全自动晶片焊线机视觉检测系统的研究

1、全自动晶片焊线机视觉检测系统的研究摘 要：全自动晶片焊线机是晶片生产的关键设备之一，其视觉系统是设备的核心技术所在。视觉系统决定了晶片的检测和定位精度。本文详细介绍了基于机器视觉的全自动晶片焊线机的专用芯片视觉检测系统的工作原理和设计结构，着重阐述了视觉系统的软件和硬件设计过程，以及用于晶片检测定位的图像处理算法。实验说明系统在速度和精度上都可满足焊线生产的需求，对于自动晶片焊接设备的自动化、智能化和产业化有一定的参考意义。关键词：自动焊线机，视觉检测，图像处理，晶片检测定位Design on Vision Detection System of Automatic IC Wire Bonde

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

3、on. 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 o

4、f image 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 & locati

5、on0引言外表组装技术SMT Surface Mounting Technology使现代电子组装的重量减轻，体积缩小，本钱降低，是目前电子组装行业最流行的技术和工艺，具有重要的应用价值。目前，我国已经成为世界最大的IC晶片消费国之一。但是我国现在80%的IC晶片却是依赖国外进口的，其主要原因是外表组装设备依赖进口，没有自主知识产权。由于国外厂商都对核心技术采取严密的技术保密，我国外表自动组装技术与国外先进水平相比有着明显差距，特别是在组装设备的精度和速度等的重要指标上123。SMT生产线通常由外表涂敷设备、贴片机、焊接机、丝印机、清洗机、测试设备等外表组装设备组成。其中关键设备焊接机Wire

6、 Bonder，更是国外各大电子设备公司剧烈竞争的对象4。国内已有技术成熟的商品化贴片机1，5，6，但是国产的晶片焊线机根本还停留在半自动或较低的全自动水平，且产业化水平较低。本文阐述全自动超声波铝丝焊线机的研制和产业化过程中的核心技术。重点对基于机器视觉的全自动晶片焊线机的控制系统进行研究，深入阐述了IC 晶片的图像检测和定位系统的软件和硬件设计原理和实现过程。实验结果说明,本文所述的自动晶片焊线机视觉检测系统，在速度和精度方面都可满足焊线生产的需求，且具有较好的鲁棒性。论文设计原理和技术关键，对于晶片焊接设备的自动化、智能化有一定的参考意义，为自动焊线机的设计和产业化提供了重要依据。1系统

7、构成自动晶片焊接机通过定位、移位、焊接、切断等步骤，快速将外表装贴器件准确的焊接到PCB板焊盘的指定焊点上。图1是晶片焊接部位示意图。在一个焊接基架上有一排同种型号的半导体器件，图中是两个相邻的半导体器件比方功率放大三极管，IC晶片是由贴片机Die bonder贴焊在焊盘上的，焊接机需要在晶片上找到焊线位置焊点，用焊线将晶片焊点与相对应的器件引脚连接起来。焊线的粗细表示焊线的直径不同，焊线的直径一般是30m到500m。图1 晶片焊接部位示意图Fig.1 the elements position of the chip图2 晶片焊线机系统组成Fig.2 the structure of the

8、 IC wire bonder全自动超声波铝线焊线机的控制系统组成，见图2。焊线机的控制系统主要有工作平台、焊头，图像采集系统，工业控制计算机，PLC等组成5。工作平台是焊线机的载物平台，在单一方向上传送焊接基架，并由压片来固定焊接基架，完成送料的工序。焊头是一个X-Y-Z-四个自由度的机械运动机构。由焊头完成旋转，移动，焊线，切线等功能，通过超声波用铝线将晶片和引脚连接起来。工业控制计算机的从功能上又可以分为图像处理系统和运动控制系统。工控机通过操作界面实现人机接口。图像处理系统应用图像处理技术，对采集系统获得的晶片图像进行检测和识别，计算并输出晶片的精确位置坐标。运动控制系统进行焊接工序控

9、制，通过PLC对机械运动机构进行控制。工作平台和焊头都在运动控制系统的控制下协调按步骤工作。图像处理系统和运动控制系统的分工见图5。为了获得高精度的图像处理数据，需要采集到高质量的图像，图像采集系统硬件局部包括CCD相机，镜头，照明系统光源和图像采集卡等1。光源在图像采集系统中起到相当重要的作用。晶片的外表金属光泽对光线的反射，会给晶片的检测带来不利影响。另外，光源照度分布以及光源的光谱成分等因素都会对CCD传感器成像产生影响。综合考虑晶片形状，光滑程度，平坦度，外表光泽，以及现场工作环境等因素，系统光源选用白色角度照射LED环形光源作为主光源，见图3。同时，以均匀白色扩散光作为辅助光源提供足

10、够背景照度。这样可以使得物体足够明亮，有效的消除阴影，且图像灰度分布连续而均匀，不易受到环境因素的影响，更为图像分割提供了良好的条件。图4是采集获得的晶片图像。图3 系统光源Fig.3 the structure of the light source 图4 晶片图像Fig.4 the image of the chip2工作流程晶片焊接机控制工作流程如图5。首先由工作平台将焊接基架一个待焊接元件输送到焊接工位，并由平台上的两个压片将元件固定。这时，由图像采集系统获取一幅晶片图像，由图像处理系统对图片进行晶片检测和定位，获得晶片上的焊点坐标，并根据引脚位置生成焊接引线的工序列表。列表中每一条记

11、录，对应一条焊接连线工序。焊接开始，焊头首先移动到晶片上起始焊点位置，并焊线；然后牵引焊线到引脚的焊线结束位置，并焊线；最后切断焊线，完成一根焊线的连接。当一个元件的全部焊线可能有多条都焊接完毕，那么工作台压片抬起，释放元件基架。焊接基架在工作台控制下向下移位，换上新的待焊接元件。图5 工作流程Fig.5 the working flow chart 在整个焊线机的工作流程中最关键的是视觉系统，即图像处理局部，它决定了整个系统的晶片焊接精度。在第3节中重点介绍晶片检测的图像处理算法。3晶片检测识别算法图6软件算法框图Fig.6 the flow of the software arithmet

12、ic在晶片检测和定位之前，需要先获得一幅标准的晶片样本图像，这时晶片应该是水平放置，偏转角度为零。同时，需要获得晶片相对位置关系的精确数据，比方，焊点相对晶片零点的坐标，晶片上焊点到引脚焊点的角度和距离等。整个检测过程的工序流程分为4步：第一步，对获取的待焊晶片图像进行灰度直方图规那么化。使待检测图像整体灰度分布与标准样本图像的灰度分布根本一致。第二步，进行动态阈值分割。将晶片所具有的识别特征从背景中分割出来，即将晶片从焊盘背景中分割出来，并保证晶片所具有的识别特征明确可见。由于焊接系统的具有较好的照明条件，并考虑到系统高效性和实时性要求，这里采用动态阈值分割方法，对图像进行二值化。第三步，利

13、用事先在标准样本图像中制作好的模板，在待检测图像上进行模式匹配，寻找最正确匹配，以确定芯片原点x0,y0。第四步，依据确定好的芯片原点x0,y0，根据晶片的相对标准位置关系，计算各焊点在图像中的位置坐标；生成焊线流程列表，输出给运动控制系统。图7 检测图像平面图Fig.7 the plan of the detection image图7显示的是由CCD相机捕捉到的晶片图像示意图。在图像中人为设定了图像的十字交叉线以及图像中心点，是为了便于人眼观察晶片相对于图像中心的位置，和晶片相对十字的倾斜角度。事先要人工制作检测用标准模板较小的虚线框，应保证模板特征的唯一性。模板在搜索区域内扫描，进行模板

14、匹配。搜索区域最大可以与图像一样大，但是越大的搜索范围，就意味着要花费更多的搜索时间，因此应该使得搜索区域尺寸尽量的小。由贴片机的晶片贴装精度和工作平台基架传送机构的定位精度，可以保证晶片在图像中的位置和偏转角度都在一个精度范围内，即晶片位置相对是固定的，位于图像的中心部位，且偏转角度有限。如果模板被定义为晶片的左上角，也就是说模板是用来搜索晶片左上角的，那么搜索范围就只设置在靠近左上部的大约占图像总面积1/4的区域内较大的虚线框就可以了。4结束语本文所述的全自动超声波铝线焊线机的控制系统，已经在实际生产中得以应用和验证，在速度和精度方面都可满足焊线生产的需求，且具有较好的鲁棒性。视觉检测方面

15、的主要技术指标如下：1设计工况要求：1晶片尺寸变化范围：0.5mm-3mm；2同时在视场内定位芯片的数量：1个芯片；3视场范围：大于4mm。如果图像尺寸为640*480，假设3mm的正方形晶片对应300个像素，那么每个像素对应的实际坐标尺寸为10m，系统最小测量精度为0.01mm。2硬件环境：1计算机：Intel P4 3.0，1G RAM工控计算机；2摄像机：JAI公司A11型CCD相机；3光学系统：镜头视场为2.7(h) 2.0(V)；4图像采集卡：Euresys 帧捕捉采集卡；5光源：角度照射LED环形光源。3软件环境：1操作系统：Microsoft Windows 2000；。3图像识

16、别精度：一个像素。4图像识别速度50ms。本文阐述了全自动晶片焊接机视觉控制系统的根本原理和实现手段，以及关键技术。其设计思路和工作原理，对于自动晶片焊接设备的自动化、智能化和国产化有一定的参考意义。由于文章篇幅所限，论文没有对具体应用的晶片视觉检测实现方法和技术细节做过多的描述。在作者后续的论文“晶片焊线机视觉检测算法研究中，将对本文所阐述的基于图像处理的晶片测量方法和图像处理算法进行详细的阐述，并作测量精度分析。1 廖广军, 胡跃明, 戚其风等. 全自动上芯机的晶片检测系统. 计算机工程与应用J. 2006(4): 102-1042 FERNIFER K著, 顶峰编译. 贴片技术. 电子计算机. 2000123 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 J, et