翼型引线表贴集成电路共面性检测研究

2017-06-01杨城贺颖颖谭晨

电子与封装 2017年5期

关键词：引线基准像素

杨城，贺颖颖，谭晨

（湖北航天技术研究院计量测试技术研究所，湖北孝感432100）

翼型引线表贴集成电路共面性检测研究

杨城，贺颖颖，谭晨

（湖北航天技术研究院计量测试技术研究所，湖北孝感432100）

随着封装向轻、薄、小的高密度方向发展，封装引出端从传统的通孔安装THT(Through Hole Technology)向表面安装SMT（Surface Mounting Technology）过渡，引线节距越来越小，I/O数越来越多，特别是细节距封装的表贴集成电路（SMD，Surface Mounting Devices)。细节距封装的SMD引线变薄、变窄，因此引线易弯曲变形造成引线焊接部位不共面，安装时个别引线和PCB板接触不良导致漏接、虚接。介绍了一种精度高和效率较优的翼型引线SMD引线共面性检测方法。

细节距；翼形引线；共面性测量

1 引言

自20世纪80年代以来，随着电子元器件向小型化、复合化、轻量化、多功能、高可靠、长寿命的方向发展，相继出现了各种类型的SMD。电子产品的高密度组装使得传统的通孔安装THT（Through Hole Technology）无能为力，而SMT（Surface Mounting Technology）则较好地解决了电子产品发展的组装需求。

通常，标准的通孔安装器件（如双列直插元件DIP）引线节距为1.78 mm和2.54 mm，而SMD引线密度大、节距小，如0.65 mm、0.5 mm甚至0.3 mm，因此要实现精确安装就要求引线具有很高的精度。在其引线参数中，主要的指标有：①引线共面性；②引线位置偏差；③引线实际节距；④引线高度。在这些参数中，最重要的一个便是引线高度方向的参数值。若引线在高度方向上误差较大，造成引线焊接部位不满足电子行业标准JESD22-B108A[1]的要求，安装时个别引线和PCB板接触不良导致漏接、虚接。据统计，SMT中出现的焊点开路故障达PCB板焊接总故障数的三分之一以上[2]。因此，SMD的共面性指标已成为决定PCB板焊接质量的重要因素之一。

本文通过研究目前SMD引线共面性检测方法，提出了一种精度高和效率较优的翼型引线SMD引线共面性检测方法。

2 主要引线共面性检测方法介绍

2.1 裸眼检测方法

早期的检测手段是通过手工测量和人眼识别的方法进行检测，但此种方法存在诸多局限：

（1）检测精度低。人工检测有强主观性，易误判误检，且无法定量描述。

（2）检测速度慢。人工检测无法适应生产线快速检测的需求，不利于产品质量控制。

（3）检测成本高。人工检测需投入大量人力物力，阻碍生产效率的提高。

2.2 基于机器视觉的检测方法

机器视觉在半导体工业中的应用从上世纪八十年代开始，随着产业普及和技术提升，应用领域较为广泛。

2.2.1 影像法

如图1所示，美国Newport公司等采用影像法进行翼型引线共面性测量，测试系统由1个CCD摄像机与4个LED光源组成。被测元件固定到置于一块磨砂玻璃平面上的基座上。然后分别用4束光源投射，产生被测芯片的引线影像。这样，第一束光在玻璃平面上产生第一排引线的影像，第二束光产生另一排引线的影像，依此类推。

图1 影像法测量SMD引线共面性的原理图

CCD摄像机从磨砂玻璃平面下方接收引线影像的图像。然后根据光源和影像之间固定的位置关系，利用三角原理计算引线实际的x、y、z三维坐标，精度达到10 μm。其优点是，由于整个测量系统在测试过程中没有运动部分，因此可以保证较高的测量精度，且不需要进行扫描，测量速度快，每个芯片测量时间可以限制在500 ms以内。

2.2.2 双阴影视觉（Dual Shadow Vision）测量法[3]

双阴影视觉方法由美国ICOS公司开发研制，其测量原理同影像法相似，如图2所示。

图2 双阴影法测量原理图

它采用双光源照明，用CCD摄像机接收待测SMD引线的影像，然后再利用三角法原理计算SMD引线的三维坐标。可切换的光源省去了多传感器或移动的需要，但精度不高，如高度方向的测量精度只有0.1 mm。

2.2.3 双反射镜视觉法

如图3用CCD摄像机获取被测SMD引线影像的3D图像，再用三角法原理计算引线的坐标。被测SMD置于一导轨上，从而可以实现离线检测。

图3 双反射镜法测量原理

随着机器视觉技术理论研究及硬件技术的不断发展，机器视觉技术在SMD引线参数检测领域的应用越来越多，这方面的研究也越来越多。国外对机器视觉在SMD引线参数检测领域的应用研究起步较早，现在已有较成熟的产品；而在国内，目前尚无成熟的相关产品。

本文旨在研究利用机器视觉对SMD进行引线共面性检测的相关技术，提出了一种检测精度和效率较优的SMD引线共面性检测方法，并研制适用于细节距SMD引线共面性检测的引线共面性检测系统。

3 SMD引线共面性检测方案

基于机器视觉的引线共面性检测方法的优劣势分析见表1。

表1 引线共面性检测原理比较表

由表1分析可知，上述3种基于机器视觉的引线共面性检测方法均对机械定位要求较高，但检测设备在安装和长期使用后无法保证良好的机械定位，因此本文提出的SMD引线共面性检测方法采用了一种结构简单且对机械定位没有要求的结构设计。SMD引线共面性检测系统结构框图见图4。

图4 SMD引线共面性检测系统结构框图

检测平台的凹形设计解决了现有方法对机械定位要求严格的问题。检测平台结构设计包括：基座和设置在基座上的背光源，基座上沿背光源外侧还设置有正方形筒状的参考基准，背光源上设置有高透光玻璃工件座，高透光玻璃工件座的上表面与参考基准的上端面位于同一水平面，在基座上参考基准外侧四周分别设置有高精度光学玻璃反光镜，高精度光学玻璃反光镜为上底大于下底的梯形，高精度光学玻璃反光镜与基座上平面之间的夹角为45°，其镜面朝内，相邻高精度光学玻璃反光镜通过其侧边彼此连接。检测平台结构设计示意图见图5。

图5 检测平台结构设计示意图

该SMD引线共面性检测系统进行引线共面性检测时，先将SMD引线向下放置在高透光玻璃工件座上，再用相机拍摄高精度光学玻璃反光镜中SMD的反射图像和参考基准的反射图像，见图6，然后使用配套软件调用拍摄的图片并计算各个引线到参考基准端面的距离及其平面位置信息，最后取引线到参考基准端面的最大距离来进行引线共面性合格与否的判断。同时，结合用户测量需要，可增加SMD引线歪斜等平面参数的检测。

图6 相机拍摄检测图像

4 SMD引线共面性检测系统精度分析

SMD引线共面性检测系统的检测精度主要由高精度光学玻璃反光镜安装角度、视野（FOV）和相机像素决定。

根据几何原理，高精度光学玻璃反光镜的安装角度要求为45°±2°；视野和相机像素的选定决定了检测精度，相机的像素越高、视野越小则检测精度越高，但结合被检样品和成本，本文选用美国Cognex公司的CIC-10MR型2D相机，该相机为1000万像素的工业相机，像素值为3856×2764像素。

引线共面性不合格判据一般为0.1 mm，封装厂的内控指标一般为0.08 mm，因此SMD引线共面性检测系统至少需具备0.03 mm的分辨率，根据公式：FOV=分辨率×像素值，得出：

由于细节距SMD最大尺寸约为38 mm×38 mm，为提高检测系统的检测精度，将FOV设为45 mm× 45 mm，根据公式：分辨率=FOV÷像素值，得出检测系统分辨率：

分辨率=45 mm÷2764=0.0163 mm本次开发中，由于机械加工精度的原因，高透光玻璃工件座与参考基准的平面度未达到设计要求，因此取引线到参考基准端面的最大距离作为被检样品的引线共面性指标存在一定的误差。为降低误差，针对该问题开发了一个引线共面性检测软件来提高引线共面性检测精度，该软件中引线共面性检测的算法原理是将得到的所有引线到参考基准的距离及其平面参数进行调用，接着通过最小二乘法拟合一个最佳近似平面，然后计算各个引脚端点到最佳近似平面的距离；取距最佳近似平面距离最大的3个引线端点，然后根据这3个引线端点拟合一个基准平面，计算各个引脚端点到基准平面的距离；选取引脚到基准平面距离最远的值作为被检样品的共面性指标。

5 结束语

本文提出的SMD引线共面性检测方案原理清楚、条理清晰，开发的检测系统可实现各种SO、SOP和QFP封装的SMD引线共面性检测。同时，通过增加引线共线性检测算法，有效提高了检测系统的检测精度。

后续可通过选择高分辨率的相机、提高机械加工精度或优化检测平台结构设计来提高检测精度。对于底部出线的SMD（如BGA），该方案就显得无能为力，如何实现底部出线SMD引线共面性检测可作为后续的研究目标和研究方向。

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

[2]杨城，邓勇.表面贴装集成电路引脚整形研究[J].电子与封装，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