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专利名称：一种基于投影莫尔原理的共面度测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电子封装领域，具体涉及一种电子封装中的封装器件共面度测量 系统，适用于对BGA(Ball Grid Array，球栅阵列封装)和CSP (Chip Size Package，芯片尺 寸封装)等大规模集成电路封装体的共面度进行实时的检测。
背景技术：
集成电路(IC)产业已成为国民经济发展的关键，而IC设计、制造和封装测试是IC 产业发展的三大产业支柱。在实际生产中，由于在线、离线评测手段匮乏，很多产品投入市 场之前未能发现产品中存在的可靠性隐患，甚至只能通过器件的使用过程来检测其加工质 量与可靠性，严重阻碍了微电子工业的快速发展。在各种新型封装材料、结构和工艺不断涌 现的今天，IC封装测试显得尤为重要。因为封装测试可以实时检测器件在封装工艺过程中 的形貌特征，也可以检测每一个封装器件的质量，在大批量生产中迅速发现有缺陷的产品。 为IC产品的一致性、重复性、可靠性和耐久性提供了保障。球栅阵列(Ball-Grid-Array)是当今最流行的封装技术。在BGA封装的过程中， 由材料热膨胀系数(CTE)不匹配等因素而导致的基板翘曲以及BGA焊球自身的不均勻性都 会导致基板上BGA焊球不共面的情况，会诱发电路的短路或断路，导致非安全的电气连接， 影响电气连接性能和产品可靠性，甚至导致器件失效。因此，BGA焊球的共面性检查是至关 重要的。当今，BGA焊球共面性检查的三维测试系统主要是基于激光扫描技术或者是结构 光投影方法。激光束的物理扫描过程会导致很低的测量速度。而且传统的检测方式是通过 机械运动移动参考栅的位置实现相移，移动速度慢，运动带来震动、噪声和重复相移精度不 好，不能满足高精度实时测量的要求。随着测量面积加大，待测器件在深度方向测量范围加 大以及对测量精度和效率的要求不断提高，急需一种稳定可靠的快速测量方法。
发明内容本实用新型目的在于提出一种基于投影莫尔原理的共面度测量系统，该系统将投 影莫尔与LCD相移技术相结合，采用一个非相干冷光源和一个LCD虚拟光栅垂直投影正弦 条纹图案到CCD摄像机视场下的待测物表面。同时冷光源垂直投影到参考平面，整个测量 系统的测量面积和测量精度都得到很大提高。一种基于投影莫尔原理的共面度测量系统，包括冷光源，准直透镜，CXD摄像机， LCD面板，投影透镜，光学平台，高精度移动台和计算机，其中，所述准直透镜、LCD面板、投影透镜以及高精度移动台沿轴向依次被夹持固定在光 学平台上，所述LCD面板与所述计算机相连，该LCD面板上显示通过所述计算机产生的条纹 图案，所述冷光源发出的光经所述准直透镜后照射到所述LCD面板上，将显示在所述LCD面 板上的条纹图案投影到被装载在高精度移动台上的参考平面或者待测物表面上，所述CCD 摄像机设置在LCD面板侧面，用于捕捉投影在高精度移动台上的参考平面或待测物表面上的条纹图案强度。作为本实用新型的进一步改进，所述的条纹图案为可调节的正弦条纹图案。本实用新型将投影莫尔与LCD相移技术相结合，采用一个非相干冷光源和一个 LCD虚拟光栅投影正弦条纹图案到CCD视场下的待测物表面。LCD面板通过液晶显示控制 接口与电脑相连，生成正弦条纹图案和相位变化，以实现可调节的光栅图案。传统的正弦条 纹图案是有两束激光干涉产生的，由于相干光产生的斑点噪声会影响正弦条纹图案的强度 分布，降低整个系统的测量精度，且形成的光栅图案不可调节。LCD面板独特的光电特性使 它非常适合作为可控的正弦透射光栅。通过设置LCD面板的图案区域、正弦条纹的周期和 相移的增量等参数，很容易得到所需要的正弦条纹图案。本实用新型采用与已有测量系统不同的投影与成像机构，冷光源通过IXD面板垂 直投影到待测器件表面，以保证整个光场投影强度的均勻性，提高了测量精度。本实用新型中投影到待测物表面的正弦条纹随着焊球表面高度的变化而产生变 形。通过检测变形的正弦条纹图案，与相移分析技术相结合，就能够得到相当大范围待测物 表面的三维测量值，从而可靠地得到待测物表面的共面度。本实用新型与已有的测量系统相比较，具有以下的优点其一，本实用新型采用冷光源垂直投影到参考平面的方法，使得条纹的对比度较 好，并且不会因为温度影响LCD面板的光电特性。其二，本实用新型采用基于IXD相移的测试技术。IXD面板通过液晶显示控制接口 与电脑相连，直接由软件控制生成正弦条纹图案和相位变化，以实现可调节的光栅图案。其三，本实用新型采用的是全场测量技术，测量面积，测量精度和测量速度都得到 很大提高，能够实现当今封装测试中所需要的大面积、高精度实时快速测量的要求。

图1是本实用新型中投影与图像采集系统的光学几何原理图。图2是整个三维共面度测量系统的布局与装置图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，其中，本实施例中的待 测物为BGA焊球，但不限于为BGA焊球，也可以为其他封装形式的基板平整度等。本实用新型的基于投影莫尔原理的共面度测量系统包括冷光源1，准直透镜2， CXD摄像机3，IXD液晶面板4，投影透镜5，光学平台6，高精度移动台7和计算机8。准直透镜2、IXD面板4、投影透镜5以及高精度移动台7依次沿轴向呈线性被夹 持固定在光学平台6上，所述CCD摄像机3设置在LCD面板4侧面，用于捕捉在高精度移动 台7上的待测物表面上形成的条纹图案。IXD面板4与计算机8相连，通过计算机8在所述 LCD面板4产生数字光栅图案。所述的高精度移动台7用于承载待测物，并可以设置参考平面。所述冷光源1通过准直透镜2产生一束平行光照射到IXD面板4上，通过计算机 8的控制在IXD面板4上产生正弦条纹图案，并通过投影透镜5将产生的正弦条纹图案聚 焦投影到参考平面或待测物表面上。将LCD面板4上由计算机8产生的正弦条纹图案实施数字相移，参考平面或者待测物表面装载在一个高精度移动台7上，可以精确的调节其位 置到CCD摄像机3的视场下。投影到参考平面或者待测物表面上的正弦条纹图案的强度被 CCD摄像机3抓取到，可以获得参考平面或者待测物表面上的相位值Φ (χ, y)。通过计算出参考平面和待测物表面上每个坐标值对应的相位差Δ φ (χ, y)，最后 就能计算出视场下待测物表面的高度值h(x，y)。由于IXD面板4的透明度容易受到高温的影响，所以采用功率范围为0-150w(也 可以采用其他功率)的冷光源1。冷光源发出的光通过LCD面板4垂直投影到待测器件表本实用新型中采用的准直透镜2的焦距为50mm(也可以采用其他焦距值)，安装在 冷光源1后以产生平行光照射到LCD面板4上。参考平面或者待测物表面装载在高精度移 动台7上，以便精确地移动所测表面到CXD摄像机3的视场下。由计算机8控制IXD面板4产生条纹图案以及CXD摄像机3的图像抓取。IXD面 板4与计算机8相连，直接由软件控制生成正弦条纹图案和相位变化，以实现可调节的光栅 图案。采用四步相移技术，将LCD面板4上由计算机8产生的正弦条纹图案实施四步数字 相移，相位分别为0，π/2，π，3π/2。通过以下公式计算出参考平面或者待测物表面上的 相位值Φ (x, y)。
权利要求1.一种基于投影莫尔原理的共面度测量系统，其特征在于，包括冷光源(1)，准直透镜 ⑵，CXD摄像机(3)，IXD面板(4)，投影透镜(5)，光学平台(6)，高精度移动台(7)和计算 机⑶，其中，所述准直透镜0)、LCD面板0)、投影透镜( 以及高精度移动台(7)沿轴向依次被夹 持固定在光学平台(6)上，所述IXD面板(4)与所述计算机⑶相连，该IXD面板(4)上显 示通过所述计算机(8)产生的条纹图案，所述冷光源(1)发出的光经所述准直透镜(2)后 照射到所述LCD面板(4)上，将显示在所述LCD面板(4)上的条纹图案投影到被装载在高 精度移动台(7)上的参考平面或者待测物表面上，所述CCD摄像机C3)设置在LCD面板(4) 侧面，用于捕捉投影在高精度移动台(7)上的参考平面或待测物表面上的条纹图案强度。
2.根据权利要求1所述的共面度测量系统，其特征在于，所述的条纹图案为可调节的 正弦条纹图案。
专利摘要本实用新型公开了一种基于投影莫尔原理的共面度测量系统，包括冷光源(1)，准直透镜(2)，CCD摄像机(3)，LCD面板(4)，投影透镜(5)，光学平台(6)，高精度移动台(7)和计算机(8)。LCD面板(4)上显示通过计算机(8)产生的条纹图案，冷光源(1)发出的光经所述准直透镜(2)后照射到所述LCD面板(4)上，将显示在所述LCD面板(4)上的条纹图案投影到被装载在高精度移动台(7)上的参考平面或者待测物表面上，所述CCD摄像机(3)设置在LCD面板(4)侧面。本实用新型使整个光场的均匀性、测量面积和测量精度都得到很大提高，能够满足当今封装测试中所需要的大面积、高精度实时快速测量的要求。
文档编号G01B11/25GK201844817SQ20102061269
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者刘胜, 宋劭, 张伟, 张鸿海, 朱福龙, 王志勇 申请人:华中科技大学