Coplanaridad de lead frame con lente telecéntrica

La coplanaridad es la medida de lead frame que un objetivo convencional hace mal de una forma que parece correcta. Una lente estándar proyecta una punta de pata situada 0,05 mm más alta que sus vecinas en una posición de imagen ligeramente distinta, no porque la pata esté fuera de sitio, sino porque el aumento cambió con la distancia al objeto. La telecentricidad de espacio objeto elimina ese término. Lo que no elimina es todo lo demás, y de eso trata esta nota.

Qué mide realmente la coplanaridad

La especificación suele expresarse como la distancia vertical máxima entre el plano de asiento más bajo y el más alto de las patas de un encapsulado, medida desde un dato de referencia, normalmente el cuerpo del componente. Es una magnitud del eje Z, y una sola cámara 2D no mide Z.

Lo que mide es la posición proyectada de cada punta de pata en una silueta, y de esa proyección se infiere la información en Z. Por eso la elección de la lente domina el resultado: si la proyección aumenta de forma distinta a distintas distancias de objeto, una pata perfectamente asentada pero 0,05 mm más lejos de la lente se lee como desplazada lateralmente. En un encapsulado con paso de 0,5 mm ese desplazamiento puede ser una fracción significativa de la tolerancia.

La coplanaridad se apoya en dos propiedades: aumento constante con la altura y borde bien definido. El PMS-LTCM1-110C (1,0X con iluminación coaxial) y el PMS-LTCM15-110C (1,5X coaxial) están pensados para esa combinación.

Por qué la telecentricidad de objeto no es negociable

En una lente telecéntrica de espacio objeto la apertura queda en el plano focal posterior, de modo que los rayos principales del lado objeto discurren paralelos al eje óptico. La consecuencia es que el aumento no cambia cuando el objeto se desplaza en Z dentro de la profundidad de campo: una punta 0,05 mm más alta y otra 0,05 mm más baja se proyectan con el mismo aumento.

Conviene dejar claro lo que la telecentricidad no hace, porque son las tres afirmaciones excesivas más habituales en aplicaciones de coplanaridad: no aumenta la profundidad de campo, no mejora la resolución y no convierte una imagen 2D en un mapa de altura.

Modelos en el rango de aumento que usan estos encapsulados

La tabla recoge modelos telecéntricos publicados en el rango de 1,2X a 2,0X, ordenados de resolución óptica más fina a más gruesa. La resolución es lo que fija con qué repetibilidad se puede extraer el borde de una pata y, por tanto, qué tolerancia de coplanaridad puede sostener la estación.

Los aumentos entre 1,0X y 2,0X cubren desde SOIC hasta filas de patas de QFP pequeño sobre sensores de 2/3 de pulgada y de 1 pulgada. La aritmética completa de campo y aumento está en la página de cálculo.

Geometría de retroiluminación y lo que oculta

Una retroiluminación coaxial o casi paralela produce la silueta de alto contraste que hace estable la extracción de borde. También colapsa la pieza en una sombra, y ahí aparecen los límites de la medida:

Patas tipo gull-wing: la silueta muestra el pie, que es el plano de asiento. Es la geometría sobre la que se define la coplanaridad y se lee bien. Patas tipo J: la superficie de asiento queda escondida bajo el cuerpo, de modo que la silueta muestra la curvatura exterior y no el pie; lo medido es un indicador indirecto y su desfase respecto al plano de asiento real debe establecerse por correlación con una referencia de contacto o confocal, nunca por suposición. En BGA y encapsulados sin patas no hay pata que proyectar: la coplanaridad de bolas es una medida 3D y requiere un sensor confocal, interferométrico o de perfil láser.

Elegir el aumento por la fila de patas, no por la pata

El instinto es ampliar hasta que una sola pata llene el cuadro, y es un error. La coplanaridad es una medida relativa entre todas las patas de un encapsulado, así que todas deben estar en la misma imagen, enfocadas y al mismo aumento. El campo se fija por el ancho de la fila de patas más un margen.

Trabajado al revés: un QFP con una fila de 14 mm sobre un sensor de 2/3 de pulgada con 11,0 mm horizontales necesita aproximadamente 11,0 dividido entre 14 por 1,3, es decir alrededor de 0,6X para quedar con margen. Un SOIC menor con una fila de 6 mm admite 1,0X o más. El aumento se deduce de la pieza, y la resolución que se obtiene es después el tamaño de píxel del sensor dividido por ese aumento.

Dónde falla de verdad la medida

Tres modos de fallo explican la mayoría de las discrepancias entre un sistema de visión y una máquina de medición por contacto. El primero es la inclinación del encapsulado: si el cuerpo no es paralelo al plano del sensor, un extremo de la fila queda más lejos. La telecentricidad hace que el aumento sea inmune a esa distancia, pero no corrige que la silueta de un extremo esté más enfocada que la del otro.

El segundo es la estabilidad de la retroiluminación: una variación de intensidad entre capturas desplaza el umbral de borde y, con él, la posición detectada. El tercero es el criterio de borde: en una silueta con difracción, el punto de la transición que el algoritmo llama borde debe fijarse una vez y mantenerse, porque cambiarlo mueve el resultado más que cualquier parámetro óptico.

Preguntas frecuentes

¿Se puede medir coplanaridad con una sola cámara 2D?

Solo de forma indirecta, a través de la silueta de cada pata, y únicamente en geometrías donde el pie de la pata es visible, como gull-wing. En J-lead lo medido es un indicador que debe correlacionarse.

¿Qué aporta exactamente la telecentricidad de espacio objeto?

Que el aumento no cambie cuando la pata se desplaza en altura dentro de la profundidad de campo, de modo que una diferencia de altura no se lea como desplazamiento lateral.

¿Una lente telecéntrica mejora la profundidad de campo?

No. Aumenta el rango en el que el aumento se mantiene constante, pero la profundidad de campo nítida depende del modelo y del aumento: en esta familia va de 0,13 mm a 0,67 mm.

¿Por qué no ampliar hasta que una pata ocupe todo el cuadro?

Porque la coplanaridad es una medida relativa entre todas las patas de un encapsulado: si alguna queda fuera de la imagen, la medida pierde sentido.

Lecturas relacionadas

Para el fundamento, qué es un objetivo telecéntrico; para el reparto entre campo y resolución, el cálculo de aumento, FOV y distancia de trabajo. Las familias por aumento están descritas en lentes telecéntricas 1X y lentes telecéntricas 2X; para fallos de integración en piezas metálicas, errores frecuentes al integrar un objetivo telecéntrico.