基于機(jī)器視覺的晶閘管模塊自動粘片系統(tǒng)研究

管功湖，張海波，翟文正

(臺州學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息工程學(xué)院，浙江 臨海 317000)

0 引言

隨著機(jī)器視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，它在半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用越來越普及。目前先進(jìn)的封裝設(shè)備基本上被國外大公司所壟斷，如瑞士的ALPHASEM 、ESEC，日本的TOSOK、SHINKAWA，香港的ASM 和韓國的TSM 等，它們生產(chǎn)自動粘片機(jī)、自動綁定機(jī)等封裝設(shè)備，但價格昂貴。國內(nèi)近年來通過自主創(chuàng)新，研制相關(guān)的封裝設(shè)備，如中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制的DB-8002 LED 自動粘片機(jī)［1］和大連佳峰電子有限公司研制的全自動裝片機(jī)SS-DT01 及HS-DC01［2］。這些自動粘片機(jī)主要應(yīng)用在集成電路、晶體管、LED、太陽能電池等封裝中，國內(nèi)對其中用到的關(guān)鍵技術(shù)積極開展跟蹤和研究［3-4］。一個典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)主要由光源系統(tǒng)、圖像采集模塊、圖像處理模塊、運(yùn)動控制模塊等組成，機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成主要有基于PC 機(jī)和PLC兩種。在工業(yè)控制應(yīng)用上有比較成熟的組件，如工業(yè)攝相機(jī)，視頻采集卡、多軸運(yùn)動控制卡等。關(guān)鍵是視覺系統(tǒng)圖像處理軟件的開發(fā)，針對特定的應(yīng)用場景，采集圖像，運(yùn)用一定的算法，對目標(biāo)對象進(jìn)行檢測和定位。

當(dāng)前國內(nèi)電力半導(dǎo)體模塊的封裝還是以手工操作為主，而電力半導(dǎo)體模塊芯片的放置又是封裝的關(guān)鍵，也就是把粘在晶圓藍(lán)膜上的芯片取出來，放置在模塊底板固定的位置上。因半導(dǎo)體芯片既薄又脆，用手工操作很容易崩角或破裂，造成芯片的損壞，也會對芯片造成污染，同時手工放置的位置不是很準(zhǔn)確，這些都會影響后續(xù)的封裝及整體性能。利用機(jī)器視覺系統(tǒng)來進(jìn)行檢測和定位，可以很好地克服以上缺點(diǎn)，做到自動粘片，提高模塊生產(chǎn)質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

1 晶閘管模塊結(jié)構(gòu)與封裝工藝

1.1 晶閘管模塊結(jié)構(gòu)

本項目主要針對三相晶閘管模塊，采用普通焊接方式的芯片組裝工藝。外型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 外型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

三相晶閘管模塊封裝原理圖如圖2 所示。主要由銅板、上下鉬片、芯片及電極組成，它們之間通過焊接方式聯(lián)結(jié)。

圖2 封裝原理圖

1.2 封裝工藝流程

三相晶閘管模塊封裝工藝流程為:銅板絲印焊膏、上下鉬片絲印焊膏、放置下鉬片、放置芯片、放置上鉬片、裝模、放置電極、真空燒結(jié)、清洗、焊接信號線、安裝外殼、測試、灌注硅凝膠、固化、灌注環(huán)氧樹脂、固化、高溫測試、安裝頂蓋、電極折彎、清潔、成品測試、包裝入庫。在整個封裝過程中，放置上下鉬片及芯片是封裝的關(guān)鍵，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)主要采用手工操作為主。芯片的尺寸大小為16 ×16 mm，厚度為0.3 mm，事先固定在晶圓藍(lán)膜上。而鉬片的尺寸大小為15 ×15 mm，厚度為0.6 mm，鉬片是為了克服熱變形，起到保護(hù)芯片作用。

2 自動粘片系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

晶閘管模塊自動粘片系統(tǒng)是一個復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，它的主要功能是完成晶閘管模塊芯片和鉬片的自動放置，并對芯片的缺陷進(jìn)行自動識別，晶閘管模塊自動粘片系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3 所示，自動粘片系統(tǒng)采用基于PC 機(jī)的機(jī)器視覺系統(tǒng)，主要包括光源、CCD 智能工業(yè)相機(jī)、鏡頭、XY 軸移動圓晶臺、多軸運(yùn)動控制卡、I/O控制卡、連桿吸頭機(jī)構(gòu)、頂針機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、銅板和鉬片進(jìn)料機(jī)構(gòu)、印膏機(jī)構(gòu)、道軌傳輸機(jī)構(gòu)、收料機(jī)構(gòu)等。采用PC 機(jī)具有運(yùn)算速度快，編程容易，人機(jī)界面友好等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 晶閘管模塊自動粘片系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 工作原理

晶閘管模塊自動粘片系統(tǒng)在PC 機(jī)的控制下，先由銅板進(jìn)料機(jī)構(gòu)送進(jìn)一塊銅板，在指定的位置由銅板印膏機(jī)構(gòu)印上焊膏，把它放置到傳輸軌道上;鉬片進(jìn)料機(jī)構(gòu)送進(jìn)下鉬片，經(jīng)鉬片印膏機(jī)構(gòu)印上焊膏，把它放置在銅板的固定位置上，然后由機(jī)器視覺系統(tǒng)把晶圓藍(lán)膜上的芯片取下，放置在下鉬片上，接著放置上鉬片。一塊銅板的三個固定位置全部放好后，由收料機(jī)構(gòu)完成收料過程。

機(jī)器視覺系統(tǒng)是自動粘片系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，直接決定自動粘片系統(tǒng)的精度。在PC 機(jī)的控制下，智能CCD 工業(yè)相機(jī)拍攝晶圓臺的芯片圖像，經(jīng)USB 接口送給PC 機(jī)進(jìn)行處理。先對芯片進(jìn)行缺陷檢測，然后進(jìn)行芯片定位，定位時由多軸運(yùn)動卡控制伺服系統(tǒng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動晶圓臺運(yùn)動，把有效芯片移到連桿吸頭機(jī)構(gòu)下方，控制頂針機(jī)構(gòu)把芯片頂起，同時控制吸頭機(jī)構(gòu)把芯片吸起，再由多軸運(yùn)動卡控制吸頭機(jī)構(gòu)把芯片放置到軌道傳輸機(jī)構(gòu)的上銅板的下鉬片上。

在晶閘管模塊晶圓芯片中常見的缺陷有空片墨點(diǎn)、崩角、裂紋等，檢測并剔除這些有缺陷的芯片是晶閘管模塊生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。利用機(jī)器視覺系統(tǒng)可以有效識別。

3 控制軟件設(shè)計

3.1 軟件架構(gòu)

控制軟件架構(gòu)如圖4 所示，使用.NET 開發(fā)平臺和VC++開發(fā)工具，采用模塊化程序設(shè)計。人機(jī)界面包括示教、運(yùn)行、統(tǒng)計等模塊，在.NET 開發(fā)平臺上實(shí)現(xiàn)?？刂颇K和算法模塊則利用VC++語言實(shí)現(xiàn)，兩者以消息傳遞方式進(jìn)行信息、數(shù)據(jù)的交互，其中控制模塊包含相機(jī)控制、運(yùn)動控制、光源控制等。

圖4 控制軟件架構(gòu)

示教模塊包括模板提取、芯片對準(zhǔn)設(shè)置、芯片分度尺寸設(shè)置、芯片缺陷識別設(shè)置等，它是設(shè)備運(yùn)行前的一個學(xué)習(xí)過程。運(yùn)行模塊根據(jù)示教模塊設(shè)置的數(shù)據(jù)文件，利用算法模塊和控制模塊，完成芯片自動粘片過程:機(jī)器初始化、調(diào)用設(shè)置的數(shù)據(jù)文件、獲得芯片分度尺寸、芯片缺陷識別、芯片對準(zhǔn)、拾取粘片。統(tǒng)計模塊則可為生產(chǎn)過程中提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3.2 芯片圖像識別與定位算法

芯片圖像識別與定位是自動粘片系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。模板匹配主要有基于灰度相關(guān)的匹配算法［5-6］和基于幾何特征的匹配算法［7］。基于灰度相關(guān)的匹配算法簡單、穩(wěn)定，要求目標(biāo)與背景有明顯對比度。缺點(diǎn)是對光照要求比較嚴(yán)格，當(dāng)外界光照變化比較大時，會產(chǎn)生匹配偏差，影響匹配結(jié)果。基于幾何特征的模板匹配算法對于光照的影響不是很敏感，且可以有效地處理遮擋問題，對于伸縮、旋轉(zhuǎn)等非剛性變形可以得到滿意的效果。

對晶圓芯片圖像進(jìn)行全圖匹配需要進(jìn)行大量無用信息的比對，從而造成計算量太大而影響圖像處理的實(shí)時性。根據(jù)圓晶芯片圖像紋理簡單，外形規(guī)則，芯片與背景對比明顯的特點(diǎn)，提出如下的基于幾何特征的芯片圖像識別與定位算法，具體步驟如下:

(1)圖像分割。圖像二值化處理后，采用投影方法來進(jìn)行圖像分割。先把圖像從水平方向投影，得到水平投影向量，然后對水平投影向量進(jìn)行遍歷，找出極大值點(diǎn)作為Y 軸的分割點(diǎn)，同理找出X 軸的分割點(diǎn)，最后據(jù)X 軸和Y 軸的分割點(diǎn)對圖像進(jìn)行分割，得到圖像的分割圖。

(2)晶圓芯片最小面積外接矩形提取。根據(jù)文獻(xiàn)［8］提出的方法，先使用格雷厄姆掃描法計算多邊形的最小凸包。使用旋轉(zhuǎn)法計算并保存各邊的最小綁定矩形(MBR)的坐標(biāo)、該邊的編號及旋轉(zhuǎn)角度。比較所得的MBR 的面積，其中面積最小者按其記錄的旋轉(zhuǎn)角度，以該邊的左端點(diǎn)為圓心逆向旋轉(zhuǎn)即為所求的最小外接矩形。

(3)頂點(diǎn)的形狀直方圖表示。根據(jù)最小面積外接矩形，得到矩形頂點(diǎn)點(diǎn)集P={p1，p2，p3，p4}，再記晶圓芯片的輪廓點(diǎn)點(diǎn)集為Q={q1，q2，…，qn}，n 為輪廓點(diǎn)的數(shù)量。對于每個頂點(diǎn)pi，它的形狀直方圖可表示為:hi(k)=#{q∈Q∈bin(k)}。對所有分割子圖提取晶圓芯片外接矩形的四個頂點(diǎn)，計算各個頂點(diǎn)的形狀直方圖。

(4)根據(jù)所有分割子圖的最小外接矩形的四個頂點(diǎn)，計算得到各晶圓芯片的中心位置值。

(5)用類似方法提取晶圓芯片模板外接矩形的四個頂點(diǎn)，計算它們的形狀直方圖。

(6)計算分割子圖與模板圖像形狀直方圖特征的相似度。如果相似度大于閾值，則認(rèn)為分割子圖包含合格芯片。

3.3 軟件控制流程

程序在運(yùn)行之前需要通過示教模塊提取模板參數(shù)，手動調(diào)整頂針和工作臺對準(zhǔn)及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。本系統(tǒng)軟件控制流程如圖5 所示。

圖5 控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用MV-MCP(XY)機(jī)器視覺運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)平臺，硬件主要包括P4 3.0GHz PC 機(jī)、環(huán)形LED 光源、智能CDD 相機(jī)MV-VD500SC 、MV-MCC04 運(yùn)動控制卡和XY 軸伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)，運(yùn)動控制系統(tǒng)的重復(fù)定位精度達(dá)±0.05mm。

圖6 晶圓芯片

實(shí)驗(yàn)用的晶閘管晶圓芯片如圖6 所示，除了完好的芯片外，專門設(shè)置空片、帶墨點(diǎn)的壞片、崩角芯片及帶裂縫的芯片。右下圖是一片完好的芯片，作為匹配模板。

先通過示教模塊采集固定在工作臺上的游標(biāo)卡尺刻度值，通過計算分別得到XY 軸的像素值、伺服系統(tǒng)的脈沖數(shù)和實(shí)際距離之間的對應(yīng)值為550/8040/20。然后把晶圓芯片固定在工作臺上，手動對準(zhǔn)左上角芯片的中心位置，實(shí)驗(yàn)時手動控制工作臺，記錄下移到芯片中心位置(對角線交點(diǎn))時的XY 坐標(biāo)脈沖數(shù)，用此方法可以得到所有芯片中心位置的實(shí)際XY 坐標(biāo)脈沖數(shù)。再經(jīng)過圖像采集和運(yùn)算，自動控制工作臺以S 形運(yùn)動，記錄下所有有效芯片中心位置的XY 坐標(biāo)脈沖數(shù)，前10 片數(shù)據(jù)比對如表1 所示。通過分析可知其控制誤差為±0.2mm。

表1 實(shí)驗(yàn)比對數(shù)據(jù)

續(xù)表

實(shí)驗(yàn)過程中對光照、伸縮和旋轉(zhuǎn)等影響進(jìn)行驗(yàn)證，因晶圓芯片表面光滑，易形成鏡面反射，影響圖像質(zhì)量，從而影響芯片識別與定位。可采取適當(dāng)調(diào)整光照和直方圖修正的方法對圖像進(jìn)行預(yù)處理，能得到滿意效果。對于較小的伸縮、旋轉(zhuǎn)等非剛性變形影響不敏感。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明采取基于幾何特征的模板識別與定位算法，運(yùn)算速度快，定位準(zhǔn)確，能自動識別有效芯片，滿足實(shí)時應(yīng)用的需要。

5 結(jié)束語

根據(jù)晶閘管模塊封裝工藝和要求，提出由機(jī)器視覺構(gòu)成的晶閘管模塊自動粘片系統(tǒng)，克服手工封裝的缺點(diǎn)，可大大提升產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺系統(tǒng)控制軟件，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于幾何特征的芯片圖像識別速度快，定位準(zhǔn)確，能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

［1］中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所. DB-8002 LED自動粘片機(jī)［J］.中國集成電路，2008(04):11－14.

［2］大連佳峰電子有限公司.全自動裝片機(jī)SS-DT01 及HSDC01［J］.中國集成電路，2009(05):31－33.

［3］馬豪，張鴻海，陳良鋒，等.高精度三極管全自動粘片機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.機(jī)械與電子，2007(03):26－29.

［4］郭強(qiáng)生，靳衛(wèi)國，周慶亞.集成電路粘片機(jī)視覺檢測技術(shù)研究［J］.封裝與測試，2005(07):34－40.

［5］曹占倫，吳小洪，姜永軍，等.改進(jìn)匹配算法在LED 粘片設(shè)備圖像識別中的應(yīng)用［J］. 半導(dǎo)體技術(shù)，2008(3):200－203.

［6］吳小鋒，劉學(xué)平，鄒松青.全自動高速固晶機(jī)中視覺定位系統(tǒng)設(shè)計［J］. 機(jī)械設(shè)計與制造，2008(06):57－59.

［7］Stefano Mattoccia，F(xiàn)ederico Tombari，Luigi Di Stefano. Efficient template matching for multi-channel images［J］. Pattern Recognition Letters，2011(5):694－700.

［8］程鵬飛，閆浩文，韓振輝. 一個求解多邊形最小面積外接矩形的算法［J］. 工程圖學(xué)學(xué)報，2008(01):122－126.