如何在IC封装和引线键合中，实现PIN针阵列的±1微米共面性非接触式高精度检测？【自动化测量】

PIN针作为IC封装和引线键合中的关键组件，其高度尺寸直接关系到电子元器件的可靠性和电气性能。想象一下，PIN针就像是芯片与外部世界沟通的无数座微型桥梁，如果这些桥梁的高低不一，或者桥面不够平整，就可能导致连接不稳定，甚至无法连接，最终影响整个电子产品的正常工作。因此，对PIN针的高度进行微米级甚至亚微米级的精确测量，是确保产品质量和生产效率的关键环节。

1. PIN针的基本结构与技术要求

PIN针通常是细小的金属柱状结构，常见于集成电路封装、连接器、传感器等领域。它们的主要作用是提供电学连接和机械支撑。在引线键合工艺中，芯片上的焊盘会通过金线或铜线连接到这些PIN针上，形成完整的电路通路。

在IC封装和引线键合过程中，PIN针的高度并非孤立存在的单一尺寸，它涉及到一系列相互关联的几何参数。其核心技术要求主要包括：

• 高度一致性（共面性）：这是最关键的参数。它指的是所有PIN针顶部在Z轴方向上的一致性。理想情况下，所有PIN针的顶部应位于同一个平面上。如果高度差异过大，就像一片高低不平的森林，会导致部分PIN针无法有效键合，或键合应力不均，进而引发虚焊、短路甚至断裂。微米级的高度偏差就可能导致严重的质量问题。

• 单个PIN针高度：指从参考基准面到每个PIN针顶部的垂直距离。这个值必须在设计公差范围内，以确保正确的键合线弧度，避免与封装体或其他组件干涉。

• PIN针直径和形状：PIN针的横截面直径需要精确，形状（如圆形、方形）也需符合设计。这会影响键合的强度和可靠性，以及与其他组件的配合。

• 位置精度：每个PIN针在XY平面上的位置必须准确，与设计布局一致。位置偏差可能导致引线键合时对不准焊盘，或引线之间发生短路。

• 垂直度：PIN针的轴线应尽可能垂直于基准面。倾斜的PIN针会影响键合质量和共面性。

2. 针对PIN针的相关技术标准简介

针对PIN针的测量，行业内有通用的定义和评价方法，以确保不同生产商之间产品的一致性和互操作性。这些标准主要关注PIN针的尺寸、位置、形状和表面质量。

• 高度测量：通常定义为PIN针顶部最高点与基准平面之间的距离，或者通过多个测量点的平均值来确定。在实际检测中，通常会关注所有PIN针的最高点、最低点以及它们之间的最大高度差（即共面性）。

• 共面性评价：共面性是衡量PIN针阵列整体平整度的指标。其评价方法通常是找出所有PIN针顶部的最高点和最低点，计算它们之间的垂直距离。这个距离越小，共面性越好。

• 直径测量：通常采用非接触方式，通过在多个截面和方向上进行测量，然后计算平均值或最值来获取。

• 位置度评价：通过测量PIN针中心点相对于设计参考点的X和Y坐标偏差来评估，确保PIN针排列整齐。

• 垂直度评价：测量PIN针轴线与基准平面法线的夹角，确保PIN针笔直。

3. 实时监测/检测技术方法

在引线键合和IC封装领域，PIN针高度的微米级精确测量是生产质量控制的重中之重。市面上涌现了多种先进的检测技术，各有侧重和适用场景。

（1）市面上各种相关技术方案

a. 2D光学阴影测量（或远心测量）

这种技术的核心思想是利用平行光束照亮被测物体，并在其后方形成一个清晰的阴影。就像我们拿着一个物体放在手电筒前面，在墙上看到它的剪影一样，只是这里的“手电筒”发出的光线是高度平行的，这样才能保证阴影的尺寸与物体本身的轮廓尺寸高度一致。

• 工作原理与物理基础：系统通常包含一个准直光源、一个或一套远心镜头和高分辨率的CMOS或CCD传感器。平行光穿过被测PIN针时，PIN针会阻挡部分光线，在传感器上形成一个清晰的二维阴影轮廓。传感器捕获这个阴影图像，通过图像处理算法精确识别阴影的边缘。

  其物理基础主要涉及几何光学和衍射理论。准直光源和远心镜头确保了测量结果不受物体Z轴位置轻微变化的影响，即“景深”较深，这对于PIN针阵列这种具有一定三维高度的物体非常重要。当光线遇到物体边缘时，会发生衍射，使得阴影边界并非是绝对锐利的一条线，而是有一个平滑的灰度过渡区域。高精度的系统会采用亚像素边缘检测算法，比如利用灰度梯度、高斯拟合或插值等方法，将边缘位置的确定精度提升到远超单个像素的物理尺寸。

  对于简单的线性尺寸测量，其计算可以简化为：

  实际尺寸 L = 图像中像素长度 N_p * 像素当量 SF

  其中，像素当量 SF = 传感器像素尺寸 P_s / 系统光学放大倍数 M_o。通过高精度校准，可以获得精确的像素当量。对于更复杂的形状，系统会根据预设的几何算法（如圆拟合、直线拟合）对阴影轮廓进行分析，从而计算出直径、角度、高度差等参数。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量精度：通常可达到±1μm至±5μm，高端系统甚至可达亚微米级。

  • 分辨率：取决于传感器像素大小和光学放大倍数，通常可达到0.1μm到1μm。

  • 测量速度：每秒数十次到数百次测量，非常适合在线快速检测。

  • 测量范围：从几毫米到几十毫米的视场范围。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式：避免对精密PIN针造成损伤，特别适合脆弱或已完成封装的产品。

    • 高速测量：能快速获取PIN针的二维轮廓信息，满足批量生产的在线检测需求。

    • 多参数测量：除了高度，还能同时测量直径、间距、位置、形状等多个参数，相当于一次拍摄可以全面体检。

    • 高精度：配合远心光学系统和亚像素算法，能实现微米级精度。

    • 操作简便：通常具有直观的软件界面和编程能力，用户可以自定义测量方案。

  • 局限性：

    • 主要进行2D测量：虽然可以通过调整焦距或移动平台获取一些三维信息（如高度差），但本质上是基于2D投影轮廓，对PIN针的完整3D形貌或表面缺陷检测能力有限。

    • 受光学透射限制：对于不透光的复杂三维结构，或高度反光的表面，阴影可能不够清晰，影响测量精度。

    • 成本考量：高精度远心光学系统成本较高，但相对于其提供的综合能力和效率，投入是值得的。

b. 光束遮挡型扫描激光测量

这种技术就像有一个“激光尺”在快速地扫过PIN针，通过测量激光被PIN针遮挡的时间来判断PIN针的尺寸。

• 工作原理与物理基础：系统发射一束高度平行的激光，并通过一个高速旋转的棱镜或振镜进行扫描，形成一道“激光幕墙”。当PIN针通过这个激光幕墙时，它会瞬间遮挡部分激光。系统通过高精度光电探测器检测激光信号的变化，精确记录光束被遮挡的起始和结束时间。根据已知的扫描速度和激光束宽度，就能反推出PIN针的尺寸。

  其物理基础主要利用光电效应和机械扫描原理。核心公式是：

  尺寸 D = 扫描速度 V_s * 遮挡时间 T_b

  其中，V_s是激光束在测量区域内的实际扫描速度，T_b是激光束被物体遮挡的总时间。高频扫描和高精度时间测量是保证微米级精度的关键。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 重复精度：通常可达±0.05μm至±0.1μm。

  • 线性度：±0.5μm至±2μm。

  • 测量速度：每秒数万次到数十万次扫描，极快。

  • 测量范围：从0.01mm到几十毫米。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：极高的测量精度和速度，非接触式，对工件的振动和位移有较强容忍度，非常适合高速在线批量检测。

  • 局限性：主要用于测量外径、线径等单一方向的尺寸，对复杂形状或表面缺陷检测能力有限；不能直接测量PIN针的“高度”，只能测量其投影宽度。

  • 成本考量：设备通常价格较高，但长期运行稳定性和效率高。

c. 激光三角测量

想象一下，你用激光笔照在一个物体上，然后从另一个角度看反射回来的光点。如果物体离你近，光点就会在你眼前出现；如果物体远，光点就会“跑”到远处。激光三角测量就是利用这个原理来测量距离和高度。

• 工作原理与物理基础：传感器发射一道激光束投射到PIN针表面，形成一个光点。这个光点反射的光线会通过一个接收镜头，并被一个高分辨率的线阵CMOS或PSD（位置敏感探测器）接收。如果PIN针的高度或位置发生变化，反射光点在接收器上的位置也会随之移动。根据三角几何原理：

  测量距离 Z = f * B / (d + X)

  其中，f是接收镜头焦距，B是激光发射器与接收器基线距离，d是接收器零点偏移，X是反射光点在接收器上的位移。通过精确测量X，就可以实时精确计算出传感器与PIN针表面的距离。通过扫描多个点，可以构建PIN针的3D形貌，从而获得高度信息。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量范围：从几毫米到几百毫米，具体取决于型号。

  • 分辨率：可达0.1μm到几微米。

  • 线性度：±数微米到数十微米。

  • 采样率：最高可达数千赫兹到数百千赫兹。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：非接触式，探头小巧易于集成，能适应不同表面材质的测量，可进行单点测距或线扫描，实现高度和轮廓测量。

  • 局限性：测量精度受PIN针表面光洁度、颜色和反射率影响；对于高反光或镜面物体，可能需要特殊设置或涂层处理。

  • 成本考量：单点激光位移传感器成本相对较低，但如果要进行高精度三维扫描，则成本会显著增加。

d. 接触式测量

这种方法最直观，就像我们用游标卡尺测量一样，直接与PIN针表面接触，通过探头位移来获取尺寸。

• 工作原理与物理基础：系统采用精密接触式测量探头（通常是LVDT线性可变差动变压器传感器或电感式传感器）。探头尖端直接接触PIN针顶部。当PIN针高度有微小变化时，探头会产生相应位移。LVDT传感器将这个物理位移精确地转换为线性的电信号输出。通过预先的精确校准，系统将电信号转换为实际的高度值。

  其物理基础是电磁感应原理。LVDT包含一个初级线圈和两个次级线圈，探头的核心（磁芯）在它们之间移动。磁芯的位置改变了次级线圈的感应电动势差，这个差值与磁芯位移成正比。

• 核心性能参数的典型范围：

  • 测量行程：通常为±1mm至±3mm。

  • 重复精度：高至0.1μm，甚至更高。

  • 测量力：可调，通常非常小，以避免对工件造成变形。

  • 防护等级：高，适用于恶劣工业环境。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：极高的测量精度和稳定性，抗环境干扰能力强，直接测量真实物理尺寸，适合在机床加工过程中进行实时尺寸控制和反馈。

  • 局限性：

    • 接触式：可能对精密、易损的PIN针表面造成划痕或损伤，不适合对产品外观有极高要求的应用。

    • 测量速度受限：探头需要物理接触和回位，测量速度相对较慢，不适合超高速的在线批量检测。

    • 磨损：探头尖端长期使用可能磨损，需要定期校准和更换。

  • 成本考量：单个探头成本可控，但如果需要同时测量多个PIN针或进行阵列测量，则需要多个探头，系统集成成本会增加。

（2）市场主流品牌/产品对比

接下来，我们来看看市面上几个知名品牌在PIN针高度测量方面提供的解决方案，并对比它们的特点：

1. 日本基恩士 日本基恩士提供光束遮挡型扫描激光测量系统。这种系统以其卓越的精度和速度在工业界享有盛誉。它通过高速扫描激光束，精确测量PIN针的投影尺寸。例如，其LS-9000系列产品，能够达到±0.06微米的重复精度和±0.9微米的线性度，测量速度高达64,000次/秒。这种技术特别适合需要快速、高精度测量PIN针直径或在某个截面尺寸的应用，在生产线上能够有效识别尺寸超差的PIN针。然而，它主要测量的是2D轮廓尺寸，而非直接的PIN针高度。

2. 英国真尚有 英国真尚有提供ZM105.2D系列二维光学测微仪，该系列产品基于阴影测量原理，采用非接触式光学测量方案。它利用远心光学系统和高分辨率CMOS传感器捕获PIN针的精确阴影轮廓，通过先进的图像处理算法进行微米级精度测量。ZM105.2D的测量精度根据型号不同，从±0.8μm到±4.5μm不等，测量速度最高可达每秒130次。该设备可以同时测量PIN针的线性尺寸、直径、角度、间距、螺纹参数、零件形状、跳动等多种参数，并通过用户自定义的测量方案灵活应对各种测量需求。

3. 德国米铱 德国米铱专注于激光位移传感器，采用激光三角测量法。例如optoNCDT 1750系列，它发射激光束到PIN针表面，通过捕捉反射光点的位置变化来精确测量PIN针的高度或其表面的微观起伏。以optoNCDT 1750-50为例，它提供50毫米的测量范围，分辨率高达0.5微米，线性度为±10微米，采样率最高可达 2.5千赫兹。这种探头体积小巧，易于集成到狭小的生产空间，能够实现单点的高精度高度测量，特别适用于对单个PIN针或特定区域的高度进行检测。

4. 美国康耐视 美国康耐视提供机器视觉系统，例如In-Sight D900系列。这类系统通过高分辨率工业相机捕获PIN针的图像，并结合其强大的图像处理软件和内置算法（如边缘检测、圆拟合、模式匹配、深度学习等），能够对PIN针的轮廓、尺寸、位置甚至表面缺陷进行全面的分析。其测量精度通常在±1-5微米范围内，并且每秒能完成数千次检测。美国康耐视的优势在于其强大的软件功能和灵活性，能够同时进行多项尺寸测量和复杂的缺陷检测，实现全面的质量控制。

5. 意大利玛波斯 意大利玛波斯则以其接触式在线量规而闻名，如MARPOSS A58系列。这类系统通过精密探头直接接触PIN针顶部，LVDT传感器将探头的微小位移转换为电信号，从而精确测量PIN针的高度。A58系列具有高达0.1微米的重复精度和可调的低测量力，能够最大限度地减少对工件的损伤。它在机床加工过程中进行实时尺寸控制和闭环反馈方面表现出色，特别适合在PIN针制造过程中，对尺寸进行高精度、高稳定性的持续监控。

（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PIN针高度测量的设备时，需要综合考虑多个技术指标，它们直接影响最终的测量效果和系统适用性。

• 测量精度（Accuracy）：

  • 实际意义：衡量测量结果与真实值之间的接近程度。对于PIN针高度这种微米级甚至亚微米级精度的要求，选择高精度设备至关重要。

  • 影响：精度不足会导致误判，将合格品判为不合格，或将不合格品放过，直接影响产品质量和良品率。

  • 选型建议：首先明确PIN针高度允许的公差范围，然后选择测量精度至少是公差范围1/3到1/10的设备，以确保测量结果的可靠性。例如，如果公差是±3微米，那么最好选择精度优于±1微米的设备。

• 重复精度（Repeatability/Precision）：

  • 实际意义：在相同条件下，对同一PIN针进行多次测量时，测量结果之间的一致性。它反映了设备自身的稳定性。

  • 影响：重复精度差意味着每次测出的结果都可能不一样，即使是同一个PIN针，导致数据波动大，无法进行有效的统计过程控制。

  • 选型建议：对于在线检测，重复精度往往比绝对精度更重要，因为它直接关系到生产过程的稳定性。选择重复精度远低于公差要求的设备。

• 分辨率（Resolution）：

  • 实际意义：设备能够检测到的最小尺寸变化。

  • 影响：分辨率决定了设备能够“看清”多微小的细节。如果分辨率不够，再小的变化也无法被捕捉到。

  • 选型建议：分辨率应至少与所需的测量精度相当或更高，才能有效支持高精度的测量。

• 测量速度（Measurement Speed/Sampling Rate）：

  • 实际意义：每秒可以完成多少次测量。

  • 影响：高速测量是满足现代IC封装生产线节拍的关键。速度慢会成为生产瓶颈。

  • 选型建议：根据生产线的节拍和所需检测的PIN针数量，选择能够满足或超出所需速度的设备。在线批量检测通常需要每秒数十到数万次的测量速度。

• 测量范围（Measurement Range/Field of View）：

  • 实际意义：设备可以测量的最大尺寸范围或视野大小。

  • 影响：如果测量范围太小，可能无法一次性覆盖整个PIN针阵列，需要移动平台，降低效率。

  • 选型建议：确保测量范围能够完全覆盖PIN针阵列或单个PIN针的检测区域，同时也要考虑PIN针的高度变化范围。对于阵列测量，大视场设备可以提高效率。

• 非接触式 vs. 接触式：

  • 实际意义：测量探头是否与被测物体发生物理接触。

  • 影响：接触式可能损伤精密PIN针；非接触式则无此风险，但可能受表面特性影响。

  • 选型建议：PIN针通常精密且脆弱，优先考虑非接触式测量方案。接触式方案只适用于对测量力有严格控制且不介意轻微接触的应用，如特定加工环节。

• 环境适应性：

  • 实际意义：设备在温度、湿度、震动、粉尘等工业环境下的稳定工作能力。

  • 影响：恶劣环境会导致测量结果不稳定，甚至设备损坏。

  • 选型建议：评估生产现场的环境条件，选择具有相应防护等级（如IP67）和温度稳定性的工业级设备。

（4）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，即使选择了高性能的设备，仍然可能遇到一些挑战，影响测量结果的准确性和稳定性。

1. 问题：工件表面特征影响

   • 原因：PIN针表面可能存在氧化、粗糙度不均、反光或油污等。这些都会影响光学测量的光路或图像质量，导致边缘识别不清晰，进而影响测量精度。

   • 影响：测量数据波动大，边缘位置识别错误，高度测量结果不可靠。

   • 解决建议：

     • 优化光源：尝试使用不同波长或不同照明方式来提高边缘对比度。

     • 清洁工件：确保PIN针表面清洁，无油污、灰尘。

     • 算法优化：采用更鲁棒的边缘检测算法，例如能够处理模糊边缘的亚像素算法，或者结合深度学习算法来识别复杂表面特征。

     • 预处理：对于高反光表面，在不影响产品功能的前提下，考虑进行喷砂或涂覆哑光层处理。

2. 问题：设备或环境振动

   • 原因：生产线上的机械设备运行、地面震动或空气流动都可能导致测量系统或PIN针本身发生微小振动。

   • 影响：测量图像模糊，光点抖动，导致测量结果不准确，重复性差。

   • 解决建议：

     • 减震平台：将测量设备安装在专业的减震平台上，隔离外部振动。

     • 固定工件：确保PIN针被稳固夹持，减少自身晃动。

     • 高速快门/曝光：对于光学测量系统，采用极短的曝光时间，在振动发生前完成图像采集，冻结瞬间图像。

     • 环境控制：尽量避免气流扰动，保持测量环境稳定。

3. 问题：温度变化引起尺寸漂移

   • 原因：PIN针材料、测量设备本体以及基准平台都可能因环境温度变化而发生热胀冷缩，微米级的温度变化就能引起数微米的尺寸变化。

   • 影响：测量结果出现系统性偏差，随时间或温度变化而漂移。

   • 解决建议：

     • 温控环境：将测量设备放置在温度恒定的洁净室或温控箱中。

     • 定期校准：根据环境温度变化周期，制定合理的校准计划，使用标准量块定期对设备进行校准。

     • 材料选择：在设计阶段考虑低热膨胀系数的材料。

     • 温度补偿：在测量系统中集成温度传感器，通过软件算法对测量结果进行实时温度补偿。

4. 问题：校准和维护不足

   • 原因：设备长时间运行后，光学器件可能受污染，机械部件可能磨损，导致精度下降；校准频率不足或方法不当。

   • 影响：测量结果长期偏差，无法保证质量，甚至导致误判。

   • 解决建议：

     • 严格校准：按照制造商推荐的周期，使用高精度标准件进行定期校准，并记录校准数据。

     • 日常维护：保持光学部件清洁，检查机械传动部件是否磨损或松动。

     • 操作培训：确保操作人员经过专业培训，熟悉设备的正确使用和维护方法。

4. 应用案例分享

• 引线键合前的PIN针共面性检测：在IC封装的引线键合工序之前，采用如英国真尚有ZM105.2D系列二维光学测微仪，对芯片载体上的PIN针阵列进行快速、高精度的共面性检测，确保所有PIN针顶部的高度一致性，避免键合不良。

• 连接器PIN针高度与间距检测：在连接器制造中，高速在线测量多排PIN针的相对高度、直径和间距，以确保插拔顺畅和电气连接可靠性，防止接触不良或短路。

• MEMS传感器封装中的微结构高度测量：对于微机电系统（MEMS）传感器等精密器件，其内部微小结构的高度和平面度对功能至关重要，可通过光学测微仪进行非接触式检测。

• 微型开关或按钮的高度尺寸验证：在消费电子产品中，微型按键或开关的PIN针高度需要严格控制，以保证按压手感和触发行程的一致性，通过在线光学测量实现100%全检。