CN101124453B - 用于二维和三维图像检测的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种检测系统，该检测系统将二维检测(用于检测电子器件201的元件的二维标准)和三维检测(用于检测电子器件201的元件的三维标准)结合在一个模块中。还提供了用于控制和数据分析的计算机。三维图像获取装置包括三维图像传感器和三维光源(105)(优选的是激光辐射的平面层状光，基本垂直于电子器件的平面)。二维图像获取装置包括二维传感器(103和403)和二维光源(102)。当电子器件被固定在同一位置时可以完成二维和三维检测。

Description

用于二维和三维图像检测的系统

技术领域

本发明一般性涉及进行三维(3-D)和二维(2-D)标准分析的检测系统。尤其涉及，所述三维和二维标准分析被用于进行集成电路(IC)器件的检测。 

背景技术

存在制造用于检测如半导体封装的引线和焊球的电子元件的IC器件的需求。一些系统对半导体封装的单独的二维和三维检测是可利用的。 

美国专利第5,956,134号公开一种引线检测系统，当该引线检测系统与半导体封装之间存在相对运动时该引线检测系统可进行半导体封装的二维和三维测量。这个系统包括第一光传感器，如CCD摄像机，用于获取半导体器件封装的二维图像并将该图像与存储在中央处理器(CPU)中预定的二维图像进行比较。高强度光源，如激光器，产生从半导体封装的引线反射到生成了三维图像的第二光传感器(如另一个CCD摄像机)的光平面。中央处理器将三维图像和预定或计算过的引线的位置关系进行比较，从而建立引线顶端的共面性，或缺少共面性。这个系统还包括传感器，该传感器的位置使半导体封装位于摄像机视野范围内的中心以获取各个图像。“134”的缺点在于它对于二维和三维在视野范围内分别具有不同的中心，并且在检测可以进行之前需要单独的机械结构对目标器件进行挑选和定向。 

美国专利第6,118,540号公开一种用于自动检测封装的半导体器件的二维和三维标准的检测系统，该检测系统采用单个摄像机和一些激光源。提供二维光源对进行检测的物体照明。单个摄像机获取物体的图像。这通过连接到系统的计算机提供用于二维分析的图像数据。多个激光源为三维标准测量的进行提供照明。这个系统的一个缺点是对于二维和三维检测都使用同一个摄像机，使检测通量减慢。二维和三维标准输入数据的数量的不同，成为只运用一个摄像机的检测系统的检测速度的瓶颈。 

美国专利第6,291,816号公开一种运用二维和三维扫描装置的成像系统。二维扫描装置对物体的选定区域进行预扫描。来自二维扫描装置的数据用于预先确定包含三维特征的兴趣区，并控制三维扫描装置。二维扫描装置包括线阵摄像机(line camera)或面阵摄像机(area array camera)。三维扫描装置包括用于三维照明的激光器，声光(AO)偏转器和位置敏感探测器(PSD)。该系统复杂且安装成本高。 

对相对简单、紧密且安装成本低并且同时改进三维检测速度的检测系统的需求仍然存在。 

发明内容

本发明指向将电子器件的元件的二维检测和三维检测结合在一个紧凑模块中的检测系统。本发明中的检测系统包括：用于检测元件的二维标准的二维图像获取装置；用于检测元件的三维标准的三维图像获取装置；和连接到二维图像获取装置和三维图像获取装置用于分析二维和三维图像的处理单元。三维图像获取装置包括三维图像传感器和三维光源。优选地，三维光源是能够产生基本垂直于电子器 件所在平面的平面层状光(planar sheet of light)的激光器。二维图像获取装置包括二维传感器和位于支架上方的二维光源。二维和三维图像获取装置的排列使得电子器件被固定在同一位置时可以完成二维和三维检测。 

本发明将二维和三维检测功能结合在一个带有分光镜的模块中。二维和三维系统的排列使它们在视野范围内具有相同的中心。由于不同需要和选择标准用到不同的摄像机。二维摄像机是常规摄像机，典型的是CCD摄像机。二维摄像机致力于检测如焊球/引线的位置和尺寸的二维特征以及器件表面的瑕疵等。三维摄像机是带有与高速数据处理硬件单元配合工作的可编程窗口尺寸的高速CMOS传感摄像机。 

附图说明

将下文中示例性实施例的详细描述与附图相结合，本发明的优点和新颖特征将变得明显。 

图1表示代表根据本发明的优选实施例的检测系统的基本布置的结构图。 

图2表示根据本发明的优选实施例的三维图像获取装置的结构。 

图3对三维数据分析进行图解说明。 

图4表示本发明的检测系统的主视图。 

图5表示将二维成像系统和三维照明相结合的光学仪器。 

图6表示三维图像获取装置的可替换结构，其中只用到一个三维摄像机。 

图7表示三维图像获取装置的另一个可替换结构，该结构满足高度和空间限制的需求。 

图8表示球栅阵列(BGA)器件和沿一行焊球排列的激光的三维图像的俯视图。 

图9表示用于检测系统以增加图像的帧速的带有可编程窗口尺寸的CMOS图像传感器。 

具体实施方式

图1表示代表根据本发明的优选实施例的检测系统的基本布置的结构框图。本发明的检测系统由四个基本组件组成：二维图像获取装置101，该装置包括二维光源102和二维传感器103；三维图像获取装置104，该装置包括三维光源105以及一个或两个三维传感器106；主可编程计算机(PC)108；以及高速图像处理器107。二维光源102对将要检测的电子器件如IC封装进行照明。然后电子器件元件的二维图像被二维传感器103获取。二维图像被传送到执行二维图像处理任务的主机108。同时，三维光源105被激活，照亮固定在同一位置的器件。元件的三维图像被三维传感器106获取。来自传感器106的原始图像被传送到实时对图像数据进行重整并提取激光中线的高速图像处理器107。由图像处理器107提取的激光线被主机108读取，以计算如焊球高度、共面性和折曲度等三维参数。主机108计算二维和三维检测结果以确定是否拒绝或接受关于预定规格的器件。 

图2表示根据本发明的优选实施例的三维图像获取装置104的结构。图2中省略了二维图像获取装置101的细部图，接下来将参照图4和图5对其进行描述。参看图2，电子器件201放置在检测台205上，并由常规支架(未标明)支撑。器件201包括将要检测的元件202，如引线焊球(solder ball lead)(此处只标出一个焊球)。在检测过程中，器件201与由摄像机106、106′和激光器105组建构成的三维传感器需要发生相对运动。图2只表示出沿X方向运动的器件。另一种可行的方法是，将器件保持静止的同时移动三维传感器。三维摄像机106以相对于检测台205成锐角如45°的角度安装在检测台205上。三维光源105，优选的是激光二极管，安装在检测台205上方并能够在器件201上生成平面层状光204。如图2所示，三维光源105的位置使层状光204基本垂直于检测台205。为了提高检测速度并减少由元件202的高度造成的阴影效应，提供第二三维图像传感器106′。此外，第二三维传感器106′也能够检测第一三维传感器106的盲点。第二三维传感器106′相对于第一三维摄像机106对称安装。三维摄像机106和106′可以是分别带有透镜402和402′的高速摄像机。工作过程中，三维光源105给器件201提供照明，来自器件201表面的随机反射光通过透镜402和402′成像并被三维摄像机106和106′接收。三维摄像机106和106′可将变形的激光线203的投影偏差转换成数字图像。 

图3说明如何从变形的激光线203计算出焊球高度。焊球202由透镜402以斜角β观察，并在检测台205上成像，假定焊球202在摄像机106的焦距的高度范围内。焊球具有顶点C，最低点A和高度H，H等于顶点C与检测台205之间的距离。当层状光204击中焊球202， 直的激光线203变形。激光线的投影偏差 

与距离H之间的关系可定义如下： 

$H=\frac{L}{\mathrm{Md}}\stackrel{\‾}{A^{\′}{C}^{\′}}$

此处M是透镜的放大率，L是透镜402的光心与检测台205之间的距离，d是透镜402的光心与层状光204之间的距离。L和d是需要校准的系统参数。以上关系式基于L>>H这一假设，以便H相对于L是可以忽略的。投影偏差 

可在图像传感器的成像台上获取。采用第二三维摄像机106′和透镜402＇可完成相似计算。 

图4表示本发明的检测系统的主视图。带有两个摄像机106和106′的三维图像获取装置的结构结合图2进行了描述。如图4所示，二维光源102安装在器件201上方，但在三维光源激光器105的下方，提供二维光学仪器401对器件图像转向，并使这个二维获取装置与三维获取装置一体化。二维光源可以是环形发光二极管(LED)阵列。 

参看图5，二维传感器103是具有透镜403的摄像机。二维传感器103可以是正常速度的二维摄像机，如电荷耦合元件(CCID)或基于CMOS的摄像机。二维光学仪器401包括透射与反射比例是50∶50的分光镜501，以及用于改变光学仪器方向的平面镜502。如图5所示，激光器105和二维光源102共轴排列。在二维工作过程中，二维光源102对器件照明。视野范围(由虚线206表示)必须设计成能够覆盖将要检测的最大器件。 

再次参看图5，应该注意的是二维检测获取装置101和三维检测获取装置104可相互独立工作。由此得出结论，当仅需要三维检测获取装置时，可去掉二维光学仪器401和二维传感器(103和403)。 

图6表示三维图像获取装置104的可替换结构。在这个实施例中，只用到一个摄像机106。 

图7表示满足高度和空间限制的另一个实施例。在这个实施例中，用平面镜收拢光学通道以减小物理高度，从而满足限制高度的情形。提供一对平面镜403和404，用于将从器件201反射的光引导到摄像机106。提供另一对平面镜403′和404′，用于将从器件201反射的光引导到摄像机106′。 

图8表示包括平面衬底301和引线焊球302的典型的球栅阵列(BGA)器件。为清楚起见，只标出有代表性数量的引线。焊球在连接到IC器件的导体的垫片(未标出)上进行再流处理。在检测引线焊球时，核实它们彼此之间以及与衬底的适当位置十分重要。核实所有引线的存在以及引线的共面性同样重要。当三维光源105对BGA器件照明时，由三维摄像机106观测到的一行引线焊球在图8中表示为303。三维图像获取装置104继续在运动之间的间隔距离处获取图像；一系列类似303的图像形成并被处理以提取出焊球的外形图，从而使系统能够计算出焊球的高度。 

图9表示带有可编程窗口尺寸的CMOS图像传感器。当在较小传感区域工作时，图像帧速可以更高。系统算法使得用于测量高度和提高检测画面速度的图像传感器窗口尺寸内的窗口兴趣区更小。帧速在1280(水平)乘1024(竖直)全解析时可高达500帧每秒，这 是CCD摄像机所不能达到的速率。可编程窗口尺寸的特征使其在小窗口运行得更快。当采用80行的传感区域时，本发明中可达到每秒6400画面的检测速度。 

基于本发明的装置，当器件201被固定在沿X方向的相同位置时，可以完成二维检测和三维检测。此外，二维和三维图像获取装置可彼此独立工作。这意味着当仅需要三维检测功能时，二维图像获取装置没有被激活。 

应该理解，尽管对一些优选实施例进行了详述，在不背离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可作出各种其它变化和改进。 

Claims (7)

1.一种用于检测电子器件的检测系统，所述系统包括：

用于将电子器件固定在检测台(205)上的装置；

二维检测装置(101)，包括：

二维光源(102)，其用于对电子器件照明，其中该二维光源(102)布置在检测台(205)上方的预定水平面上；

分光镜(501)，其构造成反射由于二维光源(102)的照明从电子器件反射过来的光，其中该分光镜(501)布置在检测台(205)上方的另一个预定水平面上；

平面镜(502)，其构造成进一步反射来自分光镜(501)的光；及

二维传感器(103)，其通过获得从平面镜(502)反射过来的光来获取电子器件的二维图像，其中该二维传感器(103)布置在检测台(205)上方的又一个预定水平面上；和

三维检测装置(104)，包括：

三维光源(105)，其用于在电子器件上生成平面层状光，其中该三维光源(105)布置在分光镜(501)的上方，并且使平面层状光能够被传送到电子器件，其中三维光源(105)被定向以使平面层状光基本垂直于检测台(205)；及

三维传感器(106)，其用于通过获得从电子器件反射过来的平面层状光来获取电子器件的三维画面，其中三维传感器(106)布置在检测台(205)上方的又一个预定水平面上，但是三维传感器(106)的定向相对于平面层状光成锐角(β)；

其中二维检测装置(101)和三维检测装置(104)可单独或同时操作。

2.如权利要求1所述的检测系统，其中三维检测装置(104)包括两个三维传感器(106，106’)，其中所述两个三维传感器(106，106’)关于所述两个三维传感器(106，106’)中间的平面层状光对称排列。

3.如权利要求1所述的检测系统，其中三维传感器(106)包括高速三维摄像机。

4.如权利要求2所述的检测系统，其中两个三维传感器(106，106’)各包括高速三维摄像机。

5.如权利要求1所述的检测系统，其中二维传感器包括CCD摄像机或CMOS摄像机。

6.如权利要求1所述的检测系统，其中二维光源(103)包括环形LED阵列。

7.如权利要求1所述的检测系统，其中二维检测装置(101)和三维光源(105)在由平面层状光限定的平面上排列。

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