基于双目机器视觉的球栅阵列半导体器件品质检测系统.pdf

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，由光学成像和图像采集两部分组成，被测球栅阵列半导体器件放置在载物台上，两个CCD摄像机分别设置在光学显微镜的正上方和被测器件侧面，每一个CCD摄像机配置一套光源，两个CCD摄像机多角度采集的半导体器件图像信息，通过高速图像采集卡传送到计算机，经处理后得到器件检测需要的各项数据，进行器件的品质的评定。本发明采用软件信号触发控制图像采集、双CCD摄像机和彩色图像处理技术，实现对球栅阵列半导体器件品质的高速、高分辨率无损伤检测，满足在线实时检测的需要。

1、  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，由光学成像和图像采集两部分组成，其特征在于整个光学成像部分(13)放置在密封箱(12)内，其中被测器件(7)放置在光学显微镜(2)正下方的载物台(5)上，一个环形LED红色光源(3)固定在显微镜(2)物镜的下方，一个彩色CCD摄像机(1)通过摄像接口直接安装在光学显微镜(2)的上方，采集经显微镜放大的半导体器件图像信息，另一个彩色CCD摄像机(8)安装在被测器件(7)一侧的支架(11)上，并通过固定旋钮(9)调节垂直平面内的角度，通过调节旋钮(10)调节上下位置，侧面CCD摄像机(8)的镜头光轴与被测器件(7)平面成30～40度角度，侧面CCD摄像机(8)和被测器件(7)之间距离为被测器件(7)尺寸的20～30倍，与侧面CCD摄像机(8)相对，在被测器件(7)的另一侧上方配置一个环形面阵列红色LED光源(4)，其与被测器件(7)的距离为器件尺寸的5～10倍，光源平面与侧面CCD摄像机(8)的光轴平行，图像采集部分中的图像采集卡(14)通过数字电缆分别和两个CCD摄像机(1、8)相连，将摄像机采集的图像信息传递到计算机(16)。

2、  根据权利要求1的基于双目机器视觉的球栅阵列半导体器件品质检测系统，其特征在于所述密封箱(13)的内壁为白色，底部为黑色漫反射材料。

基于双目机器视觉的球栅阵列半导体器件品质检测系统
技术领域
本发明涉及一种基于双目机器视觉的球栅阵列(Ball Grid Array，BGA)半导体器件品质检测系统，采用软件触发信号控制图像采集，双CCD摄像机多角度捕捉和彩色图像处理技术，实现对球栅阵列半导体器件品质的高速、高分辨率无损检测，属于自动光学检测领域。
背景技术
我国是芯片制造大国，但具有自主知识产权的核心技术很少，很多电子制造设备和检测设备均是国外进口。造成这种局面的原因在于微电子制造是高技术产业，而我国在电子制造方面起步晚，科研资金和条件缺乏。自20世纪90年代中期开始，球栅阵列半导体器件因为具有引线间距大，高密度的I/O接口，自对准特性高，优良的电气性能等优点，发展相当迅速。为了控制产品质量，在球栅阵列半导体器件贴装到印制电路板之前，需要对如下指标进行检测：封装组件的可靠性；与印刷电路板的热匹配性；焊料球的共面性；对热、湿气的敏感性等。需要指出的是，球栅阵列基板上的焊球无论是通过高温焊球(90Pb/10Sn)转换，还是采用球射工艺形成，焊球都有可能出现丢失、成形过大或过小、焊料桥接、缺损等缺陷。因此，在进行表面贴装之前，需对其中的一些指标进行检测。对焊球有可能出现的丢失、成形过大或过小、焊料桥接、缺损等缺陷，以及焊料球的共面性的检测，有人提出采用激光线结构光传感器结合数字图像处理技术来进行检测。不过基于线结构光的系统在技术上主要存在以下问题：检测速度慢；需要专门马达驱动放置器件的工作台；工作台的震动易带来测量误差等。美国发明专利(专利号6,134,013)公开了一种“Optical ball grid array inspection system(球栅阵列芯片光学检测系统)”，采用平行光照射被测器件，通过测定反射光线与已知轴的角度，来计算反射面的位置信息。其主要缺陷是光学设计复杂，检测速度不高。
因此有必要研制一种机构简单、检测速度快、检测精度高的系统。对现有球栅阵列半导体器件品质检测系统以及相关技术的检索，还没有发现类似于本发明用来解决上述问题的专利。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，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，可以通过高分辨率的图像采集，实现对球栅阵列半导体器件品质的高速、无损检测。
为实现这样的目的，本发明的基于双目机器视觉的球栅阵列半导体器件品质检测系统包括光学成像和图像采集两部分。光学成像系统包括光学显微镜、彩色CCD摄像机和LED红光源，所有器材放置在密封箱内以防止外界光线的干扰。被测球栅阵列半导体器件放置在载物台上，两个CCD摄像机分别从光学显微镜的正上方和被测器件侧面多角度采集半导体器件图像信息。图像采集部分包括台式计算机和图像采集卡，利用软件触发信号逐帧采集图像，通过高速图像采集卡，将图像信息传送到计算机，经处理后得到器件检测需要的各项数据，进行器件品质的评定。
本发明系统的具体结构描述如下：
本发明的检测系统包括光学成像和图像采集两部分，分别实现图像捕捉、处理功能。光学成像部分包括光学显微镜、彩色CCD摄像机和LED红光源。被测BGA器件放置在显微镜正下方的载物台上，一个环形LED红色光源固定在显微镜物镜的下方，照明BGA芯片。一个彩色CCD摄像机通过C型接口直接连接在显微镜上方，采集经显微镜放大的半导体器件图像信息。另一个彩色CCD摄像机安装在BGA器件的一侧上方，此侧面CCD摄像机镜头光轴与被测半导体器件平面成一定角度，大致为30～40度左右，根据被测器件尺寸而加以调节，两者之间的距离为BGA器件尺寸的20～30倍，以保证获得完整的图像而又避免失真。与此侧面CCD摄像机相对，在被测BGA器件另一侧上方配置一个环形面阵列红色LED光源，其与BGA器件的距离为器件尺寸的5～10倍，光源平面与侧面CCD光轴平行。所有器材放置在密封箱内以防止外界光线的干扰。图像采集部分包括台式计算机和图像采集卡，利用软件触发信号将上述两CCD摄像机捕捉的图像通过图像采集卡轮流采集到计算机，图像处理软件通过对图像信息的分析，得到器件检测需要的各项数据，进行器件品质的评定。
本发明的光学成像部分安装在密封箱体内，以避免外界光线的影响，同时保持器材的干净。密封箱内壁为白色，底部为黑色漫反射材料，使得底部光线反射尽可能的均匀，以最大限度消除由此引起的干扰。
本发明的系统为每一个CCD摄像机配置一套光源设备。当上方CCD摄像机捕捉图像时，关闭侧面LED光源，打开固定在显微镜物镜正下方的环状LED红光源，扩散的光线以低角度均匀地照射在被测半导体器件表面上，为正上方的CCD摄像机提供光照。而当侧面CCD摄像机捕捉图像时，打开侧面LED光源，关闭固定在显微镜上的LED光源。两套CCD摄像机和光源轮流作业，互相独立。
系统进行焊球高度测量的工作原理为：首先根据球栅阵列半导体器件的尺寸和测量高度的要求，由光学成像原理和几何关系确定侧面CCD摄像机安装的极限角度，以此为基准，对安装角度进行微调。原则是安装角度尽可能的接近极限角度，又能得到每一排焊球的高度信息。确定安装角度以后，进行系统标定。将侧面CCD捕捉图像信息进行分析，由标定参数和图像与空间被测器件地几何对应关系即可得焊球的高度信息。
采用本发明的效果是：能准确有效地检验球栅阵列半导体器件的品质。通过采用双CCD摄像机多角度采集方法，全方位捕捉器件的图像信息。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。根据被测器件的尺寸，精确地确定侧面CCD摄像机的安装角度，实现对每个焊球高度的检测。本系统为每个CCD摄像机提供独立的光源，采用合理的光源配置，可以得到清晰的图像，适合图像预处理。系统采用软件触发方式，控制图像抓取，也可以通过外部电平触发信号控制摄像头抓取图像。本系统采用高分辨率(1024×1024)的图像采集，可以满足球栅阵列半导体器件品质的检测要求。
附图说明
图1为本发明球栅阵列半导体器件品质检测系统的整体结构示意图。
图中，1为正上方CCD摄像机，2为光学显微镜，3为正上方LED红光源，4为侧面LED红光源，5为显微镜载物台，7为被测器件，8为侧面CCD摄像机，9为CCD固定旋钮，10为上下调节旋钮，11为支架，12为密封箱，13为整套光学成像系统，14为图像采集卡，15为整套图像采集系统，16为图像处理单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明的系统整体结构如图1所示，由光学成像系统13和图像采集系统15两部分组成。
光学成像系统13包括正上方CCD摄像机1，光学显微镜2，LED红光源3，侧面LED红光源4，载物台5，侧面CCD摄像机8，CCD固定旋钮9，上下调节旋钮10，支架11，密封箱12，所有器件放置在密封箱12内，以防止外界光线的干扰。被测BGA器件7放置在光学显微镜2正下方的载物台5上，一个环形LED红色光源3固定在显微镜2物镜的下方，照明被测BGA器件7。一个彩色CCD摄像机1通过C型摄像接口直接安装在光学显微镜2的上方，采集经显微镜放大的半导体器件图像信息。另一个彩色CCD摄像机8安装在被测BGA器件7右侧的支架11上，CCD摄像机8的镜头光轴与被测器件7平面成一定角度，大致为30～40度，确切的角度随被测器件尺寸变化而加以调整。摄像机8可以通过调节旋钮10上下调节，支架11上刻有高度信息，精确到毫米。通过调节旋钮10上的指示针，可以得到CCD摄像机8的高度信息。固定旋钮9将CCD摄像机8固定在支架11上，同时可以使得CCD摄像机8在垂直平面内转动，调整角度。侧面摄像机8和被测器件7保持一定的距离，大致为器件尺寸的20～30倍，以保证获得完整图像而又避免失真。与侧面CCD摄像机8相对，在被测BGA器件7的左侧上方配置一个环形面阵列红色LED光源4，其与BGA器件7的距离为器件尺寸的5～10倍，光源平面与侧面CCD摄像机8的光轴平行。
当正上方CCD摄像机1采集图像时，关闭侧面LED光源4，打开正上方的光源3。而当侧面CCD摄像机8采集图像时，关闭器件正上方的光源3，打开侧面LED光源4。本发明采用的CCD摄像机1和8可以采用彩色2/3’CCD摄像机，分辨率为1024×1024象素。采用手动调焦的镜头，焦距变化范围8-48mm。
图像采集系统15包括台式计算机16和图像采集卡14。图像采集卡14通过数字电缆分别和两个摄像机1、8相连，先后将两摄像机采集的图像信息传递到计算机16。本发明采用软件触发信号，控制被测器件的图像抓取。图像采集系统没有严重的噪声信息，能够满足后续图像处理的需要。图像经过软件的处理，可以得到器件检测需要的各项数据，进行器件品质的评定。