基于半球光均匀化与梯度优化的高曲率键合线精密测量技术

《Optics & Laser Technology》：High-curvature bonding wire metrology via hemispherical light homogenization and gradient optimization

本文针对高曲率镜面三维形貌测量中存在的反射不均与多角度阴影效应难题，提出了一种融合半球匀光照明系统与多向梯度方差聚焦评价算子（Ten4dir_var）的光学-计算协同解决方案。研究人员通过光强分布优化模型与Levenberg-Marquardt算法增强的高斯拟合框架，实现了键合线界面7.51 μm的高度测量精度，在50%图像降采样条件下仍保持测量一致性。该研究为微电子检测与精密制造提供了创新性技术路径。

　　

在微电子封装和精密制造领域，对高曲率镜面进行精确的三维形貌测量至关重要，尤其是对于键合线（bonding wire）等微观特征的检测。然而，传统的定向照明系统（如激光扫描和结构光投影）在测量高曲率表面时，常常由于非均匀反射分布和多角度阴影伪影而导致显著的测量误差。共聚焦显微镜和白光干涉仪等传统光学轮廓测量技术，在表征高曲率镜面（尤其是键合线等微观特征）时，也表现出固有的局限性。这些测量挑战主要源于反射率的突变、多角度散射效应以及与标准数值孔径相关的衍射限制。具体来说，共聚焦系统由于离轴照明损失，在陡峭倾斜面上会出现显著的信号衰减；而干涉测量方法在具有复杂表面形态的区域会遇到相位解包裹挑战。这些限制严重阻碍了对雪崩二极管键合线等关键工业部件的精确三维轮廓分析，其中微米级的测量精度对于可靠性评估至关重要。

为了克服这些局限性，并推动微电子检测和高精度制造应用的发展，发表在《Optics》上的这项研究提出了一种光-计算协同设计的解决方案，将半球形匀光照明系统与计算框架相结合，为高曲率镜面测量提供了新的技术途径。

本研究主要采用了几个关键技术方法：首先是构建了一个光强分布优化的半球形匀光照明装置，通过结合LED发射特性和镜面相互作用模型，确保高曲率微表面上的均匀辐照度分布；其次是开发了一种多方向梯度方差（Ten4dir_var）聚焦评价算子，通过整合四个方向的梯度信息，并辅以局部方差加权，专门增强了针对镜面曲线典型的噪声和多方向边缘响应的鲁棒性；最后是建立了一个基于Levenberg-Marquardt（L-M）算法优化的高斯拟合深度估计框架，通过非线性最小二乘优化实现了噪声环境下的稳定深度估计。

4.1 系统均匀照明实验

通过与奥林巴斯OLS5100激光共聚焦显微镜的对比分析，验证了半球匀光照明系统的成像性能。结果表明，参考系统由于光学照明角度的固有限制，在镜面反射的高曲率突变处会出现显著的信息丢失。相比之下，本研究提出的照明架构通过均匀的全向光分布，在不同空间取向下实现了高曲率键合线的精确边缘描绘，证明了其在成像保真度方面的优越性。

4.2 基于L-M算法优化的Ten4dir_var聚焦评价函数实验

通过与传统算子（Sobel、Laplacian、DCT、Roberts、Brenner）以及最新的方向环差滤波器（DRDF）方法的对比实验，评估了Ten4dir_var方法在测量高曲率镜面键合线时的性能。结果显示，在键合线中心和边缘区域，Ten4dir_var在所有评估指标（清晰度比率、灵敏度因子和归一化陡度）上均优于其他方法，表现出更优异的锐度辨别能力和收敛速度。特别是在关键的边缘区域，该方法保持了稳定的聚焦能力，而传统算子则表现出度量波动。

4.3 模拟样品三维形貌测量实验

通过对模拟生成的60帧离焦图像栈进行三维重建验证，并加入高斯和椒盐噪声扰动，比较了矩估计深度提取、最小二乘高斯拟合和本文方法的重建效果。结果表明，本文方法实现了卓越的重建保真度，与矩方法和高斯拟合基线相比，均方误差（MSE）分别降低了17.76%和6.94%，证明了该方法在噪声环境下的鲁棒性。

4.4 雪崩二极管键合线三维形貌测量实验

对典型直径为20 μm的雪崩二极管键合线进行了三维形貌测量。使用开发的半球匀光照明系统采集170帧图像栈（轴向步进4 μm），通过Ten4dir_var聚焦度量结合L-M优化高斯拟合进行三维重建。与高精度商用激光共聚焦显微镜（奥林巴斯OLS5100）的对比测量表明，在具有挑战性的键合线顶点处，高度测量偏差仅为7.51 μm。此外，在50%图像降采样条件下，该方法仍能保持测量一致性，证明了其在保证精度的前提下提高检测速度的潜力。多样本实验还证实了该系统在解析高曲率反射键合线和检测未键合互连方面的能力。

本研究成功建立并验证了一个用于高曲率镜面高精度三维轮廓测量的鲁棒框架。半球形照明系统通过光度学优化，经验证能够消除非均匀反射和阴影伪影，从而为复杂镜面几何形状上的可靠聚焦度量计算提供一致的辐照度分布。在算法方面，Ten4dir_var聚焦度量通过有效融合多方向梯度信息与局部方差评估，表现出优于传统算子的性能，显著提高了键合线挑战性随机图案上的边缘检测灵敏度和轴向定位精度。此外，用于高斯拟合的Levenberg-Marquardt优化框架实现了抗噪声深度估计，在模拟数据上比基线方法降低了高达17.76%的重建误差。

该框架的实际功效通过对商用雪崩二极管键合线的实验得到了明确证实。该系统与激光共聚焦显微镜参考相比，高度测量偏差仅为7.51 μm，同时在50%图像降采样下显著保持数据一致性。这项研究为微电子领域的非接触式计量学提供了一个可行且可靠的解决方案，特别是用于键合线质量的在线检测。所提出的框架不仅限于键合线，还可扩展到涉及挑战性镜面测量的其他应用，如精密加工金属零件或光学透镜。未来的工作将侧重于进一步提高计算效率以实现实时操作，并通过自适应照明控制扩展该方法以适应不同的表面反射率。