三维形貌检测技术之应用与发展

1、三維形貌檢測技術之應用與發展精密光學實驗室 涂鐘範、孫維平目前工業界使用的自動光學檢測(Automatic Optical Inspection, AOI)儀器中，關於形狀與尺寸的檢測至少佔了半數以上，而形狀的檢測又分為二維尺寸大小與三維形貌高度的檢測，其中以三維形貌高度檢測最為複雜。三維形貌檢測系統技術，採用投影式疊紋干涉的技巧投射一疊紋干涉圖案至待測物表面上，若物體表面為一平面，則干涉條紋仍維持不變；若物體表面有高低起伏時，將造成這投射上去的疊紋干涉圖案扭曲、變型；三維形貌檢測系統技術利用CCD camera為偵測器，取得扭曲後的疊紋干涉圖形，其原始影像在經由影像處理及複雜的干涉條紋分析技

2、巧，檢測這些干涉條紋之扭曲、變形之相位差，重建整個物體表面之三維形貌，顯示在電腦螢幕上，並更進一步的利用這些數據，分析此物體表面之高低起伏是否符合檢測要求。三維形貌檢測系統介紹：我們可以把整個三維形貌檢測系統(圖一)劃分為三個主要的模組，包括照明系統模組、影像擷取模組、電控及資料處理模組，以下就分別針對這三個主要的模組加以說明。(一) 照明系統模組：由照明光源產生一均勻之平行光經疊紋光柵，投射一疊紋干涉圖案至掃描平台待測物(如BGA;柵格錫球陣列)表面上。(二) 影像擷取模組：若待測物表面有高低起伏時，將造成這投射上去的疊紋干涉圖案扭曲、變型，利用CCD camera為偵測器，取得扭曲後的疊紋

3、干涉圖形，儲存於影像擷取卡(Frame grabber)內。(三) 電控及資料處理模組：疊紋干涉圖形經由影像擷取卡傳入電腦，軟體演算法運算干涉條紋之扭曲、變形之相位差，重建整個物體表面之三維形貌，並顯示在電腦螢幕上。 圖一、三維形貌檢測系統技術示意圖三維形貌檢測技術之應用：三維形貌檢測技術可廣泛應用到各種傳統與科技產業領域，以下針對各產業加以敘述三維形貌檢測技術之應用：(1)傳統產業三維形貌檢測技術應用在傳統產業，主要是取代人眼進行外觀檢視及瑕疵確認標定，相關應用包括紡織品、印刷品、食品業、製藥業、渦輪葉片、玻璃瓶之包裝和內容物之紋理檢視、確認、分類、追蹤工作；製藥業藥丸斑點、缺角與破裂檢視；

4、機械工具/自動化機械、電機工業、金屬鋼鐵業等產業之產品外觀、尺寸、形狀、色澤分類檢視；汽車工業的噴漆均勻度與色度檢視；確認物件的身份，例如車牌辨識，條碼辨識，IC元件之光學字元辨識(OCR)及鍵盤檢視等；提供即時性的線上監視，使自動化生產設備可自行調整製程參數，提高產品品質的穩定性；停車場車輛進出管制等等。(2)顯示器LED產品應用之廣泛程度亦與日劇增，尤其藍光和白光LED的問世，業者對自動光學線上檢測儀器的需求更為殷切。LCD的上中下游，如ITO玻璃、濾光片、背光板、面板亮度與均勻度檢視，每一個環節都需借助三維形貌檢測儀器，為製程中不可或缺的工具。(3)電子業電子產業所需的三維形貌檢測儀器相

5、當多，諸如印刷電路板(PCB)、電子元件、SMT、電子封裝等等。過去我國PCB檢視技術主要是針對mil級線寬的技術，但由於電路板製作技術的進步，已演進到精密構裝及雷射鑽孔的技術，未來更有趨勢以半導體的製程製作PCB板，檢測的線寬要求勢必要進入次微米的層級。另一技術的發展在於封裝技術的演進，由於IC chip的接腳數逐年增加，然而體積卻日漸縮小，為有效的將IC chip焊接在PCB板上，各種封裝焊接方式如BGA、uBGA、Flip chip、CSP逐漸取代傳統的導線架，而新一代的焊接技術對於PCB板上的銲錫高度（圖二）及chip上的錫球高度要求很高，其共面度將會決定過錫爐時的焊接，若銲錫或錫球過

6、高過大將導致錫球溶解焊接時，黏接到鄰近的接腳，造成短路，若銲錫或錫球太少或太低將導致PCB與Chip無法有效接合，造成斷路，此一應用領域所需的空間解析度要求高，且檢測速度要求快，產業界需求甚殷。 圖二、檢測樣品（PCB上錫膏）及檢測結果(4)半導體在半導體製程檢測高規格要求下，人眼已經無用武之地，因此半導體產業對於三維形貌檢測技術的依賴非常重，舉凡積體電路光罩、晶圓、積體線路都必須經過檢測才能進入下一階段的製程。半導體的三維形貌檢測儀器主要應用在macro、micro及alignment三種場合的檢測，其中macro所要求的解析度最低，雖然過去都是由人眼檢視，以現有國內三維形貌檢測技術的發展，

7、應可協助國內業界由macro檢測機台開始切入檢測儀器市場，若有國內半導體業者的支持，應可獲得相當大的發展空間。(5)潛力產業科技產業日新月異，更小更基礎的科技研發與應用，舉凡奈米、光通訊、生醫、微機電，未來將會主導我國工業的發展，而這些具有龐大潛力的產業，因為所需的解析度高，一般檢測儀器已無法辦到，必須借助新一代的三維形貌檢測技術，新一代的檢測技術不只在空間解析度上必須提昇，對於檢測速度與檢測廣度亦是需提高其規格。未來展望三維形貌檢測技術不單只是檢測尺寸缺陷而已，未來發展趨勢在波長座標上加入三維形貌的量測座標後，將可由四個直接量測座標(I,x,y,)的影像光譜的資訊，獲得化學成分、生物組織、DNA、蛋白質、能階結構、奈米鍵結參數等等間接參數，現階段以在生醫檢測的需求最迫切，利用螢光光譜影像進行biochip、protein-chip、疾病即時檢測診斷、燒燙傷組織光譜等等。三維形貌檢測技術亦可將拉曼、螢光、紅外光譜整合在一顯微鏡平台上，光譜轉化學之軟體轉換機制，發展微化學影像檢測技術，此檢測系統簡稱化學照相機或化學顯微鏡，此一技術未來將可運用在生醫、半導體、微機電、材料等化