如何针对半导体封装引脚±5µm共面性，选择兼顾高速在线检测与高反光材料适应性的3D机器视觉或激光测量方案？【质量控制】

1. 半导体封装引脚的基本结构与技术要求

在半导体封装中，引脚就像集成电路芯片（IC）与外部电路板连接的“腿”。这些“腿”通常由金属制成，通过焊接与印刷电路板（PCB）连接，实现电信号的传输和电源供应。常见的引脚类型包括直插式（如DIP封装）和表面贴装式（如SOP、QFP、BGA等封装）。对于表面贴装器件，引脚的平整度至关重要。

引脚共面性 (Coplanarity) 是指所有引脚的底部末端，在垂直方向上应尽可能落在同一个平面内。你可以想象一个多脚的凳子，如果所有凳子腿的底部都在一个水平面上，凳子就能平稳放置。如果有的腿长、有的腿短或者弯曲，凳子就会摇晃。同样，对于IC引脚，如果它们不共面，在焊接时就会出现问题：* 开路 (Open Circuit)：一些引脚可能无法接触到焊盘，导致焊接不上，信号中断。* 短路 (Short Circuit)：引脚变形或共面性差可能导致相邻引脚接触，造成短路。* 虚焊 (Poor Solder Joint)：即使勉强接触，焊点也可能不牢固，影响长期可靠性。

因此，半导体封装对引脚共面性有严格的技术要求，通常会规定引脚末端相对于一个参考平面的最大高度偏差，例如±5µm。这要求测量设备必须能够高精度地捕捉引脚的垂直位置信息，并对多个引脚进行快速、准确的评估。

2. 针对半导体封装引脚的相关技术标准简介

引脚共面性是半导体封装质量控制中的一个核心参数。其监测参数主要围绕引脚末端与基准平面的偏差进行定义和评价。

• 共面性定义：通常定义为所有引脚的末端与一个最佳拟合平面（或设备规定的基准平面）之间的最大垂直距离差。这个平面可以通过多个引脚点的Z轴坐标数据拟合得出。

• 评价方法：

  • 最大偏差法：确定所有引脚末端中最高点和最低点之间的垂直距离。

  • 基准面偏差法：选择一个或几个特定的引脚作为基准，计算其他引脚相对于这个基准面的垂直偏差。

  • 拟合平面法：通过最小二乘法等算法，拟合出一个最能代表所有引脚末端位置的理论平面，然后计算每个引脚末端到这个拟合平面的最大正负偏差。这些评价方法旨在量化引脚的平整程度，确保在自动贴装和回流焊过程中，所有引脚都能与PCB焊盘良好接触。

3. 实时监测/检测技术方法

在半导体封装中，为了确保引脚共面性满足严格的精度要求并兼顾检测速度，通常会考虑使用高精度的激光位移传感器或3D机器视觉系统。这里的“机器视觉”并非简单的2D图像处理，而是指具备3D测量能力的视觉系统，它往往会集成激光三角测量、结构光投影或光谱共焦等先进光学测量技术来获取深度信息。

（1）、市面上各种相关技术方案

市面上有多种成熟的光学测量技术可以实现引脚共面性的高精度检测。这里我们主要讨论几种主流的非接触式测量原理：

A. 激光三角测量 (Laser Triangulation)

激光三角测量是一种非常普遍且实用的位移测量技术。它的基本原理就像是利用几何学中的三角形相似性来计算距离。

工作原理与物理基础：传感器内部会发射一束激光，照射到被测物体表面，形成一个明亮的光斑。这个光斑的反射光会被传感器内置的接收光学系统（比如一个透镜）收集，并聚焦到一个位置敏感探测器（如PSD或CMOS传感器）上。当被测物体与传感器的距离发生变化时，反射光斑在探测器上的位置也会相应移动。传感器通过精确检测光斑在探测器上的位置变化，再结合传感器内部固定的发射角度、接收角度以及透镜焦距等几何参数，利用三角测量原理计算出物体到传感器的距离。

想象一下，你拿着一个手电筒（激光发射器）从一个固定角度照向地面，你旁边站着一个人（接收器）从另一个固定角度观察地上的光斑。如果地面升高或降低，光斑在那个观察者视线中的位置就会移动。通过预先校准好的“几何关系”，我们就能根据光斑的移动量，准确知道地面升降了多少。

相关公式：在一个简化的几何模型中，物体到传感器的距离变化 ΔZ 与光斑在探测器上的位置变化 ΔX 之间存在如下关系：ΔZ ≈ L * (ΔX / (f * sin(θ) + ΔX * cos(θ)))其中，L 是激光发射器到探测器的基线距离，f 是接收透镜的焦距，θ 是激光发射角度。在小位移近似下，可以简化为 ΔZ ≈ k * ΔX，k 是一个与几何参数相关的常数。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围：从几毫米到几百毫米甚至更远。* 分辨率：高精度型号可达亚微米级（如0.015µm）到几十微米。* 线性度：通常在测量范围的±0.05%到±0.1%之间。* 响应时间/测量频率：从几百赫兹到高达70kHz甚至更高，可实现高速在线测量。

技术方案的优缺点：* 优点： * 速度快：测量频率高，非常适合在线实时检测。 * 非接触：避免对被测物造成损伤或污染。 * 适用性广：可测量多种材料表面，包括一些非镜面金属和塑料。 * 成本相对较低：相对于一些更高精度的光学方案，其成本更具优势。* 局限性： * 对表面反射率敏感：对于高光泽度、镜面或透明表面，反射光可能散射或反射方向不固定，导致测量误差增大或无法测量。 * 阴影效应：当被测物体表面有陡峭的坡度或复杂结构时，可能会出现激光照射不到或反射光无法被接收器捕捉到的区域，形成测量盲区。 * 精度受限：虽然高端型号精度很高，但普遍来说，在极高精度要求下（如纳米级），可能不如干涉仪或光谱共焦。

B. 光谱共焦测量 (Spectral Confocal Measurement)

光谱共焦技术是一种利用光的色散特性来实现高精度距离测量的方法，尤其擅长处理镜面和透明材料。

工作原理与物理基础：这种技术使用一个宽光谱的白光光源，光线经过一个特殊的色散透镜后，由于不同波长的光折射率不同，它们会聚焦在空间中的不同深度位置上。换句话说，光线中的红色光可能聚焦在距离传感器较远的地方，而蓝色光则聚焦在较近的地方。当光束照射到物体表面并反射回来时，只有与物体表面距离相匹配的特定波长的光才能通过一个针孔光阑并被探测器接收。传感器通过分析反射回来的光线的主导波长，就能精确地确定物体表面的距离。

你可以想象，一道彩虹光线穿过一个特殊的放大镜，不同颜色的光会在不同的距离形成最清晰的焦点。当你把一个物体放在这些焦点中的某个位置时，只有刚好聚焦在这个位置上的那种颜色的光，才能被反射回来并被接收器“看清楚”。

相关公式：距离 Z 与检测到的光波长 λ 之间存在一个非线性但可标定的函数关系：Z = f(λ)这个函数关系通常在传感器出厂时通过精密校准确定。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围：典型值从几百微米到几毫米，相对较小。* 分辨率：极高，可达纳米级别（例如2nm）。* 线性度：通常在测量范围的±0.01%以下。* 响应时间/测量频率：可达几千赫兹，实现高速检测。

技术方案的优缺点：* 优点： * 极高精度和分辨率：能够实现纳米级别的测量，远超普通激光三角测量。 * 对镜面和透明材料的优异表现：其原理使其对高反射率表面和透明材料的测量非常稳定，是其独特优势。 * 无阴影效应：采用同轴光路，基本没有阴影区，能测量复杂形状。* 局限性： * 测量范围相对较小：不适合大范围的位移测量。 * 成本高昂：通常价格远高于激光三角测量传感器。 * 对倾斜表面敏感：当表面倾斜度过大时，反射光可能无法有效返回，影响测量。

C. 多反射式激光三角测量 (Multi-Reflection Suppression - MRS™)

这是一种对传统激光三角测量进行优化的先进技术，专门解决高反射率、镜面和多重反射表面带来的挑战。

工作原理与物理基础：MRS技术在基本激光三角测量的基础上，通过独特的光学设计和复杂的算法，能够有效识别并抑制因表面特性（如镜面反射、多次反射）产生的噪声和假信号。它不是简单地接收最强的反射光，而是通过分析多路反射信号，辨别出真实的表面信息，过滤掉干扰信号，从而在高反射、镜面甚至焊锡球等复杂光学表面上，提供更稳定、更准确的3D测量数据。

想象一下，你用手电筒照一个波光粼粼的湖面，光斑会跳动不清晰。MRS技术就像是配备了一个“智能”摄像头，它不仅能看到所有的光斑，还能通过分析这些光斑的模式和强度，聪明地分辨出哪个才是真正的湖面反射光，哪个是湖面波纹带来的杂乱反射，然后只用真实的光斑来计算距离。

核心性能参数的典型范围：* 精度和重复性：在3D测量中，高度重复性可达0.25µm，精度显著优于传统激光三角测量。* 扫描速度：非常快，适用于高速在线检测。* 测量范围：与传统激光三角测量类似，从几毫米到数百毫米。

技术方案的优缺点：* 优点： * 对高反射率和镜面表面表现卓越：这是其核心优势，解决了半导体引脚、焊锡球等高反光材料的测量难题。 * 测量稳定性高：即使在复杂的反射条件下也能提供可靠数据。 * 速度快：保留了激光三角测量的速度优势。* 局限性： * 成本较高：比传统激光三角测量更昂贵。 * 技术复杂：对光学系统和算法要求更高。 * 仍是三角测量原理：虽然优化，但理论上其极限精度仍可能低于光谱共焦或干涉仪。

D. 相干相关干涉仪 (Coherence Correlation Interferometry - CCI)

相干相关干涉仪是一种基于白光干涉原理的超高精度测量技术，主要用于表面形貌和距离测量。

工作原理与物理基础：该系统利用宽带白光（包含多种波长）作为光源。光束被分成两部分：一部分照射到被测样品表面，另一部分照射到内部的一个参考镜。两束反射光会发生干涉。由于白光的相干长度非常短（这意味着只有当两束光的路径长度非常接近时，才能产生明显的干涉条纹），系统通过精确地垂直扫描样品（或参考镜），当样品表面某一点的光程与参考光的光程匹配时，就会在该点观察到最强的干涉条纹（即相干包络峰值）。通过记录并分析这些峰值出现的Z轴位置，系统就能以极高的精度重建出样品表面的3D形貌。

想象一下，你有一束包含所有颜色（白光）的光，你把它分成两路，一路照向一个平整的镜子（参考镜），另一路照向一个凹凸不平的物体（样品）。当你在垂直方向上一点点移动物体时，只有当某一点的高度刚好与镜子的高度差极小时，你才能看到彩色的“干涉条纹”像指纹一样出现。通过记录这些“指纹”出现的位置，我们就能画出物体表面微观的形状图。

核心性能参数的典型范围：* 垂直分辨率：极高，通常优于0.01nm（即0.00001µm）。* 垂直测量范围：可达几毫米。* 横向分辨率：高，可达数百纳米（如0.25µm）。* 测量速度：虽然扫描速度较快，但对于整个大面积的3D形貌重建，总耗时可能比点扫描或线扫描技术长。

技术方案的优缺点：* 优点： * 超高精度和纳米级分辨率：在Z轴方向上能达到业界顶级的测量精度。 * 表面形貌和距离测量能力强：特别适合测量表面粗糙度、波纹度、阶高、薄膜厚度等。 * 非接触式测量：对样品无损伤。* 局限性： * 测量速度相对较慢：对于需要对大量引脚进行快速在线全检的场景，可能不如激光点/线扫描快。 * 对环境振动敏感：极高精度使得它对环境振动非常敏感，通常需要在隔振平台上使用。 * 成本高昂：是所有方案中成本最高的之一。 * 对表面倾斜度有要求：过大的表面倾斜可能导致无法有效接收干涉信号。

（2）、市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选几个在半导体封装检测领域具有代表性的主流品牌，进行简要对比。

• 德国米克罗那 (采用技术：激光三角测量) 德国米克罗那的optoNCDT 2300系列激光位移传感器以其卓越的速度和精度在市场上占有一席之地。它采用高速CMOS探测器和先进的信号处理技术，实现了极高的测量频率，最高可达70kHz。其分辨率可达0.015µm，测量范围从几毫米到数百毫米，非常适合需要高速、高精度在线检测的工业自动化应用。在引脚共面性检测中，其超高的测量速度和亚微米级分辨率能够满足绝大多数严苛的精度和节拍要求，尤其在复杂工业环境下具有出色的性价比。

• 英国真尚有 (采用技术：激光三角测量) 英国真尚有的ZLDS115激光位移传感器是一款高性能、多功能的测量设备。它采用激光三角测量原理，提供最大2000mm的广泛测量范围，最高分辨率可达0.01mm，最优线性度可达±0.03mm。该传感器具有1kHz的快速更新频率，适合实时测量。其内置多种滤波器和IP65防护等级使其在工业环境中表现稳定。对于需要综合考虑测量范围、速度和一定精度，并通过系统集成（如多传感器同步测量与数据拟合）来提升整体共面性检测精度的应用来说，ZLDS115提供了一个经济且可靠的解决方案。

• 日本基恩士 (采用技术：光谱共焦测量) 日本基恩士的CL-3000系列光谱共焦位移传感器是高精度测量的典范。它利用光谱共焦原理，通过检测特定波长的反射光来确定距离，实现了高达2nm的最高分辨率和纳米级别的重复精度。其测量范围通常在几百微米至几毫米之间，但对透明材料、镜面及复杂曲面的稳定测量能力无出其右。在半导体封装引脚检测中，尤其对于高反射率或镀金引脚，日本基恩士的光谱共焦传感器能提供极高的测量稳定性和精度，确保即便最细微的共面性偏差也能被准确捕捉，是追求极致精度的理想选择，但通常伴随较高的成本。

• 美国科理思 (采用技术：多反射式激光三角测量) 美国科理思的MRS™传感器技术是专为应对半导体封装和电子制造中挑战性材料而设计的。其技术基于先进的激光三角测量，通过独特的光学设计和算法，能够有效抑制传统激光三角测量在遇到高反射、镜面或多重反射表面时产生的噪声和误差。这使得它在测量引脚、焊锡球等高反光表面时表现卓越，在3D测量中可实现高达0.25µm的高度重复性，同时保持快速的扫描速度。MRS技术解决了传统传感器在这些特殊材料上的测量难题，是高速在线批量检测和质量控制的强大工具，尤其适合复杂且高产量的半导体封装生产线。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在选择用于引脚共面性检测的设备或传感器时，除了整体系统架构（如单点扫描、线扫描或面阵3D成像）外，以下几个关键指标需要重点关注：

1. 精度 (Accuracy) 与 分辨率 (Resolution)：

   • 实际意义：分辨率是指传感器能检测到的最小位移变化，它决定了测量的精细程度；精度（通常用线性度或重复性来表示）是指测量值与真实值之间的最大偏差，它决定了测量结果的可靠性。对于±5µm的精度要求，传感器或系统的分辨率至少要达到1-2µm，甚至更低，以确保能够可靠地区分出5µm的偏差。

   • 对测量效果的影响：分辨率不足会导致细微的共面性偏差无法被识别；精度不够则会导致测量结果不可信，可能把合格产品判为不合格，或者把不合格产品放行。

   • 选型建议：如果目标精度是±5µm，那么传感器本身的重复精度最好在±1µm或更低。对于高反光引脚，光谱共焦或MRS激光三角测量通常能提供更好的精度稳定性。如果系统采用多个激光位移传感器进行点测量，则需要考虑传感器之间的同步性和系统集成后的整体精度。

2. 测量速度 (Measurement Speed) / 响应时间 (Response Time)：

   • 实际意义：指传感器进行一次测量并输出结果所需的时间，或单位时间内能完成的测量次数（更新频率）。在半导体封装生产线上，往往需要对大量产品进行高速检测。

   • 对测量效果的影响：速度太慢会成为生产线的瓶颈，降低整体产能。

   • 选型建议：对于每秒需要检测数百甚至上千个引脚的应用，需要选择测量频率达到数千赫兹甚至几十千赫兹的传感器。例如，德国米克罗那的激光三角测量传感器以其高测量频率而闻名。如果采用3D机器视觉系统，则需要评估其扫描速度和3D数据重建的耗时。

3. 测量范围 (Measurement Range)：

   • 实际意义：传感器能够进行有效测量的最大和最小距离之间的范围。

   • 对测量效果的影响：范围太小可能无法覆盖所有引脚的高度变化；范围太大可能会牺牲一部分精度。

   • 选型建议：根据封装引脚的实际尺寸和预期的共面性偏差范围来选择。引脚共面性偏差通常很小（几十到几百微米），但引脚整体高度可能在毫米级别，所以需要一个能覆盖引脚高度但又足够精细的测量范围。

4. 表面适应性 (Surface Adaptability)：

   • 实际意义：传感器对不同颜色、纹理、反射率的材料表面的测量能力。半导体引脚通常是金属，表面可能镀金、镀锡，呈现出高反光甚至镜面特性。

   • 对测量效果的影响：如果传感器对高反光表面不适应，可能会出现测量数据不稳定、噪声大，甚至无法测量的情况。

   • 选型建议：对于高反光或镜面引脚，光谱共焦传感器是首选，其次是专门为高反射表面设计的MRS激光三角测量技术。普通激光三角测量可能需要调整激光功率、角度或通过软件滤波来优化。

激光位移传感器与机器视觉相比的选型建议：* 激光位移传感器 (点或线扫描)：通常指单一的激光位移传感器进行点测量，或通过扫描机构（如振镜）实现线扫描。 * 优势：速度极快，精度高（尤其是光谱共焦和高端激光三角），成本相对可控，系统集成简单。对于单一或几排引脚的快速共面性检测非常有效。 * 劣势：无法一次性获取整个封装的所有引脚的全局3D形貌。需要配合精密运动平台进行扫描，或使用多个传感器阵列，增加了系统的复杂性。* 3D机器视觉系统 (集成结构光、激光线扫描或多目视觉)： * 优势：能够一次性获取整个封装或引脚阵列的完整3D形貌数据，提供更全面的检测和分析。对于复杂引脚阵列（如BGA封装）的共面性、翘曲、缺失等多种缺陷检测更具优势。 * 劣势：通常数据处理量大，对计算能力要求高，检测速度可能略低于纯粹的激光点/线扫描，系统成本较高。对于±5µm的Z轴精度，需要采用高性能的3D成像技术。

总结来说，对于半导体封装引脚的精度和高速检测要求：* 如果引脚数量不多，且布局规则，可以考虑使用多个高精度激光位移传感器阵列，同步测量各关键点的高度，然后通过数据处理计算共面性。高端激光三角测量（如德国米克罗那）或光谱共焦（如日本基恩士）是很好的选择，它们既能保证精度又能兼顾速度。* 如果引脚数量庞大且复杂，需要全面3D形貌信息，则应选择集成了高精度3D传感器的机器视觉系统（例如采用MRS技术的美国科理思），它能提供更全面的检测能力。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

1. 问题：高反光引脚导致测量不稳定或数据异常

   • 原因与影响：半导体引脚表面常镀金或镀锡，反光强烈，传统激光位移传感器（尤其是普通激光三角测量）容易受到镜面反射干扰，导致激光斑点在探测器上跳动、信号饱和或信号丢失，从而测量数据出现噪声大、不稳定甚至错误。这会直接影响共面性评估的准确性。

   • 解决建议：

     • 更换传感器类型：优先选择对高反光表面有优异表现的传感器，如光谱共焦传感器或采用MRS技术的激光三角测量传感器。

     • 调整传感器角度：在条件允许下，微调激光发射器和接收器的角度，尽量避免镜面反射光直接进入接收器，同时确保能接收到散射光。

     • 使用偏振滤光片：在激光发射和接收端添加偏振片，有助于抑制部分杂散反射光。

     • 优化激光参数：调整激光功率，避免过曝，或使用特定波长的激光。

     • 软件滤波：利用传感器内置或上位机软件的滤波功能（如中值滤波、滑动平均滤波）来平滑数据，降低噪声影响，但这会牺牲一部分实时性。

2. 问题：检测速度与精度难以兼顾

   • 原因与影响：通常，追求更高的精度往往需要更长的采样时间、更复杂的算法或更精密的机械扫描，这些都会影响检测速度。反之，为追求速度而牺牲采样时间或简化算法，又可能导致精度下降。在高速生产线上，两者之间的平衡是关键。

   • 解决建议：

     • 选择高性能传感器：选用测量频率高、响应时间短且本身精度高的传感器。例如，德国米克罗那的optoNCDT 2300系列在高速下依然能保持高精度。

     • 优化检测策略：

       • 对于规则引脚，可以采用“跳点检测”或“区域抽样”的方式，而非逐点扫描所有引脚，减少数据采集量。

       • 使用多个传感器并行测量，每个传感器负责一部分引脚，然后汇总数据。

       • 利用生产线上的运动平台进行“在飞测量”(On-the-fly measurement)，即在产品不停留的情况下进行扫描和数据采集。

     • 并行处理与边缘计算：采用高性能的工业计算机或边缘计算设备进行数据处理和分析，缩短从数据采集到结果输出的时间。

3. 问题：环境因素对测量稳定性的影响

   • 原因与影响：生产现场可能存在温度变化、空气流动、振动、灰尘等环境因素。温度变化可能导致传感器光学元件膨胀收缩，影响测量精度；振动可能使传感器与被测物之间的相对位置不稳定，引入测量误差；灰尘则可能污染光学镜头，降低测量信号质量。

   • 解决建议：

     • 传感器选型：选择具有良好温度稳定性和高防护等级的传感器，例如英国真尚有的ZLDS115，其IP65防护等级和良好的温度稳定性使其能够适应工业环境。

     • 环境控制：在传感器工作区域，尽可能保持恒定的温度和湿度，并配备空气过滤系统减少灰尘。

     • 隔振措施：将传感器和被测物安装在稳固的机械结构上，必要时采取专业的隔振措施（如隔振台）来消除振动影响。

     • 定期清洁与校准：定期清洁传感器光学镜头，并按照厂家建议进行周期性校准，以确保长期测量精度。

4. 应用案例分享

• 半导体封装引线框架共面性检测：在QFP、SOP等引线框架（Lead Frame）封装后，利用多点激光位移传感器阵列或高速激光线扫描系统，快速检测所有引脚的底部是否在同一平面内，剔除共面性超差的器件，确保后续SMT贴装的良率。英国真尚有的ZLDS115激光位移传感器，凭借其高达2000mm的测量范围，能够适应多种尺寸的引线框架检测需求。

• BGA/CSP封装焊球高度与共面性检测：对于BGA（Ball Grid Array）和CSP（Chip Scale Package）等无引脚封装，采用高分辨率的3D光学测量系统（如光谱共焦或MRS技术）来精确测量每一个焊球的高度及其阵列的共面性，防止虚焊、短路等问题。

• 连接器引脚插针共面性检测：在连接器制造中，对多排插针的共面性进行快速精确检测，确保连接器在插拔时能可靠接触，避免部分插针未能有效连接。

• 微机电系统 (MEMS) 器件引脚或连接结构的高度检测：对于微小型MEMS器件，其微观连接结构或引脚的共面性、平整度要求极高，通常会采用纳米级精度的光谱共焦或干涉仪进行质量控制。