Single-Shot-3D-Messtechnik für die Drahtbond-Inspektion
Bei der Inspektion von Drahtverbindungen reicht ein 2D-Bild oft nicht aus, um kritische Abstände an Kreuzungspunkten zuverlässig zu bewerten. Die Lichtfeldbildgebung erzeugt aus einer einzigen Aufnahme eine metrische 3D-Punktwolke und ermöglicht damit die präzise, robuste und schnelle Erfassung von Höhenunterschieden auch bei kurzen Arbeitsabständen und Inline-Anwendungen.
Dr. Adolfo Martínez-Uso, Professor an der Polytechnischen Universität Valencia
Zwei Drähte kreuzen sich in einem Kamerabild. Berühren sie sich, oder verläuft einer einfach in sicherem Abstand vor dem anderen? Von direkt oben betrachtet sehen beide Situationen identisch aus: zwei helle Linien, die sich auf dem Sensor überlappen. Doch in einem Halbleitergehäuse ist dieser Unterschied entscheidend für die Funktionsfähigkeit des Bauteils oder einen Kurzschluss. Es ist eine kleine Frage mit einer sicherheitskritischen Antwort – und eine, die ein herkömmliches 2D-Bild allein nicht klären kann.
Das ist der Alltag bei der Drahtbond-Prüfung. Drahtverbindungen sind die feinen leitfähigen Drähte, die einen Siliziumchip mit seinem Gehäuse verbinden. Bei einem dicht bestückten Bauteil kreuzen sich benachbarte Drähte oft, wenn man sie von oben betrachtet. Um eine Kreuzung von einem Kontakt zu unterscheiden, muss man wissen, wie weit die beiden Drähte entlang der Höhenachse voneinander entfernt sind – genau an der Stelle, an der sie sich im Bild überlappen.
Wenn 2D nicht ausreicht
Da Inspektionsaufgaben immer strengere Toleranzen und einen höheren Automatisierungsgrad erfordern, taucht diese Art von Problem immer wieder auf: Die tatsächlich entscheidende Größe ist eine Höhe, ein Volumen oder eine Form, nicht ein Pixelwert. Eine echte 3D-Messung ordnet jeden Punkt auf einer Oberfläche realen X-, Y- und Z-Koordinaten zu und erzeugt in der Regel eine Punktwolke, aus der sich Höhen-, Volumen- und Formanalysen ableiten lassen.
In der Industrie gibt es mehrere etablierte Verfahren, um dies zu erreichen, und jedes erfordert gewisse Kompromisse: Die Stereosicht ermittelt die Position durch Triangulation aus zwei Blickwinkeln, benötigt dafür jedoch eine Oberflächenstruktur. Bei der Lasertriangulation wird ein Strahl über das Bauteil geführt und die Höhe anhand der Verschiebung des reflektierten Strahls ermittelt. Dieses Verfahren ist zwar genau, aber langsam, da die Oberfläche unter Bewegung Zeile für Zeile aufgebaut wird, was es zudem anfällig für Vibrationen macht. Strukturiertes Licht projiziert ein Muster und ermittelt die Tiefe anhand dessen Verformung, erfordert jedoch einen großen Abstand zwischen Projektor und Kamera, was bei kleinen, komplex strukturierten Bauteilen, die aus nächster Nähe geprüft werden, nur schwer zu realisieren ist. Die Lichtlaufzeitmessung misst die Laufzeit des Lichts, doch ihre Auflösung ist in der Regel zu grob für Abstände im Bereich von Bruchteilen eines Millimeters.
Keine dieser Einschränkungen schließt eine Methode grundsätzlich aus. Doch bei kleinen, dicht gepackten und bewegungsempfindlichen Bauteilen, bei denen der Arbeitsabstand gering ist, stößt jeder herkömmliche Ansatz an praktische Grenzen.
So funktioniert die Lichtfeld-Bildgebung
Die Lichtfeld-Bildgebung verfolgt einen anderen Ansatz. Ein Mikrolinsenarray befindet sich vor dem Sensor und teilt das vom Hauptobjektiv erzeugte Bild in ein Raster aus Mikrobildern auf, sodass eine einzige Belichtung effektiv viele leicht unterschiedliche Blickwinkel der Szene gleichzeitig erfasst, ohne dass physisch getrennte Kameras erforderlich sind. Da diese Richtungsinformationen in einem einzigen Bild erfasst werden, lässt sich die Tiefe rechnerisch aus einer einzigen Aufnahme rekonstruieren – ohne Abtastung und ohne bewegliche Teile.
Für eine Inspektionslinie hat dies einige begrüßenswerte Auswirkungen, die eher in der Praxis als im Prinzip von Bedeutung sind: Eine einzige Belichtung liefert eine vollständige 3D-Szene, sodass der Durchsatz hoch bleibt und das System mithilfe effizienter, integrierter Verarbeitung in Echtzeit arbeiten kann. Da alles in einer einzigen Aufnahme erfasst wird, ist das Ergebnis von Natur aus robust gegenüber Teilbewegungen, und die Aufnahmgeometrie bleibt von Aufnahme zu Aufnahme unverändert und wiederholbar. Die Optik selbst ist kompakt, ohne breite Basislinie und ohne beweglichen Tisch, was die Integration der Kamera in eine bestehende Produktionslinie in der Regel einfacher und kostengünstiger macht als die oben genannten Alternativen.
Fallstudie: sich kreuzende Drahtverbindungen
Um zu sehen, wie dies bei einem echten Bauteil aussieht, haben wir eine Single-Shot-Lichtfeldkamera, eine Photonicsens Apicam, verwendet, um ein gebondetes Gehäuse mit mehreren eng beieinander liegenden, sich kreuzenden Drahtverbindungen zu prüfen, deren Abstand an den engsten Stellen zwischen 0,15 und 1,09 mm lag.
Eine herkömmliche Draufsichtaufnahme des Bauteils verflacht jede Verbindung zu einer Reihe überlappender heller Linien – genau das oben beschriebene mehrdeutige Bild. Die aus einer einzigen Lichtfeldbelichtung rekonstruierte Punktwolke liefert detaillierte Informationen: Von vorne, von oben und von der Seite betrachtet lassen sich die Drähte in der Tiefe klar voneinander unterscheiden: Das gewölbte Profil jeder einzelnen Drahtverbindung, die Abstände zwischen benachbarten Verbindungen und die Schleifenhöhen werden alle anhand dieser einen Aufnahme sichtbar. Strukturelle Details, die ein 2D-Bild einfach nicht wiedergeben kann – beispielsweise welcher Draht über welchen verläuft und in welchem Abstand –, lassen sich direkt aus der Rekonstruktion ablesen, mit einem Messfehler von weniger als zehn Mikrometern.
Warum Lichtfeld-Bildgebung für Drahtbonding besonders gut geeignet ist
Bei der Anwendung auf denselben Fall stoßen die herkömmlichen Verfahren jeweils auf ein echtes Hindernis. Lasertriangulation und Scanning-Profilometrie könnten den Höhenunterschied zwar grundsätzlich auflösen, doch der zeilenweise Aufbau der Oberfläche bei Bewegung schränkt den Durchsatz auf einer schnellen Fertigungslinie ein und führt zu einer Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen. Strukturlicht- und Stereokonfigurationen erfordern einen Abstand zwischen Projektor und Kamera, der bei einem so kurzen Arbeitsabstand um ein kleines, überfülltes Bauteil herum nur schwer zu erreichen ist. Die Auflösung der Time-of-Flight-Messung bleibt weit hinter den hier zu zertifizierenden Abständen im Submillimeterbereich zurück.
Die Lichtfeld-Bildgebung umgeht alle diese Hindernisse auf einen Schlag. Sie löst den Höhenunterschied am Schnittpunkt bereits mit einer einzigen Belichtung auf, sodass ein sich bewegendes oder indexiertes Bauteil das Ergebnis nicht beeinträchtigt. Sie nutzt eine kompakte Blende anstelle einer breiten Basislinie und kann daher bei dem kurzen Arbeitsabstand arbeiten, den die Anwendung erfordert. Zudem liefert sie eine metrische Punktwolke, aus der der Abstand von Draht zu Draht direkt und ohne weitere Verarbeitungsschritte abgelesen werden kann.
Weitere mögliche Anwendungsbereiche
Das Beispiel des Drahtbondings ist eine nützliche, konkrete Veranschaulichung, doch der zugrunde liegende Bedarf lässt sich weit darüber hinaus verallgemeinern. Maßprüfung, Erkennung von Oberflächenfehlern, Montageüberprüfung, Anwesenheitsprüfungen sowie Volumen- oder Koplanaritätsmessungen erfordern allesamt metrische Höhendaten, die schnell und aus nächster Nähe erfasst werden. Angesichts der praktischen Einschränkungen hinsichtlich Geschwindigkeit, Genauigkeit, Arbeitsabstand und Integrationsaufwand bleibt ein Scanverfahren die richtige Wahl, wenn die Genauigkeit bis an ihre absolute Grenze getrieben werden muss und weder die Zykluszeit noch der Zugang eingeschränkt sind. Wo die einschränkenden Faktoren stattdessen ein kurzer Arbeitsabstand, ein bewegungsempfindliches Bauteil und die Notwendigkeit eines hohen Inline-Durchsatzes sind, erreicht die Single-Shot-Lichtfeld-Bildgebung eine Leistung, die die anderen Methoden nur schwer erreichen.
