翼型引線表貼集成電路共面性檢測研究

楊城，賀穎穎，譚晨

（湖北航天技術(shù)研究院計(jì)量測試技術(shù)研究所，湖北孝感432100）

翼型引線表貼集成電路共面性檢測研究

楊城，賀穎穎，譚晨

（湖北航天技術(shù)研究院計(jì)量測試技術(shù)研究所，湖北孝感432100）

隨著封裝向輕、薄、小的高密度方向發(fā)展，封裝引出端從傳統(tǒng)的通孔安裝THT(Through Hole Technology)向表面安裝SMT（Surface Mounting Technology）過渡，引線節(jié)距越來越小，I/O數(shù)越來越多，特別是細(xì)節(jié)距封裝的表貼集成電路（SMD，Surface Mounting Devices)。細(xì)節(jié)距封裝的SMD引線變薄、變窄，因此引線易彎曲變形造成引線焊接部位不共面，安裝時個別引線和PCB板接觸不良導(dǎo)致漏接、虛接。介紹了一種精度高和效率較優(yōu)的翼型引線SMD引線共面性檢測方法。

細(xì)節(jié)距；翼形引線；共面性測量

1 引言

自20世紀(jì)80年代以來，隨著電子元器件向小型化、復(fù)合化、輕量化、多功能、高可靠、長壽命的方向發(fā)展，相繼出現(xiàn)了各種類型的SMD。電子產(chǎn)品的高密度組裝使得傳統(tǒng)的通孔安裝THT（Through Hole Technology）無能為力，而SMT（Surface Mounting Technology）則較好地解決了電子產(chǎn)品發(fā)展的組裝需求。

通常，標(biāo)準(zhǔn)的通孔安裝器件（如雙列直插元件DIP）引線節(jié)距為1.78 mm和2.54 mm，而SMD引線密度大、節(jié)距小，如0.65 mm、0.5 mm甚至0.3 mm，因此要實(shí)現(xiàn)精確安裝就要求引線具有很高的精度。在其引線參數(shù)中，主要的指標(biāo)有：①引線共面性；②引線位置偏差；③引線實(shí)際節(jié)距；④引線高度。在這些參數(shù)中，最重要的一個便是引線高度方向的參數(shù)值。若引線在高度方向上誤差較大，造成引線焊接部位不滿足電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JESD22-B108A[1]的要求，安裝時個別引線和PCB板接觸不良導(dǎo)致漏接、虛接。據(jù)統(tǒng)計(jì)，SMT中出現(xiàn)的焊點(diǎn)開路故障達(dá)PCB板焊接總故障數(shù)的三分之一以上[2]。因此，SMD的共面性指標(biāo)已成為決定PCB板焊接質(zhì)量的重要因素之一。

本文通過研究目前SMD引線共面性檢測方法，提出了一種精度高和效率較優(yōu)的翼型引線SMD引線共面性檢測方法。

2 主要引線共面性檢測方法介紹

2.1 裸眼檢測方法

早期的檢測手段是通過手工測量和人眼識別的方法進(jìn)行檢測，但此種方法存在諸多局限：

（1）檢測精度低。人工檢測有強(qiáng)主觀性，易誤判誤檢，且無法定量描述。

（2）檢測速度慢。人工檢測無法適應(yīng)生產(chǎn)線快速檢測的需求，不利于產(chǎn)品質(zhì)量控制。

（3）檢測成本高。人工檢測需投入大量人力物力，阻礙生產(chǎn)效率的提高。

2.2 基于機(jī)器視覺的檢測方法

機(jī)器視覺在半導(dǎo)體工業(yè)中的應(yīng)用從上世紀(jì)八十年代開始，隨著產(chǎn)業(yè)普及和技術(shù)提升，應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛。

2.2.1 影像法

如圖1所示，美國Newport公司等采用影像法進(jìn)行翼型引線共面性測量，測試系統(tǒng)由1個CCD攝像機(jī)與4個LED光源組成。被測元件固定到置于一塊磨砂玻璃平面上的基座上。然后分別用4束光源投射，產(chǎn)生被測芯片的引線影像。這樣，第一束光在玻璃平面上產(chǎn)生第一排引線的影像，第二束光產(chǎn)生另一排引線的影像，依此類推。

圖1 影像法測量SMD引線共面性的原理圖

CCD攝像機(jī)從磨砂玻璃平面下方接收引線影像的圖像。然后根據(jù)光源和影像之間固定的位置關(guān)系，利用三角原理計(jì)算引線實(shí)際的x、y、z三維坐標(biāo)，精度達(dá)到10 μm。其優(yōu)點(diǎn)是，由于整個測量系統(tǒng)在測試過程中沒有運(yùn)動部分，因此可以保證較高的測量精度，且不需要進(jìn)行掃描，測量速度快，每個芯片測量時間可以限制在500 ms以內(nèi)。

2.2.2 雙陰影視覺（Dual Shadow Vision）測量法[3]

雙陰影視覺方法由美國ICOS公司開發(fā)研制，其測量原理同影像法相似，如圖2所示。

圖2 雙陰影法測量原理圖

它采用雙光源照明，用CCD攝像機(jī)接收待測SMD引線的影像，然后再利用三角法原理計(jì)算SMD引線的三維坐標(biāo)?？汕袚Q的光源省去了多傳感器或移動的需要，但精度不高，如高度方向的測量精度只有0.1 mm。

2.2.3 雙反射鏡視覺法

如圖3用CCD攝像機(jī)獲取被測SMD引線影像的3D圖像，再用三角法原理計(jì)算引線的坐標(biāo)。被測SMD置于一導(dǎo)軌上，從而可以實(shí)現(xiàn)離線檢測。

圖3 雙反射鏡法測量原理

隨著機(jī)器視覺技術(shù)理論研究及硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)在SMD引線參數(shù)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，這方面的研究也越來越多。國外對機(jī)器視覺在SMD引線參數(shù)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用研究起步較早，現(xiàn)在已有較成熟的產(chǎn)品；而在國內(nèi)，目前尚無成熟的相關(guān)產(chǎn)品。

本文旨在研究利用機(jī)器視覺對SMD進(jìn)行引線共面性檢測的相關(guān)技術(shù)，提出了一種檢測精度和效率較優(yōu)的SMD引線共面性檢測方法，并研制適用于細(xì)節(jié)距SMD引線共面性檢測的引線共面性檢測系統(tǒng)。

3 SMD引線共面性檢測方案

基于機(jī)器視覺的引線共面性檢測方法的優(yōu)劣勢分析見表1。

表1 引線共面性檢測原理比較表

由表1分析可知，上述3種基于機(jī)器視覺的引線共面性檢測方法均對機(jī)械定位要求較高，但檢測設(shè)備在安裝和長期使用后無法保證良好的機(jī)械定位，因此本文提出的SMD引線共面性檢測方法采用了一種結(jié)構(gòu)簡單且對機(jī)械定位沒有要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。SMD引線共面性檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖4。

圖4 SMD引線共面性檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

檢測平臺的凹形設(shè)計(jì)解決了現(xiàn)有方法對機(jī)械定位要求嚴(yán)格的問題。檢測平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：基座和設(shè)置在基座上的背光源，基座上沿背光源外側(cè)還設(shè)置有正方形筒狀的參考基準(zhǔn)，背光源上設(shè)置有高透光玻璃工件座，高透光玻璃工件座的上表面與參考基準(zhǔn)的上端面位于同一水平面，在基座上參考基準(zhǔn)外側(cè)四周分別設(shè)置有高精度光學(xué)玻璃反光鏡，高精度光學(xué)玻璃反光鏡為上底大于下底的梯形，高精度光學(xué)玻璃反光鏡與基座上平面之間的夾角為45°，其鏡面朝內(nèi)，相鄰高精度光學(xué)玻璃反光鏡通過其側(cè)邊彼此連接。檢測平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖見圖5。

圖5 檢測平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

該SMD引線共面性檢測系統(tǒng)進(jìn)行引線共面性檢測時，先將SMD引線向下放置在高透光玻璃工件座上，再用相機(jī)拍攝高精度光學(xué)玻璃反光鏡中SMD的反射圖像和參考基準(zhǔn)的反射圖像，見圖6，然后使用配套軟件調(diào)用拍攝的圖片并計(jì)算各個引線到參考基準(zhǔn)端面的距離及其平面位置信息，最后取引線到參考基準(zhǔn)端面的最大距離來進(jìn)行引線共面性合格與否的判斷。同時，結(jié)合用戶測量需要，可增加SMD引線歪斜等平面參數(shù)的檢測。

圖6 相機(jī)拍攝檢測圖像

4 SMD引線共面性檢測系統(tǒng)精度分析

SMD引線共面性檢測系統(tǒng)的檢測精度主要由高精度光學(xué)玻璃反光鏡安裝角度、視野（FOV）和相機(jī)像素決定。

根據(jù)幾何原理，高精度光學(xué)玻璃反光鏡的安裝角度要求為45°±2°；視野和相機(jī)像素的選定決定了檢測精度，相機(jī)的像素越高、視野越小則檢測精度越高，但結(jié)合被檢樣品和成本，本文選用美國Cognex公司的CIC-10MR型2D相機(jī)，該相機(jī)為1000萬像素的工業(yè)相機(jī)，像素值為3856×2764像素。

引線共面性不合格判據(jù)一般為0.1 mm，封裝廠的內(nèi)控指標(biāo)一般為0.08 mm，因此SMD引線共面性檢測系統(tǒng)至少需具備0.03 mm的分辨率，根據(jù)公式：FOV=分辨率×像素值，得出：

由于細(xì)節(jié)距SMD最大尺寸約為38 mm×38 mm，為提高檢測系統(tǒng)的檢測精度，將FOV設(shè)為45 mm× 45 mm，根據(jù)公式：分辨率=FOV÷像素值，得出檢測系統(tǒng)分辨率：

分辨率=45 mm÷2764=0.0163 mm本次開發(fā)中，由于機(jī)械加工精度的原因，高透光玻璃工件座與參考基準(zhǔn)的平面度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此取引線到參考基準(zhǔn)端面的最大距離作為被檢樣品的引線共面性指標(biāo)存在一定的誤差。為降低誤差，針對該問題開發(fā)了一個引線共面性檢測軟件來提高引線共面性檢測精度，該軟件中引線共面性檢測的算法原理是將得到的所有引線到參考基準(zhǔn)的距離及其平面參數(shù)進(jìn)行調(diào)用，接著通過最小二乘法擬合一個最佳近似平面，然后計(jì)算各個引腳端點(diǎn)到最佳近似平面的距離；取距最佳近似平面距離最大的3個引線端點(diǎn)，然后根據(jù)這3個引線端點(diǎn)擬合一個基準(zhǔn)平面，計(jì)算各個引腳端點(diǎn)到基準(zhǔn)平面的距離；選取引腳到基準(zhǔn)平面距離最遠(yuǎn)的值作為被檢樣品的共面性指標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文提出的SMD引線共面性檢測方案原理清楚、條理清晰，開發(fā)的檢測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各種SO、SOP和QFP封裝的SMD引線共面性檢測。同時，通過增加引線共線性檢測算法，有效提高了檢測系統(tǒng)的檢測精度。

后續(xù)可通過選擇高分辨率的相機(jī)、提高機(jī)械加工精度或優(yōu)化檢測平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高檢測精度。對于底部出線的SMD（如BGA），該方案就顯得無能為力，如何實(shí)現(xiàn)底部出線SMD引線共面性檢測可作為后續(xù)的研究目標(biāo)和研究方向。

[1]JESD22-B108A.Coplanarity test for surface-mount semiconductor devices[S].

[2]楊城，鄧勇.表面貼裝集成電路引腳整形研究[J].電子與封裝，2014，14（9）:5-8.

[3]G Smeyers,C Truyens.A“dual shadow”Coplanarity Inspection System[J].Surface Mount Technology,Mar. 1993:45-49.

Study of Coplanarity Test for Gull Wing Lead SMDs

YANG Cheng,HE Yingying,TAN Chen
（The Metrology and Measurement Institute of Hubei Space Academy,Xiaogan 432100,China）

With the rapid development of microelectronics technology,THT is now being replaced by SMT. Especially,the fine pitch SMD is highly integrated with more pins and smaller pitch.But the limitation of fine pitch SMD is the lead coplanarity problem caused by lead deforming.To improve the solder reliability,this article introduces a precise and efficientcoplanarity testmethod for gullwing lead SMDs.

fine pitch;gullwing lead;coplanarity test

TN305.94

A

1681-1070（2017）05-0012-04

楊城（1988—），男，浙江金華人，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，本科，主要從事電子元器件可靠性技術(shù)研究。

2017-2-21