一种芯片三维外观视觉检测光路设计
摘要：半导体芯片的三维外观检测是芯片生产过程中的一个重要环节，而其中的光路设计是三维外观检测技术中的一个难点和重点。针对QFP芯片的三维外观检测，提出了一种新的光路。新的光路通过采用数字相机和平面反射镜，在一个视场内同时实现了芯片的底面和四个侧面的成像。新的光路降低了标定的难度和后续软件计算芯片三维指标的难度，同时也减少了硬件成本。新的光路采用平行光路设计，可对外形尺寸为5 mm×5 mm～40 mm×40 mm范围内的QFP芯片进行清晰成像，从而使得一套外观检测装置可以检测各种型号的QFP芯片。此外，该光路减少了芯片输送时间，提高了检测效率。该光路已成功应用在外观检测设备中，实验结果表明，它较好的克服了目前外观检测装置的不足，并且能够满足工业实际生产要求。
关键词：半导体芯片； QFP芯片； 三维外观检测； 光路设计
中图分类号：TN91134文献标识码：A文章编号：1004373X(2012)04017704
Optical path design for threedimensional exterior inspection
based on machine vision of semiconductor chip
LUO Mingcheng, XIONG Bo, YIN Zhouping
(State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)
Abstract： The threedimensional exterior inspection is an critical step in the manufacturing process of semiconductor chips, and the optical path design is an unsolved problem in this step. In order to solve this problem, a novel optical path is proposed for the threedimensional exterior inspection of QFP (plastic quad flat package). The new optical path can obtain the images of the chip's bottom and four sides simultaneously by using the digital camera and planar specula. The new optical path reduces the difficulties of calibration and the subsequent software for calculating the chip threedimensional index, and the hardware cost. It is suitable for the QFP chip whose size is from 5mm×5mm to 40mm×40mm by using parallel optical path design. Therefore, it can detect various types of QFP chips. In addition, the optical path can shorten the conveying time of the chips, and the efficiency of inspection is greatly improved. The optical path has been successfully applied in exterior inspection device, and the experimental results reveal that it is able to overcome some drawbacks of current exterior inspection device, and satisfy the industrial production requirements.
Keywords： semiconductor chip; QFP chip; threedimensional exterior inspection; optical path design
收稿日期：20110926
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50805060)；国家IC重大专项（2009ZX02021004）0引言
在电子集成电路芯片的生产线上，芯片的外观检测是一项重要的工序［1］。目前很多生产线上仍采用传统的人工目测检测，发现缺陷后，手动剔除不合格产品，这样的检测方法存在很多问题［2］，难以满足工业需求。随着机器视觉技术的发展，它们已被成功应用到工况监视、成品检测和质量控制等领域［3］。机器视觉检测作为一种高效的检测手段，与传统的检测方法相比，具有不可替代的优越性［48］，它们大幅度地提高了产品的质量和可靠性，保证了生产的速度［910］。
1芯片外观检测
芯片外观检测指标中一般有二维指标和三维指标，如图1所示，检测项目有管脚跨距、管脚间距、管脚对称性、管脚一致性、管脚排弯、管脚倾斜、管脚宽度、管脚弯曲度、管脚栈高和管脚共面度等。其中三维指标检测难度最大，同时也是三维外观检测的重点，如管脚栈高和管脚共面度等的检测。该问题主要有两个关键技术：硬件采图和软件算法。硬件采图装置的光路原理直接决定了软件计算芯片三维指标的方法，同时它所采集的图像质量直接影响着软件算法的复杂度和检测精度，因此硬件采图装置的光路设计显得尤为重要。在实际生产中，QFP芯片的种类繁多，外形尺寸范围跨度大（如外形尺寸从5 mm×5 mm~40 mm×40 mm），如何设计一个光路可以采集高质量图像，同时可以对各种规格芯片进行可靠成像并满足软件处理要求，也是一个技术难点。
图1 芯片检测项目在QFP芯片检测领域，国外起步较早，目前国内尚无成熟的相关产品，国外代表厂家为美国的KLATencor、SCANNERTECH和Coherix以及马来西亚的TTVision等。KLATencor采用特有的阴影检测技术，通过精确的打光倾斜照射管脚，管脚的阴影将投射到一个半透明玻璃平台，分析每个管脚不同角度打光下影子的尺寸，重构管脚的三维坐标,该方案对打光要求高，并且标定复杂，同时软件实现难度较大。
SCANNER公司和TTVision公司采用单相机加棱镜方式获取芯片五面图像，通过图像处理算法计算三维指标。该方案芯片检测时有下降动作，降低了检测效率。Coherix公司采用三相机成像的方式检测芯片的三维指标，三套图像采集系统增加了硬件成本，同时增加了标定的难度。
本文针对目前视觉检测装置的不足和工业的实际需求，提出了一种新的QFP芯片的三维外观视觉检测光路，该光路已成功应用在外观检测设备上，并较好地满足了实际生产要求。
2光路设计方法
根据前面的分析，为了克服现有装置的不足，本文提出了一种新的光路设计方法。针对芯片三维指标求取难以及多相机成像硬件成本高的问题，本光路采用1个数字相机加4个平面反射镜的方式，在一个视场内同时对芯片的五面（芯片底面和四侧面）采图。针对芯片外形尺寸范围跨度大导致的成像困难问题，本光路采用平行光路设计。针对芯片输送过程中有下降动作的问题，本光路采用特殊的U行反光板打光方式，可使芯片在输送过程中平行移动到采图装置上方而无需下降动作。此外，本光路采用LED条行光背光照明，另加大景深镜头，从而保证了芯片成像均匀，对比度高，有利于提高整个装置的检测精度。
如图2（a）和图2（b）所示，该光路主要包括吸取机构1、U形反光板2、两个光源3、待测芯片4、四个平面反射镜5、镜头6、相机7及工作距离调节机构8。其中吸取机构1负责吸取待检测芯片4至检测位，检测完成后，吸取芯片1离开检测位。U形反光板2安装在吸取机构1上，随吸取机构一起动作，起反光作用。两个光源3安装在U形反光板2和平面反射镜5之间，起打光作用。四个平面反射镜5以一定的角度安装在四面，起改变光路的作用。镜头6为一大口径、大景深镜头，安装在相机7上。相机7安装在工作距离调节机构8上，工作时对芯片4进行采图。若要采集清晰的图像，镜头前端面离芯片之间的距离（以下称工作距离）必须合适，因此工作距离调节机构8负责对相机和镜头进行上下调节，把相机和镜头调节到一个合适的工作距离。
下面将对该光路原理进行详细的叙述。
图2（a）为主视光路示意图，表达了待检测芯片底面成像的光路原理；图2（b）为右视光路示意图（除去光源），表示了待检测芯片侧面1和侧面3成像的光路原理；图2（c）为主视光路示意图，表达了待检测芯片侧面2和侧面4成像的光路原理。
图2光路原理图针对三维成像问题，本光路采用单个数字相机和4个平面反射镜在一个相机视场内同时对芯片底面和四侧面成像，打光原理如图2所示。采集的图像主要有两部分：芯片4底面（见图3）视图和芯片4四侧面视图（如图4所示）。芯片4底面成像原理如图2（a）所示，光源发出的光照射在U形反光板2上，把U形反光板2内部整个区域照亮，经U形反光板2反射后照射在芯片底面4，从而在相机中成像，成像光路如图2（a）中的细实线部分，一成像实例的效果如图4中的底面视图。芯片4四侧面（如图3）成像根据打光方式的不同分为两组，侧面1和侧面3为一组，记为A组，侧面2和侧面4为一组，记为B组。A组的成像原理如图2（b）所示，光源发出的光照射在U形反光板2上，把U形反光板2内部整个区域照亮，经U形反光板2侧面反射的光透射芯片侧面1和侧面3的管脚，经平面镜反射后垂直入射镜头，在相机上成像，成像光路如图2(b)中的细实线部分，一成像实例的效果如图4中的侧面视图1和侧面视图3。B组的成像原理如图2（c）所示，光源发出的光直接透射芯片侧面2和侧面4的管脚，经平面镜反射后垂直入射镜头，在相机上成像，成像光路如图2（c）中的细实线部分所示，一成像实例的效果见图4中的侧面视图2和侧面视图4。
图3待测芯片
图4芯片成像图对芯片底面视图（图4芯片的底面视图）进行数字图像处理后，可以求芯片的二维指标；对芯片四侧面视图（图4芯片的侧面视图）进行数字图像处理后，可以求出芯片的三维指标，如管脚栈高。三维指标求取原理如图5所示。
图5三维成像原理图图5中SV为芯片侧面视图管脚的长度，可对芯片侧面视图进行数字图像处理后求出；θ角为一固定角度，由机械结构设计决定；fb是待测芯片的固有参数，由芯片设计厂家提供；stoff为待求三维指标，即管脚栈高。stoff的求解公式如公式1：stoff=SVcos θfbtan θ(1)成像过程中，由于入射光线都是垂直镜头前端面入射（各入射光线均平行），所以只需对镜头进行平面标定即可，无需三维标定，大大降低了标定难度。同时该光路借助单个相机和4个平面反射镜，把芯片的底面视图和侧面视图同时成像在一个视场内，对图片进行数字图像处理时，无需进行多坐标系变换，从而降低了软件处理难度。此外，该光路通过单个相机即完成三维测量的任务，相对三个相机成像光路而言，大大降低了视觉检测装置的硬件成本。
针对不同规格的芯片检测问题，该光路采用平行光路设计，当芯片尺寸发生变化时，经U形反光板或平面反射镜反射后的光线平行移动，并且光线在移动的同时，芯片底面和侧面成像的入射光线始终都是垂直镜头入射，因此只需对该光路标定一次。当更换芯片规格时，无须重新标定，且不用更换任何零部件，因此一套外观检测装置可以检测各种型号的QFP芯片（可检测的芯片外形尺寸范围为5 mm×5 mm~40 mm×40 mm），从而增强了视觉检测装置的通用性。
针对检测时待测芯片有下降动作的问题，本光路采用特殊的U形反光板设计，反光板除了给芯片底面成像打光外，同时还对芯片其中的两侧面成像打光，这样使得视觉检测装置上端可以设计一缺口，如图6所示。检测时，吸取头可带动待测芯片平行移动到视觉装置上方，无需下降动作即可开始采图（见图6、图7），这缩短了芯片输送时间，提高了检测效率。
图6芯片平行移动过程状态图3实验结果
图8是用该光路设计的装置采集的图片效果图。可以看出，芯片的五面同时在一个相机视场内成像，并且成像均匀、对比度高。用该装置对测试芯片进行拍照采集图片，采集的图片经过软件处理计算芯片各个管脚的各个检测项目的值，对同一测试芯片连续采集和计算100次，把这100次计算的值分别求平均值，将该平均值作为该芯片各个管脚各个检测项的测试值，然后把该测试值与芯片相应管脚相应检测项的标准值取差值并求绝对值得绝对误差，该芯片各个管脚的某一检测项的最大绝对误差即为该检测项的检测精度，依此方法求出各个检测项的检测精度。
图7芯片在检测位时的状态（没有向下的位移）图8采集图片效果图
测试中共用了10个测试芯片（芯片各个管脚各个检测项的标准值已知），芯片的型号为QFP64（每边共16个管脚）。经测试，各个芯片的各检测项的检测精度均小于15 μm，达到视觉行业检测标准，表明了应用该光路采集的图片满足软件处理要求。表1中列出了某测试芯片1~16号管脚的管脚宽度和管脚栈高的检测结果。
4结语
本文提出了一种新的芯片三维外观检测光路设计方法。该光路成像均匀，并且采集的图片对比度高。在满足软件处理要求的情况下，该光路可对大尺寸范围内的芯片进行可靠成像。相对目前的视觉检测装置，该光路降低了软件处理难度、标定难度及视觉装置硬件成本，减少了芯片输送时间，有利于提高整个检测系统的检测效率。该光路已成功应用在QFP外观检测设备上，应用结果表明，它能够满足工业实际生产要求。同时，该光路也存在一定的不足：U行反光板设计思路，导致了反光板尺寸较大，实际应用时，给外观检测设备机械手的设计带来不便，在以后的工作中，将对反光板进行优化设计。
参考文献
［1］杨勇.一种集成芯片引脚外观检测系统的研究［J］.仪器仪表学报,2002,23（5）:7476.
［2］许国庆.基于机器视觉的IC芯片外观检测系统［D］.广州：华南理工大学，2010.
［3］牛一帆.机器视觉在印刷质量检测中的应用［J］.印刷质量与标准化，2009(9):4346.
［4］PHAM D T, ALCOCK R J. Automated grading and defect inspection：a review \[J\]. Forest Products Journal，1998, 48 (4): 3442．
［5］NEWMAN T S, JAIN A K. A survey of automated visual inspection \[J\].Computer Vision and Image Understanding, 1995, 61 (2): 231262．
［6］JARVIS J F. Research directions in industrial machine vision：a workshop summary \[J\]. Computer, 1982, 15 (12): 5561.
［7］吴敏金.图像形态学［M］.上海：上海科学技术文献出版社，1991.
［8］万宏辉,朱更明.D I P外观缺陷机器视觉检测系统［J］.邵阳学院学报:自然科学版,2007（4）:5457.
［9］唐向阳,张勇，李江有,等.机器视觉关键技术的现状及应用展望［J］.昆明理工大学学报:理工版,2004，29（2）：3639.
［10］段峰,王耀南.机器视觉技术及其应用综述［J］.自动化博览,2002(3):5961.
［11］李淑慧.智能化桥检车图像采集分析系统设计与研究\[J\].现代电子技术，2010,33(3)：154156.
