焊線機(jī)視覺系統(tǒng)

1、全自動晶片焊線機(jī)視覺檢測系統(tǒng)的研究摘 要：全自動晶片焊線機(jī)是晶片生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其視覺系統(tǒng)是設(shè)備的核心技術(shù)所在。視覺系統(tǒng)決定了晶片的檢測和定位精度。本文詳細(xì)介紹了基于機(jī)器視覺的全自動晶片焊線機(jī)的專用芯片視覺檢測系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，著重闡述了視覺系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)過程，以及用于晶片檢測定位的圖像處理算法。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)在速度和精度上都可滿足焊線生產(chǎn)的需求，對于自動晶片焊接設(shè)備的自動化、智能化和產(chǎn)業(yè)化有一定的參考意義。關(guān)鍵詞：自動焊線機(jī)，視覺檢測，圖像處理，晶片檢測定位Design on Vision Detection Systemof Automatic IC Wire Bonder

2、Duan Jin， Wang Feng，Lu Jian, Zhu Yong, Jing Wenbo(Changchun University of Science & Technology, Changchun, 130022, China, Duanjin: duanjin )（Jilin Kaichuang Electric technology Company, Changchun,130023,China） Abstract：The Wire bonding machine is one of the primary equipment for chip production.

3、 The machine vision system is very crucial in the process of wire-bonding. The structure and principle of vision detection system in high precision chip wire-bonder are introduced in this paper. The design of the hardware and software of the system are discussed, at the same time the arithmetic of i

4、mage processing is presented. Experiment results shows that the method can effectively detecte and locate the chip. The speed and accuracy of the system are good enough to meet the practical application requirement.Key words：Wire bonder, Vision detection, Image processing, Chip detection & locat

5、ion0引言表面組裝技術(shù)（SMT Surface Mounting Technology）使現(xiàn)代電子組裝的重量減輕，體積縮小，成本降低，是目前電子組裝行業(yè)最流行的技術(shù)和工藝，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，我國已經(jīng)成為世界最大的IC晶片消費(fèi)國之一。但是我國現(xiàn)在80%的IC晶片卻是依賴國外進(jìn)口的，其主要原因是表面組裝設(shè)備依賴進(jìn)口，沒有自主知識產(chǎn)權(quán)。由于國外廠商都對核心技術(shù)采取嚴(yán)密的技術(shù)保密，我國表面自動組裝技術(shù)與國外先進(jìn)水平相比有著明顯差距，特別是在組裝設(shè)備的精度和速度等的重要指標(biāo)上123。SMT生產(chǎn)線通常由表面涂敷設(shè)備、貼片機(jī)、焊接機(jī)、絲印機(jī)、清洗機(jī)、測試設(shè)備等表面組裝設(shè)備組成。其中關(guān)鍵設(shè)備焊接機(jī)（

6、Wire Bonder），更是國外各大電子設(shè)備公司激烈競爭的對象4。國內(nèi)已有技術(shù)成熟的商品化貼片機(jī)1，5，6，但是國產(chǎn)的晶片焊線機(jī)基本還停留在半自動或較低的全自動水平，且產(chǎn)業(yè)化水平較低。本文闡述全自動超聲波鋁絲焊線機(jī)的研制和產(chǎn)業(yè)化過程中的核心技術(shù)。重點(diǎn)對基于機(jī)器視覺的全自動晶片焊線機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，深入闡述了IC 晶片的圖像檢測和定位系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所述的自動晶片焊線機(jī)視覺檢測系統(tǒng)，在速度和精度方面都可滿足焊線生產(chǎn)的需求，且具有較好的魯棒性。論文設(shè)計(jì)原理和技術(shù)關(guān)鍵，對于晶片焊接設(shè)備的自動化、智能化有一定的參考意義，為自動焊線機(jī)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)業(yè)化提供了重要依

7、據(jù)。1系統(tǒng)構(gòu)成自動晶片焊接機(jī)通過定位、移位、焊接、切斷等步驟，快速將表面裝貼器件準(zhǔn)確的焊接到PCB板焊盤的指定焊點(diǎn)上。圖1是晶片焊接部位示意圖。在一個(gè)焊接基架上有一排同種型號的半導(dǎo)體器件，圖中是兩個(gè)相鄰的半導(dǎo)體器件（比如功率放大三極管），IC晶片是由貼片機(jī)（Die bonder）貼焊在焊盤上的，焊接機(jī)需要在晶片上找到焊線位置（焊點(diǎn)），用焊線將晶片焊點(diǎn)與相對應(yīng)的器件引腳連接起來。焊線的粗細(xì)表示焊線的直徑不同，焊線的直徑一般是30m到500m。圖1 晶片焊接部位示意圖Fig.1 the elements position of the chip圖2 晶片焊線機(jī)系統(tǒng)組成Fig.2 the struc

8、ture of the IC wire bonder全自動超聲波鋁線焊線機(jī)的控制系統(tǒng)組成，見圖2。焊線機(jī)的控制系統(tǒng)主要有工作平臺、焊頭，圖像采集系統(tǒng)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC等組成5。工作平臺是焊線機(jī)的載物平臺，在單一方向上傳送焊接基架，并由壓片來固定焊接基架，完成送料的工序。焊頭是一個(gè)X-Y-Z-四個(gè)自由度的機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)。由焊頭完成旋轉(zhuǎn)，移動，焊線，切線等功能，通過超聲波用鋁線將晶片和引腳連接起來。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的從功能上又可以分為圖像處理系統(tǒng)和運(yùn)動控制系統(tǒng)。工控機(jī)通過操作界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。圖像處理系統(tǒng)應(yīng)用圖像處理技術(shù)，對采集系統(tǒng)獲得的晶片圖像進(jìn)行檢測和識別，計(jì)算并輸出晶片的精確位置坐標(biāo)。運(yùn)動

9、控制系統(tǒng)進(jìn)行焊接工序控制，通過PLC對機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。工作平臺和焊頭都在運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制下協(xié)調(diào)按步驟工作。圖像處理系統(tǒng)和運(yùn)動控制系統(tǒng)的分工見圖5。為了獲得高精度的圖像處理數(shù)據(jù)，需要采集到高質(zhì)量的圖像，圖像采集系統(tǒng)硬件部分包括CCD相機(jī)，鏡頭，照明系統(tǒng)（光源）和圖像采集卡等1。光源在圖像采集系統(tǒng)中起到相當(dāng)重要的作用。晶片的表面金屬光澤對光線的反射，會給晶片的檢測帶來不利影響。另外，光源照度分布以及光源的光譜成分等因素都會對CCD傳感器成像產(chǎn)生影響。綜合考慮晶片形狀，光滑程度，平坦度，表面光澤，以及現(xiàn)場工作環(huán)境等因素，系統(tǒng)光源選用白色角度照射LED環(huán)形光源作為主光源，見圖3。同時(shí)，以均勻白

10、色擴(kuò)散光作為輔助光源提供足夠背景照度。這樣可以使得物體足夠明亮，有效的消除陰影，且圖像灰度分布連續(xù)而均勻，不易受到環(huán)境因素的影響，更為圖像分割提供了良好的條件。圖4是采集獲得的晶片圖像。圖3 系統(tǒng)光源Fig.3 the structure of the light source圖4 晶片圖像Fig.4 the image of the chip2工作流程晶片焊接機(jī)控制工作流程如圖5。首先由工作平臺將焊接基架一個(gè)待焊接元件輸送到焊接工位，并由平臺上的兩個(gè)壓片將元件固定。這時(shí)，由圖像采集系統(tǒng)獲取一幅晶片圖像，由圖像處理系統(tǒng)對圖片進(jìn)行晶片檢測和定位，獲得晶片上的焊點(diǎn)坐標(biāo)，并根據(jù)引腳位置生成焊接引線的

11、工序列表。列表中每一條記錄，對應(yīng)一條焊接連線工序。焊接開始，焊頭首先移動到晶片上起始焊點(diǎn)位置，并焊線；然后牽引焊線到引腳的焊線結(jié)束位置，并焊線；最后切斷焊線，完成一根焊線的連接。當(dāng)一個(gè)元件的全部焊線（可能有多條）都焊接完畢，則工作臺壓片抬起，釋放元件基架。焊接基架在工作臺控制下向下移位，換上新的待焊接元件。運(yùn)動控制圖5 工作流程Fig.5 the working flow chart在整個(gè)焊線機(jī)的工作流程中最關(guān)鍵的是視覺系統(tǒng)，即圖像處理部分，它決定了整個(gè)系統(tǒng)的晶片焊接精度。在第3節(jié)中重點(diǎn)介紹晶片檢測的圖像處理算法。3晶片檢測識別算法圖6軟件算法框圖Fig.6 the flow of the s

12、oftware arithmetic在晶片檢測和定位之前，需要先獲得一幅標(biāo)準(zhǔn)的晶片樣本圖像，這時(shí)晶片應(yīng)該是水平放置，偏轉(zhuǎn)角度為零。同時(shí)，需要獲得晶片相對位置關(guān)系的精確數(shù)據(jù)，比如，焊點(diǎn)相對晶片零點(diǎn)的坐標(biāo)，晶片上焊點(diǎn)到引腳焊點(diǎn)的角度和距離等。整個(gè)檢測過程的工序流程分為4步： 第一步，對獲取的待焊晶片圖像進(jìn)行灰度直方圖規(guī)則化。使待檢測圖像整體灰度分布與標(biāo)準(zhǔn)樣本圖像的灰度分布基本一致。第二步，進(jìn)行動態(tài)閾值分割。將晶片所具有的識別特征從背景中分割出來，即將晶片從焊盤背景中分割出來，并保證晶片所具有的識別特征明確可見。由于焊接系統(tǒng)的具有較好的照明條件，并考慮到系統(tǒng)高效性和實(shí)時(shí)性要求，這里采用動態(tài)閾值分割方

13、法，對圖像進(jìn)行二值化。第三步，利用事先在標(biāo)準(zhǔn)樣本圖像中制作好的模板，在待檢測圖像上進(jìn)行模式匹配，尋找最佳匹配，以確定芯片原點(diǎn)（x0,y0）。第四步，依據(jù)確定好的芯片原點(diǎn)（x0,y0），根據(jù)晶片的相對標(biāo)準(zhǔn)位置關(guān)系，計(jì)算各焊點(diǎn)在圖像中的位置坐標(biāo)；生成焊線流程列表，輸出給運(yùn)動控制系統(tǒng)。）圖7 檢測圖像平面圖Fig.7 the plan of the detection image圖7顯示的是由CCD相機(jī)捕捉到的晶片圖像示意圖。在圖像中人為設(shè)定了圖像的十字交叉線以及圖像中心點(diǎn)，是為了便于人眼觀察晶片相對于圖像中心的位置，和晶片相對十字的傾斜角度。事先要人工制作檢測用標(biāo)準(zhǔn)模板（較小的虛線框），應(yīng)保證模板

14、特征的唯一性。模板在搜索區(qū)域內(nèi)掃描，進(jìn)行模板匹配。搜索區(qū)域最大可以與圖像一樣大，但是越大的搜索范圍，就意味著要花費(fèi)更多的搜索時(shí)間，因此應(yīng)該使得搜索區(qū)域尺寸盡量的小。由貼片機(jī)的晶片貼裝精度和工作平臺基架傳送機(jī)構(gòu)的定位精度，可以保證晶片在圖像中的位置和偏轉(zhuǎn)角度都在一個(gè)精度范圍內(nèi)，即晶片位置相對是固定的，位于圖像的中心部位，且偏轉(zhuǎn)角度有限。如果模板被定義為晶片的左上角，也就是說模板是用來搜索晶片左上角的，那么搜索范圍就只設(shè)置在靠近左上部的大約占圖像總面積1/4的區(qū)域內(nèi)（較大的虛線框）就可以了。4結(jié)束語本文所述的全自動超聲波鋁線焊線機(jī)的控制系統(tǒng)，已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中得以應(yīng)用和驗(yàn)證，在速度和精度方面都可滿足

15、焊線生產(chǎn)的需求，且具有較好的魯棒性。視覺檢測方面的主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）設(shè)計(jì)工況要求：1）晶片尺寸變化范圍：0.5mm-3mm；2）同時(shí)在視場內(nèi)定位芯片的數(shù)量：1個(gè)芯片；3）視場范圍：大于4mm。如果圖像尺寸為640*480，假設(shè)3mm的正方形晶片對應(yīng)300個(gè)像素，則每個(gè)像素對應(yīng)的實(shí)際坐標(biāo)尺寸為10m，系統(tǒng)最小測量精度為0.01mm。（2）硬件環(huán)境：1）計(jì)算機(jī)：Intel P4 3.0，1G RAM工控計(jì)算機(jī)；2）攝像機(jī)：JAI公司A11型CCD相機(jī)；3）光學(xué)系統(tǒng)：鏡頭視場為2.7(h) × 2.0(V)，鏡頭放大倍數(shù)為1.8×；4）圖像采集卡：Euresys 幀捕捉采集

16、卡；5）光源：角度照射LED環(huán)形光源。（3）軟件環(huán)境：1）操作系統(tǒng)：Microsoft Windows 2000；2）開發(fā)環(huán)境：Microsoft Visual C+ 6.0。3）圖像識別精度：一個(gè)像素。4）圖像識別速度50ms。本文闡述了全自動晶片焊接機(jī)視覺控制系統(tǒng)的基本原理和實(shí)現(xiàn)手段，以及關(guān)鍵技術(shù)。其設(shè)計(jì)思路和工作原理，對于自動晶片焊接設(shè)備的自動化、智能化和國產(chǎn)化有一定的參考意義。由于文章篇幅所限，論文沒有對具體應(yīng)用的晶片視覺檢測實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)細(xì)節(jié)做過多的描述。在作者后續(xù)的論文“晶片焊線機(jī)視覺檢測算法研究”中，將對本文所闡述的基于圖像處理的晶片測量方法和圖像處理算法進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并作測量

17、精度分析。1 廖廣軍, 胡躍明, 戚其風(fēng)等. 全自動上芯機(jī)的晶片檢測系統(tǒng). 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用J. 2006(4): 102-1042 FERNIFER K著, 高峰編譯. 貼片技術(shù). 電子計(jì)算機(jī). 2000（12）3 Qi Q F, HU Y M, YUAN P, et al. An intelligent position and quality detection system in IC production. Proc of the IFAC Conference on New Technologies for Computer ControlC, Hongkong, 2001(10):193-1964 LEARPENTIER G, MOTTET J S, DUMAS