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b g a 全自动植球机视觉检测和自动对准控制技术研究 摘要 半导体领域是机器视觉技术应用最主要的领域之一，球栅阵列( b a l lg r i d a r r a y ，简称b g a ) 做为当前主流的半导体封装技术，自然离不开机器视觉技 术的支撑。本文研究的主要内容，就是采用机器视觉技术来解决b g a 植球机研 制过程中的准确检测和精确定位两大难题。论文的主要内容包括： 1 研究了b g a 封装工艺和b g a 植球机的机械结构，从中了解了b g a 封 装的特点和b g a 植球机开发的技术难点，并根据这些特点，提出了机 器视觉系统需要满足的要求。 2 从b g a 植球机的封装工艺出发，分析了在b g a 植球机的开发中集成 机器视觉技术的必要性和重要性，介绍了机器视觉技术的发展概况，并 设计了b g a 植球机视觉系统的硬件集成方案和软件流程。 3 研究了数字图像处理的理论和方法，包括图像存储和读取、预处理、特 征提取、模板匹配及可以提高匹配效率的快速匹配算法等；编程实现了 图像采集控制、图像预处理、缺陷检测及运动控制等功能。 4 针对b g a 植球机对运动过程的要求，改进了b g a 植球机视觉系统运 动控制模块的性能，采用带d s p 的运动控制卡，用闭环反馈提高运动 精度，s 型加减速减小运动过程的冲击。 关键字：球栅阵列；机器视觉；数字图像处理；模板匹配；运动控制卡 s t u d yo i lm a c h i n e v i s i o ni n s p e c t i o na n da u t o m a t i co r i e n t a t i o n c o n t r o lt e c h n o l o g yo ff u l l - a u t o m a t i cb g a b a l lm o u n t i n g a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rf i e l di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o nf i e l d so fm a c h i n e v i s i o nt e c h n o l o g y a st h em a i n s t r e a mt e c h n o l o g yc u r r e n t l yo fs e m i c o n d u c t o r e n c a p s u - l a t i o n , b a l lg r i da r r a y ( b g a ) c e r t a i n l yn e e d st h es u p p o r to fm a c h i n e v i s i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e ra d o p t sm a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g yt os o l v ee x a c t i n s p e c t i o na n da c c u r a c yo r i e n t a t i o np r o b l e m so fb g a b a l lm o u n t i n g t h ef o l l o w i n g i st h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e r 1 s t u d y e db g ae n c a p s u l a t i o nt e c h n i c sa n dt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fb g a b a l lm o u n t i n g o b t a i n e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fb g a e n c a p s u l a t i o na n dt h ed i f f i c u l t i e s o l lt e c h n i q u ed u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fb g ab a l lm o u n t i n g b a s e do nt h e a b o v e - m e n t i o n e dk n o w l e d g e ，p u tf o r w a r dt h er e q u i r e m e n tt h a tt h em a c h i n ev i s i o n s y s t e ms h o u l ds a t i s f i e d 2 s t a r t e dw i t ht h ee n c a p s u l a t i o nt e c h n i c so fb g ab a l lm o u n t i n g ，a n a l y z e dt h e i n d i s p e n s a b i l i t ya n de s s e n t i a l i t yt oa d o p tm a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g yi nb g a b a l l m o u n t i n g n t r o d u c e dt h eg e n e r a le v o l u t i o ns i t u a t i o no fm a c h i n ev i s i o n d e s i g n e d t h eh a r d w a r ei n t e g r a t i o ns c h e m ea n ds o f t w a r ef l o w 3 s t u d y e dt h et h e o r e t i c sa n dm e t h o d so fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，w h i c h i n c l u d e di m a g es a v e i n ga n dr e a d i n g ，p r e - p r o c e s s i n g ，c h a r a c t e r d i s t i l l ，t e m p l e t m a t c h i n ga n ds o m em a t c ha r i t h m e t i ct oi m p r o v em a t c h i n ge f f i c i e n c ye t c a c h i e v e d i m a g ec a p t u r ec o n t r o l ，i n m a g ep r e - p r o c e s s i n g ，d e f e c ti n s p e c t i o na n dm o v e m e n t c o n t r o li nv c 4 a i ma tt h em o v e m e n tc o n t r o lr e q i r e m e n to fb g ab a l lm o u n t i n g ，i m p r o v e d t h em o v e m e n tc o n t r o lp e r f o r m a n c eo fb g av i s i o ns y s t e m a d o p t e dm o v e m e n t c o n t r o l c a r dw i t hd s p , c l o s e dl o o pf e e d b a c kt oi n c r e a s ep o s f f i o np r e c i s i o nw h i l es a c c e l e r a t ec u r v et or e d u c ec o n c u s s i o n k e y w o r d s ：b a l lg r i da r r a y ；m a c h i n ev i s i o n ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ；t e m p l e t m a t c h i n g ；m o v e m e n tc o n t r o l - c a r d 插图清单 图卜1b g a 封装的内存 图2 1q f p 封装( 左) 和b g a 封装( 右) 图2 - 2 两层p b g a 断面图 图2 - 3b g a 植球机工艺流程图 图2 4 间接真空法焊球贴放过程 图2 - 5b g a 植球机的机械结构示意图 图2 - 6 双闭环定位控制结构示意图 图2 7s 加减速曲线 图3 - 1 视觉图像处理系统 图3 - 2 机器视觉检测和定位系统结构图 图3 - 3 低角度前光源 图3 4 低角度光照明方式下的焊球照片 图3 5 同轴前光源 图3 6 图像显示电路示意图 图3 - 7 运动控制卡与端子板的连接示意图 图3 - 8 通用输入输出连接电路图 图4 1 图像采集流程 图4 2 图像处理流程 图4 3 邻域平均法 图4 4 平滑模板 图4 5b g a 图像的灰度直方图 图4 - 6 灰度概率密度函数 图4 7 均衡化前后的像素灰度概率分布比较 图4 - 8b g a 基板的直方图 图4 - 9 实际的b g a 基板图像 图4 一l o 二值化以后的b g a 图像 图4 一儿b g a 焊球及其对应的特征向量矩阵 图4 一1 2 实时输入图像及模板 图4 1 3f f t 算法计算过程图示 图4 1 4 分层搜索序贯判决法示意图 图4 一1 5 误差累积曲线和门限 图4 1 6 模板匹配过程 图5 一lb g a 植球过程的典型缺陷示意图。 0 m 加n n圬埔m珀毖盟毖巧筋拍勰勰n弛弘弘”鹪蛆铊蛆 ， ， ， ， ， 图5 2 视觉软件的功能模块组成 图5 3 图像采集参数设置 图5 4 图像平滑的去噪效果示意图 图5 5 平滑处理前后的b g a 图像( 部分) 图5 - 6 均衡化处理前后的直方图 图5 7 直方图均衡前后的b 6 a 基板图像 图5 - 8 不同阈值分割时的二值化图 图5 - 9s s d a 算法流程图 图5 - 1 0 自动对准流程图 图5 - 1 1 运动控制卡的使用 “蛎n盯鹊弱；盯 表格清单 表卜l 各种封装技术在全球半导体市场占有的份额。2 表卜2 持p e n t i u m 4 的d d r 芯片组相关规格介绍3 表3 - 1 常见光源的性能参数比较2 1 表3 - 2b m p 位图的结构组成2 4 表3 3c n l 3 引脚定义2 6 表4 - 1 各灰度级对应的概率分布( n = 1 0 2 4 ) 3 2 表4 2 直方图均衡化以后的概率分布3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得盒胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：压望强 签字日期：神z 年弘月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目b 王些走堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 目b 王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：春建强 签字日期：7 却6 年年月o 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：郑州宇通客车股份有限公司 通讯地址：中国郑州2 0 6 6 # 信箱 导师签名 罐凡 签字日期：既年丫月，d 日 电话：0 3 7 1 6 6 8 0 6 0 6 5 邮编：4 5 0 0 1 6 致谢 值此论文完成之际，我要向我的导师韩江教授和夏链副教授致以最诚挚的 敬意和最衷心的感谢! 在近三年的研究生学习期间，无论是在科研工作中，还是在生活中，韩老 师和夏老师都给予我悉心的指导和的照顾。韩老师和夏老师严谨认真的治学态 度和对学术孜孜追求的精神深深影响了我。他们渊博的学识和对学术问题的独 到见解，对研究课题的敏锐发现和研究方向的准确把握，都体现了很高的学术 素养。 从开始收集与本论文相关资料，一直到论文的完成，韩老师和夏老师都给 予了我无私的指导和帮助。在选题、开题及至完成论文的每一个阶段，韩老师 和夏老师都严格把关，并在课题的研究思路上给以具有建设性的意见。对论文 的审阅也同样耐心细致，大到论文的框架，小到一个知识点，韩老师和夏老师 都是一样细心批阅纠正。同时韩老师和夏老师也是我生活中的老师，他们对人 的平和、亲切，对学生的关心爱护，教会了我坦诚热情的待人处事方式。 感谢王治森教授、祖喧老师、李良初老师、何高清老师、余道洋老师在我 的课题研究过程中对我的帮助和指导! 感谢王建兵、成勇、姜晓林、程治、潘斌、陆荣峰等同学在我的论文撰写 过程中给予的帮助。 感谢师弟刘向前、陆青松、苏志远、张国权等给予我的帮助。 最后还要特别感谢我的父母、亲人在我上研究生期间给我的无私支持，感 谢所有帮助过我的老师和同学。 作者：郭建强 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 1 1 研究背景及国内外研究现状 1 1 1b g a 封装技术是当前主流的半导体封装技术 半导体产业是信息技术产业发展的核心，已成为2 1 世纪最重要和最具影响 力的技术产业。根据中国半导体协会的数据，到2 0 0 4 年年底，中国国内有近 5 0 家晶圆制造厂，1 0 2 家i c 封测和i c 装配厂，4 5 7 家i c 设计公司。2 0 0 4 年中 国国内半导体业产值为3 6 4 亿元人民币，大约为4 4 亿美元，其中封装测试占了 5 0 以上，晶圆制造占3 0 ，i c 设计不到2 0 。中国国内半导体市场的规模从 2 0 0 2 年开始就一直保持3 0 以上的增长速度，在2 0 0 4 年超过3 0 0 亿美元，预 计2 0 0 5 年纪将突破4 0 0 亿美元大关“。 半导体就其生产流程而言，主要分为三个工序：芯片设计、晶圆制造( 俗称 前工序) 、封装测试( 俗称后工序) 。芯片设计指设计电路达到所需的功能：晶圆 制造指通过氧化、微影、蚀刻、沉积、扩散、离子植入、金属电镀等过程，在 晶圆上制成完整的晶粒；封装是将前工序完成的晶圆制作成一个个独立芯片的 所有过程。相应地，半导体产业分为设计、制造、封装测试三种类型。国外五、 六十年代的半导体从设计到制成产品都由同一家公司完成，到八十年代逐渐分 离出设计、制造、封装各自独立的公司。在信息浪潮的推动下，在世界范围内 已经形成比较完整的半导体设计、制造、封装产业链。前工序投资巨大，核心 技术集中，全世界只集中在十几个大企业生产。后工序中封装测试产业是中国 半导体产业的核心部分，占据支配地位，由于封装形式的不断进步，使得半导 体产品的性能有了长足的进步。但是中国内地的封装测试企业都是为国外公司 服务的。世界半导体市场前2 0 大供应商大部分都在内地建立了的封装测试基 地，要么是独资建立，要么是和海外的封装测测伙伴联合建立。国内最大的封 装测测厂家其客户也主要是国外客户。严格的中资封装测试企业屈指可数。造 成这种局面的原因主要原因就是技术和设备上落后。 封装就是把前工序提供的晶圆固定到电路板上，并外接信号线至外部导线 架及封装壳体上。它的功能是使得芯片具备了抗恶劣环境的能力，优雅的造型， 并可以安全的使用，从而提高产品的附加价值。芯片封装技术从诞生开始，经 历了六种主要形式：双列直插式封装( d u a li n 1 i n ep a c k a g e ，简称d i p ) 、塑料 扁平组件式封装( p l a s t i cq u a df l a tp a c k a g e ，简称q f p ) 、插针网格阵列封装( p i n g r i da r r a yp a c k a g e ，简称p g a ) 、球栅阵列封装( b a l lg r i da r r a y ，简称b g a ) 、 芯片尺寸封装( c h i ps i z ep a c k a g e ，简称c s p ) 、多芯片组件( m u l t ic h i p m o d u l e ， 简称m c m ) 。其中，双列直插式封装( d i p ) 、塑料方型扁平组件式封装( q f p ) 和插针网格阵列封装( p g a ) 三种封装形式由于其技术上的局限，应用越来越 少；芯片尺寸封装( c s p ) 和多芯片组件( m c m ) 技术则代表着芯片封装的发 展趋势，还没有投入大规模的应用；而球栅阵列封装( b g a ) 则如日中天，是 当前主流的封装技术，已广泛应用于电脑、p d a 、手机等各类电子产品中。 b g a 是表面安装i c 的一种新的封装形式，其引出端矩阵状分布在封装体的 底面。这样，节距相通的b g a 和q f p 相比，b g a 的i o 数要比q f p 多的多；如 果引出端相同，b g a 的焊点分布要比q f p 引出脚的间距大的多。因此，b g a 是高 密度，高性能，多功能和高i 0 引脚数的大规模集成电路封装的最佳选择”“。 1 9 8 7 年，日本西铁城( c i t i z e n ) 公司开始着手研制塑封球栅面阵列封装 的芯片( 即b g a ) 。而后，摩托罗拉、康柏等公司也随即加入到开发b g a 的行列。 1 9 9 3 年，摩托罗拉率先将b g a 应用于移动电话。同年，康柏公司也在工作站、 p c 电脑上加以应用。直到五六年前，i n t e l 公司在电脑c p u 中( 即奔腾i i 、奔 腾i i i 、奔腾i v 等) ，以及芯片组( 如i 8 5 0 ) 中开始使用b g a ，这对b g a 应用 领域扩展发挥了推波助澜的作用嘲。进入二十一世纪以后，b g a 封装技术更是迎 来了蓬勃发展的时期。 表1 1 给出了各种封装技术在全球半导体市场占有的份额。可以看出，2 0 0 2 年，全球b g a 封装总产值为3 0 2 亿美元，预计到2 0 0 1 年达到5 0 6 6 亿美元， 平均每年增长1 3 3 9 。虽然其增长速度仅次于c s p ，位居第二，但是在最近的 几年，其市场份额仍然是最大的，且一直稳步上升从2 0 0 2 年的2 2 6 ， 增长到2 0 0 7 年的2 9 。 封装 2 0 0 2 2 0 0 3 ( e )2 0 0 4 ( f ) 2 0 0 5 ( f )2 0 0 6 ( f ) 2 0 0 7 ( f )c a g r ( 形式 ) d i p3 6 03 5 4 3 3 93 1 23 1 63 3 4- 1 4 9 s o3 3 6 53 5 6 2 3 8 5 13 6 7 l3 8 6 63 9 3 93 2 0 c c2 6 52 8 13 1 0 2 9 73 1 33 3 24 6 1 q f p2 7 9 42 8 8 23 0 9 22 9 8 03 2 5 23 5 2 74 7 7 p g a2 4 6 52 7 5 63 0 1 52 8 9 53 1 2 63 2 9 96 0 0 b g a 3 0 2 23 6 7 04 4 1 54 2 8 75 0 2 15 6 6 51 3 3 9 c s p1 0 9 51 3 9 41 7 3 01 8 5 82 1 1 82 4 6 1 1 7 5 8 合计 1 3 3 6 61 4 8 9 91 6 7 5 21 6 3 0 01 8 0 1 2 1 9 5 5 77 9 l 表1 - 1 各种封装技术在全球半导体市场占有的份额( 单位；百万美元) ( 资料来源：中国赛特顾问) b g a 封装技术之所以在半导体封装市场占有如此重要的地位，主导当前的 着半导体封装市场，主要得益于它封装性能的突破性提高。主要体现在以下几 个方面： 1 ) i o 引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于q f p 封装方式，突破了 2 引脚数的限制，并提高了成品率。 2 ) 虽然b g a 的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以 改善电热性能。 3 ) 信号传输延迟小，适应频率大大提高。 4 ) 组装可用共面焊接，可靠性大大提高。 以b g a 封装的d d r ( d o u b l e d a t a r a t e ) 内存为例。图1 1 给出了b g a 封 装的内存照片。d d r 内存为传统s d r a m ( s i n g l ed a t ar a t e ) 内存延伸出来的新技 术，由于d d r 运算频率达3 3 3 m h z 以上时，传统应用在s d r a m 的超薄小型 晶粒承载封装( t s o p ) 已无法支持其基本架构，因此封装势必随着s d r a m 规 格跨入d d r 的脚步，将产能由t s o p 转入球栅阵列( b g a ) 封装。表1 2 给出 了各d d r 芯片组所使用的封装方式。 芯片组编号 i n t e l8 4 5 dv i ap 4 x 2 6 6 a a l ia l a d d i np 4 北桥芯片编号 8 2 8 4 5 mc h b ov t 8 7 5 3 a m 1 3 7 1 北桥芯片封装规格 5 9 3f c b g a6 6 4 b g a 6 2 9 b g a v t 8 2 3 3 a 、 南桥芯片标号 8 2 8 0 lb a i c h 2 m 15 3 5 d + 、m 15 3 5 t v t 8 2 3 3 c 南桥芯片封装规格 3 7 6 b g a 3 5 2 b g a 表l - 2 持p e n t i u m 4 的d d r 芯片组相关规格介绍 采用b g a 技术封装的内存，可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高 两到三倍，b g a 与t s o p 相比，具有更小的体积，更好的散热性能和电性能。 b g a 封装技术使每平方英寸的存储量有了很大提升，采用b g a 封装技术的内 存产品在相同容量下，体积只有t s o p 封装的三分之一；另外，与传统t s o p 封装方式相比，b g a 封装方式有更加快速和有效的散热途径。 图i - ib g a 封装的内存 i 1 2b g a 植球机是b g a 封装的核心设备之一 b g a 封装与q f p 等封装形式最大的不同就在于，用球状突点代替了针状 引脚。因此其封装工序中就多了焊球贴放这一环节，而且，很显然是最关键的 环节，因为b g a 封装的绝大多数缺陷都是在这一环节产生的。焊球贴放是由 b g a 植球机来完成的，可见，b g a 植球机的性能对b g a 封装生产线具有决定 性的意义，是b g a 封装的核心设备。 b g a 植球机的研制，从二十世纪6 0 年代，随着b g a 封装技术的研究就已 经开始了。但是由于当时科学技术水平的限制，b g a 植球机的精度、效率和成 品率都没有办法满足实际生产的需要。到8 0 年代，由于光电技术、工业自动化、 精密机械、机器人、运动控制、自动检测和图像处理等技术的发展，使得b g a 植球机进入了实用化的阶段。美国、日本等相继研制出具有中等精度和速度的 b g a 植球机。但是，这时候的b g a 植球机大都没有配备视觉系统，因此在检测 和定位等方面还存在着很多问题，自动化程度不高。当前流行的高性能b g a 植 球机，都带有高精度机器视觉定位系统，高精度、高速度和高度的自动化是它 们最基本的特征。 我国台湾、香港地区在b g a 植球机的研发上也具有一定的技术水平。台湾 工业技术研究院早在二十世纪9 0 年代便成功研制了半自动b g a 植球机，后与台 湾万瑞科技股份有限公司合作开发了r k i b 6 0 0 l 双轨植球机，市场反映良好。 香港s a m 公司在半导体封装设备领域业绩突出，占据了很大一部分绑定机、倒 装机和封装机等封装设备的市场，其设在新加波的研发部正在开发新一代的b g a 封装设备。 我国在二十世纪8 0 年代就开展了半导体后封装设备的研究，“九五”期间 半导体设备投资的规模达到i 1 7 亿元，而“十五”期间半导体设备投资将达到 9 5 0 亿元。据悉，上海、深圳正着手建立半导体研发基地，目前，半导体低端 封装设备己相继问世，但像b g a 这类高端封装设备还没有产品化，其相关技术 研究也未见公开报道。但是，由于在低端封装设备通常都没有配备机器视觉系 统，因此在机器视觉这一关键技术上，我国跟国外还有很大的差距。不掌握机 器视觉关键技术，高精度的自动化b g a 植球机就是空中楼阁”。 i 1 3 机器视觉技术是全自动b g a 植球机中不可或缺的核心技术 b g a 植球机是快速精密的设备，它存在精确定位和准确检测两大突出难题： 1 ) 精确定位：连续生产线中，对b g a 植球机的植球速度要求很快，而精度 要求在1 0 5 0um 之间。这么快速准确的定位要求很难通过机械方式或普通的物 理传感器来实现。 2 ) 准确检测：做为b g a 植球机操作对象的锡球，尺寸很小( 0 3 m m 一0 7 6 r a m ) ， 非常脆弱，而且数量多，密度大。要在连续的生产过程中，采用非接触式的检 4 测方式，实时检测植球是否准确无缺陷是全自动b g a 植球机应用研发的又一个难 点。 上述两个难题，在机器视觉引入以前，一直不能很好的解决，封装的精度 和速度都无法得到实质性的提高。而且从b g a 植球机以及其他的半导体封装设备 的发展趋势看，机器视觉都是不可或缺的核心技术。1 。 美国制造工程师协会( s m es o c i e t yo fm a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r s ) 机器 视觉分会和美国机器人工业协会( r i ar o b o t i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 的 自动化视觉分会对机器视觉下的定义为：“机器视觉是通过光学的装置和非接 触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控 制机器人运动的装置”。 在现代工业自动化生产中，涉及到各零中各样的检验、生产监视及零件识别 应用，例如零配件批量加工的尺寸检查，自动装配的完整性检查，电子装配线 的元件自动定位，i c 上的字符识别等。通常人眼无法连续、稳定地完成这些带 有高度重复性和智能性的工作，其它物理量传感器也难有用武之地。由此人们 开始考虑利用光电成像系统采集被控目标的图像，而后经计算机或专用的图像 处理模块进行数字化处理，根据图像的像素分布、亮度和颜色等信息，来进行 尺寸、形状、颜色等的判别。这样，就把计算机的快速性、可重复性，与入眼 视觉的高度智能化和抽象能力相结合，由此产生了机器视觉的概念。 机器视觉是在2 0 世纪5 0 年代从统计模式识别开始的，当时的主要工作集 中在二维图像的分析识别上。6 0 年代，r o b e r t s ( 1 9 6 5 ) 把机器视觉的研究推 广到了三维空间，并建立了各种数据结构和推理规则。到了7 0 年代，就已经出 现了一些视觉应用系统，如g u z m a n ( 1 9 6 9 ) 和m a c k w o r t h ( 1 9 7 3 ) 。1 9 7 7 年， 麻省理工学院( m i t ) 的d a v i dm a r r 教授领导的博士小组，提出了著名的计算 视觉( c o m p u t a t i o n a lv i s i o n ) 理论，掀起了对机器视觉的全球性研究热潮， 各种新方法、新概念、新理论不断涌现，建立了主动视觉框架、视觉集成理论 框架等重要理论体系。直到现在，机器视觉仍然是一个非常活跃的领域“。 机器视觉具有柔性和自动化程度高，非接触性检测，不易产生疲劳等优点。 在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常 用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查 产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生 产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的 基础技术。 正是由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易 于同设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们 将机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。 机器视觉在工业中的应用可细分为两大类：视觉检测和视觉控制机器人导 航。视觉检测包括对一幅图像或子图像与预定义标准进行比较。视觉检测技术 已经应用到汽车、木材、织物、玻璃和金属处理等工业中的产品检测。相关统 计资料表明，视觉检测已经成为工业机器视觉应用的基本领域，占机器视觉总 应用的8 0 左右。机器人导航包含道路规划、避免碰撞、自适应位置控制和机 器人相对于特定目标在三维空间中精确方位定位。它们的应用例子包括机械产 品或是印刷电路板的装配、装载或卸载机械装置、自适应控制吹涂料和焊接控 制等任务。b g a 植球机中，机器视觉两方面的应用都得到了体现。自动对准过 程是机器视觉导航的具体应用，而缺陷检测则是视觉检测的具体应用。由此也 可以看出机器视觉技术在b g a 植球机中的重要作用。 在国外，机器视觉的应用普及主要体现在半导体及电子行业，其中大概 4 0 一5 0 都集中在半导体行业。具体如p c b 印刷电路，s 盯表面贴装，电子生产 加工设备，半导体及集成电路制造设备等。 在中国，机器视觉技术主要应用于制药、印刷、车牌识别、带钢表面缺陷 检测、矿泉水瓶盖检测等领域。而半导体行业本身在中国就属于新兴的领域， 再加上机器视觉产品技术的普及不够，导致其在该行业的应用几乎空白，即便 是有，也只是低端方面的应用。因此，机器视觉在半导体行业的应用空间还比 较大1 。 b g a 植球机做为半导体封装产业的高端产品，随着芯片集成密度的不断增 加，封装精度要求也越来越高，自动化程度和成品率要求也在提高。传统的人 工检测和机械定位等方法，以很难满足生产的要求。机器视觉的应用，很好的 解决的b g a 封装中的这两大难题。这也是高端b g a 封装设备纷纷配备机器视 觉系统的主要原因，从而也奠定了机器视觉做为全自动b g a 植球机核心技术的 重要地位。 1 2 课题来源及研究意义 1 2 1 课题来源 课题来源于合肥工业大学c i m s 研究所与深圳翠涛科技有限公司产学研合 作项目用于集成电路球珊阵列封装的植球生产线的开发和合肥工业大学科 学研究发展基金支持项目半导体b g a 封装图像检测和视觉伺服控制精确定位 的研究。由于b g a 封装设备的开发涉及的内容太多，包括工艺设计、结构设计、 运动控制、视觉检测等等。为此，本文把缺陷检测和自动对准做为一个单独的 课题提出进行研究。 1 2 2 研究意义 机器视觉发展空间较大的部分在半导体和电子行业，国家加大对集成电路 产业这一战略领域的规划力度，“信息化带动工业化”，走“新兴工业化道路” 6 为集成电路产业带来了巨大的发展机遇，特别是高端产品和创新产品市场空间 巨大，设计环节、国家战略领域、3 c 应用领域、传统产业类应用领域成为集成 电路产业未来几年的重点投资领域。中国已成为近年来世界半导体投资的热点。 在全国许多地区，特别是长江三角洲地区。都有新的i c 制造线和封装测试线投 资兴建，i c 设计公司的数量每年成倍增长。在产业政策的引导下，上海、北京、 天津和深圳等地出现投资i c 的好势头：天津m o t o r o l a 投资1 5 亿美元，月投 2 5 万片的8 英寸芯片生产线和上海中芯国际投资1 4 亿美元，月投8 英寸芯片 硅片4 2 万片的项目已经投入运行。 上述数据说明，我国半导体行业对生产设备存在着巨大的需求。目前，中 国集成电路产业主要集中在封装测试上，但是，目前我国的封装主要是d i p 等 低端形式，采用b g a 封装的生产线还不多。这主要是因为国内技术上还没有成 熟，自主研发的生产设备还不能满足生产要求，而且进口设备非常昂贵。尤其 是b g a 植球机上所必需的机器视觉系统，几乎全被国外公司垄断。 随着计算机处理器等视觉系统硬件价格的急剧下降，机器视觉在b g a 植球 机上的应用，不仅解决了精确定位和准确检测两大难题，提高了设备的自动化 程度和生产效率，也使得b g a 植球机的成本效率变的越来越高。由于纯粹的机 械定位对机械机构的加工精度要求很高，但是加工精度每提高一个数量级加工 成本都要增加几倍。而采用机器视觉以后，即使由于机械定位不够精确造成偏 差，也可以通过视觉系统进行校正，达到精确对准。这样就对机械结构的加工 精度降低了要求，从而降低了设备的制造成本。可以说，没有机器视觉的b g a 植球机，就没有市场竞争力。 因此，研究并掌握基于机器视觉的b g a 植球机视觉检测和自动对准控制技 术，既具有重要的学术意义，又具有巨大的市场潜力。1 。 1 3 课题研究内容 论文要解决的主要问题是b g a 基片经植球机植球后的缺陷检测和植球前 的自动对准，它涉及到图像处理、模式识别、运动控制等方面的知识。为了设 计合理有效的解决方案，对b g a 植球机的植球工艺过程和机械运动结构等知识 做事先的研究是必须的。而解决方案的实现则需要v i s u a lc + + 等面向对象的编 程语言的支持。因此，本文的研究内容主要涵盖以下四个方面： 1 研究b g a 植球机的植球工艺和机械运动结构，从而设计合理且可行的 试验方案，解决b g a 植球机焊球贴放过程中的自动对准和植球结束之后的缺陷 检测两大问题，以提高b g a 封装的成品率。 2 根据b g a 植球机的工艺和运动特点，设计系统的整体方案，确定定位 和检测处理的流程，并研究上述流程中涉及到的视觉图像处理的方法原理，解 决系统中用到的各种硬件之间的通讯、集成等问题。论文将通过研究机器视觉 7 的图像采集，图像处理，特征提取和识别控制等关键技术，提高机器视觉处理 的精度，可靠性等问题，使得机器视觉技术在b g a 植球机的自动对准和缺陷检 测上发挥优势，并最终完全代替现在的人工检测。 3 研究并实现快速缺陷检测方法。由于机器视觉系统，尤其是在图像处理 和识别环节，处理的数据量很大，占用了大量的时间，降低了系统的实时性， 影响机器视觉技术的应用。论文将探讨一些加快数据处理的算法，如s s d a 、f f t 等，并通过这些算法的应用达到快速缺陷检测的目的。 4 研究快速平稳的视觉自动对准控制技术。b g a 植球机拾放的焊球体积很 小，质量很轻。如果运动过程的震动太大，很容易导致焊球脱落。因此，伺服 系统既要求静态误差小，有要求动态响应块，运动过程平稳。论文将通过对运 动控制精度的研究，确保对准精度要求；并通过合适的加减速方式，实现快速 的加减速，减小加减速运动过程中的冲击，保证运动的平稳性。 1 4 本章小结 本章首先简单介绍了半导体产业的规模和生产流程，引出半导体封装的六 种主要形式，并通过市场调查数据分析得出，b g a 封装是当前主流的封装技术； 然后介绍了b g a 封装的关键设备b g a 植球机的国内外研究现状，通过对 这些研究的分析得出，机器视觉技术是b g a 植球机不可或缺的核心技术之一； 接下来详细介绍了关于机器视觉的研究、应用及其对提高b g a 植球机定位精 度、检测速度和成本效率等方面的重要作用，从而引出并阐述了本课题研究的 意义；最后介绍了本文研究的主要内容和要达到的预期目标。 第二章b g a 植球机的植球工艺研究和自动对准运动系统设计 2 1b g a 封装技术 b g a 为b a l l g i r d a r r a y 的英文缩写，即球栅阵列封装，b g a 封装技术是新 一代的芯片封装技术。b g a ( 球珊阵列) 封装是将q f p ( 方型扁平式封装技术) 的四周接脚连接线排列方式置于底部，另以点状行列的方式排列，韭以焊锡球 作为接脚及焊点，克服导线架脚位数目、散热及信号干扰等问题。通俗一点说， b g a 其实就是一种将集成电路“打包”的技术。拿我们常见的主板芯片组来说， 我们实际看到的体积和外观并不是真正的工作芯片的大小和面貌，而是芯片经 过“打包”即封装后的产品。 这种打包对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。因为芯片必须与外界 隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电学性能下降。另一方面， 封装后的芯片也更便于安装和运输。重要性在于：封装技术的好坏还直接影响 到了芯片自身性能的发挥和与之连接的p c b ( 印制电路板) 的设计和制造问题。 所以可以这样讲： “封装技术的不断推陈出新正在推动着芯片制造业的不断发 展进步”。 b g a 封装技术，是现今最先进、最流行的封装技术之一。它具有很多优势。 最突出的一点就是体积小。七十年代流行的双列直插式封装( d i d ) ，其芯 片面积与封装面积之比为1 ：8 0 。八十年代出现的表面安装技术( s m t ) ，其封装 面积虽比七十年代大幅度减少，但仍是芯片自身面积的7 - 8 倍。而b g a 封装面 积只有芯片面积的1 5 倍左右。相对前两种封装技术，说它小巧玲珑再恰当不 过。追求“更小，更轻便”，一直是电子业界的一贯目标。封装体积的不断减 小带来了芯片总体积的减小，从而实现了在相同体积下装入更多芯片，同时在 相同芯片引脚数下有效缩小p c b 面积的目的。b g a 便是这样一种变理想为现实的 “利器”。因此，自b g a 技术诞生之日起，它就引起了电子制造业界的广泛关 注，并随着其成本的下降呈现出越来越广阔的市场前景，大有一统天下之势。 b g a 封装技术之所以得到认同，还有另外的原因，一是由于其大大提高了 系统的稳定性，改