（计算机软件与理论专业论文）自动焊机中定位技术的研究.pdf

塑塞z! ! ! ! ；o 摘要 超声铝丝焊接机和超声金丝球焊接机主要运用于半导体生产后工序中芯片 焊盘与外框架间引线的焊接。本课题是，。东省教育厅科学基金项目，对中小企j 目前现有的手动焊接设备进行自动化改造。 项目所完成的自动设备，采用机器视觉自动识别技术，不需要每片都人工干 预，同类工件只需要进行次检测识别，以后无需再人工操作焊接，人工只需要 上下工件即可。可以做到一人多机，在生产效率上有较大幅度的提高。可以说在 今后相当一段时间内，是中小企业所希望装备的产品。本论文完成的主要研究如 下： 1 、提出手动焊机改造的方案，具体设计了自动焊机的硬件系统和软件系统。 同时重点分析图像识别系统可以利用的两种方法，即硬件型图像处理系统和软件 型图像处理系统，并结合课题的实际情况选择采用后一种方法。 2 、针对噪声污染，系统采用先平滑后增强的预处理。预处理过程为首先对 图像进行中值滤波，在保持边缘的同时有效地滤除噪声干扰，然后通过直方图均 衡提高图像的对比度，忽略了一些不稳定的细节。为加快速度，对图像的预处理 只针对模板图像，而不针对场景图像。 3 、讨论分析目前常用的基于灰度的模板匹配技术，即f f r 相关算法、序贯 相似检测算法( s s d a ) 、幅度排序相关算法、多辨率塔型结构算法。在本课题中， 精度与速度要求极高。经实验对比发现，序贯相似检测算法具有较高的计算速度、 定位精度，比较适合于高要求的工业应用中。为进一步满足系统的要求，本文改 进了自适应门限序列的s s d a 算法，将匹配过程分为两步进行，第一步为粗匹配， 第二为精匹配，大大提高定位的精度与速度。 4 、自动焊机的最终目的是精确定位焊点。焊点定位是指精确快速找到每对 焊点的位置，即每对焊点的坐标。对处于相同的外部环境，同一种芯片型号，摄 像头位置不改变的条件下，焊点到芯片中心的距离大致一样。但由于在手工贴芯 片时，肯定存在芯片的旋转与偏移误差，这个距离还是会有所偏差a 基于此，项目采用类比学习来解决这个问题。其过程为：人工引导测定各个 焊点在芯片坐标( 以芯片中心为原点) 中的坐标，并保存下来，然后利用模板匹 摘要 配识别芯片，而后修正预存的焊点坐标为精确的焊点坐标。通过这样的方法对焊 点进行定位准确快捷。 本课题的成果大大改善我国中小企业当前芯片封装工艺的生产状况，具有非 常好的市场前景，将会产生巨大的经济效益与社会效益，产业化前景非常乐观。 此外，本研究对于我国开展半导体后工序制造设备的开发，具有重要参考价值。 关键词：机器视觉，焊点定位，中值滤波，直方图均衡，模板匹配，序贯相似检 测算法( s s d a ) ，类比学习 a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r a s o n i ca l u m i n u mw i r eb o n d e ra n du l t r a s o n i cg o l dw i r eb o n d e ra r em a i n l y a p p l i e dt oj o i n tt h ec h i pp a d w i t ht h el e a d - f r a m ei nt h el a t e rp r o c e s so fs e m i c o n d u c t o r p r o d u c i n g t h i sp r o j e c ta i m sa t t h ea c h i e v i n ga u t o m a t i cr e c o n s t r u c t i o no ft h e s e m a n u a le q u i p m e n t su s i n gi nt h es m a l la n dm e d i u m - s i z e d e n t e r p r i s e s ，w h i c hi sf u n d e d b yd e p a r t m e n to fe d u c a t i o no fg u a n g d o n g p r o v i n c e t h ea u t o m a t i c e q u i p m e n t a f t e r r e c o n s t r u c t i n ga d o p t s t h em a c h i n ev i s i o n a u t o m a t i cr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y i ft h es a m et y p eo fc h i p sn e e d st ob ej o i n t e d ，t h e w o r k e r sj u s tn e e dt o i n s p e c t a n di d e n t i f y o n c e ，a n d t h e nt h e s y s t e m w i l lr u n a u t o m a t i c a l l y , n on e e di n t e r f e r ea n ym o r e t h er e s tt a s kf u rw o r k e r si st oc o n v e yt h e c h i p s s o o n ew o r k e rc a no p e r a t es e v e r a la u t o m a t i cb o n d e r s ，a n d n a t u r a l l y t h e p r o d u c t i v i t yi m p r o v e sc o n s i d e r a b l y t h i sa u t o m a t i cb o n d e rw i l lb ew e l c o m e db yt h e s m a l la n dm e d i u m - s i z e de n t e r p r i s e si nt h ef u t u r e i no r d e rt oa c h i e v et h et a r g e t ，o u r p r o j e c ti st oc o m p l e t et h i sa u t o m a t i cr e c o n s t r u c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sa n d s u m m a r i z e st h em a i n p a r t so ft h i sp r o j e c t t h e p r i m a r y r e s e a r c hi sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e c o n s t r u c t i o np r o p o s a li sb r o u g h tf o r w a r d ，a n dt h eh a r d w a r es y s t e m a n ds o f t w a r es y s t e mo fa u t o m a t i cb o n d e ra r es p e c i f i c a l l yd e s i g n e d a tt h es a m et i m e ， t w os c h e m e st h a tc a nb eu s e da r ea n a l y z e dw i t he m p h a s i s ，t h a ti s ，t h eh a r d w a r e i m a g e p r o c e s s i n gs y s t e ma n dt h es o f t w a r ei m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m c o m p a r e dw i t ht h e s e t w os c h e m e s ，w ed e c i d et o a d o p t t h el a t t e rm e t h o dc o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a l c o n d i t i o n ( 2 ) t h eq u a l i t yo fi m a g e d e c l i n e sab i tb e c a u s eo ft h en o i s ep o l l u t i o n t oc o u n t e r t h i sp r o b l e m ，w ed e t e r m i n et os m o o t ht h ei m a g e f i r s t l y , a n dt h e ne n h a n c et h ei m a g e t h ec o u r s eo f p r e p r o c e s s i n gi sa sf o l l o w ：f i r s t ，t h ei m a g e i ss m o o t h e db yt h em e d i a n f i l t e r t h ei m a g ei sf i l t e r e dt h ed i s t u r b a n c eo fn o i s ew h i l et h ee d g ei sr e t a i n e d t h e n t h e i m a g ei s e n h a n c e d b yg r a yh i s t o g r a mt r i m m i n g a n di m p r o v e di t s c o n t r a s t ， n e g l e c t i n gs o m eu n s t e a d yd e t a i l s c o n s e q u e n t l yt h ep r e p r o c e s s i n gp a v e st h ew a y f u r a b s t r a c t l a t t e ri m a g e m a t c h i n g ( 3 ) s o m ec o m m o n l y u s e df a s ti m a g e m a t c h i n ga l g o r i t h mb a s eo ng r a ym a t c h i n g a r e d i s c u s s e d ，i n c l u d i n gh 叮a l g o r i t h m ，m u l t i t u d es o r t i n gr e l a t i o n a la l g o r i t h m ， s e q u e n t i a ls i m i l a r i t y d e t e c t i o n a l g o r i t h m ，m u l t i r e s o l u t i o n p a g o d a s t r u c t u r e a l g o r i t h ma n dg e n e t i ca l g o r i t h m i nt h i sp r o j e c t ，p r e c i s i o na n dv e l o c i t y i s h i g h l y d e m a n d b yc o m p a r i s o n ，s e q u e n t i a ls i m i l a r i t y d e t e c t i o n a l g o r i t h m b e a r st h e c h a r a c t e r i s t i c so f s p e e d yc a l c u l a t i o n ，a c c u r a t eo r i e n t a t i o na n da n t i - j a m m i n g ，w h i c hi s f i tf o rt h eh i g hr e q u i r e m e n ti ni n d u s t r y i nt h i sp r o i e c t ，w ei m p r o v et h ea r i t h m e t i co f s s d aa n dd i v i d et h em a t c h i n gp r o c e s si n t ot w os t e p s ：t h ef i r s to n ei st h er o u g h m a t c h i n ga n dt h e s e c o n do n ei st h e p r e c i s em a t c h i n g t h i sg r e a t l yi m p r o v e st h e p r e c i s i o na n dp a c e i no r i e n t a t i o n ( 4 ) t h ea u t o m a t i cj o i n t i n gm a c h i n e i st ol o c a t eb o n d i n gp o i n tp r e c i o u s l y , w h i c h m e a n s l o c a t i n gb o n d i n gp o i n tw i t ht h ep l a c eo fe v e r yc o u p l eo fb o n d i n gp o i n t si na p r e c i s ew a y i nd e t a i l ，t h ep l a c e sm e a n sc o o r d i n a t e so ft h eb o n d i n gp o i n t s i nt h e c o n d i t i o no ft h es a m eo u t e re n v i r o n m e n ta n dt y p eo fc h i p sa n dt h ep l a c eo fc a m e r a r e m a i n u n a l t e r e d ，t h e d i s t a n c eb e t w e e n b o n d i n gp o i n t a n d c h i p c e n t e ri s a p p r o x i m a t e l yt h es a m e i ft h ec h i p sa r em o u n t e d o nf r a m em a n u a l l y , t h e r em u s tb e t h er o t a t i o na n de x c u r s i o no fc h i p se x i s t i n g ，s ot h e r ew i l lb es o m ed e v i a t i o n si nt h e d i s t a n c e i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，w ed e c i d et oa p p l ya n a l o g ys t u d y t h ec o u r s ei sa s f o l l o w ：f i r s tt h ed i s t a n c eb e t w e e nw e l d i n gp o i n t so fc h i pc e n t e ri s m e a s u r e db y m a n u a lw o r k a n dt h e nt h ep o s i t i o no fc h i pi sc o n f i r m e db yt e m p l a t em a t c h i n g l a s t ， t h r o u g hm o d i f y i n g ，t h ep r e c i s ec o o r d i n a t e si s c a l c u l a t e d t h i sm e t h o do fl o c a t i n g b o n d i n gp o i n t i sp r e c i o u sa n d q u i c k t h e p r o d u c t i o n so ft h i sp r o j e c ti m p r o v e t h em a n u f a c t u r i n gs t a t u so fo u rn a t i o n s s m a l la n dm e d i u m - s i z e de n t e r p r i s e s i t so fs i g n i f i c a n tf o fr a i s i n gt h el a r g ee c o n o m i c a n ds o c i e t yb e n e f i t t h eo u t l o o ko fi n d u s t r i a l i z a t i o ni so p t i m i s t i c b e s i d e st h a t ，t h i s r e s e a r c h p o i n t s o u tan e wa p p r o a c hf o rf u r t h e r d e v e l o p m e n t o fl a t e r p r o c e s s e q u i p m e n t so f s e m i c o n d u c t o r p r o d u c t i o n o fo u rn a t i o n a b s t t a c t k e y w o r d ：m a c h i n ev i s i o n ，b o n d i n gp o i n tl o c a t i n g ，m e d i a nf i l t e r , g r a yh i s t o g r a m t r i m m i n g ，t e m p l a t em a t c h i n g ，s e q u e n t i a ls i m i l a r i t y d e t e c t i o n a l g o r i t h m ( s s d a ) ， a n a l o g ys t u d y 华南师范大学硕士学位论文答辩合格证明 学位申请 整窒墨向本学位沦文答辩委员会提交 题为自边蜱妞孽睦型耋垂乏车姻硕士论文， 学位论文答辩委员会委员( 签名) 主席： 霉互! 颦 肇酶 论文指导老师( 签名) ：趁 伊纩年月乒日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 半导体工业作为计算机、通讯、工业控制、机电一体化、能源、交通、轻工、 冶金乃至家用电器等众多领域的支柱产业。其市场需求至2 0 1 0 年将达到3 2 0 0 亿元。半导体产品的生产与制造市场竞争日趋激烈，制造产品的设备正在朝着高 速、高精度、智能化、柔性制造系统( f m s ) 、多功能等全自动化方向发展。 作为支柱的半导体制造工艺分成前后两道工序，芯片的制造和芯片的封装及 测试，其中芯片的制造被称为前道工序，而芯片的封装及测试则被称为后道工序， 前道和后道工序一般在不同的工厂里进行加工。芯片制造的主要加工过程是化学 清洗、平面光刻、离子注入、金属沉积氧化、等离子体化学刻蚀。而后，芯 片被送到封装测试厂进行最后的加工。 封装是后道工序中关键的个过程。简单说来，封装是指安装半导体集成电 路芯片所用的外壳。它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的 作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁：笛片上的焊盘用导线连 接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。 因此，封装对集成电路起着重要的作用。 图1 1 所示是芯片封装的主要加工过程。在硅片贴膜工序中，在硅片表面上 贴一层保护膜以防止在磨片的过程中硅片表面电路受损；磨片是为了减小硅片背 面的厚度，以满足封鼗工艺要求；硅片的拆膜贴片是使用保护膜和金属框架将 硅片固定，为硅片切割做准备；切割是将硅片切成单个的芯片，同时洗去硅片上 的硅屑；芯片粘贴是指将芯片用粘合剂粘贴到框架衬垫( s u b s t r a t e ) 上_ _ ；引线键合 是用金线将芯片上的引线孔和框架衬垫上的引脚连接，使芯片能与外部电路相 连；模塑是塑封元件的线路，以保护元件免受外力损坏，同时加强元件的物理特 性，便于使用。其中每一道工艺都涉及到精密的设备。 封装设备的发展与芯片技术的发展是相辅相成的。新一代i c 的出现常常要 求有新的封装形式，而封装形式的进步又将反过来促成芯片技术向前发展。自从 1 9 5 8 年美国德克萨斯公司试制成功世界上第一块集成电路起，加余年来世界i c 第一章绪论 产业经历了小规模、中规模、大规模、超大规模和特大规模集成电路的发展阶段。 单块半导体硅晶片上集成的元器件数目越来越多，集成电路的功能和速度飞速提 高，电子产品直朝着便携式小型化、网络化和多媒体方向发展，这种市场需 求对电路组装技木提出了两点主要要求：其一是单位体积内信息的提高( 高密度 化) ；其二是单位时间内处理速度的提高( 高速度化) 。为了进一步满足这些要求， 提高电路组装的功能密度便成为促进微电子封装技术发展的重要因素。 图1 1 半导体封装和测试加工流程 与此对应，芯片的封装技术也经历了几代变迁，从d i p ( d u a li n l i n e p a c k a g e ) 、q f p ( q u a df l a t p a c k a g e ) 、p g a 、b g a ( b a l l g r i d a r r a yp a c k a g e ) 到 c s p ( c h i p s i z ep a c k a g e 或c h i ps c a l ep a c k a g e ) ，再到m c m ( m u l t ic h i pm o d e l ) ， 技术指标一代比一代先进，芯片面积与封装面积之比越来越接近于l ，适用频率 越来越高，耐温性能越来越好，引脚数越来越多，引脚间距越来越小，重量越来 越小，可靠性越来越高，使用更加方便等等。 1 2 课题背景l 】。【2 】 尽管我国集成电路产业在近年来有了快速的发展，但在总体上与发达国家相 比，还存在很大差距，主要表现在三个方面：一是产业规模小，2 0 0 2 年全国集 成电路销售额仅占全球集成电路销售总额的2 6 ，占国内市场需求份额不到 2 0 ，大量产品还要靠进1 2 1 ；二是创新能力弱，表现在关键核心技术与知识产权 至 筌 第一章绪论 掌握少，产品设计开发能力弱，重点整机产品所需要的高档i c 产品主要靠进口， 高级设计人才和工艺开发人才缺乏；三是支撑业发展滞后，半导体生产线设备、 仪器和材料主要依靠进口的局面尚未改变。 近年来经大规模的调整和发展，我国己有8 英寸0 1 8 微米生产线及1 2 英寸 0 1 8 微米生产线，具备2 微米、5 英寸水平以下的前工序主要设备配套能力，但 在后工序的关键设备的研制方面尚处于起步方面。 由于我国的丰富人力资源，在半导体生产的后工序中，具有非常强的竞争力。 据不完全统计，我国承担的半导体制造后工序，如做半导体三极管、二极管、集 成电路引线键合的超声波铝丝焊接与超声波金丝球焊接工序，在国际上占有一半 以上的份额。 半导体制造后工序中的引线键合设备在集成电路制造业是必不可少的。我 国已能自主生产超声波金丝球焊接机和超声波铝丝焊接机这两种引线键合设备， 但尚未实现自动焊接。采用手动焊接，对焊接人员依赖较大，难以保证焊接精度， 因而工艺水平不高，生产效率低，不能满足现代化大生产线的需求。目前只有实 现超声波金丝球焊接机和超声波铝丝焊接机的自动化焊接才能大规模提高产品 的产量和质量。 还有一点值得注意的是，在上述生产中占主导地位的是中小型企业。 国外半导体设备公司，如“先进”等公司的设备，完全是高端产品，以全自 动为主，其技术主要以专用集成电路为核心，专门的系统，自主的软件。其价格 昂贵，一般每台都在7 0 到1 ( 3 0 万元人民币，对于中小型企业而言，根本无法承 受。 而国产的超声铝丝焊机和超声金丝球焊机还是以手动为主。虽然国内有一些 公司在生产半自动产品，但是，所谓半自动产品还停留在一人一机的水平。对于 工件上的每块芯片的焊接，均需要人工干预，生产效率比较低下，由于人工操作， 产品的合格率也受到影响。所以在今后一段时间里，市场对于自动焊接设备的需 求会更加旺盛，尽快开发具有自主知识产权的国产自动焊接设备是我国电子专用 设备行业发展的重点。 目前国产的手动超声金丝球焊机主要有7 种型号：t s 2 1 0 0 型，t s 2 0 0 0 型， 9 9 6 型，9 9 8 型，j w y h - 3 型，u b 8 6 1 型，m u j 一2 b 型，平均价格在1 7 一1 8 万 第一章绪论 元。超声铝丝焊机主要有1 1 种型号：u 2 1 0 0 型，u 2 0 0 0 型，9 8 4 型，9 8 8 型，c h l - 2 型，c h l - 4 型，h c h l - 1 型，u b 8 5 1 型，u b 8 5 3 型，m u h l - 3 b 型，m u l - 2 b 型， 平均价格在1 5 1 6 万元。 目前使用手动焊机的部分厂家有：番禺佳隆电子厂、深圳市圣迅实业有限公 司、深圳光显电子厂、深圳神光光电高科技有限公司、深圳紧浩光电有限公司、 深圳鸿利科技有限公司、福建福日科光电子有限公司、深圳银虹电子有限公司、 广州雄业电子厂、深圳彗光电子厂、江西井岗山半导体厂、九江无线电二厂、桂 林无线电一厂、福州8 4 3 0 厂、都匀4 4 3 3 厂等。 1 3 超声波焊接概述 超声波金丝球焊接机与超声波铝丝焊接机类似，在此，只简单介绍超声波金 丝球焊接机。 1 3 1 工作过程 超声波金丝球焊机的工作过程是高压打火器将直径2 0 3 0 pm 金丝( b o n d w i r e s ) 烧成球，然后通过超声波热压焊接方法将其焊接到芯片( c h i p ) 的电路 引出端的焊盘( p a d ) 上，在系统x y z 三维运动控制下拉出最定的金丝线形，并 将金丝焊接到引脚框架上( l e a df r a m e ) 上，拉断金丝完成一条电路引线的焊接 过程。如此往复，直到整个芯片封装引脚全部焊接完毕，完成一只芯片的焊接过 程。图1 2 所示的是芯片焊接示意图。 雕l ，2 茜黠撵接承爨鄹 第一章绪论 1 3 2 工作原理 键合( b o n d i n g ) 是通过施加压力、机械振动、电能或热能等不同能量于接 头处，形成连接接头的一种方法，属于压力焊接的一种。在键合接头内金属不熔 化，但是被连接面之间发生原子扩散，即被连接面之间己达到了产生原子结合力 的距离。 引线键合是指微电子器件中固态电路内部互联线的连接，是把金属丝向芯片 上的焊盘处相连接。从键合的能源加以区分，引线键合工艺包括热压键合、超声 波键合( w i r eu l t r a s o n i cb o n d i n g ) 、热超声键合( u l t r a s o n i ch o tp r e s s u r ew e l d i n g ) 等：从键合的工具及对引线端部的工艺处理不同可分为球一劈刀键合( b a l l w e d g eb o n d i n g ) 和楔一楔键合( w e d g e - - w e d g eb o n d i n g ) 。 超声波键合是在材料的键合面上同时施加超声波和压力。热超声键合是超声 波键合的一种变化，即再外加一个热输入。这样就能键合金丝，否则在室温下， 单纯用超声波难以将金丝键合。键合件的加热温度为1 2 0 1 8 0 0 c 。它结合了热 压与超声两者的优点。在超声波焊接系统中，一般由换能器、聚能器、耦合杆和 上声极构成声学系统。声学系统中各个组元的自振频率设计成同一个频率，当超 声波发生器的振荡电流频率与其一致时，系统即产生谐振，并向焊接体输出弹性 震动能，配合静压力将机械震动能转换为工件间的摩擦功、变形能和随之而产生 的温升，实现焊接体在固态下的连接。 将机械震动能量转变为工件间的摩擦功、变形能以及随后有限的温升，是在 母材不发生熔化的情况下实现的，所以超声波焊接是一种固态焊接方法，不会对 半导体材料引起高温污染及损伤，非常适合于微电子器件的封装工艺。 1 4 机器视觉系统概述嘲1 7 l 机器视觉技术是指用计算机实现生物视觉的功能，也就是用计算机来实现对 客观三维世界的识别，这是随着计算机技术的发展而开拓出来的一个新的计算机 应用领域，研究范围包括图像采集、图像的数字化、数字图像处理、数字图像分 第一章绪论 析和模式识别等内容，并着重于对事物的理解。目前计算机视觉技术在替代和超 越人的视觉功能方面获得了一系列惊人的成果，显示了强大的生命力。 1 4 1 图像概述 图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接 或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。人的视觉系统就具有这样的观察能 力。人们还制造了许多利用各种辐射对客观场景成像的系统。图像是表达视觉信 息的一种物理形式。数字图像采集的最终结果是某种能量的样本阵列，所以常用 矩阵或数组来表示，其中每个元素的坐标代表场景点的位置而元素的值代表场景 点的某个特性量。 1 4 2 机器视觉系统原理 人们从外界环境获取的信息中，8 0 来自于视觉。人们的眼睛从自己周围的 环境获取大量信息，并传入大脑后，由大脑根据知识或经验，对信息进行加工、 推理等处理工作，最后识别、理解周围环境，包括环境内的对象物。机器视觉就 足用计算机模拟人眼的视觉功能，从图像或图像序列中提取信息，对客观世界的 三维景物和物体进行形态和运动识别。 机器视觉主要研究用计算机来模拟人的视觉功能；从客观事物的图像中提 取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。机器视觉系统 是以计算机为主体的图像观察、识别和分析系统。它主要采用摄像机作为计算机 感觉图像的传感部件。或称探测部件。摄像机感觉到在给定视野内目的物的光强 分布，然后将其转换成模拟电信号，模拟电信号通过a d 转换器被数字化成离 散的数值，这些数值表示视野内给定点的平均光强度，这样得到的数字影像被规 则的空间网格覆盖，每个网格叫做一个像素。显然，在像素阵列中目的物影像占 据一定的像素数。计算机对上述包含目的物数字图像的像素阵列进行处理，将所 得图像特征与事先输入计算机的参考图像进行比较和分析判断，并根据其结果向 执行机构发出指令。 第一章绪论 机器视觉系统不会有人眼的疲劳，有着比人眼更高的精度和速度，借助红外 线，紫外线，x 射线，超声波等高新探测技术，机器视觉系统在探测不可视物体 和高危险场景时，更具有其突出的优点，机器视觉系统现已得到广泛的应用。 1 5 机器学习概述曙6 】 机器学习是研究学习的计算理论，建立学习的计算机模型，使计算机具有学 习能力的学科，是人工智能的研究核心，是使计算机具有智能的根本途径。 1 5 1 机器学习系统 所谓学习系统是指能够在一定程度上实现机器学习的系统。一个学习系统通 常应具备目的性、结构性、有效性和开放性四个特征。另外，学习系统还要满足 以下四个基本要求： 第一，具有适当的学习环境。 第二，具有一定的学习能力。 第三，能够运用所学的知识求解问题。 第四，能通过学习提高自身性能。 从西蒙的学习定义为出发点，可以建立如图所示的简单的学习模型： 图1 - 3 表示学习系统的基本结构。环境向系统的学习部分提供信息，学习部 分利用这些信息修改知识库，增进系统执行任务的效能，执行部分根据知识库完 成任务，同时把获得的信息反馈给学习部分。 在学习系统中知识库中知识的修改是很重要的，学习系统的本质要求它不断 地修改自己的知识库，当执行得到新的知识后，就要加到知识库中，当发现某些 知识不适用时要将其删除。 机器学习是人工智能领域中一个较新的分支，虽然，现在己经有了许多种学 习方法，但机器学习还很不成熟。尽管机器学习的理论和方法亟待更大的创新和 突破，但机器学习的成果己经开始在人工智能应用领域产生了很大的影响。 第一章绪论 围1 3 帆器学习系统的基本模黧 1 5 2 机器学习的分类 正如人类有各种学习方法一样，机器学习也有很多方法，根据评价时注重的 角度不同可以有许多不同的分类，按学习策略来划分机器学习的类型，能够把机 器学习方法划分为5 大类。 机械式学习：机械式学习也称记忆式学习。它通过记忆外部环境所能提供的 条件和任务完成时动作序列之间的关系来达到学习目的。 传授式学习：传授学习也称为指导式学习。在这种方式下，学习环节的任务 只是对环境提供的信息进行选择和改造，并主要是在语法层次的变换。 演绎学习：演绎学习是指以演绎推理为基础的学习。在演绎学习中，学习系 统由给定的知识进行演绎的保真推理，并存储有用的结论。 归纳学习：归纳学习是指以归纳推理为基础的学习。根据学习过程有无导师 指导，归纳学习又分为有导师的示例学习和无导师的观察和发现学习。 类比学习：类比学习是演绎学习与归纳学习的组合，这是一种利用相似性从 己知的某领域知识得到另一领域中相似知识的学习方法。 1 6 课题研究的意义 集成电路后封装设备在集成电路制造业是必不可少的。然而目前，像共晶粘 片机和全自动金丝球焊机等核心设备仍需依赖进口。因此发展我国自己的微电子 产业，打破对发达国家的技术依赖，加快半导体封装设备的国产化进程势在必行。 该课题的成果可以大大改善当前半导体焊机的中小企业的生产状况，因此具 8 第一章绪论 有非常好的市场前景。据统计，国内企业现有的手动超声金丝球焊机与超声铝丝 焊机至少在数万台以上，而且这个数目每年还在增长。如果每台手动焊机平均用 于设备改造的费用在两到三万元，此项总费用至少有2 3 亿元人民币。如果与 手动焊机生产厂家合作，还可以考虑直接生产自动焊机，以取代手动焊机产品。 本课题改造费用在1 5 2 万元人民币左右，加上原来手动焊机1 5 2 万元人民 币左右，改造后的自动焊机总价格在3 5 4 万元人民币左右。每改造台设备 产生的毛利在4 0 0 0 - - 5 0 0 0 元人民币。国内用于改造的市场有数亿元以上，并且 可以和焊机生产厂家进行合作，共同生产。因此该课题所产生的经济效益与社会 效益是非常巨大的，产业化前景非常乐观。此外，本研究对于我国开展其它半导 体后工序制造设备的开发，具有重要参考价值。 1 7 论文主要研究内容 本课题所完成的自动焊接控制系统的目标就是针对上述中小企业目前现有 的手动超声铝丝焊接机和超声金丝球焊接机设备改造而进行的。在原有的设备基 础上，增加一些计算机控制设备、控制软件、工作平台以及伺服电机等，化少量 的资金，将原有的设备改造成自动设备。 项目希望所完成的自动设备，采用机器视觉自动识别技术，不需要每片都人 工二f 预，同类芯片只需要进行一次机器学习，以后无需再人工操作焊接，自动设 备会自动识别：卷片和引脚框架，而后精确定位每对焊点并自动焊接，人工只需要 上下工件即可。可以做到一人多机，在生产效率上有较大幅度的提高。可以说在 今后相当一段时间内，是中小企业所希望装备的产品。本项目产品自动焊机与进 口的全自动焊机的差别主要在上下工件方面，后者由机器自己完成。 对于项目改造完成的自动焊机，预期将达到以下的技术要求： 1 、高速性 时间就是效益。自动焊机与手动焊机相比，在速度上，焊接一线至少要提高 2 倍以上，一般手工焊接速度为5 0 0 m s 线，所以要求自动焊机速度至少为2 5 0 m s 线。并且在正常情况下，系统一经启动要连续不停的工作。自动焊机能显著提 高生产效率。 第一章绪论 2 、精确性 系统必须有高度的定位精度。在运行过程中自动进行中心几何位置，焊点位 景，边缘位置的人工视觉识别，识别精度在6 t m ；芯片定位与步进电机坐标 控制误差在t s “m ； 3 、易用性 对同类型工件只进行一次手工示范操作，即可对该类芯片实现自动焊接， 人工只需上下芯片；此外入与计算机经常存在交互关系，并处于在一个统一体 中，人机对话方式要灵活。 4 、适用性 适应性是指焊接机具有适应不同引线键合要求的能力，主要是指能焊接芯片 的类型，开发出来的自动焊接机应能焊接尽可能广泛类型的芯片类型。当焊接机 从焊接一种类型的芯片转换成焊接另一种类型的芯片时，需要进行焊接机的再编 程、供料器的更换、定位工作台的调整、焊接头的调整更换等工作。 改造后的自动焊接系统主要由三部分组成：机械控制子系统、图像识别子系 统、图像定位子系统。 本论文主要研究的是图像识别子系统和图像定位子系统。 图像识别技术是实现自动化的关键技术之一。图像识别是一个把未知图像与 已知图像联系起来的过程。对一个复杂的识别系统来说，它的内部常同时存在着 多种输入和其它知识共存的表达形式。识别是把输入的未知图像与系统记忆的图 像进行结合，发现其联系的过程。匹配算法就是用来建立这些联系的一种技术。 准确识别芯片是系统实现精确定位的前提条件。 图像定位子系统是实现系统精确定位的重要部分。机器学习是其中采用的核 心技术。机器学习是一个有特定目的的知识获取过程，其内部表现为新知识结构 的建立与修改，外部表现为机器工作能力的提高。通过人工示范学习，系统获取 焊点的位置信息。这使设备自动化成为可能。 1 0 第一章绪论 1 8 主要技术难点 1 、图像数据进行的相应的预处理；由于视频采集系统获得的图像经常含有 大量的噪声信息，预处理的工作对以后燕个工作流程的进行都有极大的影响，而 且对最终的定位效果有莫大的关系，鉴于此，将对这些视频图像采用适合图像噪 声特征的预处理技术。 2 、在对芯片的识别中，还有一个问题是必须解决的。因为在国内来说，贴 装( 将元器件贴到引线框架上) 是手工来完成，对于每一次贴装，贴装精度都是 不同，精度难于控制。贴装精度标志元器件相对于引线框架标定位置的贴装偏差 大小。如图1 4 所示，贴装精度由两种误差组成，即平移误差和旋转误差。一方 面这就会使得元器件可能是斜的，与基板成一角度，另一方面也会使得元器件可 能无法精确贴到基板所要求的位置，向左向右向上向下偏了一点。这给精确定位 元器件的中心带来了很大的麻烦。 口霸0 0 口0 0 0 0 0 0 0 口口口 口口口 d 口0 口圈睡口d q 口妇口口口口 3 、在精度上，由于芯片焊盘而积约为9 0 p r o x 9 0 p m ，而引线尾径高压烧球 后端直径达到5 0 ，6 0 p r o ，然后通过焊接头的超声热压焊，球端压缩变形，实际 接触面积达到了7 0 8 0 p m 。同时工艺要求芯片焊接后，焊点到焊盘的边距大于 5 p m 。通过以上分析，要求芯片定位精度为6 t 1 肛m 。此外，由于此自动系统为 一个实时系统，并且我国的情况是劳动力资源非常丰富，所以对与改造后的焊机， 与手动焊机相比，在速度上，焊接一线至少要提高2 倍以上，一般手工焊接速度 为2 线s ，为此要求自动焊机速度至少为4 线s 。为达到速度和精度的高要求， 1 1 第一章绪论 相应算法要求也极高。如果达不到这个精度和速度，改造完成的自动焊接设备毫 无意义。 4 、由于我国半导体后工序中占主导地位的是中小型企业，因此要求设备的 成本较低，应为中小企业所能接受的范围。这样才会有市场。鉴于此，在改造中 所使用的硬件都是中低档的产品，尽量用软件去弥补硬件的不足。这样对系统所 采用的流程和算法提出了更高的要求。 第二章自动焊接系统设计 第二章自动焊接系统设计 本系统设计包括硬件和软件两方面的内容。一方面由于项目完成的自动焊机 是基于手动焊机基础之上，必须合理设计硬件系统，利用现有的手动设备，适当 添加设备，为实现所要求的功能提高支撑平台；另一方面由于系统对精度和速度 的要求很高，并且引线键合现场存在各种干扰，所摄取的图像往往并不十分清楚， 特征不十分明显，因此，图像识别定位算法的设计成为关键部分。 2 1 图像处理系统唧9 1 项目的核心部分图像处理系统一般分为两大类型： 1 、软件型图像处理系统 在计算机中插入一个图像采集卡，图像采集卡中有刷新图像存储器等专用硬 件，而软件型图像处理系统是指在完成图像采集工作后，图像处理工作由计算机 利用相应的软件完成。其处理速度完全取决于计算机c p u 的运算速度。 软件图像处理系统中图像存储体部分是设计的难点，图像存储体分别与输 入、输出、计算机有一个接1 2 ，而且这三个接口时序都不一致。一般c c d 摄像 机输入近似l o o n s 像素，这个速度要求存储芯片选用5 0 n s 的品种，而通用工控 计算机的存储器很难达到这样快的c p u 控制存取速度。图像存储器输出到显示 器常规速率也是l o o n s ，而且是连续不断的传送数据显示。图像存储器的第三端 与计算机相连，由c p u 随机存取，一般来讲存取速度较慢。因此设计一个三端 的图像存储体是硬件环境的主要问题。幸运的是现在许多计算机厂商生产了配合 p c 级计算机的通用插件，通常称之为视频采集卡，它包括了a d ，d a ，图 像存储器和一些操作用的查找表。许多处理变换可用查表的方式提高运算速度。 由于图像中每个像素都由主机取出进行处理，所以对整幅图像的处理速度完 全依赖于计算机执行软件的速度。一般来讲，都希望处理速度快一些，那么可以 从两方面来提供处理速度。一是提高计算机本身的硬件指标，尽量选用处理速度 快的计算机。一是优化图像处理算法，开发实用性强的快速算法。一般通过这两 方面是可以获得较快的整幅图像的处理速度的。 第二章自动焊接系统设计 这种系统的建立只需购买一块通用视频采集卡，便能迅速展丌工作，大大缩 短了开发周期，节约了生产成本，开发的成功率也很高。但这种系统往往只对静 态图像或处理数量不多的图像的应用领域较适合。 2 、硬件型图像处理系统 硬件型图像处理系统是指系统利用专门硬件进行图像处理，而主机仅发布命 令或进行小部