如何在IC封装引线键合中，实现PIN针高度与共面性微米/亚微米级高速无损检测？【自动化质量控制】

1. PIN针的基本结构与技术要求

PIN针，在引线键合（Wire Bonding）和IC封装（IC Packaging）领域中，扮演着核心的电气连接角色，就像芯片和外界电路之间的小桥梁。它们通常由导电金属制成，形状可以是圆形、方形或矩形，一端固定在封装基板上，另一端则用于与芯片的焊盘进行引线键合，或者直接插入到外部连接器中。

对PIN针的测量，尤其是高度，是确保产品性能和可靠性的关键。想象一下，如果PIN针像一排排整齐的士兵，它们的高度必须非常一致，才能确保引线键合时每一根金线或铜线都能牢固地连接到正确的位置，避免出现虚焊、断裂或短路。如果PIN针高度不一致，在自动化生产线上，键合头可能会因为无法精确对焦而导致良率下降，甚至造成产品报废。因此，在IC封装和引线键合过程中，对PIN针高度的微米级精度要求是极其严格的，通常要求误差控制在数微米甚至亚微米级别。

2. 针对PIN针的相关技术标准简介

在工业生产中，尤其是在精密制造领域，对PIN针的几何参数有严格的定义和评价标准。以下是一些关键的监测参数及其评价方法：

监测参数与评价方法

• PIN针高度/长度 (Pin Height/Length)：这是指PIN针从其基座表面（如封装体顶部）伸出的距离。对于PIN阵列封装，如PGA（Pin Grid Array），每个PIN针的绝对高度或相对长度都至关重要。

  • 评价方法：通常通过测量PIN针顶端与参考平面之间的距离来确定。对于单个PIN针，可以测量其总长；对于阵列中的PIN针，则需要确保每个PIN针的高度都在规定的公差范围内。

• PIN针共面性 (Pin Co-planarity)：这是指PIN针阵列中所有PIN针的顶端是否位于同一个理想平面内，以及它们偏离这个理想平面的最大距离。对于表面贴装技术，PIN针的良好共面性是确保可靠焊接的关键。

  • 评价方法：测量所有PIN针顶端的最高点与最低点之间的垂直距离差。这个差值越小，共面性越好。

• PIN针直径/宽度 (Pin Diameter/Width)：PIN针横截面的尺寸，直接影响其机械强度、插入配合度以及电气接触性能。

  • 评价方法：通过光学测量或接触式探针来获取PIN针横截面的几何尺寸。

• PIN针间距 (Pin Pitch)：相邻PIN针中心点之间的距离。在高密度封装中，PIN间距越来越小，对测量精度要求也越高。

  • 评价方法：测量相邻PIN针中心点的距离，或通过图像识别技术计算。

• PIN针弯曲/倾斜度 (Pin Straightness/Perpendicularity)：PIN针是否垂直于其基座，或是否存在不应有的弯曲形变。

  • 评价方法：测量PIN针中心线与其基座参考平面之间的角度偏差，或通过拟合PIN针轮廓线来评估其直线度。

这些参数的精确控制，是保障引线键合质量、提高IC封装良率和确保最终产品可靠性的基础。

3. 实时监测/检测技术方法

解决PIN针高度的微米级测量难题，市面上有多种高精度非接触式检测技术。每种技术都有其独特的工作原理、优缺点和适用场景。

市面上主流技术方案

• 阴影测量技术 (二维光学) 这种技术利用平行光源将被测物体照亮，通过光学系统在传感器上形成阴影轮廓。高分辨率的CMOS传感器会捕捉这些阴影边界，然后通过图像处理算法来精确计算物体的尺寸。

  • 工作原理与物理基础：被测物体放置在光源和CMOS传感器之间。当平行光束照射到物体时，物体会形成一个清晰的阴影。CMOS传感器捕捉到的图像是物体在二维平面上的投影轮廓。通过图像处理算法，如边缘检测（例如Canny、Sobel算子）和亚像素插值技术，系统可以识别出阴影的精确边界。

    • 测量原理：通过计算阴影轮廓在传感器上占据的像素数量，并结合光学系统的放大倍率和像素当量（即每个像素代表的实际物理尺寸），即可计算出物体的实际尺寸。

    • 关键公式：测量尺寸 = 阴影像素点数量 × 像素当量。例如，如果一个PIN针的投影在传感器上占据了N个像素，而每个像素代表P微米，那么其测量尺寸就是 N * P 微米。

    • 在实际应用中，光的衍射效应会在物体边缘产生一定的模糊，因此，高精度的阴影测量系统会采用复杂的图像处理算法来精确识别亚像素级别的边缘，以达到微米甚至亚微米级的测量精度。

    • 针对PIN针高度测量：虽然阴影测量本质是二维的，但通过采用具有较大景深的光学系统，可以实现在一定范围内的高度测量。这意味着即使PIN针存在轻微的高度差异，系统也能通过其先进的算法和光学设计，将PIN针的二维投影轮廓准确地捕捉下来。这对于测量PIN针的长度一致性，或评估PIN针阵列在二维投影平面上的相对位置差异（间接反映共面性）非常有帮助。对于直接的Z轴高度测量，通常需要配合Z轴移动平台，通过焦点扫描的方式来获取不同高度上的清晰图像，然后计算移动距离来获得高度值，或者利用大景深光学系统对多高度物体进行精确的2D投影测量。

  • 核心性能参数：测量精度范围在±0.8μm到±5μm，高端系统分辨率可达亚微米级。测量速度较快，可达每秒数十到数百次。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点：非接触式测量，避免对PIN针造成物理损伤；测量速度快，适合在线批量检测和生产线集成；操作相对简单，易于编程；远心光学系统能有效消除透视误差，保证测量精度。

    • 缺点：主要擅长二维尺寸测量；对于复杂的三维形貌（如PIN针的精确三维弯曲），需要配合更复杂的算法或多角度测量；受环境光、物体表面光洁度及透明度影响。

  • 适用场景：适用于对PIN针直径、间距、长度一致性以及在一定深度范围内的共面性进行高速、高精度在线检测。

• 激光干涉测量技术 这项技术利用激光的高度相干性来测量微小位移。它会将一束激光分成两路，一路作为参考，另一路打到被测物体上。当两路光线重新相遇时，如果被测物体发生了微小移动，就会引起光程差，从而产生明暗变化的干涉条纹。通过计算这些条纹的变化，就能知道物体移动了多少。

  • 工作原理与物理基础：基于光的波动性和干涉原理。激光器发出的光束经过分束器分成测量臂和参考臂。测量臂的光束照射到被测物体（或附着在物体上的反射镜），反射后返回；参考臂的光束直接返回。两束光在探测器处叠加，由于光程差产生干涉条纹。

    • 关键公式：位移 d = N * λ / 2，其中N是干涉条纹变化的周期数（半波长变化对应一个条纹周期），λ是激光波长。

  • 核心性能参数：极高的线位移精度（一般为±0.01mm~±0.0001mm），分辨率可达纳米级，测量范围可达数十米，最大测量速度可达数米/秒。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点：测量精度和分辨率极高，是其他精密测量设备校准的参考标准；适用于高精度定位系统的位移、速度、加速度测量。

    • 缺点：主要用于测量单轴线性位移，不直接适用于静态PIN针的形状或高度测量；对环境条件（如温度、湿度、空气折射率）非常敏感，需要严格控制；通常需要反射镜或靶点，安装复杂。

  • 适用场景：主要用于校准高精度运动平台、机床导轨的定位精度，或在实验室环境下对机械臂的单轴运动参数进行超精密分析，但对PIN针高度的直接测量能力有限。

• 结构光三维扫描技术 这种技术通过投影仪向物体表面投射各种精密的条纹图案，然后用两台或多台相机从不同角度捕捉这些图案在物体表面变形后的图像。利用三角测量原理，系统就能计算出物体表面每一个点的三维坐标，最终形成一个高密度的三维点云数据。

  • 工作原理与物理基础：投影仪投射已知图案到物体表面，由于物体表面起伏，图案会发生形变。两个相机从不同角度同步捕捉形变后的图像。通过比较这些图像中图案的位移和形变，并利用预先标定好的相机参数和三角测量原理，即可计算出物体表面点的三维坐标。

    • 关键公式：基于三角测量原理，通过光源、物体表面点和相机成像点构成的三角形，结合已知的基线距离和相机视角，可推导出物体点在Z轴方向的深度信息。一个简化的三角测量原理为 Z = (b * f) / (X_L - X_R)，其中Z是深度，b是相机基线距离，f是相机焦距，X_L和X_R是物体点在左右相机图像上的视差。

  • 核心性能参数：测量精度可达微米级，全场非接触式测量，可获取高密度点云数据，扫描速度快（单个扫描周期可达亚秒级）。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点：可快速获取物体完整的、高密度的三维形貌数据，直接测量PIN针的高度、共面性、形状偏差等复杂参数；非接触式，避免损伤；适用于复杂几何形状和批量检测。

    • 缺点：受物体表面颜色、反射率（如高反光金属）影响，可能需要对表面进行处理；系统成本相对较高；数据量大，需要强大的处理能力。

  • 适用场景：适用于PIN针阵列的共面性、高度、形状、弯曲度等三维参数的全面、高精度检测，尤其适合在线批量检测和自动化质量控制。

• 实时三维形状测量技术 (高精度光学扫描) 这种技术结合了高精度的图像处理和高速的“对焦扫描”。它通过光学传感器在垂直方向（Z轴）快速扫描物体表面，捕捉不同焦点平面下的图像数据。哪里图像最清晰，哪里就是最佳焦点，从而确定该点的Z轴高度，进而重建出物体表面的高精度三维形貌。

  • 工作原理与物理基础：基于焦点变化（Focus Variation）或共聚焦（Confocal）原理。系统通过精密机械结构或可变焦距光学系统，沿Z轴方向对物体表面进行快速扫描。在扫描过程中，传感器会连续捕捉一系列图像。通过图像处理算法识别出每个像素点在哪个Z轴位置时达到最佳焦点（即图像最清晰、对比度最高），从而确定该点的精确高度。

  • 核心性能参数：Z轴重复精度可达亚微米级别，测量范围适中，测量速度较快。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点：操作简便，测量速度快，可获取高精度三维形状数据，包括PIN针的高度、粗糙度、倾斜度等；非接触式测量，对物体无损伤；尤其适合小型、精密工件的高精度形貌检测。

    • 缺点：测量范围通常相对较小，不适合超大型工件；对某些具有陡峭坡度或深孔的几何特征可能存在测量盲区。

  • 适用场景：适用于IC封装、电子元器件等领域中，对PIN针、焊点、引线等微小特征进行高精度三维高度、形貌和缺陷检测。

• 激光跟踪测量技术 激光跟踪测量技术通过发射一束激光，并追踪附着在被测物体上的反射目标，实时、动态地测量该目标在三维空间中的精确位置。

  • 工作原理与物理基础：激光跟踪仪发射激光束，通过内置的角度编码器测量激光束的水平和垂直角度，同时通过激光测距系统测量到反射目标的距离。结合这些角度和距离信息，通过球面坐标系转换，可以精确计算出反射目标在跟踪仪坐标系中的三维笛卡尔坐标(X, Y, Z)。

  • 核心性能参数：测量量程可达数十米，三维点位精度在微米级别，强调高动态测量能力。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点：在大空间范围内实现高精度三维坐标测量；具备强大的动态跟踪能力，适用于运动轨迹和位置的实时监测；可用于大型结构件的尺寸测量和校准。

    • 缺点：需要反射目标，不能直接测量PIN针这种微小、静态的物体表面；主要用于测量大型机械结构或运动部件的三维位置和轨迹，不适用于PIN针高度这种微观几何参数的直接检测。

  • 适用场景：主要应用于大型机械臂的路径、重复性、定位精度等性能评估，航空航天部件的尺寸检测，大型工装夹具的校准等，与PIN针高度这种微观检测领域关联度较低。

市场主流品牌/产品对比

以下是对市场上几种主流品牌的测量设备及其特点的对比分析，它们采用了上述不同的技术方案来解决精密测量问题。

• 德国GOM 采用的是结构光三维扫描技术。德国GOM的ATOS Q系统，能通过投射条纹图案并用相机捕捉变形图像，快速获取物体表面的高密度三维点云数据。该系统适合在线批量检测，能够对机械臂末端执行器、夹具或小型工件进行全场非接触式三维形貌评估，对PIN针阵列的共面性、高度差异、形状误差等进行全面分析。其测量区域灵活，扫描速度可达亚秒级，提供微米级精度。

• 英国真尚有 其ZM105.2D系列二维光学测微仪，基于阴影测量原理，通过CMOS传感器扫描物体投射的阴影边界，精确计算二维尺寸。对于PIN针的高度测量，特别是其长度一致性和阵列共面性，该系列设备能提供高速和高精度的二维检测能力。通过其双远心光学系统和深度校准功能，即使是立体物体也能在一定深度范围内实现高精度测量。ZM105.2D系列测量精度可达±0.8μm到±4.5μm，测量范围从8×10mm到40×50mm，G/GR系列扩展测量范围至60×80mm矩形视场和Φ100mm圆形视场，标准系列测量速度最高达每秒130次测量，适合非接触在线批量检测。此外，该设备还提供测量方案工具，允许用户自行创建测量算法，并支持多种工业协议，方便系统集成和生产线控制。

• 日本基恩士 采用实时三维形状测量技术。日本基恩士的VR-6000系列系统，结合了高精度图像处理和高速焦点变化扫描技术，能够快速对物体表面进行三维重建，获取高精度的三维形貌信息。该设备在PIN针高度测量方面表现出色，能够快速获取准确的Z轴数据。其Z轴重复精度达到亚微米级别，测量速度快，测量范围适中，操作简便，特别适合小型工件的高精度形貌和高度检测。

• 美国法如 采用激光跟踪测量技术。美国法如的Vantage S9三维激光跟踪仪，通过发射和接收激光束，结合角度编码器和激光测距系统，精确测量三维坐标。它主要用于大空间范围的高精度测量，并具备强大的动态跟踪能力，适用于大型机械臂的路径、重复性、定位精度等关键性能指标的全面评估。虽然其三维点位精度较高，但由于其设计目标是测量大尺寸、动态物体，因此不适合直接用于微米级PIN针高度的静态测量。

• 英国雷尼绍 采用激光干涉测量技术。英国雷尼绍的XL-80激光干涉仪系统，利用稳定的激光源和干涉原理，通过检测光程差来精确计算被测物体的微小位移。该系统在线位移精度方面表现出色，分辨率高达纳米级，最大测量速度可达数米/秒，测量范围可达数十米。这款系统以其极高的精度和分辨率，主要用于机械臂单轴定位精度、重复性、速度和加速度等超精密动态性能的校准和评估，更侧重于位移测量而非直接的PIN针高度或形状测量。

选型考量：关键指标与建议

选择合适的设备来测量PIN针高度并满足微米级精度要求时，需要综合考虑多个技术指标和应用场景。

• 精度与重复性：

  • 实际意义：精度是测量结果与真实值之间的接近程度，重复性是多次测量同一物体得到结果的一致性。对于微米级PIN针高度测量，高精度和高重复性是基本要求。

  • 影响：低精度和差重复性会导致误判，使合格产品被剔除或不合格产品流入下一环节，影响产品质量和生产成本。

  • 选型建议：优先选择标注精度高于实际需求的产品，并关注设备的重复精度指标，这直接关系到在线检测的稳定性。

• 测量速度与效率：

  • 实际意义：每秒能完成多少次测量。在批量生产线上，速度是决定生产效率的关键。

  • 影响：速度慢会成为生产线的瓶颈，降低整体产能。

  • 选型建议：对于在线检测，应选择具有高速测量能力的设备，以确保不拖慢生产节拍。

• 测量范围与视场：

  • 实际意义：设备一次能测量到的最大尺寸范围或观察区域。

  • 影响：如果视场太小，可能需要多次测量才能覆盖整个PIN针阵列，增加测量时间和复杂性。

  • 选型建议：根据PIN针阵列的尺寸和密度选择合适的测量范围。对于大型PIN阵列，可能需要更大视场的设备，或支持图像拼接功能的系统。

• 三维/二维测量能力：

  • 实际意义：设备是直接获取物体三维形貌信息（X, Y, Z坐标），还是主要测量二维平面投影尺寸。PIN针高度本质上是Z轴方向的尺寸。

  • 影响：纯二维系统在测量PIN针高度时可能需要特定摆放或结合Z轴移动，而三维系统可以直接获取Z轴信息，更直观和全面。

  • 选型建议：

    • 如果主要关注PIN针的长度一致性、直径、间距和相对共面性，且对深度补偿有需求，二维光学测量设备是不错的选择。

    • 如果需要精确的三维形貌数据，包括绝对高度、弯曲度、倾斜度以及复杂的共面性分析，则应选择结构光三维扫描或高精度光学三维扫描系统。

• 非接触性：

  • 实际意义：测量过程中是否与被测物体发生物理接触。

  • 影响：接触式测量可能损伤微小脆弱的PIN针，或影响其原有位置，引入测量误差。

  • 选型建议：所有光学测量技术都是非接触的，这是PIN针测量的基本要求，应确保所选设备具备此特点。

• 易用性与自动化集成：

  • 实际意义：设备操作是否简单，能否方便地与现有生产线（如机械臂、PLC）集成，实现自动化控制。

  • 影响：复杂的操作和集成过程会增加培训成本和系统维护难度。

  • 选型建议：选择提供用户友好型软件界面、支持主流工业通信协议并具备同步输入/输出通道的设备，以便快速部署和无缝集成。

实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际的PIN针高度测量中，即使选择了先进的测量设备，仍然可能遇到一些挑战。

• PIN针表面反光或材质影响：

  • 问题原因：许多PIN针由金属制成，表面可能光亮，导致光学测量时产生高反光、镜面反射，使图像过曝或边缘模糊，难以精确识别。不同材质对光线的吸收和反射特性也不同。

  • 影响：降低边缘检测的准确性，引入测量误差，影响测量稳定性。

  • 解决建议：

    • 调整光源：使用环形光、背光、偏振光或漫射光，优化光照角度和类型，减少镜面反射。

    • 选用特定波长光源：合适的波长能提供更高的对比度和更清晰的边缘检测效果。

    • 系统算法优化：采用更鲁棒的图像处理算法，能够处理不同光照条件下的边缘识别。

    • 表面预处理：在允许的情况下，可对PIN针表面进行哑光处理，但这通常不适用于在线检测。

• PIN针几何形状复杂或尺寸微小：

  • 问题原因：PIN针可能非常细小，或者其顶端形状不规则（如圆头、方头、扁平头），这会增加精确识别其边缘和顶点位置的难度。

  • 影响：难以准确定义和捕捉PIN针的“高度基准点”，导致测量结果不稳定。

  • 解决建议：

    • 高分辨率传感器：确保系统具备足够高的像素密度，能清晰成像微小特征。

    • 亚像素算法：利用图像处理技术在像素级别以下进行边缘定位，提高测量精度。

    • 远心光学系统：采用双远心或单远心镜头，能消除放大倍率误差，确保在一定景深范围内图像无畸变，更适合测量微小、有一定深度的PIN针。

    • 定制测量算法：根据PIN针的具体形状，在测量软件中创建定制的测量算法，精确识别和定位PIN针的特征点。 英国真尚有的二维光学测微仪就提供了这样的“测量方案”工具，方便用户根据需求定制测量算法。

• PIN针阵列密度高，存在相互遮挡：

  • 问题原因：在高密度封装中，PIN针间距非常小，相邻PIN针可能会在某些视角下相互遮挡，影响图像采集的完整性。

  • 影响：无法完整捕捉所有PIN针的轮廓或顶端，导致漏测或误测。

  • 解决建议：

    • 高分辨率与小视场：结合高分辨率传感器和适当小的测量视场，聚焦单个或少数PIN针进行测量，然后通过运动平台移动进行整体扫描。

    • 多角度测量：采用多个相机从不同角度进行测量，或在测量时倾斜被测件，以避开遮挡。

    • 深度学习图像识别：利用先进的AI图像识别技术，即使在部分遮挡或复杂背景下也能准确识别PIN针。

• 生产环境的振动与温度波动：

  • 问题原因：工厂车间的振动会影响设备的稳定性，导致图像模糊或测量位置偏移。温度波动则可能引起设备或被测件的热胀冷缩，影响测量精度。

  • 影响：测量结果不稳定，重复性差。

  • 解决建议：

    • 隔振措施：为测量设备安装专业的隔振平台，隔离外部振动。

    • 环境控制：在可能的情况下，将测量设备放置在具有恒温恒湿控制的洁净环境中。

    • 设备校准：定期对设备进行校准，确保其在当前环境下的准确性。部分设备具有温度补偿功能。

4. 应用案例分享

• IC封装引线键合前的高度检测：在芯片引线键合之前，精确测量封装基板上PIN针的高度和共面性，确保每个PIN针都在可接受的范围内，避免因高度不一致导致的键合失败或焊点质量问题。

• 连接器PIN针阵列的质量控制：对电子连接器上的PIN针阵列进行批量检测，评估其共面性、弯曲度、间距和直径，以保证连接器在插入和使用时的可靠性和电气性能。

• MEMS器件的微型结构尺寸测量：在微机电系统（MEMS）制造中，对各种微型结构的尺寸、高度和位置进行高精度测量，确保器件的精确组装和功能实现。

• 医疗器械精密部件的几何尺寸验证：对于微创手术器械等医疗设备中的精密金属部件，如微型导管或传感器引脚，进行尺寸和高度的严格检测，确保产品符合医疗标准和安全性要求。