机器视觉在BGA焊球检测上之应用

1、兼守大工n工程舆管理系题成果彝表研言寸文械器视!在BGA金星球检测上之鹰用沈婉婷1S宗丞林群筌柳据怡羲守大孥工H工程典管理孥系高雄大榭乡郎孥城路一段一虢WM 人：.tw1摘要近年来，随著霜子WFU!品典IC横装型熊的改燮，使得球格障列( Ball Grid Array , BGA )情 装已渐渐成悬今日半醇ft横装技秫亍的重要裂程之 一。由於BGA横装的生速度相富快，使得人工 椀限)的遇期畤大於生崖遇期之日寺,因此悬了缩短椀砥1日寺3t提高 BGA品之可靠度，本研究鹰用榭剧(Machine Vision )技秫亍，迤彳B BGA 金旱球尺寸量测舆缺陷椀限！，椀限)

2、系统之基本架横主 要是以CCD据影械，配合璟型光源定典影像撷 取卡的使用， CCD据影械所撷取到的 BGA金呈 球待检影像，先利用中通滤波符影像的亲隹消除， 再藉由二值化的方式符金呈球舆背景分雕出来，迤一步使用侦测找出各金旱球的座檄 ，最彳爰由各 金旱球的座檄言十算出金旱球的面稹及圄心座檄，所得的资料由建立的瑕疵判iPWW,有效地判断出缺球、球谩大或谩小、曼球、球距谩大或谩小 等缺陷，藉此可以判断金旱球尺寸是否檄型。言司：球格障列横装，檄器视it技街，缺陷椀na1. 前言1.1 研究背景我阈IC半醇蓬勃樊展，ft然成悬P皆段H 子的代名春司，其值或量，均高居阈内 第一位。受到阈除晶圄大11快速

3、改迤裂程技秫亍，不 僮月号ic的面稹日益缩小、罩位元容量著增加， 3t且功能整合的程度也大幅提高，以致封 IC封装 之高脚数、薄型化、低温化等技街需求也明提 高，悬了因雁整薄短小的超势，及追求封装的高密 度化舆降低整ft成本，大家熟知的 QFP (Quad Flat Package) 始被 BGA (Ball Grid Array) 取代。BGA突破引脚由封装ft四周伸出的概念，在封装 以下方以球状金呈金易凸现封装，侵黑占是在同檬的尺寸 下，BGA所能做到的最大接脚数敕遭!用四遏引脚 的QFP悬多，且具有侵良的重氟特性舆生良率， 因此，就横装而言 BGA横装技秫亍符合琪今重子 品所要求的整、薄

4、、短、小，所以BGA横装已彝展最快速最侵良的横装型式。但是由於BGA所需要的Hit技街比傅统的横装方式高，封裂程中的植球退金呈及军化彳爰的横瞬均较悬困莫隹，雎然BGA横装技秫亍已彝展多年但直到近年才被廉泛使 用，由此可冕 BGA横装仍有相富大的成II空1.2 研究勤械舆目的目前BGA封装技秫亍已成悬封装技秫亍的新主 流，可是BGA在裂作谩程中，常曾有漏植金旱球(缺 球)、金旱球大小不一或球距等等的情形亵 生，相封使得 BGA金旱球尺寸舆缺陷的横瞬愈来愈 困莫隹。目前我阈封装在检测方面，大部份使用 人工椀眼)的方式，不但浪30午多人力而且椀眼)的日寺 又比根本瓢法提高效率。本研究使用械器祝3!技

5、秫亍来迤行BGA金呈球尺寸椀眼)的工作，在重月管中央虑理器军元算速度迤 展神速的情况下，利用械器祝3!中各槿的快速圃形 辨及比封的演算法来椀限！BGA,瓢言病在效率上或是在能上都能比使用人工椀眼!方法提高多。1.3 横瞬流程在金旱球缺陷横瞬方面符分别就以下六槿缺陷 来作横瞬：(1) BGA金旱球是否缺球(2) BGA金旱球是否曼球(3)金旱球直彳空是否谩大羲守大阜工渠工程典管理阜系罩潭tn题成果彝表研言寸文(4)金旱球直彳更是否谩小(5)金旱球球距是否正常(6)金旱球是否共平面0 1.所示悬本研究的金旱球横瞬流程圃，优圃中可以看出本研究主要是由影像撷取、影像前虞理、 特徵值撷取、判断至旱球瑕疵

6、所横成。? ? D ? BGAyBGA? ? y 心0 1.金旱球横瞬之流程H 2.卷至旱球瑕疵判断的流程圈，以此做卷至旱球 瑕疵分I的依摞；而表 1卷至旱球瑕疵判断法HU,凡 至旱球超出可容圉者皆视卷缺陷。H 2.至旱球瑕疵判断的流程I至旱球缺陷槿I判断法HU缺球瓢法找出圄心辗法找出冬旱球面稹的H元黑占数 辗法找出至旱球的H元黑占数 瓢形燮量曼球金旱球面稹的圃元黑占建大至旱球的1元黑占数燮多HI心偏移球偏移金旱球面稹的圃元黑占燮大 /小至旱球的H元黑占数燮多 /少HI心偏移直彳空金旱球面稹的圃元黑占燮大 /小至旱球的H元黑占数燮多 /少共平卸度百十算至旱球的共平囿度表1.至旱球瑕疵判断法HU

7、2.研究内容2.1 撷取影像利用CCD和影像撷取卡，透谩撰K程式(藉由MIL-LITE程式摩)WB CCD狸得所欲椀砥J之 金旱球影像，3t符影像资料醇入所言十的金旱球检测软 Uto32.2 影像前虞理符掩得的影像条形由灰P皆化、亲隹消除及二值化及侦测等影像前虑理步骤，以突II影像特徵。羲守大阜工渠工程典管理阜系罩潭tn题成果彝表研言寸文r 0.11 g 0.59 b 0.3(1)1梯度=-X2 2y 一 y2 22(2)（1）灰皆化灰卜皆，是黑色和白色之依摞雨者混 合比例的不同，剥分成0到255等共256偃I色娜皆 ）fo 黑色悬第 0 P皆，而白色即悬 255 P皆。灰卜皆化的主要目的，乃

8、是藉由醇换，符所需虑 理的I形资料量曾化，以方便其他相信司的影像H 理。符原本悬彩色的6I案（RGB格式），透谩公式 （1）醇成灰卜皆格式，迤而逵到曾化资料虑理量之 目的。由於影像虑理的需要，在撷取影像的同日寺，已 符探取影像自勤醇卷灰卜皆。（2）亲隹消除在撷取影像的谩程中，由於外在璟境因素的干 摄（如外来光霜磁、热等） ，醇致影像出现亲隹 a,影警整彳固影像资料的可用性。根摞所需虑理影像的不同，亲稿k消除所使用的 方法亦不同，目前常冕的有均化滤波、高通滤波、 中通滤波、低通滤波等；然而反覆彳爰，彝 现以中通滤波的效果最好 ，不僮能有效的去除干摄 的亲隹音先更能清楚的保留金旱球的特徵。中通滤波

9、的做法是使用萍域中的6元黑占来决 定本身的新值，而它曾符像本身和其四周圉八偃 元黑占的灰口皆值由小排到大，然彳爰取其中值来常作 圃元黑占新的灰p皆值。利用中通滤波可以有效地去除影像中的亲隹 a,因卷亲隹就是在郝域中有巨大弓金度值燮化的 元黑占，而它曾在排序中被除掉。因此，在排序中特 别大或特别小的圃元黑占值都曾被忽略。由於使用璟形光源所拍掘的金旱球影像，金旱球中央曾有黑影出琨，曾造成横帽帮|叛，利用中通滤波 符影像中的黑影亲隹消除，使其成卷完整的冬旱球影 像。（3）二值化二值化是以某一灰卜皆值值（陶界值）迤行分I,招影像资料中I元灰卜皆值低於值以下者， 均醇卷黑色（灰皆值=0）,等於灰卜皆值值

10、及高於灰卜皆值值以上者，即醇卷白色（灰卜皆值=255）,藉以I分出待测至旱球，加滤去背景等其他不相信身影 像资言孔更迤一步符影像的资料军化，突II欲虑 理主醴，加快彳拶亶虑理之速度。在二值化的虑理谩程，使用者可祝富日寺影像的 效果，可自行手整值的逗择，以决定最佳的 值，条形谩多次tt!逾值逗择在灰卜皆值卷 71的影像较佳。又封於中通滤波瓢法消除的亲隹 黑占，可探用手勤框逗需修的I域，迤行亲隹消 除，道檬一来，原先不存在的亲隹黑占符被予以清 除，避免彳裔W影像虑理造成判。（4）测侦测是H像虑理中非常重要的一!工 具，它是I像切割的初步工作，圃像切割了之彳爰， 才可以再做迤一步的分析。利用H月削期

11、旱球典背景1g色的明亮燮 化，判断出至旱球的她加以言己金泉，以便推算至旱球 的相信昌特徵，透谩此虑理使得冬旱球的翰廓更卷清 晰。封於侦测道方面，使用封角梯度量分析 算（2）,突II出至旱球的所在。（5）檄型BGA资料建立藉由算檄型 BGA至旱球的座檄，攫得檄 型的冬旱球的特徵值，加建立资料以迤行比封，X 系统曾封所框逗的甄圉，侦测出每偃I至旱球的资料。资料建立分卷雨彳固步骤来撷取至旱球的特徵，分叙如下：a.教溥判断:乃是教醇重月船H某一特定I域之至旱球的座檄於以侦测3t言己金氯b.i算特徵值：算至旱球的座檄，攫得至旱球的估言十阊心座 面、成黑占数、面稹、以及形燮量 （R-ratio）。而金旱球

12、的圄心是用最小平方法来估言十的，由教醇判断中攫取至旱球的座檄值，接著使用最小 平方法来求出每一偃I金旱球的估言十圄心，圄心公式如7羲守大阜工渠工程典管理阜系罩潭tn题成果彝表研言寸文式(9) (10)。在此H，檄型 BGA金旱球资料建立完成的同畤，程式亦聘金旱球的各项特徵己金泉完Bo三角形所成，接著再言十算每偃I金旱球到座位平面的 距最大的即悬共平面度。ai =2卜 七 2 N x；(3)bi =2(Z XiZ yi -NZ xyi )(4)a? = bi(5)b2 =2卜 yi 2 -NZ y；(6)c1 二 x Xi -Nx X3一 一 2 一一 2+ XiZ yi -NZ XiyiC2

13、= X2 Xi -N X3+ XiZ y2 -NZ X：yi(8)Gh -c2b2/ 、X = ( 9)ah -a2bC2a 一c y =(io)ah -a2bXi、 yi卷至旱球的座檄值1.3 特徵比封在旅瞬系统轨行全程的自勤化旅瞬日寺，曾金十封之前框逗展域内的冬旱球迤行特徵值算，之彳爰便曾算所得之各金旱球的特徵值典檄型BGA冬旱球资料迤行比封，旅瞬其特徵值是否有超出烷甄甄圉， 加依摞各!特徵的比较值迤行至呈黑占缺陷舆否及缺 陷槿I之判定。1.5 结果输出系统分析待测 BGA彳爰，符结果舆金旱球相信司资 料，予以I1示在介面上，使用者可以容易且快速 瞭解至旱球缺陷的状况。3. 结果舆分析3.

14、1 BGA椀蹶作依照0 i的BGA金呈球横瞬流程，配合著表i的判断型HU及I 2的判断流程I ,条形由整参数的 容忍值，便可椀蹶T出BGA金旱球的各槿缺陷。(1)金旱球正常BGA檬品谩横瞬彳爰，至旱球的数目典檄型值 是一檬的，而且圄心、面稹、黑占，及形燮量舆 檄型值的差都在所定的容忍值之内，所以判断悬良品，0 3悬椀蹶T出正常 BGAo置I 3. BGA的良品3.4 言十算共平面度雷射测主要由光源、非球面及接收器所情 成的，透谩雷射测H招雷射黑占打在冬旱球上，至旱球表 面符雷射光束反射到接收器上，再配合三角函数公 式的算，可以言十算出至旱球舆雷射测11的距H，测 量出每S(金旱球的高度座檄彳爰

15、，即可言十算BGA的共平面度。共平面度的求法必须先求得晶片座位平(2)缺球BGA檬品谩横瞬彳爰，至旱球的数目典檄型值 不一檬，而且找不到金旱球的圄心、面稹、黑占， 及形燮量，故判断有 3偃I缺球，如圃4所示。(3)曼球BGA檬品谩横瞬彳爰，樊琪金旱球的面稹燮 大，金旱球的像素黑占也燮多，而且圄心也偏移 了，所以判断出有 i偃If!球，如I 5所示。面，座位平面即由三偃I最高且包含重心黑占所情成之H 4.缺球横瞬(5)金旱球谩小BGA檬品瞬彳爰，其余旱球的数目正常， 心心值也在容忍靶圉内，可是金旱球的面稹太小，而 且的像素黑占较少，所以判断卷至旱球的直彳空谩 小，如H 7所示。一 ：-a一 -

16、4 口 ZM 1ST 1IFN444IRE.： y 4%四 K rp- itjas ： f 细出、 (， 纭鹏 孑电励彳看卡* i a# e-jeiii P岳m . i堂第5站磐玉H 5.曼球横瞬3UDUH naJJg 口? norrl 口*# *: 一 :WfiXi 峭.-wf 产制国睢 uRii qB _4_BU _ qb、1球彳空谩小d 一(4)金旱球谩大BGA檬品谩椀蹶嚷t其余旱球的数目正常， 圄心值也在容忍靶圉内，可是金旱球的面稹太大，而 且的像素黑占也太多，所以就判断有1彳固大球,如圃6所示。H 7.球彳空谩小横瞬(6)金旱球偏移BGA檬品瞬彳爰，樊琪金旱球的数目雎然 正常，但其圄

17、心值偏移了，不谩金旱球的面稹和 像素黑占都遢在容忍甄圉内，因此判断至旱球偏移的 缺陷，如圃8所示。* KL.frSa 3：Li.fcHTP* X；风与。0 /!-,)-J-il *!:* H-+* ，十油*T *4峰BII- 中也-an-v-n .评券 *4n球偏移be-MH 151 4JOCDULsyoau *惠 EW-B ECl： 工 “ KHMK代的*口 Nil多V 件/鸟尽山”占(小球彳空谩大H 8.球偏移横瞬3.2目前研究结果由1T瞬的结果，目前优取像到金旱球瑕疵判一，包含影像横瞬结果存槽，每一偃I檬本日寺余勺2秒。兼守大工n工程舆管理系mw题成果彝表研言寸文4. 用目前本金崔射i槿

18、较常冕的金旱球缺陷，撷取其影像来迤行分析，优中研判各槿金旱球缺陷的影像特 性，来言丁定其缺陷的横瞬方法 ，31利用Borland C+ Builder4.0来撰嘉一套自勤化椀蹶嘲:ft。而由椀喝作彳爰，本琨到在取像日寺，光 的照明方式典光源型熊，封金旱球影像的虑理有相 常大的影警，尤其是 BGA金腐塾片之反光封检瞬 之判影警更加著；此外在瓢外来光干攥的情 况下，取得影像较悬分明，二值化畤亦较能突出 金旱球的特性。相同的，在理日寺也较易分明。 至於比较舆分析的方法，乃是符取得之待测金旱球影 像，亲隹消除、二值化、侦测彳爰，利用所得 的特徵资料，舆檄型 BGA迤行特徵比封，如此可 判断是否有金旱球

19、瑕疵的垣象生，再来金十封相信司资 料迤行分析，判H金旱球瑕疵的槿在特徵比封的判H型期及方法中，如何去逗 撵鞫圭的模式和更快速的恻脚寺胤以及更具人 性化之操作者使用介面，符是未来之展望。参考文献1. 大新资言焉睾，深入涣出 Borland C+Bulider4.0 ,基峰（1999）。2. 吴木杏、傅楸善、球格矩障椀眼!技秫亍之探言寸，械械工，第187期，第 150-156 M （ 1998）。3. 周建宏，鹰用相移干涉法作BGA共平面度检测，成功大械工程研究所硕士文（ 2000） 。4. 邱振洋，鹰用H月管视3!於 IC瑕疵椀限J之研究，雪林科技大工H工程舆管理研究所硕 士文（2000）。5. 官午淳熙，BGA上椀眼!系统之，交通大械工程研究所硕士文（2000）。6. 黄文成，BGA IC 2雉外觐尺寸精密椀眼!系统之，屏柬科技大械工程研究所硕 士文（2000）。7. 梁有燎，械器祝3!在BGA金呈球尺寸量测上之鹰用，中革大械典航太工程研究所硕士文（ 1998）。8. 集秋城、王文豪褊著，影像虞理典分析，基峰 （ 1995）。9. 集明忠，非接斶式测距典 3D祝3!技秫打， 械械工H亲隹部，第142期，第163-169 M（ 1995） 。10 .金童志俾