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s m t 中机器视觉的若干关键技术研究 摘要 表面组装技术s m t 是一门涉及元器件、组装设备、焊接方法和组装辅助材 料等内容，用来将电子元器件组装到印刷电路板( p c b ) 上的综合性技术。机器 视觉是利用视觉传感器获取景物的二维图像，通过视觉图像处理、分析和解释， 得到有关景物的特征描述，并为特定的任务提供有用信息，用于指导机械手动作。 机器视觉辅助系统是多功能贴片机不可缺少的核心部分，贴片机元器件视觉识别 是本文要研究的课题。 根据视觉识别系统完成的主要任务，同时参考当今流行高性能贴片机视觉系 统的软、硬件组成，本文主要研究的视觉辅助识别系统包括：图像预处理算法研 究、s m t 技术与s m d 元器件分析、元器件识别算法和流程研究等几部分。以期 系统性地分析和研究出机器视觉辅助元器件识别过程中遇见的理论和实际问题， 最终解决元件视觉识别相关核心技术问题。 1 图像的预处理 图像预处理是视觉过程的初级阶段，是任何图像应用系统都将面临的问题， 根据原始图像信息质量和需要解决的具体问题不同，预处理方法将大不相同，本 文将分析图像预处理的些传统方法，并从中选出最适合元件图像识别的方法。 本文介绍和应用了在s m t 技术中对芯片的计算机图像处理及识别的设计思想和 实现方法。采用有选择的局部平均化对芯片图像进行平滑处理，并分别用四邻、 八邻和二阶巴特沃斯高通滤波器对芯片图像进行增强，实验结果说明该研究对芯 片处理是有效实用的。 2 图像识别的算法和流程研究 图像识别算法和流程是视觉辅助识别系统的关键，系统识别精度和速度主要 从视觉算法和识别流程上体现出来。采取怎样的算法和流程，使得它在满足元器 件识别精度要求的情况下，以最快的速度得到准确的元器件信息，实现元器件的 识别是本文要研究的重点问题之一。文中要研究解决的图像识别算法和流程是 s m d 图像识别的核心问题。 3 s m d 元器件特征识别 在元器件进行图像处理后，对其特征进行识别，在开发的软件环境中，即可 以进行交互式人机对话，也可以完全自动地对元器件进行不间断地连续检测。针 对具体的引脚元器件，我们主要是检测元器件类型、引脚类型、引脚长度、引脚 宽度、接触脚长度、脚间距、引脚数、基体宽度、基体长度、引脚共面性等等元 器件特征。保证每一个贴装到p c b 板上的元器件达到设计要求，从而保障贴装产 品的质量。1 ，一硝7 j 。 关键词图像处理，机器视觉，芯片元器件，表面贴装技术 r e s e a r c ho ns o m e k e y p r o b l e m so fm a c h i n ev i s i o ni ns m t a b s t r a o t s m t ( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ) i s ai n t e g r a t e dt e c h n o l o g y i n c l u d i n gs m d ， e q u i p m e n t ，j o i n t i n ga n dm a t e r i a l ，e t c i tm o u n t ss m d o np c b a c c o r d i n gt oad e s i g n m a c h i n ev i s i o nt a k e s2 d i m a g eb y v i s i o ns e n s o r , t h r o u g hi m a g ep r o c e s s i n ga n di m a g e a n a l y z i n g ，g e t s t h ec h a r a c t e r so ft h es c e n e r y , a n du s e st h eu s e f u li n f o r m a t i o nt o c o n t r o lt h em a n i p u l a t o rt om o t i o n m a c h i n ev i s i o na s s i s t a n ts y s t e mi so n eo f k e yp a r t s i nt h em u l t i f u n c t i o ns u r f a c em o u n t e q u i p m e n t c h i pd e v i c er e c o g n i z e di sak e yi s s u e i nt h e p a p e r a c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o n s ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft o d a y sm a c h i n ev i s i o n a s s i s t a n ts y s t e m ，v i s i o na s s i s t a n tr e c o g n i z es y s t e mi nt h i sp a p e ri n c l u d e s ：r e s e a r c ho n i m a g ep r e p r o c e s s i n ga r i t h m e t i c ，a n a l y s i sa b o u ts m t a n ds m d ，r e s e a r c ho ns m d r e c o g n i z e da r i t h m e t i ca n dr e c o g n i z e df l o w t h ep a p e rw i l ls t u d ys o m et h e o r e t i ca n d p r a c t i c a li s s u e si ns m dr e c o g n i z e dp r o c e s s ，a n dt r yt os o l v et h e m 1 i m a g ep r e p r o c e s s i n g i m a g ep r e p r o c e s s i n gi st h ef i r s ts t e pi nv i s i o nr e c o g n i z e dp r o c e s s p r e p r o c e s s i n g m e t h o di s v e r y d i f f e r e n t a c c o r d i n go r i g i n a l i t yi m a g e i n f o r m a t i o na n d p r a c t i c a l p r o b l e m s t h i sp a p e r w i l la n a l y s i sa n du s es o m e i m a g er e c o g n i z e dw a y sf i t t i n gs m d i m a g e i ti n t r o d u c e si m a g ep r o c e s s i n ga n dr e c o g n i t i o nw e a n si n s m t i tu s e st h e s e l e c t i v el o c a la v e r a g i n gf o ri m a g es m o o t h n e s s a l s oi ti n c l u d e si m a g ee n h a n c eb a s e d o nf o u r - n e i g h b o r h o o d ，e i g h t n e i g h b o r h o o da n db u t t e r w o r t hh i g h p a s sf i l t e r i n g t h e e x p e r i m e n t r e s u l ti n d i c a t e st h a ti ti sa na v a i l a b l es o l u t i o n 2 r e s e a r c ho ns m d r e c o g n i z e da r i t h m e t i ca n dr e c o g n i z e df l o w s m d r e c o g n i z e da r i t h m e t i ca n df l o wa r ek e yi s s u e si nv i s i o nr e c o g n i z e ds y s t e m ， a n dr e c o g n i z e dp r e c i s i o na n ds p e e dm a i n l yd e p e n do nt h e m h o wt o g e tt h ee x a c t s m di n f o r m a t i o ni nt h es h o r t e s tt i m ew i t l lp r e c i s i o n t h i sp a p e rt r i e st o g i v et h e a r i t h m e t i ca n df l o w 3 s m d r e c o g n i z e d a f t e ri m a g e p r o c e s s i n g ，t h i sp a p e r w i l lr e c o g n i z es m d t h es o f th a si n t e r f a c ea n d a c t ss t e pb ys t e p ，a l s oc a ni n s p e c ts m d a u t o m a t i c a l l ya n dc o n t i n u o u s l y f o rl e a p d e v i c e ，t h es o f tw i l lg e tt h ei n f o r m a t i o n ，s u c ha sd e v i c et y p e ，l e a pt y p e ，l e a pl e n g t h ， l e a pw i d t h ，f o o tl e n g t h ，p i t c h ，n u m b e ro fl e a p s ，b o d yw i d t h ，b o d yl e n g t h ，l e a p c o p l a n a rt o l e r a n c e ，e t c i t t r i e st om a k es u r e e v e r y d e v i c e f i t t i n g t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t k e w o e d s i m a g ep r o c e s s i n g ，m a c h i n ev i s i o n ，s m d ，s m t 第一章绪论 1 1 微电子装备技术背景 当前，世界正在经历着一个以新材料、新能源、生物工程、海洋工程、航空 航天技术和信息技术为代表的新技术革命时期，其中影响最大、渗透力最强、最 具有代表性的新技术革命就是以半导体为基础、以集成电路为核心的电子信息技 术。它已渗透到现代国防、现代工业及社会生活的各个方面。以硅为主体的半导 体技术是电子信息产业发展的主要驱动力。在过去的30 年中，硅芯片技术可谓 目新月异，突飞猛进。它已从集成几十个元件，仅具有简单逻辑功能的小规模集 成电路发展成为现在的集成数百万甚至上亿个元件，可完成复杂电子系统功能 的超大规模和特大规模集成电路，其单片集成度正在向十亿元件迈进。以i c 为 主的微电子制造业，已成为迅速发展、影响越来越大的高科技产业。目前，在一 些发达国家，信息产业产值己占到国民经济总产值的4 0 6 0 ，国民经济总 产值增长部分的6 5 都与微电子有关。微电子产业的发展速度、规模和科学技术 水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志，成为促进国民经济持续发展和保 障国家安全的战略性基础产业。半导体技术则是微电子技术的基础和核心。用于 i c 制造的半导体设备可以分为六大类型1 0 0 多品种，其分别为：电路设计和掩模 制作设备；晶体生长及圆片制备设备：片子处理、光刻设备；薄膜生长、掺杂、 片子热处理设备：后道封装、检测、测试设备；工厂净化、水处理及其它设施。 按国际上s e m i 协会对半导体制造设备分类，可分为七大类：( 1 ) 制版设备；( 2 ) 晶片制备设备；( 3 ) 薄膜生长设备；( 4 ) 图形加工设备；( 5 ) 掺杂设备；( 6 ) 微芯 片封装设备；( 7 ) n 试设备。 表面组装技术s m t ( s u r f a c em o u n t e dt e c h n o l o g y ) 是一门涉及元器件、 组装设备、焊接方法和组装辅助材料等内容，用来将电子元器件组装( 又称为贴 装) 到印刷电路板( p c b ) 上的综合性技术，它是八十年代以来国际上最热门的 新一代电子组装技术，被认为是电子组装技术上的一次革命1 6 7j 。s m t 装配线设 备主要由丝印机、贴片机和焊接机等组成，贴片机是其中最关键的设备，其价格 通常占装配线设备总价的5 0 ，因而它历来是s m t 成套设备研究人员研究的重 点。标志贴片机发展水平的指标主要有三个：( i ) 可贴元器件的范围：( 2 ) 贴装速 度：( 3 ) 贴装精度。国外中高档表面贴装自动生产线的生产厂家主要有日本的富 士、雅马哈，美国的环球，德国的西门子，荷兰的菲力普，以及近年来在我国市 场上占很大比例的韩国三星等。目前，国外在s m t 领域内，技术上已基本成熟， 设备的发展也已成套，并逐步向智能化、高度集中管理的方向发展。 我国s m t 设备的研制目前还处于低级阶段，要缩短与美、日等发达国家水 平的差距，“技术跨越发展方式”为我们提供辽一种好的发展模式。技术跨越发 展方式又称为“跳跃式“1 9 1 ，它是指在借鉴发达国家发展经验的基础上，集成自 主创新，利用国外已经成熟的先进技术，跨越技术发展的某些低级阶段，直接应 用、开发新技术和新产品，进而形成优势产业，提高国家的综合国力和国际竞争 力的一种方式。目前国内外成熟的先进技术，比如高精度的图像采集硬件设备、 精密的机械传动控制技术、智能传感技术等，都为我们实现技术跨越发展提供了 技术支持，为自行开发研制先进微电子装备创造了有利条件。 1 2 微电子装备技术课题研究的意义 微电子装备涉及到半导体制造、s m t 、p c b 制造等几大领域，他们都需要 解决高速、高精度、力控制方面的技术问题，视觉系统是这几大领域必须具备的 关键技术。不妨先了解一下半导体制造工业。 半导体制造工业是一个新兴的高技术产业，除了具有高新技术产业共同的 特点之外，还有其独特之处。其中最为典型的就是技术附加值高。以i c 图形转 印的曝光设备为例，7 0 年代用5 0m l n 硅片加工的接触接近式光刻机价值仅为 2 0 - - - 3 0 万台。随着图形线宽的不断缩小和圆片直径的不断增大，对曝光设备技 术性能及自动化、净化程度的逐步提高，到8 0 年代用于1 0 0 1 5 0 m m 硅片的 光刻机，由于采用了反射投影曝光和自动对准技术后，价值便上升到1 0 0 万美元 台，采用了分步投影、自动调焦技术的光刻机售价上升到1 5 0 万美元台；进入 9 0 年代初期用于2 0 0m m 圆片、o 5um 线宽的曝光设备，由于曝光谱线由g 线 转向i 线( 4 3 6n m 一3 6 5 n m ) ，设备价格便上升到3 0 0 万美元o 。当曝光谱线再 由i 线转向深紫外( d u v ) 波长( 3 6 5 n m - - 2 4 8 n m ) 后，设备售价便马上提高到4 0 0 万美元台。目前，采用了步进扫描曝光技术的准分子激光曝光设备的售价已达 到8 0 0 万美元o ，最新报导的采用更短曝光波长( 1 3n m ) 的极紫外( e u v ) 曝光 设备的单台售价竟高达1 4 0 0 万美元0 。相同功能的设备，由于技术含量的不断 增加，其价值从2 0 3 0 万美元台，剧增到1 4 0 0 万美元台，价值提高了4 0 5 0 倍。再以其产品为例，用于1md r a m 器件的1 5 0m i n 硅片，其最原始的材料便 是地球上最为常见的含石英砂子。与个1 5 0m r n 硅片对应的多晶硅材料只不过 几美元，而单晶硅片却值3 0 美元，经半导体工艺加工制作了电路芯片后就升值 到2 4 0 美元，再经后工序加工，一个1 5 0f i l r l l 圆片的价值便上升到7 0 0 美元，其附 加值倍增达百倍，这种点石成金的半导体工艺技术，广泛地综合了最高水平的科 学知识和工程技术。半导体专用设备正是这一复杂又极尖端的工艺技术的物化。 投资密集、经济效益好，半导体制造业即是一个“点石成金”的产业，但它同对 又是一个需要不断投入巨额资金的“吞金”产业，其设备和科研投资费用非常 大。特别是进入v l s i 时代以来，器件的特征尺寸越来越小，芯片集成度和电路 设计复杂程度又不断提高，加之在向亚微米和深亚微米发展的同时，各种先进技 术f 如激光、机器人、自动化技术以及高纯技术和高真空技术等) 在微细加工制 造领域的应用，使半导体制造设备日趋高精度和自动化，以致投资急剧增长。此 外，厂房净化、测试和封装工艺手段的提高使得开发和制造新一代产品所需的投 资数十倍乃至上百倍地增加。如6 4 md r a m 生产线设备的投资约为同等规模 1 md r a m 生产线的1 0 倍，一条月产2 万枚2 0 0 m m 圆片的2 5 6md r a m 生产 线，其投资约1 3 亿美元，但相同规模的3 0 0 m m 圆片的2 5 6 md r a m 生产线投资 则高达2 4 亿美元，若生产规模上升到3 万枚时，2 0 0m m 圆片生产线的投资便增 加到2 0 亿美元，而3 0 0 m m 圆片生产线的投资则高达3 6 亿美元。尽管这种投资 高得惊人，但半导体制造技术所追求的正是产品性价比的不断提高。为此，人们 主要从改进电路设计、减少图形线宽和增大芯片面积着手来提高器件性能和市场 竞争力。在7 0 年以前主要侧重于工艺，进入8 0 年代以后，半导体技术进步的重 心变化由改进工艺逐步转向改进设备，从而加快了i c 技术物化的进程，通过设 备技术的进步、追求产品的高性价比，实现了丰厚的垄断利润。例如，1 6 kd r a m 每位价格1 9 6 8 年为2 美元，而1 9 9 2 年仅为零点几美分。1 6 md r a m1 9 9 4 年初 的售价6 4 美元，到1 9 9 6 年底的售价只有1 0 美元了。英特尔公司的8 0 8 6 微处理 机在1 9 7 5 年售价为6 0 美元，但在8 0 年代初就降到了5 美元，到1 9 9 7 年9 月的 售价仅有i 2 美元，如果在过去的2 0 年中，汽车的价格按同样规律下降，则目前 仅需要1 0 美元即能买到汽车。从投入和产出比来看，吐金量远大于吞金量。半 导体设备的作用和地位当代国力、军力的竞争，归结于微电子领域的竞争，微电 子领域最活跃的产品是半导体。因此，这种竞争归根结底就是半导体设备的竞 争。器件的发展靠的是新的工艺，而工艺技术又是以加工设备为基础来实现的。 长期以来，世界上在半导体领域竞争最为激烈的就是美国和日本。为了保持美国 半导体工业在世界的领先地位，美国半导体工业咨询委员会在1 9 8 9 年1 1 月向美 国国会和总统递交的“危急中的战略工业”中指出：“半导体工业是关系到美国 经济和国家安全的生死攸关的战略产业”。“为了支撑整个电子工业，保持国家的 基本福利和安全，一个强大的半导体工业是必不可少的，而充满活力的材料和设 备工业对于健全发展的美国半导体工业来说是至关重要的。”实际上，半导体工 业及其制造设备的竞争已远远超出了技术和经济的范畴。日本人认为：“控制了 超大规模集成电路( v l s i ) 就控制了世界产业”。英国人则认为：“如果一个国 家不掌握半导体技术，他就立刻会加入到不发达国家行列”。日本n e c 公司的一 位负责人说：“如果说n e c 的集成电路几年来销售一直居世界第一，不言而喻是 靠我们自己的努力，但5 0 的贡献应归功于日本国产化的精密、高效、可靠的 制造设备”。7 0 年代初，日本半导体设备的7 0 8 0 依靠进口，到8 0 年代后 期，日本半导体设备的国产化达到8 0 以上，从而为日本的半导体工业的昌盛 奠定了基础。正是由于半导体设备的支撑和赋能，使半导体技术有了不断的发展， 而其广泛应用的结果则首先体现在现代军事技术的迅猛发展和武器装备的巨大 变革。“微电子技术对于当今防务的重要性无异于第二次世界大战时的原子弹” 以及海湾战争中“硅芯片战胜了钢铁”的形象说法，正是对半导体及支撑技术一 一半导体设备工业在军事装备中所产生的深远影响和所起作用的高度评价。冷战 以后，美国能源部受克林顿政府委托，支持包括半导体设备在内的i c 工业，其 部长f r e d e r i c ap e n a 在他的开发极紫外光刻设备的计划时强调指出：我们现在需 要的是领先的计算机技术来保证国家的核军事工业的安全，而不是靠轰炸实验。 从1 9 8 7 年到1 9 9 0 年美国前十三家半导体公司用于设备的投资分别为1 8 0 3 亿、2 4 _ 3 亿、2 7 3 亿以及2 8 8 亿美元，约占其半导体年销售收入的2 0 ；而同 期日本前1 0 家半导体公司的设备投资则达2 4 亿、4 2 亿、5 1 4 亿和5 15 亿美元， 占其年销售收入的2 5 3 0 。韩国在1 9 8 5 年以前的设备投资占其半导体销售 收入的1 0 0 3 0 0 ，1 9 8 6 年到1 9 8 9 年间为5 0 8 0 ，只是到了1 9 9 0 年， 韩国完成了1 4 md r a m 生产线设备的投资之后，才降到了2 5 的水平。它反 映了半导体产业发展的个十分明显的特点，即在产业发展的初期阶段其投资 强度必须达到一定的规模。 半导体产业投资的另一个特点就是周期性，从8 0 年代初至今，投资周期有 三个大的高峰期。第一次是1 9 8 4 年，全球的资本投资增长了9 0 。但在许多器 件制造商们生产过剩的情况下，随之而来的是1 9 8 5 年和1 9 8 6 年的投资滑坡。第 二次投资高峰期是1 9 8 8 年，这是由于日本公司为获得市场而增加投资，使投资 增长了5 8 。但当日本银行骤然刹车和日本货币贬值的时代结束时，日本领先的 投资周期便在1 9 9 0 年终结。1 9 9 4 1 9 9 5 年，世界半导体产业又一次经历了创历 史纪录的高增长率，高达3 9 ，其间设备的投资额增长了5 0 7 0 。引起这次 投资高峰的主要原因是全球性的p c 机形势大好，该行业大约每年消耗世界半导 体总量的4 5 以上。信息高速公路的提出，通讯的数字化、多媒体以及与计算机 相结合使半导体市场火爆，以英特尔为首的美国芯片厂商受益最大，从而极大地 刺激着半导体制造商的投资环境，出现了全球的第三次投资高峰。进入9 0 年代 后期，世界半导体制造设备投资发生明显变化的另大趋势是亚太地区所占的 市场份额正在迅速增大，从投资情况来看，1 9 9 6 年亚太地区的公司投资十分活跃 他们的资本投入占了1 9 9 5 年总销售额的7 3 ，相比之下，日本投资仅达到销售额 1 9 。日本公司的资本投入占全球的2 6 ，与亚太地区相差4 ，但按地区投资 来看，日本公司占2 1 5 ，北美占3 2 5 ，而亚太地区则占3 5 2 ，占世界之首， 比日本高出1 3 7 。它表明了日本不再是半导体公司投资的热点，与此鲜明对比 的亚太地区成了众家投资的主要受益者。1 9 9 5 1 9 9 6 年间全世界新宣布的1 5 0 2 0 0 m m 生产线共七十七条。在这7 7 条生产线中，台湾地区就占1 0 条，投资总额 为7 0 亿美元，1 0 条线均要求1 9 9 7 年底建成。 1 3 国内外贴片机技术研究现状 七十年代，美国、日本相继研制出一些低精度、低速度、功能单一的贴片机。 在表面组装技术( s m t ) 应用初期，由于表面组装元件( s m d ) 的封装形式比较单 一，主要是针对片式( c h i p ) 化电阻、电容等元件，为满足这种元件贴装要求， p a n a s o n i cm 印及s a n y o3 1 8 系列初级贴片机系统应运而生 1 0 l ，贴片精度达 到了0 2 5 l 1 1 m ，速度达到了1 0 0 0 片h 。相对于传统手工插件组装而言，这样 的速度和精度无疑是一场深刻的技术革命。随着半导体工艺技术的发展，更多、 更精细的s m d 封装形式如s o p 、p l c c 、9 f p 等的出现，对贴片机设备的功能、 精度和速度有了更高要求，这些类型的贴片机就面临着新的问题。 九十年代以来，微电子工业的高速发展推动大批中等精度、速度的贴片机进 入市场。如t e s c o n 公司的f a 一3 0 1 ，c e l m a c s 公司的s m t - 8 4 0 0 等系列贴片机，这 些类型的贴片最高精度可达0 1 m m ，同时运用多个贴片头满足不同类型的 s m d 抓取。为提高s m d 的贴片精度，配备了机械对中定心台，此类贴片机具有 多功能，柔性好等特点，实际上它们是今天世界流行的中( 高) 速、高精度贴片机 的雏形。由于定心爪及定心台均采用纯机械式机构，使得其定心精度大大削弱， 同时机械抓片方式对精细的s m d 脚端不可避免造成一定损伤，z 轴气缸直接驱 动有时对s m d 和p c b 造成过大冲击等缺点。这个时代的贴片机还没有配上视觉 系统，因此元件在高精度自动定位、自动检测等方面还存在问题。 当今流行的高性能全自动贴片机，拥有了高精度机器视觉定位系统，高精度、 高速、多功能是它们最基本的特征。在高精度机器视觉辅助下，可贴装的阻容元 件尺寸达到了1 0 0 5 、0 6 0 3 甚至更小，目前可实现这些小型元件贴装的代表性机 型有m u l t i t r o n i k s 公司的l v x - i 、m y d a t a 公司的m y 9 、p a n a s o n i c 公司的 m p a g 3 、m s h g 3 等系列，据p a n a s o n i c 公司称其最新c m 8 8 s 机型是高速贴装 微形0 6 0 3 元件的最好机型。随着芯片集成度的提高，更新的封装形式如b g 4 、 c s p 、c o b 、f l i p c h i p 的出现，对贴片机的的通用性要求成为资金较目b 的中、 小型用户的首选机型，只有适应性较强的机型才能赢得更多用户，p a n a s o n i c 公 司的m p a g 3 系列贴片机可以完成从微小的片式元件到q 卯、b g a 和c s p 的 各类元件贴装，其他诸如f w 公司的q p 埘j b 朋m 、p a n a s o n i c 公司的m s r ， m v i i f ，m v i i v b 系列、q u a d 公司的q s p 一2 、u n i v e r s a l i n s t r u m e n t 公司的环球多 功能组装机、y a m a h a 公司的y 珊6 d y 矿，0 0 d 删“等机型都具有贴装不同类型 元件的功能。f u j i 公司是生产高速贴片机的代表，它生产的c p 一7 3 2 e 型高速贴 片机，达到了每o 0 6 8 秒片( c h i p ) 的贴装速度；即一1 4 e x p 一2 4 1 e 高速紧凑射 片机，不仅用途多而且速度也非常的高，对片式元件达到了0 4 0 6 秒片，对 带脚芯片达到了0 7 1 5 秒片的速度：q p l 3 2 一e 机型采用1 6 个贴装头同时并行 工作的策略，达到了速度的顶峰为o 0 0 2 8 秒片，每小时贴片量达到1 2 7 0 0 0 片； 目前号称单头最高贴片速度的是p a n a s o n i c 公司的m s h i l l 机型，它具有两个吸 头，它可以在非常密的p c b 上贴装1 0 0 5 的片式元件和尺寸小于1 8m m 的q _ 即， 速度达到0 0 7 5 秒片。贴片精度是贴片机中最主要的参数之一，新型c s p ( 芯片 尺寸封装) 和f l i pc h i p ( 倒装芯片) 等元件封装的推出，以及产品进一步的微型 化，对贴装精度的要求目益增高，由于采用了高精度、高速、非接触图像定位技 术，提高了元件贴装定位的可靠性，同时高分辨率的线性编码闭环系统和交流伺 服闭环系统的使用，更有效地提高了贴装的精度。y a m a h a 公司的y v 8 8 x 机型 达到了0 0 8 r a m ( 片式元件) ，o 0 4 m m ( q f p 元件) 的贴装精度，其他公司生产 的高精度贴片机由于采用了先进的激光、图像定位技术，也把定位精度控制在 o 0 8 0 1m m ( 片式元件) ，0 0 4 0 0 5 m m ( p 即元件) 以内。产品封装形式的多 样化，比如奇数脚( o d dc h i p ) 元件的出现，也使一些专用型贴片机的研究有所推 进，h u t c h i n s ，c h a r l e sl ( 1 9 9 6 ) 等人在该领域作了相当的工作，使得原来必须 用手工方式组装的元件，也可以在机器视觉系统的帮助下，达到精度和效率的统 分析当今流行的高性能贴片机，可以看出它们都有一个共同特点：都采用了 视觉辅助定位系统。视觉定位系统与传统的定位系统比较具有以下优点： a ) 视觉系统能捕获s m d 引脚端子的状况。 b ) 机械夹持系统的中心往往受s m d 接触状态的影晌，而全视觉系统无此影 响。 c ) 机械夹持头精度会随时间而变化，全视觉系统保证有准确的精确度。 用于处理包括细间距f l i pc h i p 在内的各种类封装型式的高性能s m d 贴片系统， 至少要备有两部元件摄像机，与普通摄像机相比，f l i pc h i p 摄像机必须采用不同 的照明方法并要有更高的分辨率，采用全视觉系统的贴片机的贴装精度有的甚至 达到0 0 4 m m 。 我国的表面贴装设备市场几乎完全被国外的公司所垄断。尤其在中高档表面 贴装自动生产线方面目前仍是空白，完全依赖进口。我国从8 0 年代初丌始尝试 引进s m t 技术，到8 0 年代中期开始实际应用，进入9 0 年代随着我国经济的快 速发展而得到广泛的应用。由于我国基础工业落后，无法与工业大国相比，对电 子制造业的装备研发投资力度相对不足，自主开发能力低，目前无论是片式元件 的生产线，还是贴装生产线，几乎全是从国外引进。据海关统计，仅2 0 0 0 年1 至8 月份，进口贴片机达9 3 1 台，进口金额达1 5 2 亿美元。迄今为止，国内贴 片机约5 0 0 0 余台，其中没有一台为国产设备。我国的表面贴装设备的技术水平 与发达国家相比有很大差距。一些关键技术装备的贴片精度低、速度慢、自动化 程度不高，且无图像识别功能。 国内s m t 设备相比而言较落后，目前除了能制造一定水平的丝印机、焊接 和清洗设备外，还不能独立制造高性能贴片机系统设备。8 0 年代中后期开始， 电子部先后有一些单位从事过贴片机的研制工作。1 9 8 8 年1 2 月，电子部4 3 所 成功研制出国内第一台j p 丁一d 2 型低速贴片机，贴片速度精度达到了0 2 用7 7 ， 速度达到2 0 0 0 片d , 时；电子部2 1 所在1 9 8 9 年1 2 月研制出中等精度贴片机， 精度为o 2 , 7 7 7 7 ，速度达到了4 0 0 0 片d , 时；电子部2 所于1 9 9 2 年3 月研制出 s m t - 8 9 p l 中等精度贴片机，精度o 2 1 7 1 1 1 7 ，速度达到了1 8 0 0 片d , 时；并于1 9 9 4 年4 月又研制出s m t - f 4 0 自动贴片机，精度达到了较高水平0 1 5 脚用【2 。遗 憾的是：由于高精度视觉定位等先进技术没有合理地融合进这些设备中，使得严 重影响贴片机性能的贴装精度、速度等性能指标总不能很好解决，因而根本不能 满足越来越精细的元件贴装对设备的要求；同时，这些单位在取得阶段性成果后， 由于各方面的原因，并没有紧跟国际先进贴片机技术发展趋势继续研究，反而处 于停滞状态，所以直到现在我国仍然没能掌握贴片机视觉定位核心技术。近几年， 随着以中国华晶、上海先进微电子、上海贝岭、华越微电子、首钢n e c 等五大 骨干企业为主的微电子产业基本框架结构的形成，带动了相关设备市场的繁荣， 国内在深圳、江苏、浙江等地相继出现了一些生产贴片机整机或部件的中小型合 资、独资企业，但贴片机系统中的视觉定位软硬件核心技术仍非国人所掌握，因 此高精度的视觉定位技术研究成为研制高性能贴片机必须首先和必须研究解决 的关键课题。 国产设备、模具的品种和水平与市场需求差距较大，有些关键设备( 如：全自动 粘片机、全自动金丝球焊机等) 国内还是空白。据该协会统计，1 9 9 9 年国产半导体 封装设备和模具总销售额仅2 0 0 0 万元( 人民币1 。目前，半导体封装设备和模具 基本依赖进口。据测算，新增1 0 亿块集成电路的封装能力，需要进口约2 5 0 0 万 美元的设备和模具；新增1 0 亿只三极管封装能力，需进口约5 0 0 万美元的设备 和模具。仅以今年2 个封装厂的技改项目为例，新增片式三极管1 7 亿只集成电 路8 5 亿块，用于进口设备和模具的费用达到3 0 0 0 万美元。 据调查，外商独资企业都是使用当代国际先进的自动化大生产装备。合资企 业的封装生产线也基本上实现了自动化，装备水平相当于9 0 年代初的水平，有 的公司( 如南通富士通公司) 使用了国产设备。国内投资的企业多数使用手动操 作的设备，少数企业也使用了相当于国际8 0 年代水平的自动化生产设备。与会 专家认为，我国“十五”期间，集成电路将以s o t 、s o p 、q f p 、d i p 为主流产 品。所以，国内封装设备开发应以半自动化设备为主，尽量减少因人工操作而影 响产品的成品率。其次，为了尽快满足市场需要，应先开发技术上能国产化、价 格上有竞争力的“短、平、快”设备。“十五”期间，专用设备行业要抓住机遇，加 快半导体设备的国产化。 仅就具有代表性的专用设备单位所开发的新品作一介绍：由信息产业部电 子第四十五研究所研制的q d l 0 0 1 型切筋打弯机和s w - 3 6 工位环形垂吊式电镀 生产线经南通富士通微电子公司1 年多的使用，其主要性能同其原有引进设备性 能相当。该所研制的j y 2 0 0 型集成电路标志、打印机集表面氢氧焰处理、印字、 烘烤凝固和自动收料于一体，具有良好的产品适应性和高效的生产率，已被多家 用户使用。铜陵三佳公司研制的q f p 一4 4l 集成电路塑封模，采用整体型腔，保 证了成型精度。与其配套的自动冲、切成型模具从取料切筋、成型到装盒，不仅 效率高，而且稳定可靠，保证了较高的成品率，填补了国内空白。该公司研制的 片式钽电容塑封模具及其配套成型模具也已顺利交付用户使用。振华集团建新公 司研制的我国第台c 4 5 2 0 i i y h 型2 0 0 吨塑封压机选用了国际先进的液压件和 密封件，有效地降低了噪声、减小了压力波动、彻底解决了漏油现象。由于关键 电器元件也使用了国际先进元器件，使控温精度、可靠性、平稳性大大得以提高。 1 4s t d t 中的视觉应用技术 机器视觉是利用视觉传感器获取景物的二维图像，通过视觉图像处理、分 析和解释，得到有关景物的符号描述，并为特定的任务提供有用信息，用于指导 机械手动作。从众多视觉应用可以看出，机器视觉一般分为两大组成部分：其 一是相对较稳定的硬件部分( 包括光源、光学镜头、线阵或面阵c c d ) ，其二是 针对不同应用目的软件部分。由于图像处理是一切视觉应用问题的基础，掌握图 像预处理和图像分割基本方法将有助于本文将要进行的图像研究：目前电子行业 中元件缺陷检测、焊接缺陷检测、印刷电路板缺陷检测、元件定位都是视觉技术 应用异常活跃的领域；同时先驱们的图像识别具体研究方法，也为本文的研究工 作提供了指导。本节将综述上述几方面的研究状况，以便为文中将要进行的s m d 图像视觉识别研究开阔思路。 机器视觉系统已经广泛应用于表面组装( s m t ) 自动化生产线。现代先进 组装设备，大都配上了相应等级的机器视觉系统，a n f y j o n e s ( 1 9 9 8 1 ，e d c a r a c a p p a ( 1 9 9 7 ) ，s u n g p i n g s u n ( 1 9 9 8 ) ，t r i v e d i ( 1 9 9 7 ) ，m c w a l t e r ( 1 9 8 9 ) 等人对视觉系统 在s m t 中的应用都做了深入的研究。根据机器视觉在s m t 中的作用，一般把 它分为：检测、目标识别、元件抓取和贴放、导航、轨迹控制等，v e r n o n ( 1 9 9 1 ) 的统计表明机器视觉在检测领域应用其占总应用的8 0 以上。 5 7 - 6 3 视觉系统常用于检测元件的变形及元器件特征。细间距元件，元件脚的变形 是导致贴片误差和贴片可靠性的重要原因之一。贴片机在元件视觉定心和对准的 工序中，视觉系统同时对元件脚进行检测，检测它有无弯曲及搭接等缺陷。特殊 要求的场合也同时检测元件脚的共面性，h a l l m a n ，e i l e e n ( 1 9 9 2 ) 6 4 1 的研究提出 了元件脚共面性检测的重要性。在检测过程中，视觉系统对元件的检测通常是将 图像中元件脚的各项特征几何指标与理论值比较而得出结论i 65 j 的过程。 视觉系统已经广泛应用于p c b 板的视觉检测。随着单位面积电子元件数量 密度的增加和元件的复杂性增加，传统的自动测试设备a t e 翻u t o m a t i ct e s t i n g e q u i p m e n t ) 已不能适应现代电路板检测的需要。由于视觉检测系统在电路板检 测过程中具有快速、准确、便于计算机处理等优点，p c b 裸板的视觉检测在很 早以前就应起了研究者重视。1 9 8 2 年n a k a g a w a ，y ， 1 9 8 3 年m c i n t o s h ，e ， 1 9 8 4 年w e s t ，g a 肌1 9 8 6 年s a m ，三c 和彳丘七加、1 9 8 8 年h a r a ，z 和且d o i 、 m o g a n t i ( 1 9 9 5 ) 等人就对机器视觉在p c b 裸板检测中的应用进行了详细研究， 可以说在p c b 裸板几何缺陷视觉检测领域，由于起步较早，现在已经非常成熟。 视觉系统除了用于检查几何缺陷，有的电路板生产者还用机器视觉光学检测系统 a o 翻u t o m a t i co p t i c a li n s p e c t i o n ) 检测电路板各层的导电状况，同时检测它们 的电器性能，这种检测方法已经被d o y l e k 等人成功地应用。其检测原理是通过 特殊成像装置对不同深度层的电路图成像，而后逐点逐点的与对应层标准参考图 像进行比较从而得到结果的- 4 十方法。g i e l e s a c m 等人还应用视觉方法检测特 种电路板的导电等级，它们采用图像检测蚀刻误差、磨损和焊点的偏离。 j b z h a n g ( 1 9 9 4 ) 在总结视觉检测系统在p c b 检测中的优越性指出：正是由 于机器视觉检测系统的存在，增强了裸板的质量、可靠性同时降低了价格，与此 同时使产品的形状变小。垆“”1 经过表面组装后的电路板要进行终结检测，看是否存在元件缺装和元件装配 是否有明显的偏差等可能出现的缺陷。许多研究文献中都采用了光缝光学系统和 影子光学系统等特殊的光学照明系统，以便使视觉系统采集到的图像满足处理要 求。另外，视觉系统通常也被用于电路板出厂前的标牌检查等，总之，视觉检测 贯穿于整个s m t 生产周期中。 视觉系统也用于元件组装时的电路板定位。通常，贴片机利用视觉系统对 电路板上的基准点和标志点进行识别和定位，得到电路板位置数据，电路板安装 时，即使由于机械定位使其偏移理想位置，也可以通过计算机内的修正数据进行 校正，得到精确的p c b 位置数据，降低了对电路板机械安装定位精度的要求， 大大简化了电路板的安装夹具的结构，增加了系统的柔性，确保了精密定位。 可见视觉技术在s m t 中的应用非常广泛。而本文的目的是研究s m d 元件贴 装过程中的视觉定位相关技术。 表面贴装技术中s m t 设备的更新和发展代表着表面贴装技术的水平，面向 新世纪的s m t 设备将向着高效化、柔性化、环保化的方向发展。 i ) 高效化由于表面贴装元器件( s m c s m d ) 的不断发展，其封装形式也在不断 变化，新的封装不断出现，如：b g a 、f c 、c s p 、m c m 等，对贴片机的性能要 求越来越高，高效的s m t 设备在向高速、高精度、多功能和智能化方向发展。 i i ) 柔性化新型贴片机为了增强适应性和使用效率向柔性贴装系统和模块化结 构发展，满足不同元器件的贴装要求和用户的不同需要。例如美国环球贴片机， 在从点胶到贴片的功能互换时，只需要将点胶组件与贴片组件互换。这种设备适 合多任务、多用户、投产周期短的加工企业。 鳓环保化随着人们对环保要求的不断提高，一些低噪音，清洁无污染环保型 的s m t 设备随之出现，如富士公司的n p l 3 3 e 采用立式旋转头设计，实现了较 低的噪音。韩国m i r a e 的贴片机在驱动装嚣上采用了线性马达和悬浮技术，使得 机器在运行时噪音低、振动小。 1 5 本文要解决的问题 通过仔细调查当今我国微电子产业发展的强劲势头对相关基础设备的需求