Зум-объектив 14X для лазерной декапсуляции: случай визуализации кристалла

Ячейка лазерной декапсуляции снимает формовочный компаунд, силиконовый гель или андерфилл слой за слоем, пока кристалл не окажется обнажён. Оператор должен видеть в одной ячейке две совершенно разные вещи: корпус целиком, чтобы понимать, где находится лазер, и несколько квадратных миллиметров поверхности кристалла, чтобы понимать, что сделала последняя проходка. В этой заметке описана одна реализация POMEAS, в которой обе задачи решает единственный зум-объектив с непрерывным изменением увеличения, установленный под наклоном над рабочей позицией, и прямо сказано, что изображения доказывают, а что нет.

Обзор проекта

Обрабатываемая деталь — полупроводниковый прибор в корпусе: формованный корпус с открытой лазером полостью в центре, кристалл виден на дне этой полости. Заказчик строит оборудование для лазерной декапсуляции и лазерного снятия покрытий; конечные пользователи — производители полупроводников и лаборатории анализа отказов, работающие с силовыми приборами (MOSFET, IGBT, SiC, GaN), компонентами RF и сенсорами, MCU и памятью.

Требование, зафиксированное в файле проекта, узкое и практичное: наблюдать процесс удаления материала по ходу работы, оценивать, сколько материала осталось, и сразу осматривать обнажённую поверхность, не вынимая образец из приспособления. Оборудование как построено: зум-объектив POMEAS 14X с непрерывным изменением увеличения и промышленная камера 12 MP, смонтированные как единый блок над рабочей позицией под углом к поверхности корпуса, чтобы оптический путь обходил лазерную головку.

Почему здесь не подходит микроскоп с фиксированным увеличением

Микроскоп с одним увеличением навязывает выбор, который этот процесс сделать не может. При малом увеличении корпус помещается в кадр, но край абляции слишком мал для оценки; при большом увеличении кристалл виден отчётливо, но найти его невозможно, потому что оператор смотрит на несколько квадратных миллиметров формовочного компаунда без позиционного контекста. Переключение между этими режимами означает смену объективов, перефокусировку и переориентацию детали, что не является рабочей петлёй внутри такта машины.

Ещё два ограничения налагает сама ячейка. Первое — рабочее расстояние: объектив микроскопа располагается в нескольких миллиметрах от образца, что в лазерной ячейке ставит непокрытый передний элемент в факел и близко к лучу. Второе — геометрия: лазерная головка занимает пространство прямо над рабочей позицией, поэтому путь обзора обычно приходится заводить сбоку. Тонкий тубус можно наклонить в это пространство; корпус микроскопа с тринокулярной головкой — нельзя.

Что ячейке на самом деле нужно от оптики

Читайте требование как четыре числа, а не как категорию продукта:

· Поле. Достаточно широкое на нижнем пределе, чтобы видеть корпус целиком и полость внутри него. Поля 20 mm достаточно для корпуса в несколько миллиметров с большим запасом на навигацию.
· Детализация. На верхнем пределе край абляции и элементы поверхности кристалла должны быть разрешены, а не просто увеличены.
· Рабочее расстояние. 70 mm или больше, чтобы передний элемент оставался вне факела и головку можно было наклонить.
· Стабильность фокуса. Изменение увеличения не должно уводить деталь из фокуса, иначе цикл останавливается при каждой смене зума.

Оптическая конфигурация в построенном виде

Номер модели заслуживает предостережения. Файл проекта описывает объектив как зум 14X и не содержит маркировки модели на корпусе. Единственный объектив 14X в каталоге POMEAS — PMS-LZH-14105K, чей диапазон 0.55X–7.6X, рабочее расстояние 77.8 mm и коаксиальный порт совпадают с фотографией реализации; считайте его каталогным соответствием и сверьте с заказом на поставку, прежде чем указывать замену.

Рисунок 1 — Обрабатываемая деталь. Формовочный компаунд удалён из центра корпуса, кристалл находится на дне полости, окружённый кольцом остатка, которое лазер оставляет по краю зоны абляции. Снято командой проекта, без ретуши.

Почему зум 14:1, а не увеличение 14X

Это самое частое неверное прочтение такого объектива, и оно меняет все последующие числа. «14X» в названии продукта — это отношение зума: отношение между минимальным и максимальным оптическим увеличением, 7.6 / 0.55 = 13.8, с округлением до 14. Максимальное оптическое увеличение — 7.6X, а не 14X. Поле, вычисленное в предположении, что объектив достигает 14X, получается примерно вдвое меньше реального, и вычисленная так же разрешающая способность столь же ошибочна.

То же предостережение касается камеры. 12 MP звучит как спецификация разрешения, но объектив разрешает 2.80 µm при 7.6X, тогда как один пиксель сенсора 2/3″ на 12 MP покрывает около 0.28 µm объекта. Сенсор дискретизирует оптическое изображение, уже ограниченное по полосе объективом, примерно в десять раз с избытком. Это не потеря: лишние пиксели дают покрытие поля на нижнем пределе и отношение сигнал/шум везде. Зато это означает, что переход с 12 MP на 20 MP на этом объективе почти не меняет мельчайший различимый элемент — этот вопрос раскрыт подробнее в материале о том, что увеличение не равно разрешению.

Последовательность контроля

В производстве цикл состоит из трёх шагов. Локация: при 0.55X или около корпус и полость помещаются в один кадр, так что зону абляции можно отцентрировать. Зум: переход на рабочее увеличение; рабочее расстояние остаётся около 78 mm, поэтому головку не переустанавливают, а плоскость фокуса конструктивно остаётся почти на том же месте — именно это делает переход применимым в цикле. Контроль: проверить край абляции и поверхность кристалла, затем заархивировать кадр, который является таким же результатом, как и живое изображение.

Рисунок 2 — Стендовая сборка оптической головки, наклонённой примерно на 35 градусов от нормали к поверхности, чтобы путь обходил положение лазера. Это сборка лаборатории применений, использованная для испытаний визуализации, а не производственная ячейка заказчика; лазерная головка в кадр не попала.

Что показывают изображения

На нижнем пределе корпус целиком попадает в кадр с запасом — это то, что нужно для навигации. На верхнем пределе поверхность кристалла распадается на функциональные блоки: регулярная матрица области памяти или логики с одной стороны, более плотные аналоговые или драйверные структуры с другой и металлический край полости, где лазер остановился.

Рисунок 3 — Поверхность кристалла при большом увеличении. Правая часть достаточно резкая, чтобы различать отдельные структуры; левая треть выходит за пределы фокусной полосы. Этот градиент — тема следующего раздела, и он оставлен в изображении намеренно.

Рисунок 4 — Схема, а не фотография. При наклоне оси на 35 градусов расстояние до объекта меняется на 9.2 mm на поле 16 mm против 3.16 mm глубины резкости.

Инженерные ограничения, включая честные

Наклон стоит глубины резкости. Когда оптическая ось наклонена на угол θ к нормали поверхности, расстояние до объекта меняется по полю на Δz = W × sinθ, где W — ширина поля в плоскости наклона. При 0.55X с полем 16 mm и наклоном 35 градусов Δz = 9.2 mm при глубине резкости 3.16 mm. Внутри фокусного диапазона при одном положении фокуса может находиться лишь около трети этой ширины. Рисунок 3 показывает именно это: резкая и мягкая полосы — это геометрия, а не дефект объектива.

При большом увеличении поле сжимается, но глубина резкости сжимается быстрее: при 7.6X поле равно 1.16 mm, а Δz равен 0.67 mm при 0.04 mm глубины резкости. Наклонный обзор при большой мощности поэтому требует меньшего наклона, более узкой области интереса, перефокусировки между зонами или регулировки Шаймпфлюга. Наклон около 15 градусов — куда более лёгкая отправная точка, чем 35.

Измерение глубины не выполнялось. Система визуализирует полость; она не измеряет её глубину. Считать глубину по фокусу или по параллаксу в принципе возможно, но это требует калибровки по известной высоте уступа, и в файле проекта ничего подобного не зафиксировано. Если глубина декапсуляции должна быть числом, а не впечатлением, правильный прибор — конфокальный сенсор или сенсор вариации фокуса, либо триангуляционная головка, а не зум-объектив с 2D-камерой. Это же различие отделяет данный случай от настоящих задач инспекции полупроводников, в которых метрология действительно присутствует.

Парфокальность — свойство экземпляра. Файл проекта сообщает, что фокус оставался рабочим по всему диапазону зума. Для этого семейства объективов это ожидаемо, однако парфокальность задаётся при сборке и должна проверяться на поставленном экземпляре по тест-объекту до ввода ячейки в эксплуатацию, а не приниматься на веру по паспорту.

Загрязнение и безопасность. Рабочее расстояние 78 mm удерживает передний элемент вне непосредственного факела, но ячейка всё равно даёт частицы и конденсирующиеся осадки, а защитное окно заменить дешевле, чем объектив. Здесь ничего не говорится о лазерной безопасности: блокировки, ограждение и выбор фильтров остаются ответственностью изготовителя машины.

Где уместна эта конфигурация

Та же головка подходит любой ячейке, которая удаляет материал с прибора в корпусе и должна за этим наблюдать: лазерная декапсуляция и снятие покрытий, лазерная подгонка пассивных компонентов, проверка маркировки и станции доработки, где кристалл осматривают после снятия крышки. Она подходит и там, где наклонный обзор — единственный способ увидеть.

Вопросы, которые обычно вызывает этот случай

Какое увеличение на самом деле даёт зум-объектив 14X?

14X — это отношение зума, а не максимальное увеличение. PMS-LZH-14105K работает от 0.55X до 7.6X оптического увеличения, то есть с отношением около 14:1. С сенсором 2/3 дюйма это даёт поле 16 x 12 mm на нижнем пределе и 1.16 x 0.87 mm при 7.6X, поэтому поле, вычисленное в предположении, что объектив достигает 14X, получается примерно вдвое меньше реального.

Может ли один зум-объектив закрыть и поиск чипа, и инспекцию кристалла?

Да, в указанном выше диапазоне полей, и именно в этом причина данной сборки. При 0.55X корпус целиком и вскрытая полость помещаются в один кадр — это то, что нужно для локации; при 7.6X поверхность кристалла распадается на функциональные блоки. Поскольку рабочее расстояние держится около 78 mm по всему диапазону, головку не нужно переустанавливать между этими режимами.

Снижает ли наклонная установка объектива точность измерений?

Она сокращает резкую зону, а не точность того, что резкое. При наклоне оси на 35 градусов расстояние до объекта меняется примерно на 9.2 mm по полю 16 mm против 3.16 mm глубины резкости, поэтому резкой одновременно является лишь часть кадра. Перспектива также сжимает одну ось изображения, поэтому любая размерная величина, снятая с наклонного вида, требует исправления и калибровочной мишени в рабочей плоскости.

Нужна ли камера 12 MP, чтобы выжать максимум из этого объектива?

Не для разрешения. При 7.6X объектив имеет спецификацию 2.80 um, тогда как один пиксель сенсора 12 MP на 2/3 дюйма покрывает около 0.28 um объекта, так что сенсор уже передискретизирует оптическое изображение в несколько раз. Сенсор 12 MP оправдывает себя покрытием поля на нижнем пределе и качеством архивного изображения, а не мельчайшим различимым элементом.

Может ли эта система измерить, насколько глубоко прорезал лазер?

Нет. Она даёт двумерное изображение и качественное впечатление о глубине по фокусу, чего достаточно, чтобы видеть, обнажён ли кристалл и остался ли материал. Превратить это в число требует калиброванного прибора, например конфокального сенсора или сенсора вариации фокуса, и в этом проекте калибровка глубины не зафиксирована.

Запросите аналогичное решение для визуализации

Если вы строите или модернизируете ячейку лазерной декапсуляции, лазерного снятия покрытий или инспекции кристаллов, сообщите размер корпуса, элемент, который необходимо видеть, доступное рабочее расстояние, модель камеры и размер сенсора, а также требуется ли наклонный обзор. Мы ответим полем, диапазоном увеличений и предложением по монтажу, а не каталожным номером. Свяжитесь с POMEAS или посмотрите зум-объектив PMS-LZH-14105K 14X с непрерывным изменением увеличения. Окружающую логику выбора освещают руководство по моторизованным зум-объективам и случай OCR на чипах.

Связанный кейс: тот же подход «зум и осмотр» применительно к контролю тонких линий на диске энкодера 512 P/R с объективом 12.5X.