anschlussfläche gelangt praktisch kein Licht
mehr in die Kamera.
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2c zeigt
eine beschädigte
Anschlusskugel, bei der auf der rechten Seite ein Teil der Lotkugel herausgebrochen
ist. Bei einer senkrechten Beleuchtung ergibt sich ein erster Lichtreflex,
welcher in dem linken Teilbereich einem Lichtreflex einer intakten
Anschlusskugel entspricht. In dem kleineren rechten Teilbereich
weist der erste Lichtreflex eine undefinierte Struktur auf. Bei
einer flachen ringförmigen
Beleuchtung ergibt sich ein unvollständiger Kreisring.
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2d zeigt
eine Anschlusskugel mit einem zu kleinen Volumen. Aufgrund der Oberflächenspannung
des Lotmaterials ist die Anschlussfläche in der Regel vollständig mit
Lot benetzt, die Oberfläche
der Anschlusskugel ist jedoch gegenüber einer intakten Anschlusskugel
deutlich abgeflacht. In diesem Fall ergibt sich bei einer senkrechten
Beleuchtung ein erster Lichtreflex, der in der Regel kaum von dem Lichtreflex
einer intakten Anschlusskugel zu unterscheiden ist. Bei einer flachen
Beleuchtung ergibt sich jedoch gegenüber einer intakten Anschlusskugel ein
deutlicher Unterschied, der darin besteht, dass der Durchmesser
des Kreisrings gegenüber
dem zweiten Lichtreflex einer intakten Anschlusskugel reduziert
ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass
sich bei einer Anschlusskugel, die ein gegenüber einer intakten Anschlusskugel
zu großes
Lotvolumen aufweist, ein gegenüber
einem zweiten Referenz-Lichtreflex einer intakten Anschlusskugel
kreisringförmiger
Lichtreflex mit einem größeren Durchmesser
ergibt.
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2e zeigt
eine Anschlusskugel, die eine Abflachung parallel zu der Unterseite
des Bauelements aufweist. In diesem Fall ergibt sich bei einer senkrechten
Beleuchtung ein kreisförmiger
erster Lichtreflex, der in der Mitte eine helle kreisförmige Fläche aufweist,
die gegenüber
einem ersten Referenz-Lichtreflex einer intakten Anschlusskugel
einen größeren Durchmesser
aufweist. Die flache ringförmige
Beleuchtung ergibt in diesem Fall einen zweiten Lichtreflex, der
sich von dem zweiten Referenz-Lichtreflex einer intakten Anschlusskugel
in nicht signifikanter Weise unterscheidet.
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2f zeigt
eine Anschlusskugel, welche ebenfalls eine Abflachung aufweist,
deren Oberfläche
schräg
zu der Unterseite des Bauelements verläuft und somit zu einer asymmetrischen
Form der Anschlusskugel führt.
Bei der senkrechten Beleuchtung ergibt sich je nach Asymmetrie der
Anschlusskugel ein mehr oder weniger schwacher erster Lichtreflex,
der gegenüber
einem ersten Referenz-Lichtreflex einer intakten Anschlusskugel
seitlich verschoben ist. Bei der flachen ringförmigen Beleuchtung ergibt sich
für den
Fall, dass die Asymmetrie der Anschlusskugel nicht übermäßig stark
ausgeprägt
ist, ebenfalls ein zweiter Lichtreflex, der sich von einem zweiten
Referenz-Lichtreflex einer intakten Anschlusskugel ebenfalls in
nicht signifikanter Weise unterscheidet.
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Es wird darauf hingewiesen, dass
die in den 2b, 2c und 2d dargestellten Anschlusskugeln in der
Regel durch Produktionsfehler bei der Herstellung der elektronischen
Bauelemente verursacht werden. Die in den 2e und 2f dargestellten
Anschlusskugeln beruhen häufig
auf einer unsachgemäßen Handhabung
der elektronischen Bauelemente.
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Es wird ferner darauf hingewiesen,
dass bei der gleichzeitigen Vermessung von einer Mehrzahl von Anschlusskugeln,
welche auf der flächigen
Unterseite eines Bauelements verteilt sind, die einzelnen Anschlusskugeln
insbesondere von der flachen Beleuchtung jeweils unter einem leicht
unterschiedlichen Win kel beleuchtet werden. Dies hat zur Folge, dass
insbesondere die entsprechenden zweiten Lichtreflexe für jede Anschlusskugel
eine leicht unterschiedliche Struktur aufweisen. Bei einer festen räumlichen
Position des zu vermessenden Bauelements relativ der Beleuchtungseinheit,
welche die ringförmige
flache Beleuchtung erzeugt, sind jedoch die geometrischen Beleuchtungsverhältnisse
für jede Anschlusskugel
fest vorgegeben, so dass die unterschiedlichen Beleuchtungswinkel
bei einer nachfolgenden Auswertung der Lichtreflexe entsprechend berücksichtigt
und kompensiert werden können.
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Zusammenfassend schafft die Erfindung
ein Verfahren zur Qualitätskontrolle
von Anschlusskugeln 102 von elektronischen Bauelementen 100,
insbesondere von Ball-Grid-Arrays, Chip-Scale Packages, Mikro Ball-Grid-Arrays
und/oder Flip-Chips, bei denen die Anschlusskugeln 102 auf
einer flächigen
Unterseite des Bauelements 100 angeordnet sind. Die Unterseite
der Bauelemente 100 wird von einer steilen Beleuchtung 103a und
von einer flachen Beleuchtung 103b beleuchtet, so dass
unterschiedliche Lichtreflexe 104a und 104b erzeugt
werden. Durch einen Vergleich der von den unterschiedlichen Beleuchtungen
erzeugten Lichtreflexe, die jeweils einer Anschlusskugel 102 zugeordnet
werden, mit Referenz-Lichtreflexen, kann die Qualität jeder
einzelnen Anschlusskugel 102 bestimmt werden. Eine bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass (a) die steile Beleuchtung 103a senkrecht
von unten auf Bauelemente 100 trifft, dass (b) die flache
Beleuchtung 103b von einer ringförmigen Beleuchtungseinheit
erzeugt wird und somit die Anschlusskugeln 102 unter einem
bestimmten Winkel von allen Seiten beleuchtet werden, und dass (c)
die Lichtreflexe senkrecht zu der Unterseite der Bauelemente erfasst
werden.