想正確設計 12 吋晶圓飛拍系統，重點須知有哪些？
在半導體檢測領域，12 吋晶圓的「飛拍視覺系統」（On-The-Fly Inspection System）設計是一門學問。我們經常遇到客戶對於「幀率」（Frame Rate, FPS）與「曝光時間」（Exposure Time）存在不少誤解，導致設計飛拍系統時無從下手。這篇文章就帶大家一探究竟，掌握飛拍系統設計的核心原則。
一、幀率與曝光時間是什麼？
♦ 幀率 (Frame Rate, FPS)
指相機每秒鐘可以拍攝多少張影像。例如：120 fps = 每秒拍攝 120 張影像。
♦ 曝光時間 (Exposure Time)
指相機拍攝每張影像時，感光元件感光的時間長度。單位常用微秒 (μs) 或毫秒 (ms) 表示。
兩者關係緊密：
在機器視覺裡，拍攝目標是追求畫面極致清晰，而非如電影、廣告拍攝那樣講究流暢感或適度模糊。我們的目標是：影像越清晰越好，定位準確度才會高。
二、幀率與曝光時間的限制關係
在相機設計時，幀率與曝光時間範圍就已經被限定好了：
| 參數 | 說明 |
|---|---|
| 最高幀率 | 相機硬體規格上限，例如 600 fps。 |
| 最低曝光時間 | 取決於相機規格，例如 5 μs。 |
| 最大曝光時間 | 當下幀率的倒數，例如：300 fps 時，最大曝光時間 ≈ 1 / 300 ≈ 3.3 ms。 |
簡單記憶：
► 最大曝光時間 ≈ 1 ÷ 當下幀率
實際範例：
如果一台工業相機的最高幀率是 600 fps，最低曝光時間是 5 μs。
當你設定 300 fps 時：
• 曝光時間範圍：5 μs ~ 3.3 ms
不同相機類型注意事項：
| 相機類型 | 幀率單位 | 可調曝光時間 |
|---|---|---|
| 面陣相機 | FPS | 可調整 |
| 非 TDI 線掃相機 | Line Rate* | 可調整 |
| TDI 線掃相機 | Line Rate | 無法調整（固定在當下 Line Rate 倒數） |
*備註：Line Rate = 每秒能拍攝的「掃描線」數量，例如 400 kHz = 每秒 400,000 條影像。
TDI 相機 曝光時間固定，通常配合高頻閃光源調整曝光效果。
三、實戰！設計 12 吋晶圓飛拍系統
假設我們的需求是：
• 檢測對象： 12 吋晶圓 (300 mm 直徑)
• 解析度： 1 μm/pixel
• 視野範圍 (FOV)： 4.5 mm x 2.5 mm
• 檢測時間： 單趟 1 秒內完成
Step 1：計算幀率
晶圓直徑 300 mm
FOV 寬度 2.5 mm
→ 需要拍攝的影像數量：
► 300 mm ÷ 2.5 mm = 120 張
→ 1 秒內完成拍攝：
► 幀率需求 = 120 fps*
*註：上述理論值，並未計入重疊覆蓋範圍。
Step 2：計算曝光時間
假設移動速度：
► 300 mm ÷ 1 秒 = 300 mm/s
允許的像素模糊：
► 設定最大 0.5 pixel
曝光時間計算公式：
► 曝光時間 = (允許模糊量 × pixel size) ÷ 移動速度
► 曝光時間 = (0.5 × 1 μm) ÷ 300 mm/s
► 曝光時間 ≈ 1.7 μs
Step 3：設備選型建議
因此，我們的飛拍系統需選擇：
• 相機要求： 120 fps，曝光時間至少支援 1.7 μs
• 照明建議： 若相機無法支援短曝光，可選擇配合 1.7 μs 的高速閃頻光源。
四、設計小建議
• 選擇相機時，不只看 fps，要同時確認「曝光時間」是否足夠短！
• TDI 相機設計要特別留意，曝光時間無法單獨調整，只能靠閃頻光源配合。
• 規劃飛拍系統時，記得充分考慮晶圓尺寸、移動速度與允許的模糊容忍值。
五、總結
飛拍系統設計的關鍵，正是要平衡「幀率」與「曝光時間」兩大核心參數。理解這些基礎概念後，您就能清晰計算出所需的設備規格，避免盲目選型或性能過剩，提升系統效率與成本效益！
如果您對晶圓飛拍系統有更深入的技術問題，歡迎隨時與我們聯繫，我們的技術團隊將提供專業協助！
