CN1448043A - 用于带引线的集成电路的三维检测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学检测系统，该系统用于检测具有带引线的IC元件形式的对象，其中，对象(10)被定位为与基准(1)的开孔(2)是重叠关系，并被横向的漫射光源(3)所照射，从而通过开孔(2)在几个投影方向对参考边(12)的参考轮廓和对象(10)的轮廓图像进行投影。提供了光学侧面棱镜(5)和中央棱镜(6)以接收来自两个不同的入射角的投影光，于是定义了两个不同的投影路径(91，92)，因此通过分析来自一个对象点的这两条投影路径的光，就可以获取三维图像。侧面棱镜(5)和中央棱镜(6)被设计和放置以使第一和第二投影的投影路径(91，92)在对象(10)的带引线的轮廓和系统的成像面(110)之间有相同的光程。

Description

用于带引线的集成电路的三维检测

技术领域

本发明涉及一种用于带引线的集成电路(IC)的三维检测的装置。

背景技术

在带有多个插脚或引线的电子元件，如集成电路的制造中，有人已经提出了使用光学系统的检测系统，这些检测系统提供了对电子元件的三维检测。

为了获得对IC元件的三维检测，有人还提出，提供至少两条光路，沿着这些光路将被检测的集成电路的不同图像传输到图像传感器。

例如，美国专利5,909,285中公开了一种用于集成电路检测的方法，该方法包括一个相机，将所沉积的精密样式掩模成像在被检测的透明标线上。使用漫射光对被检测的集成电路进行照射。通过使用上方的镜面或棱镜，集成电路的侧视图被反射到相机上。但是，该方法使用顺光照射，还需要集成电路被完全精确地定位在透明标线上。

从美国专利5,910,844可以得知一种视觉检测系统，该系统中八幅光学图像被同时记录在单数个图像帧中，这些图像从两台光学相机输出。根据美国专利5,910,844的该检测系统需要复杂的光学反射装置，该装置使用多个光学定向部件。但是，根据美国专利5,910,844，当检测不同尺寸的对象时，光学定向部件不得不进行有选择性的调整。

此外，从美国专利申请09/205,852可以得知一种光学检测系统，该系统用于确定对象相对于参照物的位置信息。用作系统参照物的基准被放置在被检测对象附近。此外，提供用于照射对象的漫射光源。设置该光源以使对象上的点和基准上的点沿着至少两条光路与它们的图像在相同的平面内，这些光路彼此形成一个角度。另外，提供成像子系统，获取沿两条光路的图像。为了提供对象上的点相对于基准上的点的位置信息，通过成像子系统对获取的图像进行相关和分析。根据美国专利申请09/205,852，通过使用梯形棱镜形成一条光路，和使用平面镜形成另一条光路，从而形成两条光路是可能的，这两条光路被中继传播到成像子系统上。此外，使用单个梯形棱镜以提供两条光路也是可能的。通过这种方法，一条光路沿着梯形棱镜的内表面形成，另一条光路沿着梯形棱镜的外表面形成。

但是，根据美国专利申请09/205,852，这两条光路的光程不同，以至图像质量遭到损害，因此检测系统的精度也遭到损害。此外，如双面集成电路的对象的两个面通过使用两个如美国专利09/205,852所公开的各自提供两个光路的光学结构来进行检测，在这种情况下，由于在检测系统所产生图像的中部存在大块的空白区域，光学子系统需要大面积的传感器以获取来自两条光路的图像。

发明内容

本发明为带引线的集成电路(IC)提供了一种检测系统。根据本发明的系统能够在受限制的空间中测试宽体IC封装的引线。换言之，本发明的目的在于可以以一种非常紧凑的方式进行IC引线的三维测量。

根据本发明的系统包含基准，该基准中有由参考边所确定的开孔，所述基准提供一个至少基本上垂直于系统的光轴的参考面，其中，被检测的对象被定位为与基准的开孔是重叠关系。该系统还包括：横向漫射光源，用于横向地照射漫射光到物体上通过开孔，从而通过开孔在几个投影方向，对被定位的对象包括引线的轮廓和参考边的轮廓图像进行投影；光学侧面棱镜，用于接收来自第一投影方向的轮廓图像的第一投影光。所述侧面棱镜有：入射面、出射面和内反射面，该内反射面协同入射面和出射面工作用于内反射第一投影光，使其通过侧面棱镜的出射面，在出射方向指向成像面，系统包括光学中央棱镜，被放置以接收来自第二投影方向的轮廓图像的第二投影光，所述中央棱镜在预定位置具有：入射折射面和与入射折射面协同工作的出射折射面，以使第二投影光被入射折射面和被出射折射面折射到成像面。侧面棱镜和中央棱镜被设计和放置，以使第一和第二投影的投影路径在带引线的对象的轮廓和成像面之间有相同的光程。

为了提供由侧面棱镜和中央棱镜各自确定的在对象包括引线的轮廓和成像面之间的两条投影路径的相同的光程，必须改变侧面棱镜的外形，以对应于中央棱镜的外形以及光源从对象轮廓出发并通过中央棱镜到达成像平面的光程，反之亦然。换句话说，侧面棱镜和中央棱镜的尺寸和放置必须相互协调，即配对。基于通过不同的光学介质时，光线的光程不同的原理，因此光程是几何长度和光学介质的函数。于是，通过分别为侧面棱镜和中央棱镜提供两种不同的光学介质，以及第三介质空气，通过考虑在第三介质空气中的特定结构来改变各个棱镜的尺寸，则能够获得符合相同光程的匹配。

根据本发明的优选实施例，为测量或检测如双面或更多面的IC元件的两个或更多的面，可以配置两个或更多相同的光学侧面棱镜。这意味着，具有单个侧面棱镜和中央棱镜的系统相对于中轴成镜像，于是多个侧面棱镜绕系统的光轴对称放置，它们也相对于公共的中央棱镜对称放置，反过来中央棱镜也绕系统的中轴对称放置。结果，IC各个面的轮廓的投影通过各个侧面棱镜和中央棱镜，为对象的每个面确定两个投影。因此，有多个面的IC元件的每一面可以同时被检测。

此外，在优选实施例中，为了减少获取投影图像所需的图像面积，该投影图像由一个或两个光学侧面棱镜和中央棱镜提供，提供了一个偏长方形棱镜，该偏长方形棱镜将影响第一和第二投影的移动使其平行于和靠近系统的光轴。因此减少了用于检测的图像面积，这导致了有效图形分辨率的提高，于是得到改善的测量准确性。

最好，检测系统所产生的图像由视频相机通过透镜来获取，然后由计算机的处理器进行数字化和处理，以确定对象相对于基准的三维坐标。

附图说明

为了说明本发明，这里将结合如下附图描述优选实施例，其中：

图1示出了根据本发明的优选实施例的检测系统的示意图；

图2分别示出了侧面棱镜和中央棱镜的两条照射光束的路径；

具体实施方式

根据本发明的一个优选实施例，用于检测具有带引线的IC元件形式的对象的检测系统如图1所示，该检测系统包括：基准1，其中有由参考边12所确定的开孔2，基准1提供与系统光轴A垂直的参考面；对象托架30，用于定位对象10，使其与基准1的开孔2是重叠关系，于是位于由系统所聚焦的平面上；漫射光源3，用于通过开孔2发射漫射光，因此将对象10包括引线的轮廓和参考边12的轮廓通过开孔2在几个投影方向上投影。该系统还包括两个光学侧面棱镜5，用于接收轮廓和引线的投影；中央棱镜6和图像探测系统9，该探测系统包括透镜和有图像传感器的相机。

如图1所示，光照3最好被横向地放置在基准1的顶上，但是也能够被设置在基准上方。最好，光照3发射单一波长或窄带宽波长的光，以减少色散，否则在光学棱镜中由于长的传播距离可能引起色散。例如，这种窄带宽的光照3可以通过滤光器(未示出)实现。

例如，对象可以由对象托架30定位在开孔2的附近区域且与开孔2重叠，对象托架30最好具有一个真空末梢以从上方吸住对象10。对象10与系统的光轴A对准，它相对基座的位置能被对象托架所改变和调整以安排对象达到一种效果，对称的对象点位于平行于开孔即基准的参考面的平面中。光照3提供漫射的逆光照明。于是，通过把被检测的具有引线的对象置于所述漫射光线中，对象10的引线或插脚81和对象10的封装体82被光照3背光照射。

如上所述，基准1为系统提供参考面。最好，该基准以及参考面，至少基本上垂直于系统的光轴。开孔2在基准1上形成，由四条参考边12或两对平行的参考边12确定，其中，两条相对的参考边的间距已知。基准1的两条相对的参考边12的间距比要被检测的最大的IC元件的外部尺寸稍大。为了提供稳定的参考面，基准1由机械上强度大和稳定的材料制成，如碳化物或不胀钢。基准1的上表面被打磨和抛光到相当高的平整度。基准1的参考边12被制造得尖锐且直，并精确完成。构成参考边12的基准1的孔壁可以被涂黑，以避免或减少来自相对的光照的反射。

在离开基准的面后，来自各个光源并具有位于特定角度范围内的入射角的投影光照射在各自的侧面棱镜5上。这如图1所示，所说明的优选实施例包括两个光学侧面棱镜，以用于检测IC元件的两个侧面，这些侧面包含IC的引线。两个光学侧面棱镜5都相对于系统的光轴A对称放置。每个光学侧面棱镜有六个侧面和一个四边横截面，该四边横截面包括入射面61，出射面62和内反射面52，该内反射面52协同入射面和出射面工作，用于对象和开孔的轮廓的投影的内反射，以指向成像面110的出射方向通过各个侧面的出射面，使得所述轮廓和成像面之间的第一投影路径被确定。

在侧面棱镜的入射面和出射面发生折射是可能的，这依赖于投影光照射到相应面的角度。当侧面棱镜的反射面相对于成像面的倾斜使得通过入射面以某一预定角度范围进入的反射光被调节为平行于系统的中轴，出射面垂直于中轴。结果，离开各自侧面棱镜的投影被调节为平行于所述中轴A，即系统的光轴。

系统还包括光学中央棱镜6，该中央棱镜有入射折射面63和出射折射面64，其中对象轮廓和开孔的入射的投影光，在入射折射面63和出射折射面64都被折射，以在所述轮廓和成像面110间形成第二投影路径。中央棱镜6有六边的横截面，在使用两个侧面棱镜的情况下，有8个侧面，在使用四个侧面棱镜的情况下，中央棱镜6有10个侧面。中央棱镜6有一轴，绕该轴对称放置中央棱镜，其中，当中央棱镜被置于系统中时，该中央棱镜的轴与系统的中轴A重合。

当中央棱镜的出射折射面64相对于中轴以一定角度倾斜以使从出射折射面出来的光线被折射成与光轴A平行时，入射折射面与成像面平行，即垂直于系统的中轴，并因此垂直于中央棱镜的法线。

根据优选实施例，当使用两个相对的侧面棱镜时，两个偏长方形棱镜8被放置在光学侧面棱镜和中央棱镜之下，即位于(i)侧面棱镜各自的出射面62和中央棱镜的出射折射面64，和(ii)成像面110之间，偏长方形棱镜被调节指向该检测系统的光轴A。此外，每一偏长方形棱镜8相对于系统的光轴对称放置。偏长方形棱镜的这种放置可以允许向系统的光学中轴A移动进入各个偏长方形棱镜的投影光，以减少获取投影的图像所需的图像面积。

每一偏长方形棱镜8包含垂直于光轴的入射面和出射面，和两个内反射面，用于反射投影光，该投影光在其路径内通过所述棱镜。使入射面具有的尺寸能够接收投影路径91和投影路径92的光，即分别离开侧面棱镜5和中央棱镜6的光。各自的投影光首先被垂直投射到入射面，再以45度角投射到第一反射面，以90度角被反射。投射光接着再以45度角投影到第二反射面，于是所述光在最后的反射后平行于中轴A。因为投影光平行于系统光轴进入各自的偏长方形棱镜，因而每一反射面相对于所述轴A以45度角倾斜，因此对比入射和出射偏长方形棱镜的投影光，各自的投影光的方向没有被偏长方形棱镜所改变，但仅仅是移动得更靠近系统的光学中轴。因此，减少了双面检测的图象面积，而导致有效的图像分辨率的提高，于是得到改善的测量精度。

最好，提供连结到视频相机7，并对准系统的光轴放置的透镜(未示出)。在成像面上放置传感器板，该传感器板属于视频相机7，于是包含基准1的参考边12的轮廓、对象10的引线端81和封装体82的轮廓的投影的单一图像被获取。这个图像为该对象的一侧生成，这通过将基准1的参考边12、对象10的引线端81和封装体82的轮廓沿着两个投影路径91和92进行投影，这两个投影路径91和92具有两个不同的方向，分别对应于两个不同的视角θ1和θ2，于是包含有三维信息。将视频相机7所获取的图像使用数字图像处理方法，如边缘检测方法，进行数字化和分析。也就是说，该系统提取，如对象10的封装外形和引线端的特征的相对位置，并通过对获取的图像进行相关和分析计算机械参数，如引线间距和接头尺寸。

参考图2，分别示出了左侧面棱镜和中央棱镜的两条投影光路，其中，仅公开一侧的棱镜的配置，因为优选的配置相对于光轴对称，于是相应的投影光路径就通过如图1所示的相对的第二侧面棱镜(未示出)生成。

如图2所示的两条投影路径都从对象的一点P开始，该点确定了将被检测的对象的轮廓点，其中，该点能沿着光学侧面棱镜5和中央棱镜6所提供的两条投影路径91和92观测到。于是该对象点P应当位于能被系统所聚焦的平面中。这两条不同的投影路径91和92提供一个对象点在两个不同的视角θ1和θ2的两个不同的视图。

第一投影路径91由光学侧面棱镜5的内表面52的全部内反射所定义。该第一投影路径91与第一视角θ1相关。这如图2所示，所述第一投影路径包括路径a，b和c，其开始于对象点P，结束于成像面110。

第二投影路径92由中央棱镜6的在入射折射面63和出射折射面64的折射所定义。该第二投影路径92与第二视角θ2相关。这如图2所示，所述第二投影路径包括路径d，e和f，其开始于对象点P，结束于成像面110。

两个不同的视角θ1和θ2通过在侧面棱镜5的反射面52的平面和中央棱镜6的入射折射面63的平面之间的预定角度来提供。

虽然只有在侧面棱镜5的反射面52的反射用来移动投影光以平行于光学中轴A，但通过中央棱镜的第二投影路径的投影光在入射折射面和出射折射面被移动两次以调节该光使其平行于光轴A。

要将投影光向光学中轴，即中央棱镜的法线移动，中央棱镜必须有比外部其他介质高的折射系数。根据本发明的优选实施例，其他介质是空气，其折射系数大约为1。

如图2所示，在面100和成像面110之间，第一投影路径91的投影光和第二投影路径92的投影光被调节以平行于系统的光轴A。

根据本发明，在两投影光光线之间的光程差在出射面100被补偿，该出射面被设置平行于基准1，并与光学侧面棱镜5的底面对齐，但是视角θ1和θ2之间的最大许可角差被保持，在图像中维持了引线端81和参考边12之间足够的空白。

第一投影路径91和第二投影路径92之间在面100的光程差6可以通过公式1进行计算：

       δ＝[a/n1]+[(b+c)/n2]-[(d+f)/n1]-e/n3其中a，b，c，d，e和f都是投影路径91和92的部分长度，n1是光学棱镜以外的介质的折射系数，n2是光学棱镜5的材料的折射系数，n3是中央棱镜6的材料的折射系数。这里，光程可以表示为：Lo＝Lg*n，其中Lo是光程，Lg是几何长度，n是几何长度所通过的材料的折射系数。

由于棱镜5以外的介质最好是空气，所以n1等于1，于是公式1可以写作：

           δ＝a+[(b+c)/n2]-(d+f)-[e/n3]通过分别选择具有合适的折射系数n2和n3的材料，第一投影路径91(a+b+c)和第二投影路径(d+e+f)之间的光程差δ就可以被补偿。

使用除空气外的另一种介质作为其他介质也是可能的，如另一种气体，液体，或玻璃。

如上所述，影响两条投影路径91和92的光程的一个方面是给光学侧面棱镜5和中央棱镜6选择适合的光学材料，该投影路径91和92分别以视角θ1和θ2来自诸如参考边12或对象的引线端81的相同对象点。

减小两条投影路径间的光程差的另一个方面是采用合适的视角θ1和θ2，以及合适的光学侧面棱镜5和/或中央棱镜6的尺寸。

根据本发明的优选实施例，影响两条投影路径91和92的光程相等的另一个方面是基准1的开孔2的尺寸，以及光学侧面棱镜5和/或中央棱镜6相对于基准1和基准1的开孔2的设置。

虽然参考优选实施例对本发明进行了详细地描述，但是应该明白的是：在不背离所附加的权利要求中所确定的本发明精神和范围，可以进行各种变化、替代和改变。

Claims (5)

1.一种光学检测系统，用于检测具有带引线的集成电路元件形式的对象，所述系统具有光轴并包括：

基准(1)，该基准中有由参考边(12)所确定的开孔(2)，所述基准提供一个至少基本上垂直于系统的光轴(A)的参考面，其中，待检测的对象(10)被定位在预定位置，与基准(1)的开孔(2)是重叠关系；

横向漫射光源(3)，用于横向地照射漫射光到物体上和通过开孔(2)，从而通过开孔(2)在几个投影方向，对被定位的对象(10)包括引线的轮廓和参考边(12)的轮廓图像进行投影；

光学侧面棱镜(5)，用于接收来自第一投影方向的轮廓图像的第一投影光，所述侧面棱镜有：入射面(51)，出射面(62)和内反射面(52)，该内反射面协同入射面和出射面工作用于内反射第一投影光，使其通过侧面棱镜的出射面，在出射方向指向成像面；

光学中央棱镜(6)，被放置以接收来自第二投影方向的轮廓图像的第二投影光，所述中央棱镜(6)在预定位置具有：入射折射面(63)和与入射折射面协同工作的出射折射面(64)，以使第二投影光被入射折射面和被出射折射面折射到成像面(110)；

其中，侧面棱镜(5)和中央棱镜(6)被设计和放置，以使第一和第二投影的投影路径在带引线的对象(10)的轮廓和成像面(110)之间有相同的光程。

2.如权利要求1的系统，还包括：在成像面上设置的图像探测系统，用于探测所述轮廓的两个投影的图像。

3.如权利要求2的系统，其中，所述图像探测系统包括透镜和有图像传感器的相机(7)。

4.如权利要求1到3之一的系统，其中，所述的第一投影方向和所述第二投影方向分别对应于第一视角(Θ1)和第二视角(Θ2)，这两个视角相互不同。

5.如权利要求1到4之一的系统，还包括偏长方形棱镜(8)，该偏长方形棱镜被放置在侧面棱镜和中央棱镜的出射面和成像面之间，用于将进入该偏长方形棱镜的投影移动到平行并靠近于系统的光轴。

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