KR20100121250A - Vision system for inspection of qfn semiconductor package and classifying method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 패키지 외관 결함 특징정보 추출이 용이한 광학계 구성, QFN 패키지 결함의 분류를 위한 알고리즘 및 광학시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an optical system configuration, an algorithm for classifying QFN package defects, and an optical system for extracting semiconductor package appearance defect feature information.
반도체 외관 결함에는 발생 요인이 각각 다른 crack, foreign material, chip-out, chip, void 등이 있으며, 검사 시스템에서는 결함 유무 및 결함 분류를 수행하여 효과적인 공정관리가 가능하여야 한다. There are cracks, foreign materials, chip-outs, chips, voids, etc., in which the appearance defects of semiconductors are different, and the inspection system should be able to perform effective process management by performing defect classification and defect classification.
한편, 최근 각광을 받고 있는 리드가 없는 패키지로는 대표적으로 Leadless Chip Carriers (LCC), Bumped Chip Carriers (BCC) 그리고 Quad Flat No Leads (QFN)가 있다. 이러한 패키지들은 크기가 작고, 리드가 없어 PCB 상에서 차지하는 면적이 약 50% 가까이 축소되고 생산 비용 또한 기존의 소형 패키지와 유사하여 많은 주목을 받고 있다. 리드가 없는 패키지들은 이러한 여러 장점들이 있지만, 크기가 작아지고 기존의 반도체 소자들과는 형태가 달라 이에 맞는 검사 기술이 필요하게 되는데, 최근에는 자동 검사 항목의 증가, 검사시간 단축 등의 검사 대상의 고 급화로 결함 분류에 의한 공정관리가 어려워지고 있는 상황이다.On the other hand, lead-free packages that are in the spotlight recently include Leadless Chip Carriers (LCC), Bumped Chip Carriers (BCC), and Quad Flat No Leads (QFN). These packages are attracting much attention because they are small in size, have no leads, reduce the area on the PCB by about 50%, and the production cost is similar to the existing small packages. Packages without leads have several advantages, but they are smaller in size and different from conventional semiconductor devices, and thus require inspection technology. Recently, advanced inspection targets such as an increase in automatic inspection items and a reduction in inspection time are required. Process control by furnace defect classification is becoming difficult.
도 1은 이러한 대표적인 패키지 결함 형태인 이물질(21) 및 칩 결함(22)을 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the
이러한 결함의 대표적인 해결 방안으로 영상 데이터를 이용한 대상 분류법이 있는데 지금까지 연구되어온 대표적인 영상 데이터의 분류법으로는 이진화 이미지를 이용한 방법과 명암 이미지를 이용한 방법이 있다. 이진화 이미지에서의 분류방법은 질감을 이용하는 방법, 블록 높이 및 백화소의 길이를 이용하는 방법, 그리고 체인코드를 이용하는 방법 등이 있었다. Representative methods for solving such defects include object classification using image data, which is classified into binary image and light image. The classification methods in binarized images include textures, block heights and white pixel lengths, and chaincodes.
그리고 명암 이미지에서의 영상 분류방법은 인공지능 기법과 통계적 기법이 있는데 인공지능 기법으로는 뉴럴 네트웍, 퍼지 이론, 디시젼 트리와 같은 것이 있으며 이들은 각각 장단점이 있다. The image classification methods in the contrast image include artificial intelligence and statistical techniques, which include neural networks, fuzzy theories, and decision trees.
이 중, 뉴럴 네트웍은 특별한 규칙성이 없는 데이터에 대해 각각 다른 가중치를 할당하여 좋은 분류성능을 보이지만, 계산양이 많아지고, 변수들마다 다른 가중치를 부여해야 하는 난점이 있다. Among them, the neural network shows good classification performance by assigning different weights to the data without special regularity, but there is a problem that the calculation amount is increased and different weights are assigned to each variable.
퍼지 이론은 패턴 분류에 있어 성공적으로 적용되어 왔지만 분류하고자 하는 클래스의 수가 많거나 대상의 특성이 여러 가지를 갖는 경우 계산이 매우 복잡해지는 단점이 있다. Fuzzy theory has been successfully applied to pattern classification, but it has a disadvantage in that the calculation becomes very complicated when there are many classes to classify or various characteristics of objects.
디시젼 트리는 서로 연관성이 없는 변수들의 분류에 사용되었다. 통계적 기법으로는 minimum distance, ML, nearest neighbor, parallel-piped 등이 있다. 그 중 ML은 클래스에 대한 데이터가 가우스 분포를 갖는다는 가정이 필요하며 분류성 능은 학습된 클래스의 품질에 의존하게 된다. The decision tree was used to classify variables that are not related to each other. Statistical techniques include minimum distance, ML, nearest neighbor, and parallel-piped. Among them, ML needs to assume that the data for the class has Gaussian distribution, and the classification performance depends on the quality of the learned class.
도 2는 기존의 외관 검사 광학계 구성도이다. 도시된 바와 같이, 검사 대상인 반도체 패키지(11) 외관을 검사하기 위한 CCD 카메라(12), 동축조명(14), 측사조명(15), 하프미러(13), 촬영 컨트롤러부(16)로 구성되어 있다. 하지만 측사조명(15)을 패키지(11) 상부에 일정 기울어진 각도로 조명하므로 패키지(11) 표면의 외관 결함, 특히 칩 결함에 대한 특징정보를 추출하는 데 문제가 있었다. 2 is a configuration diagram of a conventional visual inspection optical system. As shown in the drawing, a
상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 반도체 패키지의 외관결함 가운데 검출과 분류가 어려운 foreign material과 chip 결함을 대상으로 ML 분류법을 사용하여 가장 높은 분류성능을 갖게 하는 특징정보의 선정과 특징정보의 정확한 획득을 위한 광학계 및 결함 분류 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. An object of the present invention for solving the above-described problems, the selection of feature information to have the highest classification performance using ML classification for foreign material and chip defects that are difficult to detect and classify among the appearance defects of the semiconductor package; An object of the present invention is to provide an optical system and a defect classification method for accurately acquiring feature information.
또한, 반도체 패키지의 외관 결함의 위치, 밝기 특징정보와 ML을 이용한 분류방법 및 특징정보 획득에 용이한 광학계를 제공하는 데 본 발명의 또 다른 목적이 있다. In addition, another object of the present invention is to provide a location of appearance defects, a brightness characteristic information of a semiconductor package, a classification method using ML, and an optical system that is easy to acquire characteristic information.
상기한 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 광학계 구성은, 반도체 패키지의 외형 결함 검사를 위한 비전 시스템에 있어서, 반도체 패키지 상측에 설치 구성되어 조명수단으로부터 공급되는 광이 상기 패키지에 반사되는 반사광과, 패키지 표면에 존재하는 이물질 및 칩 결함에 의하여 반사되는 반사광을 촬영하기 위한 CCD 카메라와; 상기 카메라 하부 및 상기 패키지 상부 사이에 위치하며 발광원을 발광시키기 위한 조명수단과; 상기 조명수단으로부터 공급되는 광을 일정 각도로 굴절시켜 상기 패키지에 조사시키기 위한 하프미러; 및 상기 광원 제공, 촬영 이미지 데이터 저장 및 전송 과정을 제어하기 위한 촬영 컨트롤러부;로 구성하되, 상기 조명수단은 상기 검사 대상인 패키지 측면에서 광을 조사하기 위한 측사조명 및 상기 측사조명 상측에 구성하며 렌즈를 통하여 빛을 전달하여 상기 패키지에 90° 각도로 광원을 떨구어주는 동축조명을 포함하며, 상기 측사조명 및 동축조명의 광로를 평행하게 형성하도록 한 것을 특징으로 한다.The optical system configuration for solving the technical problem of the present invention, the vision system for inspecting the appearance defects of the semiconductor package, the optical system is installed on the upper side of the semiconductor package, the reflected light that is supplied from the lighting means reflected from the package; A CCD camera for photographing reflected light reflected by foreign matter and chip defects present on the package surface; Illuminating means positioned between the lower portion of the camera and the upper portion of the package to emit light; A half mirror for refracting light supplied from the lighting means at a predetermined angle to irradiate the package; And a photographing controller unit for controlling the process of providing the light source, storing and transmitting photographed image data, wherein the lighting unit comprises a side illumination for irradiating light from the side of the package to be inspected and an upper side of the side illumination. Transmitting light through the coaxial light to drop the light source at a 90 ° angle to the package, characterized in that to form an optical path of the side lighting and coaxial light in parallel.
이 경우, 상기 조명수단을 구성하는 발광원은 LED인 것을 특징으로 한다.In this case, the light emitting source constituting the lighting means is characterized in that the LED.
상기한 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 결함 분류 방법은, 확률밀도함수를 사용하여 훈련 패턴으로부터 데이터를 순차적으로 추정하며 입력패턴으로부터 분포의 특징패턴을 추출하는 최대우도비(ML) 방법을 이용하고, 분류를 위하여 크기, 위치, 방향에 독립적인 특징정보를 추출하되, 영상에서 특정 영역의 분리를 위하여 트레스홀드(threshold) 기법 및 트레스홀드 처리 후 나타나는 불필요한 영역 제거와 결함의 본래 형태를 유지하기 위하여 모폴로지 기법을 이용한 결함 분류 알고리즘을 사용하는 것을 특징으로 한다.The defect classification method for solving the above technical problem of the present invention uses a maximum likelihood ratio (ML) method of sequentially estimating data from a training pattern using a probability density function and extracting a feature pattern of a distribution from an input pattern. To extract feature information independent of size, position, and orientation for classification, to remove specific regions from the image and to maintain the original shape of defects and removal of unnecessary regions that appear after the thresholding process. It is characterized by using a defect classification algorithm using morphology technique.
여기에서, 상기 알고리즘은, 영상을 입력하는 단계; 상기 입력영상을 minimum error threshold를 이용하여 이진화하고 이를 이미지1이라 명하는 단계; 상기 이미지1에서 발생할 수 있는 1~2개 화소 크기의 홀을 없애기 위하여 3 X 3 박 스의 strutching element로 closing 연산을 수행하는 단계; 배경에서 5~10개 화소 크기로 분포하는 노이즈 성분을 최소화하기 위해 11 X 11 박스의 strutching element로 opening 연산을 하고 결과 영상을 이미지2라 명하는 단계; opening으로 인하여 본래 모양을 잃었을 결함 영역을 최소화하기 위하여 상기 이미지1과 이미지2를 이용하여 conditional dilation 기법을 적용하는 단계; 및 특징정보 추출을 위하여 분할된 영역에 blob analysis를 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. Here, the algorithm, the step of inputting an image; Binarizing the input image using a minimum error threshold and naming it
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 광학계는, 반도체 패키지의 외관결함 가운데 검출과 분류가 어려운 이물질과 chip 결함에 대한 특징정보의 선정과 특징정보의 획득에 매우 효과적인 툴을 제공하게 된다.As described above, the optical system according to the present invention provides a very effective tool for selecting feature information and obtaining feature information on foreign matter and chip defects, which are difficult to detect and classify among appearance defects of a semiconductor package.
또한, 반도체 패키지의 외관 결함의 위치, 밝기 특징정보와 ML을 이용한 분류방법, 및 특징정보 획득에 용이한 광학계를 제공하여 효과적인 반도체 패키지 결함 유무 판별 및 결함 분류를 통하여 효과적인 반도체 패키지 공정관리가 가능하게 된다. In addition, it provides effective semiconductor package process management through effective semiconductor package defect identification and defect classification by providing the location of appearance defects of semiconductor package, classification method using brightness characteristic information and ML, and optical system that is easy to acquire characteristic information. do.
이하, 첨부되는 도면, 도표, 그래프, 수학식을 참조하여 본 발명에 따른 광학계 구성 및 특징정보 획득, 이를 통한 결함 분류 방법에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, diagrams, graphs, equations described in detail with respect to the optical system configuration and feature information acquisition, the defect classification method through the same according to the present invention.
먼저 이하 기술되는 Foreign material은 이물질을 의미하며, sawing 공정 후 세척불량으로 molding 성분의 잔여물이 패키지에 남아 결함으로 나타나게 된다. 이 경우 일반적으로 폭이 최소 100μm 이상인 결함을 검사 대상으로 하고 있다. Chip은 sawing 공정 시 사용되는 water-knife 불량으로 발생하며 패키지 외곽의 molding 부분이 깨진 형태이고, 폭은 이물질과 같은 최소 100μm 이상의 결함을 검사 대상으로 하고 있다. 이러한 이물질과 chip결함은 재질이 같고 표면의 구조가 다르므로 효과적인 검출을 위해 구조의 차이를 최대화시킬 수 있는 조명이 필요하다. First, the foreign material described below means foreign matter, and the residue of the molding component remains in the package due to a poor cleaning after the sawing process and appears as a defect. In this case, defects with a width of at least 100 μm or more are usually examined. Chips are caused by poor water-knife used during the sawing process, and the molded part of the package is broken, and the width of the chip is at least 100μm such as foreign matter. Since these foreign materials and chip defects are the same material and the structure of the surface is different, the illumination that can maximize the difference in the structure is required for effective detection.
이를 위하여 본 발명에서 제안하는 광학계의 구성을 도 3을 참조하여 설명한다. To this end, the configuration of the optical system proposed by the present invention will be described with reference to FIG. 3.
도 3에 도시된 바와 같이, 광학계(100) 구성은, 반도체 패키지(110) 상측에 설치 구성되어 조명수단(140, 150)으로부터 공급되는 광이 상기 패키지(110)에 반사되는 반사광과, 패키지(110) 표면에 존재하는 이물질(21) 및 칩 결함(22)에 의하여 반사되는 반사광을 촬영하기 위한 CCD 카메라(120)와, 상기 카메라(120) 하부 및 상기 패키지(110) 상부 사이에 위치하며 발광원을 발광시키기 위한 조명수단(140, 150)과, 상기 조명수단(140, 150)으로부터 공급되는 광을 일정 각도로 굴절시켜 상기 패키지(110)에 조사시키기 위한 하프미러(130) 및 상기 광원 제공, 촬영 이미지 데이터 저장 및 전송 과정을 제어하기 위한 촬영 컨트롤러부(160)로 구성된다. As shown in FIG. 3, the
여기에서, 상기 조명수단(140, 150)은 상기 검사 대상인 패키지(110) 측면에서 광을 조사하기 위한 측사조명(150) 및 상기 측사조명(150) 상측에 구성하며 렌 즈를 통하여 빛을 전달하여 상기 패키지(110)에 90° 각도로 광원을 떨구어주는 동축조명(140)을 포함한다. 이 경우, 바람직하게는 상기 측사조명(150) 및 동축조명(140)의 광로를 평행하게 형성하도록 한다. 즉, 측사조명(150)의 광로가 형성하는 축을 검사 대상 시료인 패키지(110) 수평축과 평행하게 하여 구성하는 것이 바람직하다.Here, the lighting means (140, 150) is configured on the
하지만 측사조명(150)만 사용할 경우 반도체 패키지(110)의 고르지 않은 표면의 특성도 동시에 나타나게 된다. 이러한 노이즈 성분을 감소시키기 위해 동축 조명(140)을 같이 사용하는 것이 바람직하다. However, when only the
이는, 패키지(110) 표면의 이물질(21) 및 칩 결함(22)의 효과적인 검출을 위하여 구조 차이를 최대화시킬 수 있는 조명으로 이는 도 4의 광학계(100) 영상에서 뚜렷한 효과를 나타내고 있음을 알 수 있다. This is an illumination that can maximize the structural difference for the effective detection of the
이 경우, 상기 조명수단을 구성하는 발광원은 LED로 구성하는 것이 바람직하다.In this case, the light emitting source constituting the lighting means is preferably composed of LED.
상기 촬영 컨트롤러부(160)는 일반적인 패키지 결함 검사를 위한 광학 시스템에서 사용되는 구성과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Since the photographing
제안한 광학계에서 촬영한 영상과 기존 광학계에서 촬영한 영상을 도4에서 보이고 있다. 도 4b는 기존 광학계에서 촬영한 영상, 도 4a를 histogram-stretch 방법으로 콘트라스트를 개선한 영상이고, 도 4c는 제안한 광학계에서 촬영한 영상이다. 도 4b와 도 4c를, 영역 분할 방법에 적용한 결과영상을 도 4d, 도 4e에서 보이고 있다. 여기에서 보면 기존 광학계에서 촬영한 영상은 콘트라스트를 개선한 후 에도 chip 결함을 검출하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 정확한 결함의 분류를 위해서는 먼저 결함의 검출이 필수적으로 수행되어야 한다. 하지만 제안한 광학계에서 촬영한 영상에 대한 결과에서는 이물질과 chip 결함이 모두 검출되는 것을 확인할 수 있다.The image taken by the proposed optical system and the image taken by the existing optical system are shown in FIG. 4. FIG. 4B is an image taken by an existing optical system, and FIG. 4A is an image obtained by improving contrast by a histogram-stretch method. FIG. 4C is an image taken by the proposed optical system. 4B and 4C show the results of applying the region division method to FIGS. 4D and 4E. Here, it can be seen that the image captured by the conventional optical system does not detect chip defects even after improving the contrast. Detecting defects is essential to accurate classification of defects. However, it can be seen that both foreign bodies and chip defects are detected in the results of the images taken by the proposed optical system.
또한 도 4b와 도 4c를 비교하기 위한 또 다른 방법으로 각 영상 histogram에서의 클래스 내 분산과 클래스 간 분산을 이용하였다. 표 1은 클래스 내 분산을 클래스 간 분산으로 나눈 값을 나타내었으며, 이 값이 작을수록 배경과 결함의 구분이 쉬운 영상이라 할 수 있다.In addition, as another method for comparing FIG. 4B and FIG. 4C, intra-class variance and inter-class variance in each image histogram were used. Table 1 shows the values obtained by dividing the variance in the class by the variance between the classes. The smaller the value, the easier the image can be distinguished from the background.
* : 클래스 내 분산, : 클래스 간 분산* : Distribution within a class, : Distributed between classes
(표1)(Table 1)
표 1에서 보는 바와 같이 기존 광학계의 개선한 영상보다 제안한 광학계의 영상이 결함과 배경의 구분이 분명하여 결함 검출에 용이한 영상 촬영이 가능한 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the image of the proposed optical system is clearly distinguished from the defect and the background, rather than the improved image of the existing optical system, so that the imaging of the defect can be easily taken.
광학시스템에서 조명의 선정은 매우 중요하다. 조명 선정을 위해 고려해야 할 부분은 조명의 형태, 광원, 조명의 색 등이 있다. 본 발명에서는 앞서 소개한 광학시스템(100)에서 측사조명(150)의 색을 변화시켜 그 영향이 결함 분류에 미치는 영향을 확인하고 분류에 가장 적합한 조명의 색을 추출하였다. 사용한 색은 광원이 LED인 IR, red, blue, white이고 이들은 각각 다른 파장을 갖는다. 파장에 따 라 대상의 형태가 다르게 나타나므로 조명 선정은 결함 분류를 위한 중요 요소라 할 수 있다. The choice of lighting is very important in optical systems. Considerations for lighting selection include the shape of the light, the light source, and the color of the light. In the present invention, by changing the color of the
도 5는 LED 조명의 색에 따른 파장대역을 나타낸 것이다. Figure 5 shows the wavelength band according to the color of the LED light.
이하, 상기한 광학 시스템(100)을 이용한 결함(21, 22) 특징정보 추출을 이용한 본 발명에 따른 결함 분류 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a defect classification method according to the present invention using extraction of feature information of
먼저, 최대우도비(Maximum Likelihood Ratio, 이하 ML이라 한다)를 이용한 분류 방식을 채택하고 있는데, 이를 상세하게 설명하면 다음과 같다.First, a classification method using a maximum likelihood ratio (hereinafter referred to as ML) is adopted, which will be described in detail as follows.
ML은 입력패턴으로부터 분포의 특징패턴을 추출하는 방법으로 확률밀도함수를 사용하여 훈련패턴으로부터 데이터를 순차적으로 추정하는 parametric model이다. 수학식 1의 확률밀도함수는 입력패턴들의 발생이 서로 독립적인 D차원 가우시안이라는 가정 하에 성립하게 된다. ML is a parametric model that sequentially estimates data from training patterns using probability density function as a method of extracting feature patterns of distribution from input patterns. The probability density function of
클래스 의 평균벡터(mean vector), 는 클래스 의 공분산행렬(covariance matrix)을 나타낸다. 평균벡터 와 공분산행렬 는 아래의 수학식 (2)와 (3)에 의해 훈련패턴으로 추정된다. class Mean vector of, Class Denotes the covariance matrix of. Mean vector And covariance matrix Is estimated as a training pattern by the following equations (2) and (3).
클래스 의 훈련패턴 수, 수학식 2의 는 의 번째 값을 나타내며, 수학식 3의 는 의 성분, 는 클래스 의 성분을 의미한다. 또한 위 수학식을 근거로 수학식 (4)와 같이 likelihood ratio를 나타낼 수 있다. 이때 또는 의 경우에 따라 ML 규준을 적용하여 feature vector 가 소속하는 클래스를 추정할 수 있게 된다.class Number of training patterns, Is of Th value, Is of ingredient, Class of Means an ingredient. Also, based on the above equation, it can represent likelihood ratio as shown in equation (4). At this time or In some cases, we apply ML criteria to feature vectors It is possible to estimate the class to which the belongs.
이어서, Fisher의 선형 판별식(Fisher's linear discriminant)에 대하여 설명한다. Fisher의 선형 판별식은 두 개의 클래스로 이루어진 D차원 점들이 1차원의 직선에 사상(mapping)될 때, 두 클래스를 가장 잘 나누는 직선의 기울기를 찾기 위해 제안되었다. 이 경우, 두 클래스를 잘 나누는 직선을 찾기 위해서는 1차원 직선에 사상된 두 클래스의 분할 정도를 판별할 수 있어야 한다. D차원의 점이 기울기 벡터가 W인 1차원 직선에 사상된 클래스의 분할 정도를 판단하는 함수 J(W)는 아래와 같이 Fisher의 목적함수를 와 항에 의한 수학식 5와 같이 정의 할 수 있다.Next, Fisher's linear discriminant will be described. Fisher's linear discriminant has been proposed to find the slope of the line that best divides the two classes when the two-dimensional D-dimensional points are mapped to a one-dimensional straight line. In this case, in order to find a straight line dividing the two classes, it is necessary to determine the degree of division of the two classes mapped to the one-dimensional straight line. The function J (W), which determines the degree of division of the class mapped to a one-dimensional straight line where the D-dimensional point is the gradient vector W, Wow It can be defined as Equation 5 by the term.
여기서 변환행렬 W를 찾아내야 하는데 본 논문에서는 W는 찾지 않고 , 만 을 이용해 2차 성능 검증을 하였다. Here, we need to find the transformation matrix W. In this paper, W is not found. , Secondary performance verification was performed using.
결론적으로 는 값이 클수록 좋고, 는 값이 작을수록 좋다. 2차 검증 방법에서는 / 을 사용하여 가장 큰 값을 가지는 feature를 선택 한다.In conclusion Is higher value is better, The smaller the value, the better. In the second verification method Of Use to select the feature with the largest value.
이어서 특징정보 추출(Feature selection) 방법에 대하여 설명한다.Next, a feature selection method will be described.
본 발명에서 분류하고자 하는 결함인 이물질과 chip결함은 크기, 위치, 방향이 일정하지 않아 분류를 위한 특징정보는 크기, 위치, 방향에 독립적이어야만 한다. 이에 대한 실험에서는 제안한 특징정보와 일반적으로 사용하는 특징정보를 비교하기 위해 두 가지 특징정보를 모두 적용해 보았다. 먼저 일반적인 특징정보로는 compactness, eccentricity, round- ness를 후보로 선정하였고, 제안한 특징정보로 CB(Connected Boundary ratio), DM(Difference of Mean)을 선정하였다. 이들에 대해 다음에서 설명한다.The foreign matter and chip defects, which are defects to be classified in the present invention, are not constant in size, position, and orientation, so that the characteristic information for classification should be independent of size, position, and orientation. In this experiment, we applied both feature information to compare the proposed feature information with the commonly used feature information. First, compactness, eccentricity, and roundness were selected as candidates for general feature information, and connected boundary ratio (CB) and difference of mean (DM) were selected as proposed feature information. These are described below.
Compactness는 영역의 넓이와 둘레에 대한 비율로, 넓이가 a, 둘레가 l 일 때 수학식 8과 같이 나타낼 수 있으며 ‘1’이면 원, ‘0’이면 직선을 나타낸다. Eccentricity는 영역을 포함하는 타원의 초점과 장축길이(major axis length)의 비율로서 타원의 중심에서 초점까지 거리를 f, 장축길이는 일 때 수학식 9와 같이 나타낼 수 있고 그 값이 ‘1’이면 직선, ‘0’이면 원을 나타낸다. Roundness는 해당 영역의 단축길이(minor axis length)와 장축길이의 비율로서 ‘1’이면 원, ‘0’이면 직선을 나타낸다.Compactness is the ratio of the area to the perimeter. When the area is a and the perimeter is l, it can be expressed as Equation 8. Eccentricity is the ratio of the focal and major axis lengths of the ellipse that contains the area, and f is the distance from the center of the ellipse to the focal point. In the case of Equation 9, a value of '1' indicates a straight line and a value of '0' indicates a circle. Roundness is the ratio between the minor axis length and the major axis length of the area.
본 발명에서 제안하는 CB는 해당 영역 둘레의 일부가 반도체 패키지 외곽에 연결되어 있는 비율로서 외곽에 연결된 화소의 개수가 c, 둘레는 l 일 때 수학식 10과 같이 표현할 수 있다. DM는 패키지 면의 평균밝기와 결함 영역의 평균밝기에 대한 비율로서 배경의 평균밝기를 , 결함의 평균밝기를 라 하면 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다. The CB proposed in the present invention may be expressed as
여기에서, 특징정보는 반도체 패키지의 외곽에서 발생하는 chip 결함의 고유특성과 조명에 의해 결함의 화소 값이 패키지 면과 차이를 갖는 특성을 고려하였다.Here, the feature information considers characteristics in which the pixel value of the defect is different from that of the package due to the intrinsic characteristics of the chip defects generated from the outside of the semiconductor package and the illumination.
이하 본 발명에 따른 결함 분류 알고리즘에 대하여 설명한다. 도 6은 본 발명에 따른 결함영역 분류 흐름도이다.Hereinafter, a defect classification algorithm according to the present invention will be described. 6 is a flowchart illustrating a defect area classification according to the present invention.
영상에서 특정영역의 분리를 위해 가장 널리 사용되는 방법으로는 threshold 기법이 있다. 본 발명에서 사용한 threshold 기법은 Kittler & Illingworth의 minimum error threshold 방법이다. 또한 threshold 처리 후 나타나는 불필요한 영역제거와 결함의 본래 형태를 유지하기 위해 모폴로지 기법을 이용하였다.The threshold method is the most widely used method for the separation of specific regions in an image. The threshold technique used in the present invention is Kittler & Illingworth's minimum error threshold method. In addition, the morphology technique was used to remove unnecessary areas and maintain the original shape of defects after the threshold treatment.
도 6에 도시된 바와 같이, 먼저 입력영상(S210)을 minimum error threshold를 이용하여 이진화하고 이것을 Image1이라고 하였다(S220). 그리고, Image1에서 발생할 수 있는 1~2개 화소 크기의 hole을 없애기 위해 3 3 box의 structuring element로 closing 연산(S230)을 하였다. 또한 배경에서 5~10개 화소 크기로 분포하는 노이즈 성분을 최소화하기 위해 11 11 box의 structuring element로 opening 연산을 하고 결과영상을 Image2라 하였다(S240). Opening으로 인하여 본래 모양을 잃었을 결함 영역을 최소화하기 위해 Image1과 Image2를 이용하여 conditional dilation(조건확대)기법을 적용(S250)하였다. 마지막으로 특징정보 추출을 위해 분할 된 영역에 blob analysis를 수행(S260)하였다.As shown in FIG. 6, first, the input image S210 is binarized using a minimum error threshold, and this is called Image1 (S220). And, to remove 1 ~ 2 pixel size hole that can occur in Image1, 3 The closing operation (S230) was performed using the three-box structuring element. Also, to minimize the noise component distributed in the size of 5-10 pixels in the background, The opening operation was performed using the 11-box structuring element, and the resultant image was called Image2 (S240). In order to minimize the area of defects due to the opening, the conditional dilation technique was applied using Image1 and Image2 (S250). Finally, blob analysis was performed on the divided region for feature information extraction (S260).
이하, 본 발명에 따른 광학계를 이용한 특징정보 추출 및 이에 대한 분류 방법에 대한 실시 예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of a feature information extraction and classification method using the optical system according to the present invention will be described in detail.
먼저 본 발명에서는, 영상 취득에 사용한 카메라는 해상도 1024 768의 mono CCD 카메라를 사용하였고 검사할 반도체 패키지는 QFN 4mm 4mm패키지를 사용하였다. First, in the present invention, the camera used for image acquisition has a resolution of 1024. A 768 mono CCD camera was used and the semiconductor package to be tested was QFN 4mm 4 mm package was used.
(표 2. 광학계 사양) (Table 2. Optical System Specifications)
또한, 결함 영역에 대한 일반적인 특징정보의 데이터와 제안한 특징정보 CB, DM의 데이터가 ML 방법에 적용되었을 때의 분류성능 및 조명의 색에 따른 특징정보 데이터의 정확성에 대해 평가하기 위하여 조명의 색을 IR, red, blue, white로 변화를 주면서 각각에 대해 foreign material 결함 영상과 chip 결함 영상을 약 800장 촬영하였고 각 영상에서 얻은 다섯 개의 특징정보 데이터 중 2개의 특징정보를 이용하여 ML 분류를 위한 분류모델들을 생성하였다. 또한 생성한 분류모델들의 ML 분류성능 평가 및 검증을 위해 두 가지 검증방법을 사용하였다. 1차 검증방법으로 조명의 색과 결함 별로 총280장의 새로운 결함 영상을 촬영 후 분류모델에 적용하여 정확히 분류한 개수와 분류를 하지 못한 개수를 분석하여 1차 검증을 하였다. 표 3은 검증방법의 수행결과를 나타내었다.In addition, the color of the illumination is evaluated to evaluate the classification performance and the accuracy of the characteristic data according to the color of the illumination when the data of the general characteristic information on the defect area and the proposed characteristic information CB and DM are applied to the ML method. About 800 foreign material defect images and chip defect images were taken for each of them by changing to IR, red, blue, and white, and classification for ML classification using two feature information among five feature data obtained from each image Models were created. In addition, two verification methods were used to evaluate and verify the ML classification performance of the generated classification models. As the first verification method, a total of 280 new defect images by color and defects of lighting were applied to the classification model and photographed. Table 3 shows the results of the verification method.
표 3을 통해 red 측사조명을 사용하였을 경우 선정한 특징정보의 조합에 의한 분류성능이 평균 98.88%로 가장 좋은 결과를 보였다. Blue 조명에서는 가장 부정확한 특징정보 데이터가 얻어진 것을 알 수 있다. 또한 DM vs CB 방법을 사용하였을 경우엔 조명색의 변화에 따라 성능이 변화하는 다른 특징정보들과는 다르게 4가지 색 모두에서 99.9%의 분류성능을 보였다.When the red side lighting was used in Table 3, the classification performance by the combination of selected feature information was the best with an average of 98.88%. It can be seen that in the blue light, the most inaccurate feature information data is obtained. In addition, the DM vs CB method showed 99.9% classification performance in all four colors, unlike other feature information whose performance changes according to the illumination color change.
(표 3. 조명종류 및 특징정보 별 분류평가 결과) (Table 3. Classification and Evaluation Results by Lighting Type and Feature Information)
*Comp : compactness, Ecc : eccentricity, Round : roundness * Comp: compactness, Ecc: eccentricity, Round: roundness
2차 검증방법으로 특징정보 도메인에서 각 클래스 간 분산과 클래스 내 분산을 구한 후 클래스 간 분산을 클래스 내 분산으로 나눈 값으로 분류성능을 비교하였다. 다음의 표 4에서는 2차 검증결과를 보이고 있다.As the second verification method, the variance between class distribution and class variance was obtained by calculating the variance between each class and variance in class in the feature domain. Table 4 below shows the results of the second verification.
(표 4. 특징정보 도메인에서 클래스 간 분산과 클래스 내 분산 비교) (Table 4. Comparison of variance between classes and variance in classes in feature domain)
* : 클래스 내 분산, : 클래스 간 분산* : Distribution within a class, : Distributed between classes
위 결과에서도 DM vs CB 방법을 사용하였을 때 가장 좋은 결과를 보였다. 이 결과는 특징정보 도메인에서 두 클래스 간 독립성이 크다는 것을 의미하며 이것은 분류성능과 직접적인 관계를 가지고 있다. The above results also showed the best results when using the DM vs CB method. This result means that the two classes have high independence in the feature domain, which is directly related to the classification performance.
도 7은 레드 조명 영상의 특징정보 도메인에서의 칩 결함, 이물질 결함 분류모델 그래프이다. 여기에서는 특징정보 도메인을 그래프로 나타내고 있는데 여기서 표 4의 결과를 쉽게 확인할 수 있다.7 is a graph showing chip defects and foreign material defect classification models in the feature information domain of a red illumination image. Here, the characteristic information domain is shown in a graph, where the results of Table 4 can be easily confirmed.
이 경우, 상세하게는, 도 7a는 Compactness vs eccentricity, 도 7b는 Eccentricity vs DM, 도 7c는 DM vs CB, 도 7d는 Roundness vs compactness, 도 7e는 Roundness vs eccentricity에 대한 특징정보 도메인을 도시하고 있다.In this case, in detail, FIG. 7A shows Compactness vs eccentricity, FIG. 7B shows Eccentricity vs DM, FIG. 7C shows DM vs CB, FIG. 7D shows Roundness vs compactness, and FIG. 7E shows Roundness vs eccentricity. .
일반적인 특징정보에 의해 생성된 분류모델들은 결함의 특성분포가 일부 겹치지만 제안한 특징정보에 의해 생성된 분류모델은 결함의 특성분포가 거의 독립적 으로 분포하는 것을 볼 수 있다. DM vs CB 특징정보 도메인을 나타낸 그림 7(c)를 보면 제안한 특징정보 CB는 반도체 패키지의 외곽 영역에서만 발생하는 chip과 위치에 독립적으로 발생하는 foreign material의 특성을 이용하여 제안한 특징정보로써 분류성능을 향상시키기 충분한 특징정보라 판단되며, 밝기 차이 정보를 이용한 DM도 분류 성능 향상에 효과적인 분류모델을 생성하는 것을 확인하였다. The classification models generated by the general feature information partially overlap the feature distribution of defects, but the classification model generated by the proposed feature information shows that the feature distribution of defects is almost independent. Referring to Figure 7 (c), which shows the DM vs CB feature domain, the proposed feature information CB is the feature information proposed by using the characteristics of the chip and the foreign material that occurs independently of the location. It is determined that the feature information is sufficient to improve, and the DM using the brightness difference information also generates an effective classification model to improve the classification performance.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 광학시스템(100)에서는 재질은 같으나 결함 표면의 차이를 극대화 시키고 반도체 패키지(110) 표면의 특성에 의한 노이즈는 최소화할 수 있도록 측사조명(150)과 동축조명(140)을 동시에 사용하였으며, 제안한 광학계를 통해 기존 광학계에서는 검출이 어려운 chip 결함(22)의 검출이 용이한 것을 확인할 수 있었다. 또한 일반적인 특징정보 보다 결함(21, 22)의 위치 및 밝기 특성을 이용한 특징정보 CB, DM를 이용하였으며, 검증을 위해 불량 영상을 이용한 실험적 검증방법과, 얻어진 특징정보를 통해 생성된 클래스의 분산을 분석하는 방법을 사용하였다. 실험결과 제안한 특징정보를 사용하였을 경우 일반적인 특징정보(eccentricity, roundness, compactness)를 사용한 결과보다 분류성능이 대폭 향상되는 것을 확인하였으며, 측사 red 조명을 사용하였을 경우 다른 색의 광원을 사용하였을 때보다 향상된 분류성능을 보이는 것을 상기 실시 예에서 확인할 수 있을 것이다.As described above, in the
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범 위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
도 1은 결함 형태인 이물질 및 칩 결함을 도시한 단면도1 is a cross-sectional view showing a foreign matter and chip defects in the form of a defect
도 2는 기존 광학계 구성을 도시한 구성도2 is a block diagram showing a conventional optical system configuration
도 3은 본 발명에 따른 광학계 구성을 도시한 구성도3 is a block diagram showing the configuration of an optical system according to the present invention
도 4는 광학계 영상 비교를 위한 사진4 is a photograph for comparing the optical system image
도 5는 본 발명에 다른 광학계에서 사용한 조명의 파장특성 그래프5 is a graph of wavelength characteristics of illumination used in another optical system according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 결함영역 분류 흐름도6 is a flowchart illustrating a defect area classification according to the present invention.
도 6은 레드 조명 영상의 특징정보 도메인에서의 칩 결함, 이물질 결함 분류모델 그래프6 is a graph of chip defects and foreign material defect classification models in the feature information domain of a red illumination image.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
100: 광학계 110: 반도체 패키지100: optical system 110: semiconductor package
120: CCD 카메라 130: 하프미러120: CCD camera 130: half mirror
140: 동축조명 150: 측사조명140: coaxial light 150: side lighting
160: 컨트롤러부160: controller
Claims (4)
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