（电路与系统专业论文）基于图像重构的BGA焊接辅助定位系统研究与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于图像重构的b g a 焊接辅助定位系统研究1 j 实现 基于图像重构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 摘要 专业名称： 申请者姓名： 导师姓名： 电路与系统 陈炳锐 周卫星 随着电子技术的飞速发展，对芯片的尺寸和集成度提出了越来越高的要求， b g a ( b a l lg r i da r r a y ) ，即球栅阵列封装形式的出现正迎合了发展趋势，并得 到了越来越广泛的应用。b g a 封装的特点是基板的下面按阵列方式引出球形引 脚，在基板上面装配i c 芯片，这样，节距相同的b g a 和q f p 相比，b g a 的i o 数要多的多，如果引出端相同，b g a 的焊点分布要比o f p 引出脚的间距大的多。 因此，b g a 是高密度，高性能，多功能和高引脚数的大规模集成电路封装的最 佳选择。但正是由于b g a 封装的焊球位于芯片的底面，在焊接时操作人员无法 直接看到芯片的焊球，使得焊球与电路板焊盘相应位置的准确定位成为了焊接 工作中的难点。 目前，大规模b g a 芯片的定位焊接工作是通过自动贴片机完成，虽然这些 贴片机可以将表面贴装器件快速而准确地贴装到p c b 板指定的焊盘位置，但是 这些贴片机主要适用于规模化生产( 例如手机生产等) ，且其价格大多数都在 百万元的数量级，对于一般的中小企业和科研院校等单位是难以承受的。另外， 越来越多的电子产品在设计中选用b g a 器件，产品的返修也必然增多。返修时， 经常要对组装完成的电路板中的b g a 器件进行拆卸重焊，由于电路板中其它接 插件可能会影响贴片机机械臂的运动，所以，目前这类工作大部分都由人工操 作完成。由此可见，提供一种适合手工操作的方法是很有必要的。 基于图像重构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 针对上述情况，本文提出了一种基于图像重构的b g a 器件辅助定位系统， 以适用于产品返修时b g a 芯片定位焊接，及使用b g a 器件产品的小批量生产。 该系统用摄像头实时获取电路板和待焊接的实际芯片的图像，但在显示时，原 待焊芯片的位置用一个重构的芯片图像代替。重构芯片的图像采用透明方式显 示，即将底部的焊球呈现在芯片顶部。在已知芯片几何尺寸参数和摄像头放大 倍率等参数的情况下，重构图像可以准确地替代真实芯片。这样，操作者可在 显示屏上同时看见电路板的焊盘和b g a 芯片的焊球，使得定位的准确性大大地 提高。最后，基于课题的实际情况，本文采用了v c + + 与h a l c o n 相结合的方 法实现了图像的实时采集，图像的预处理、分割、重构的工作，完成了b g a 器 件辅助的实时定位。同时，极大地减少了代码量，提高了开发的效率。 关键词：b g a 芯片定位h a l c o n 图像重构图像分割 基于图像霞构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 t h er e s e a r c ha n di m pie m e n t a tio no ft h ea s sis t a n tl o c a tio n s y s t e mb a s e do n im a g er e c o n s t r u c tio nf o rb g ao hip a b s t r a c t m a j o r ： c i r c u i t sa n ds y s t e m n a m e ：c h e nb i n g r u i s u p e r v i s o r ：z h o uw e i x i n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h es i z ea n di n t e g r a t i o no f c h i p si sn e e d e dm o r er e q u i s i t i o n t h ea p p e a r a n c eo f b a l lg r i da r r a y ( b g a ) w h i c h i sa n e we n c a p s u l a t i o nf o r mc a t e r st ot h ed e v e l o p m e n tt r e n d ，h a sb e e nu s e di nm o r ea n d m o r ef i e l d t h ec h a r a c t e r i s t i co fb g ai st h a tt h eb a l lp i n sa r el a i do nt h e u n d e r s u r f a c eo ft h eb a s ep l a t ei na r i da r r a y , a n dt h ei cc h i pi sa s s e m b l e do nt h eb a s e p l a t es u r f a c e t h eb g ac o m p a r e sw i t ht h eq f a i nt h es a m es t e pb e t w e e np i n s ，t h e f o r m e rh a sm o r ei ot h a nt h el a t t e r ，w h i l ei ft h e yh o l dt h es a m ei oa m o u n t ，t h e b g ah a st h eb i g g e rs t e po fw e l d i n gs p o t t h eb g ai st h eb e s tc h o i c ef o rt h el a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t ( l s i ) w i t hg r e a tp e r f o r m a n c e ，m u l t i f u n c t i o n a lf u n c t i o na n d m a n yp i n s b e c a u s et h eb a l lp i n si sl o c a t e do nt h ei cu n d e r s u r f a c e ，t h eo p e r a t i n g p e r s o n n e lc a n tl o o ka tt h e md i r e c t l yw h e nd o i n gt h ew e l d i n gw o r k i tm a k e st h e o r i e n t a t i o no ft h ec o r r e s p o n dp l a c e so fb a l lp i n sa n db o n d i n gp a db e c o m e st h e d i f f i c u l t yi nw o r k i n g n o w a d a y s ，t h ew e l d i n go fl a r g es c a l eb g ac h i pi sc o m p l e t eb ya u t o m a t i cc h i p m o u n t e dm a c h i n e t h o u g ht h i sm a c h i n ec o u l dm a k et h es u r f a c em o u n tc h i pw e l d e d o nt h ep c bc o r r e s p o n dp l a c ef a s ta n da c c u r a t e l y , b u tt h i si sf i tf o rl a r g es c a l e m a n u f a c t u r e ，f o re x a m p l ec e l lp h o n em a n u f a c t u r e ，a n di t sp r i c em u c ht h a nm i l l i o n 基于图像重构的b g a 焊接辅助定位系统研究b - - 实现 c n yw h i c hi sd i f f i c u l t yf o rm i n o re n t e r p r i s ea n da c a d e m yr e s e a r c h i na n t h e rh a n d ， b g ac h i p sa r eu s e di nm o r ea n dm o r ee l e c t r o n i cp r o d u c t ，t h er e p a i rw o u l di n c r e a s e i n e v i t a b l y t h eb g ac h i po fa s s e m b l ec o m p l e t e l yp c bw o u l db ed i s m a n t l e da n d r e w e l d e di nr e p a i rw o r k s o m es o c k e tc o n n e c t o ro nt h ep c bw o u l di n f l u e n c et h e m o v e m e n to fm e c h a n i c a la r n lo fc h i pm o u n t e dm a c h i n e c u r r e n t l yl a r g ep a r to f r e w e l d i n gw o r ki sd o n eb ym a n u a lo p e r a t i o n i ti sn e c e s s a r yt op r o v i d eas u i t a b l e h a n d w o r ko p e r a t i o nm e t h o d f o r mt h ea b o v ed e p i c t i o n ，i nt h i s p a p e rt h ea u t h o rp r o p o s ea na s s i s t a n t o r i e n t a t i o ns y s t e mo fb g ab a s eo ni m a g er e c o n s t r u c t i o n ，f o rp r o d u c t r e w e l d i n ga n d t h es m a l ll o tp r o d u c t i o no fb g a p a r t so fa l la p p a r a t u s t h i ss y s t e mg e t si m a g e so f p c ba n db g a c h i pb ya l li n d u s t r ym i c r o s c o p ea tr e a lt i m e b u tt h er e a lb g ac h i pi s s u b s t i t u t e db yar e c o n s t r u c t i o n i m a g ew h e nd i s p l a y i n g o nt h em o n i t o r t h e r e c o n s t r u c t i o ni m a g ei st r a n s p a r e n t ，a n di tm e a n st h es o l d e rb a l lo nt h eb g a c h i p u n d e r s u r f a c ec o u l dp r e s e n to nt h ec h i ps u r f a c e a tt h es a m et i m et h er e c o n s t r u c t i o n i m a g ec a nr e p l a c et h er e a lb g ac h i pi m a g ea c c o r d i n gt h ep a r a m e t e ro fp h y s i c a l d i m e n s i o na n de n l a r g e m e n tr a t i of r o mm a n u a l t h eo p e r a t i n gw o r k e rc o u l ds e et h e b o n d i n gp a do fp c ba n ds o l d e rb a l lo fb g ac h i p i tm a k e st h eo r i e n t a t i o nw o r k m o r ea c c u r a t e l y f i n a l l y , c o n s i d e r e dt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h es u b j e c t ，t h i sa r t i c l e u s e dv c + + w i t hh a l c o nm e t h o dt oi m p l e m e n tt h er e a l - t i m ei m a g ea c q u i s i t i o n ， i m a g ep r e p r o c e s s i n g ，s e g m e n t a t i o n ，r e c o n s t r u c t i o na n da c h i e v et h eb g ad e v i c e s u p p o r t i n gr e a l - t i m el o c a t i o n a tt h es r m et i m e ，t h em e t h o dc a ng r e a t l yr e d u c et h e c o d e ，a n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：b a g ；c h i po r i e n t a t i o n ；h a l c o n ；i m a g er e c o n s t r u c t i o n ；i m a g e s e g m e n t a t i o n i v 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：棚之 劲可年j 月彩日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 导 日 基于图像重构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 1 1 课题研究背景 1 1 1b 6 a 封装技术 第一章绪论 半导体技术及微电子技术的飞速发展，极大的推动了电子产品向多功能、 高性能、小型化、高可靠性、便携化的方向发展，从而对i c 的集成度和封装尺 寸提出了越来越高的要求。一方面i c 已发展到超大规模电路( v e r yl a r g es c a l e i n t e g r a t i o n v l s i ) 阶段，集成的门电路数高达数百万乃至千万，芯片功能越 来越强大，i o 引出端越来越多；另一方面芯片面积越来越小，封装体也随之 越来越小，无论是芯片级的封装，还是对封装体的二级组装，都同样面临着既 要微型化又要保持器件高性能、高可靠度的矛盾。 在这种背景下，塑料扁平封装( q u a df l a tp a c k a g e ，q f p ) 等四边有引线 的封装技术就遇到了性能与组装两方面的巨大障碍。例如，为了适应i 0 数不 断增长的趋势，往往不得不将q f p 做得很大，或者缩小引线间距，当引脚间距 非常小的时候，引脚容易发生弯曲、变形甚至折断，给组装过程带来诸多不便， 这就造成封装性能的降低并使制造成本越来越高，所以靠进一步减小引脚的间 距以增加输出端的数量已经非常困难。 b g a ( b a l lg r i da r r a y ) 即球栅阵列封装，是近几年才出现并迅速发展起来 的新型封装形式口 。其发展的势头却超乎寻常，不到三年的时间，就动摇了以q f p 为代表的表面安装器件在电子产品中所占有的主导地位，大有取代q f p 之势，现 在，b g a 已主导了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 ) 的发展和应用。 b g a 封装如图1 - 1 所示，它是在基板的下面按阵列方式引出球形引脚，在 基板上面装配i c 芯片( 有的b g a 引脚端与芯片在基板的同一面) ，它的出现解 决了q f p 等周边引脚表面封装长期难以解决的高i 0 引脚数l s i 的封装问题口 。 埔于闰像i 拘的b g a 焊接辅助定位系r 0 空现 b g a 封装的突出优点是“3 ： ( 1 ) 电性能更好：b g a 封装用焊球代替引线，引出路径短，减小了引脚电 阻、电容和电感，减小了延迟。 ( 2 ) 封装密度更高，组装面积更小：由于球是整个平面排列，因此对于同 样面积，引脚数更高。例如边长为3 1 r a m 的b g a 封装芯片，当焊球节距为l 胁时 可有9 0 0 只引脚，相比之下，边长为3 2 r a m ，引脚节距为0 5 r m 的q f p 封装只有 2 0 8 只引脚。 ( 3 ) b g a 封装的间距为1 5 m m 、1 2 r m 、1 o m 、08 衄、06 5 r a m 和05 8 珊， 与现有的表面安装工艺和设备完全相容，安装更可靠。 ( 4 ) 由于焊料熔化时的表面张力具有“白对准”效应，避免了传统封装引 线变形的损失，大大提高了组装成品率。 ( 5 ) b g a 封装引脚牢固，转运方便。 ( 6 ) 焊球引出形式同样适用于多芯片模块和系统级封装。 一 图卜1b g a 封装芯片 b g a 焊球阵列的应用，取代了原来的铜或合金引脚，而且较之更便宜也 非常适应s m t 生产技术的要求，因此各大芯片制造公司纷纷将引脚阵列封装 ( p i ng r i da r r a y ，p g a ) 中的插针用焊球来代替。典型的b g a 焊球阵列间距 为1 _ 0m m 、12 7i t l m 、1 5m m ，焊球的成分主要有6 3 s n 3 7 p b 和9 0 p b l o s n 两种，而所采用的焊球直径则各个公司不尽相同。这一级别的b g a 具有多种不 同的结构形式，根据封装件所用基底材料的不同一般可以分为：陶瓷球栅阵列 封装( c e r a m i cb a l lg r i da r r a y ，c b g a ) 、塑料球栅阵列封装( p l a s l i cb a l lg r l d a r r a y ，p b g a ) 、载带球栅阵列封装( t a p eb a l lg r i da r r a y ，t b g a ) 。c b g a 封 装以多层陶瓷材料作为基底材料，例如氧化铝陶瓷片，它使整个封装件的机械 性能和散热性能得到了提高。p b g a 是最常用的b g a 封装类型，其基底是普通的 印制板基材，如f r - - 4 、b t 树脂等。t b g a 封装的基底材料为铜聚酰亚胺铜双 基于图像重构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 金属层带，它采用了载带自动键合( t a p ea u t o m a t e db o n d i n g ，t a b ) 区域阵 列技术。t b g a 的基底为双面金属复合带，一面是作为良好的屏蔽层的底层，在 它上面有由9 0 w t p b l o w t s n 焊球组成的球栅阵列；另一面则作为信号传输的 通路，与集成电路晶片通过9 5 w t p b 5 w t s n 焊球连接，其间充填树脂以减小 热应力。 当前，b g a 封装的应用已延伸到微机及p l d 、s r a m 等领域。i n t e l 系列c p u 中，p e n t i u m i i 、i i i 、i v 处理器均采用过p b g a 封装，p e n t i u mi 、i i ，p e n t i u m p r o 处理器也采用过c b g a 。美国x i l i n x 有限公司和a l t e r a 公司生产的大规模 的p l d 器件，都采用了b g a 封装。在内存应用领域，b g a 封装与内存第二代封 装技术t s o p ( t h i ns m a l lo u t l i n ep a c k a g e ) 相比，具有体积小，散热快、电 性能优良，存储量大等优势。采用b g a 技术封装的内存，可以使内存在体积不 变的情况下存储容量提高两到三倍，而在相同容量下，体积只有t s o p 封装的三 分之一。 1 1 2b g a 贴装定位技术 由于b g a 封装的焊球位于芯片的底面，在贴装焊接时其焊球与电路板焊盘 相应位置的准确定位是工作的重点和难点，对焊接工作提出了更高的要求。有 关专家曾经指出，在生产制造中所发生的要求返工的缺陷中，高达5 0 的问题 是起源于贴装过程中所产生的问题啼1 ，b g a 器件的准确定位是保证贴装焊接质量 的关键环节之一，其在生产过程中的重要性可见一斑。 目前，大规模b g a 芯片的定位焊接工作是通过自动贴片机完成的，这些贴 片机通过吸取、位移、定位、放置等步骤，可以将表面贴装器件快速而准确地 贴装到p c b 板指定的焊盘位置。 早期的贴片机元件定位是用机械方法来实现的( 称为“机械对中 ) 。当贴 片头吸取元件后，主轴提升时拨动四个爪把元件抓起，使元件轻微地移动到主 轴的中心上来。这种定位方法，由于是依靠机械动作，因此速度受到限制。同 时，元件受了机械力的作用也容易损坏，不易保持贴片质量哺1 。 现在的贴片机普遍采用视觉定位系统。视觉定位是指贴片机中的贴片头上 的吸嘴吸取元件后，在移到贴放位置的过程中，由固定在贴片头上的或固定在 基于图像重构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 机身上某个位置上的摄像机获取元件及电路板的图像信息，这些信息经数字化 后，通过计算机整理和分析，能够对元件及电路板标记点进行无接触的高精度 辨识定位，计算机将定位结果反馈到执行机构，最后完成准确的贴片操作。采 用视觉定位，具有定位时间短效率高的特点，同时可对元件或电路板进行缺损 验证。随着工业生产对贴装速度及精度要求越来越高，视觉定位方式因其高精 度及高效率的优势成为目前主导的定位方式，并且是今后贴片机定位系统发展 的主流方向h 1 。 不过这类贴片机其价格大多数都在百万元的数量级，对于一般的中小企业 和科研院校等单位是难以承受的，目前主要适用于大规模化生产( 例如手机生 产等) 。 而针对b g a 器件返修和小批量生产的需求，目前市场上提供了两种手动定 位的b g a 焊接设备，一种是完全由人工根据经验进行b g a 器件定位，在这种设 备上操作，工作人员不能直接确定芯片底部焊球与电路板上焊盘的定位情况， 只能根据外围的一些标记( 主要是丝印边框等) 进行间接判断，当b g a 器件的 焊球间距较大时，这种方式有一定的成功率，但要求操作者具备相当丰富的经 验。 另外一种定位方式称为光学定位。光学定位的基本原理可用如图1 - 2 所示。 定位时，在电路板和待焊b g a 封装器件之间有一套棱镜光学系统，通过棱镜， 电路板上的焊盘和b g a 器件底部焊球的图像可同时进入摄像机，这样在显示器 上就可以同时看到焊盘和焊球的图像。操作者可以根据图形中焊盘和焊球的相 对位置，移动b g a 器件和电路板，使焊盘和焊球完全重叠，然后将三棱镜光学 系统移开，由真空吸嘴将b g a 器件下移，最终地放置在电路板上，完成定位操 作。 1 姆b o a 器f l魏暇轲 、l 、 r撷像帆 - 高南秽 位一 l l 。一h 、 l 1l 磬i 图1 - 2 光学定位示意图 4 基于图像霞构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 1 2 课题研究意义 相关资料表明疆1 ，发达国家的s m t 应用普及率已超过7 5 ，并进一步向高密度 组装、立体组装等技术为代表的组装技术领域发展，在s m t 器件中所占比例越来 越大的b g a 封装器件，得到越来越广泛的使用。由于我国的i c 产业和i c 用户与国 际社会的关联度极高，为了适应市场的需求，采用b g a 封装的器件已是各个电子 产品的生产厂家不可回避的事情。 b g a 器件的广泛使用带动t b g a 焊接设备的需求，如前所述，大型自动化的b g a 封装贴片机虽然可以完成各种规格的b g a 器件的焊接，但其投入成本高，不适合 中小规模生产及b g a 器件的返修焊接等应用场合。 使用本课题设计的设备，使b g a 芯片的定位转化成相当于s o p 或q f p 器件的 定位问题，视觉效果直观，大大提高了操作的准确性和灵活性，即便采用人工操 作方式，也能够顺利完成b g a 器件的准确定位，保证了焊接的质量。这种方法可 加快电子产品的研发速度、减少返工，降低生产成本，可给生产商带来可观的经 济效益，同时也给使用b g a 器件的电子产品的返修带来极大的方便。此系统适用 于中小企业和科研院校等单位，其结构简单，体积小、成本低，有广泛的市场前 景，可大大推动b g a 器件应用，提高电子产品的性能。它的研制对b g a 封装器件 的应用有积极的推动作用。 1 3国内外同类产品概况 目前贴片机结构大致可分为四种结构：拱架式、复合式、转塔式和大型平行 系统7 1 ，如：日本松下公司的c m 6 0 2 贴片机有四个动臂安装头，可分别交替对两 块印刷线路板( p r i n tc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 同时进行安装，贴装的速度高达 每小时6 万片：u n i v e r s a l 公司推出的带有3 0 个吸嘴的旋转头，称之为“闪电头 ， 两个这样的旋转头安装在g e n e s i s 贴片平台上，可实现每小时6 0 ，0 0 0 片的贴片 速度；f u j i 公司的c p 8 4 2 e 机器贴装速度可达n o 0 6 8 秒片；p h i l i p s 公司的a x - 5 机器最多可有2 0 个贴装头，实现了每小时1 5 万片的贴装速度，堪称业界第一。 基于图像重构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 深圳市效时实业有限公司生产的r w - b 系列、深圳市卓茂科技有限公司生产 的z m - r 5 x x 和z m - r 3 x x 系列属于手动定位系统，这类设备结构简单，价格也相 对低廉，是国内进行b g a 返修焊接时使用最多的一种设备。早期这类设备主要 是进口，但现在基本都是国内生产，这些产品都有不错的市场。 对于基于光学定位的设备，大多数b g a 焊接设备生产厂家都有相应的产品。 然而，采用光学定位的系统其完成一次定位的环节较多，过程相对缓慢，并且 增加的光学棱镜系统和真空吸嘴及相关的机械连动装置，使其成本大幅提高( 国 产机在l o 万左右) ，总体的性价比不高，从目前的使用情况来看，市场占有率 远远低于第一种手动定位设备。 1 4 课题研究的主要内容 本文研究的内容是对采集的图像进行预处理、利用图像处理技术进行高精 度点距测量、芯片位置与背景图像的分割和对芯片焊球图像迸行重构。 主要的内容包括： 一、对基于图像重构的b g a 器件辅助定位系统的实现原理进行概述，并介绍 系统的基本结构、定位方法。 二、对图像采集系统的分析。本文对数字化图像的采样原理进行概述，对采 集系统的传感器进行比较，研究光源对图像采集效果的影响因素。根据系统的设 计要求及实际情况，选择了适合本文的数字图像采集的方案。 三、研究高精度点距的测量。分析采集到的图像，对图像进行预处理和形态 学处理，利用图像参数测量原理对背景图像中的焊盘问的距离进行高精度的测 量。最后，根据测量得到的距离与i c 芯片数据手册的参数计算出图像的放大倍数。 四、研究i c 芯片与背景图像的分割方法及图像重构。研究图像的分割的方法， 对图像类型进行分析，最终采用区域分割的方法对图像进行分割，然后获取前景 图像的边界信息，根据边界的信息计算出i c 芯片底面的焊盘位置，并最终把i c 芯片底面的焊盘显示在芯片的上面，实现了图像的重构。 最后，利用v c + + 与h a l c o n 实现了图像的采集，图像的分析与处理，极大程 序减少了代码量，提高了开发效果。 6 基于图像重构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 1 5h a l c o n 简介四1 德国m v t e c 公司的图像处理软件h a l c o n ，是世界公认具有最佳效能的机器 视觉软件。它发源自学术界，有别于市面一些商用软件包。事实上，这是一套 图像处理库，由一千多个各自独立的函数，以及底层的数据管理核心构成。其 中包含了各类滤波、色彩分析以及几何、数学变换、形态学计算分析、校正、 分类、辨识、形状搜索等等基本的几何以及图像计算功能，由于这些功能大多 并非针对特定工作设计的，因此只要用得到图像处理的地方，就可以用h a l c o n 强大的计算分析能力来完成工作。应用范围几乎没有限制，涵盖医学、遥感探 测、监控、及工业上的各类自动化检测。近年来，由于机器视觉技术的发展， 这种可以”取代人眼”，对重复工作不会疲劳，精度高且稳定的特质，促进了高 科技业的发展，例如电子业产量的大幅提升。而m v t e c 公司更是不断的与学术 界合作，并且将最新的学术研究成果纳入其中，不但使自己的技术处于业界领 导地位，同时也将机器视觉技术推向更高的境界。 h a l c o n 的主要特点： l 、为了让使用者能在最短的时间里开发出视觉系统，h a l c o n 包含了一套交 互式的程序设计接口h d e v e l o p ，可在其中以h a l c o n 程序代码直接编写、修改、 执行程序，并且可以查看计算过程中的所有变量，设计完成后，可以直接输出 c ，c + + ，或是c o m ( v i s u a lb a s i c ) 程序代码，嵌入您的程序中。h d e v e l o p 同时 和数百个范例程序连结，除了个别计算功能的说明，您也可以随时依据不同的 类别找到应用的范例，方便参考。此外，以问题为导向的手册，可以让您找到 最适合的使用说明以及开发方法。 2 、h a l c o n 不限制取像设备，可以自行挑选合适的设备。原厂已提供了4 0 余种相机的驱动，即使是尚未支持的相机，除了可以透过指针( p o i n t e r ) 轻易 的抓取影像，还可以利用h a l o c n 开放性的架构，自行编写d l l 文件和系统连接。 3 、使用h a l c o n 有最好的投资效益。这套软件支持的操作系统除了微软的 n t x p 2 0 0 0 ，还有l i n u x ，s o l a r i s 7 ，i r i x 6 5 ，t r u 6 4u n i x 5 1 等等，当您开 发出一套系统，您可以轻易转换作业平台，以符合需求。为了加快速度，您可 以使用多处理器的计算机，所编写的程序不必更动。 7 摹于图像重构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 4 、使用h a l o c n ，在设计人机接口时没有特别的限制，也不需要特别的可视 化组件，您可以完全使用开发环境下的程序语言，例如v i s u a ls t u d i o 等等， 架构自己的接口，最终用户看不到您的开发工具，而且在执行软件的机器上， 只需要很少的资源。 1 6 本章小结 本章由b g a 封装技术谈起，介绍了在实际生产中b g a 贴装定位技术的现状，以 及国内外此类产品生产使用情况。然后结合实际需求，概括的讲述了本文的研究 内容，并对图像处理专业软件h a l o n 进行简单的介绍。 8 十幽像莆掏b g a 焊接辅助定位系统 究与宴 第二章系统原理与结构 2 1 系统工作的基本原理 系统工作的原理示意图如图2 一l 所示。首先采集印刷电路板的基准图像( 没 有移入b g a 芯片时的图像) ，获取当前的图像放大倍率等相关参数。然后进行芯 片贴装定位操作，即将实际的b g a 芯片移入。由于印刷电路板在整个操作过程中 是固定不动的，所以基准图像与b g a 芯片移入后的图像的差别就是前者无b g a 芯 片( 基准图像) ，而后者有b g a 芯片。对两幅图像进行差值、滤波、数学形态学 等运算，就可检测出当前b g a 芯片的实际位置。然后，根据获取的图像放大倍率 等参数及芯片的实际结构参数( 芯片手册可得到) ，构建出一个透明的b g a 芯片 图像。在显示时，用重构的透明的b g a 芯片代替图像中实际的b g a 芯片。对芯片 贴装定位操作中的每一帧图像都进行上述处理，就可以在显示器上看到一个透明 的b g a 芯片在电路扳上移动井使得操作者可同时看到电路板上焊盘和芯片下面 的焊球。大大提高了操作的准确性和灵活性。 图2l 系统基本工作原理 囤 可 * f 图像重构b g a 埠接辅助定位系统研究与实现 2 2 系统结构概述 2 2 1 硬件组成 基于图像重构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 模拟视音频信号捕捉成清晰细腻的动态或者静态画面。该采集卡配备的是u s b 接 口，体积小，使用方便，画面清晰流畅，支持热插拔。对于图像的亮度、对比度、 饱和度、色度均可自定义。 2 2 2 软件结构 软件系统是系统的核心，根据整个系统的功能，系统的软件结构和主要功能 如图2 - 3 所示，其中主要包括芯片数据输入模块、印刷电路板参数测量模块、图 像分割模块和图像重构模块。 电路板背景 图像 芯片参数 输入模块 一! ! 芸h i i ! 的测量模块r 1 图像重构模块r 1 显不 l 图像放大l 倍数千 电暨瓣卜6 j 图像分割模块 芯片的图像h 图饧【分割模块 芯片位置边界 参数 图2 - 3 系统软件结构 芯片数据输入模块主要完成要焊接芯片的结构尺寸数据的输入，用户可以存 入常用b g a 芯片的结构尺寸数据，这些数据是重构芯片图像的基础。 电路板图像测量模块主要完成两项任务： ( 1 ) 通过测量电路板上b g a 焊盘的间距获得当前图像的放大倍率。为了获 得适合的显示效果，显微镜放大倍数在使用时要根据需要进行调节，但调节完成 后显微镜的实际放大倍数并不能直接获得，因此，必需通过图像处理的方法计算 出放大倍数，用于后面的芯片图像的重构。由于电路板上b g a 焊盘的间距是已知 的( 与芯片焊球的间距相等) ，通过图像测量技术，可获得在当前目放大倍数下， 图像中每像素与实际长度单位的关系，即： 基于图像重构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 ，7 ：一l ( 2 1 ) ，72 了 z 1 ， 其中，l 为从图像上获得的焊盘问的平均像素值，为芯片焊盘间的实际距离值， 刁为放大的比例系数。 ( 2 ) 获得电路板基准( 背景) 图像( 电路板基准图像是指没有移入b g a 芯 片时电路板图像) 。由于电路板在整个定位操作的过程中是固定不动的，所以获 得的电路板基准( 背景) 图像可以用来作为分割b g a 芯片的参考图像，另外，在 构造透明的b g a 芯片时，b g a 下面的电路板部分，也是由电路板基准( 背景) 图 提供的。 图像分割模块的主要工作是获得覆盖在电路板上的芯片的位置信息，后续的 图像重构模块就是以这个信息为依据放置重构芯片的。 图像重构模块的任务是结合从电路板图像处理模块中获得的比例系数、从图 像分割模块中获得的实际芯片的位置信息，及已知的芯片参数，构造出一个透明 的b g a 芯片，使芯片底部的焊球清晰地呈现在芯片上。 2 3 系统设计的关键技术 ( 1 ) 高精度点距测量 b g a 的锡球中心距为1 o m m - - - - 1 5 m m ，锡球直径为0 0 6 m m - - 一1 o m m ，而c s p 的锡球中心距为0 5 m m - - 一1 o m m ，锡球直径为a ) o 2 r a m - - - 0 5 m m ，为了提高图像测 量的精度，要将焊盘图像经过摄像镜头进行若干倍放大。由于b g a 封装器件的封 装尺寸差别很大，所以为了得到合适大小的焊盘图像，镜头的放大倍率是连续可 调的。在重构器件的图像时，必须知道镜头的实际放大倍率，这一点可通过测量 放大后的焊盘间距与实际焊盘的间距的比值得到( 实际焊盘的间距可从器件手册 中得到) 。高精度的间距测量是本论文要研究的重点内容之一。 ( 2 ) 芯片位置的跟踪 在获取适当大小的焊盘图像并得到放大倍率后，将待焊接的b g a 封装器件移 进焊盘图像的视场，芯片移进视场的角度和位置是随机的，为了能够实时、准确 地重构芯片图像，必须得到实际芯片的准确位置信息。如何准确分割出实际芯片， 准确地获取实际芯片的位置信息是本论文最为关键的技术难点。 1 2 基于图像重构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 ( 3 ) 器件图像的重构 得到相关参数后，用一个虚拟的透明芯片图像代替实际的芯片图像，使操作 者能够同时看到焊盘和焊球，从而进行精确的芯片定位。 2 4 系统的主要技术指标 对于本辅助定位系统，技术指标要求如下： ( 1 ) 器件重构误差：o 2 m m ( 2 ) 测量范围：1 3 2 0 r a m ( 3 ) 工作半径：， 2 8 5 m m 2 5 本章小结 在这一章中，介绍了本课题要研制的b g a 器件辅助定位系统的工作原理，介 绍了其硬件系统和软件系统。并且对定位系统设计关键技术及设计目标进行了阐 述。 1 3 摹十图像晕构的日g 焊接辅助定位系统研究与实现 第三章图像采集系统的研究 3 1 数字图像的采集 计算机无法接受和处理空间分布和亮度取值均连续的模拟图像，因此，需要 对连续图像进行数字化处理。从计算机科学的角度来看，将幅图像进行数字化 的过程就是生成一个二维矩阵的过程。数字化过程主要包含两个步骤：采样和量 化。采样是在像素位置上对像素进行离散化，采样的结果是得到每一像素的灰度 值，采样通常由光电传感器完成。量化则是将采样得到的灰度值转换为离散的整 数值”。 3 1 1 采样原理 采样( s a “p l i n g ) 即对连续图像场在空间上离散化，它决定了图像的空问分 辨率。简单地讲，就是用一个网格把待处理的图像覆盖，然后把每- d , 格上模拟 图像的各个亮度取平均值，作为该小格中点的值；或者把方格的交叉点处模拟图 像的亮度值作为该方格交叉点上值。这样一幅模拟图像变成只用小方格中点的值 来代表的离散值图像，或者只用方格交叉点的值表示的离散值图像“。 墨 璺 图3l 图像的采样 设f ( x ，y ) 为一个二维连续图像，在x 和y 方向的采样间隔分别为x 和 基于图像重构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 a y ，则点( x ，y ) 的位置为1 钉： x - - m x ，y ：n a y 其中m ，n = o ，l ，2 ，。取样点阵用冲激阵列c o m b ( x ，y ) 表示： 为： c o m b ( x ，y ) = 8 ( x - m a x ，y n a y ) ( 3 1 ) 空间冲激阵列的二维傅立叶变换是频率域中的狄拉克万函数无限阵列，即 ，z 6 ( q ，哆) = 茜耋薹万( 吐一朋，哆一刀) ( 3 2 ) 式中，2 2 r e a x ，2 2 万妙是傅立叶变换域中的采样频率。要获得连续图 像的理想采样，连续图像在空间域中必需是在其x 和y 方向上无穷延伸的，并且 在频率中其频率带宽是有限的。假设该图像有一个带宽受限的傅立叶谱i f ( ”，v ) i ， 则其采样过程为： 以( x ，y ) = f ( x ) c o m b ( x ，y ) = f ( m a x , n a y ) 8 ( x - m a x ，y - n a y ) ( 3 3 ) 其傅立叶变换为 乃( 州) = 专脚，v ) 幸c d m 撕，v ) ( 3 4 ) 将( 3 2 ) 代入上式，并考虑万函数的筛选性，最后得 乃( 州) = 击圭量卿一聊石1 ，v - 刀古) c 3 5 ) 采样图像的频率域特性是在频率轴u 和v 上分别以时间间隔1 a x 和i a y 把原图像的有限带宽频谱无限重复构成的。 从采样图像厶( x ，y ) 中完全重建原来的图像需要符合惠特克一香农 ( w h i t t a k e r s h a n n o n ) 采样定理：对一个带宽受限的连续图像，在进行采样处 理时，所选择的采样间隔应满足： 缸上( 3 6 ) 2 q 基于图像蕈构的b g a 焊接辅助定位系统研究与实现 知击 7 ， 这样采样图像的傅立叶频谱不会产生交叠，并且可以用一个低通滤波器完全地重 建原来的图像。并且对于采样速率满足奈奎斯特( n y q u i s t ) 采样速率，即 石1 2 q ( 3 8 ) 石1 2 q ( 3 9 ) 如果采样间隔缸、a y 小于奈奎斯特准则的