視覺檢測技術(shù)在集成電路基板檢測中的應(yīng)用

楊偉志

摘 要：在集成電路基板檢測中應(yīng)用視覺檢測技術(shù)，快速構(gòu)建集成電路基板視覺檢測應(yīng)用方案。通過對光源、相機、電機等的選型，構(gòu)造快速、高精度的圖像采集控制系統(tǒng)，并采用NI公司LabVIEW軟件中的視覺模塊，設(shè)計能實現(xiàn)圖像特征識別、提取和檢測IC基板缺陷的模型與算法。由于視覺傳感器的檢測系統(tǒng)具有抗干擾能力強、效率高、組成簡單等優(yōu)點，因此非常適合生產(chǎn)現(xiàn)場的在線、非接觸檢測和監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：視覺檢測技術(shù)；集成電路；IC基板；數(shù)字圖像處理

中圖分類號：TP274+.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.009

隨著計算機軟、硬件技術(shù)和精密制造技術(shù)的發(fā)展，計算機視覺檢測和在線圖像檢測技術(shù)得到了長足的發(fā)展，機器視覺的研究和應(yīng)用已成為制造業(yè)發(fā)展的重要課題。我國當前的集成電路產(chǎn)業(yè)在后道工序的分檢、自動識別、表面貼裝（SMT）等環(huán)節(jié)使用的具有光學視像檢測功能的半導體芯片檢測儀器設(shè)備的開發(fā)相對滯后。目前，多數(shù)生產(chǎn)線仍采用人工的方式篩選、檢測不合格的產(chǎn)品。如果用視覺識別系統(tǒng)取代人工進行在線檢測，不僅可以降低工人的勞動強度，還能減少次品，提高生產(chǎn)效率。但機器視覺系統(tǒng)也有它的局限性，因此，對于不同的檢測對象，要采取不同的檢測方案。

1 視覺檢測系統(tǒng)概述

機器視覺技術(shù)作為計算機科學的一個重要分支，在近30年里發(fā)展迅猛。由于機器視覺系統(tǒng)可以快速獲取、處理大量信息，并易于與設(shè)計信息和加工控制信息集成，所以機器視覺系統(tǒng)在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中被廣泛用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質(zhì)量控制中。本系統(tǒng)的創(chuàng)新突破點是用高精度的伺服馬達驅(qū)動微米級滾珠絲桿，用光電成像技術(shù)和視覺系統(tǒng)快速掃描拍照IC基板；設(shè)計專用數(shù)字圖像處理算法，并基于小波變換的偏斜糾正算法、亞像素技術(shù)等分割芯片圖像，對比篩選和鑒別IC基板的缺陷，實現(xiàn)超細微粒的等級分類，獲得高測試速度、高缺陷捕捉率的IC基板質(zhì)量檢測技術(shù)。開發(fā)重點在于系統(tǒng)的軟硬件需求、硬件系統(tǒng)的構(gòu)建與部件的選型、基于Labview各模塊的二次開發(fā)和軟件操作系統(tǒng)合成以及工作流程。精要在于合理、有效地整合系統(tǒng)。從硬件角度來說，最終在于高速、精準地獲取較理想的圖像；從軟件角度來說，在于如何開發(fā)并整合各硬件，并實現(xiàn)圖像的處理，最終得到檢測結(jié)果。

設(shè)備采用虛擬儀器技術(shù)具有以下4方面優(yōu)點：①快速實現(xiàn)系統(tǒng)的整合。②圖形化，易于編程，方便用戶的理解和操作。③可編程，擴展性好，能快速建立新程式，程式間切換一鍵完成。④統(tǒng)計建模。在硬件設(shè)計方面，包括超精密X-Y檢測平臺、數(shù)控定位機構(gòu)、分揀動作機構(gòu)、精密光學圖像檢測儀、光源等。主要技術(shù)難點是實現(xiàn)高精度定位，高速采集和控制圖像。

運動控制。IC基板檢測設(shè)備必須要有精確、高速的機械運動控制能力——從上料、定位、驅(qū)動相機采集圖像到卸料，包括數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計等要全部實現(xiàn)自動化；運動速度快、靈敏，每秒鐘能檢測10～20個IC基板。運動控制卡采用步進機電有限公司生產(chǎn)的MPC2810SP運動控制卡。該卡基于PCI總線的步進電機或數(shù)字式伺服機的上位控制單元，通過交流伺服驅(qū)動器完成步進電機運動控制的所有細節(jié)（包括脈沖和方向的輸出、自動升降帶的處理、原點和限位信號的檢測等）。MPC2810提供批處理運動模式，用戶可不等上一條運動指令結(jié)束就發(fā)后續(xù)運動指令，系統(tǒng)自動按照指令的先后順序?qū)⑺兄噶畎l(fā)完。如果啟動了速度前瞻功能，控制器就能根據(jù)軌跡拐點的允許加速度、速度自動規(guī)劃速度，使系統(tǒng)平穩(wěn)運動。

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在基于視覺檢測技術(shù)的IC基板檢測系統(tǒng)設(shè)計中，圖像的采集和處理是整個系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。為確保能采集到高質(zhì)量的圖像信息，我們自行設(shè)計并制造了該系統(tǒng)專用的檢測光源。圖像亮度是檢測系統(tǒng)中一個尤為重要的參數(shù)，光源與照明方案的設(shè)計應(yīng)盡可能地突出被檢測工件的特征。在增加特征量對比度的同時，還應(yīng)保證被檢測區(qū)域有足夠的整體亮度。光源的設(shè)計必須滿足亮度大、亮度可調(diào)、均勻性好、穩(wěn)定性高等要求，以抑制外界環(huán)境中各種光線對圖像質(zhì)量產(chǎn)生的不良影響，導致檢測系統(tǒng)故障或誤判。在綜合考慮系統(tǒng)檢測對象的特點和檢測中存在的主要問題后，我們?yōu)樵撓到y(tǒng)設(shè)計了專用的檢測光源OAT-RI5000環(huán)形光。該光源使用藍色的LED發(fā)光管，并采用獨特的排列方式，既能滿足圖像采集的需要，又有利于光源的散熱，保證能夠長時間穩(wěn)定工作。

整機裝配及調(diào)試。由于全自動IC檢測機是精密檢測設(shè)備，因此在其加工和裝配過程中必須十分小心。對于裝配和定位精度等指標的測試，也需作大量研究。測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

機器視覺系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是圖像的獲取、圖像的處理和輸出顯示。

圖像獲取設(shè)備包括光源、攝像機等，其中關(guān)鍵部件CCD 是由分布在各個像元光敏二極管的線性陣列或矩形陣列構(gòu)成。通過順序輸出每個二極管的電壓脈沖，可將圖像光信號轉(zhuǎn)換成電信號。輸出的電壓脈沖序列可以直接以RS-170制式輸入標準電視顯示器，或輸入計算機的內(nèi)存進行數(shù)值化處理。CCD是現(xiàn)在最常用的機器視覺傳感器。

圖像處理設(shè)備包括相應(yīng)的軟件和硬件系統(tǒng)。輸出設(shè)備與過程相連，包括監(jiān)視界面、過程控制器和報警裝置等。攝像數(shù)據(jù)通過計算機比較、分析標準圖像和故障圖像。一旦發(fā)現(xiàn)不合格產(chǎn)品，則通過NG信號告警，并由PLC自動將其排出生產(chǎn)線。機器視覺檢測的結(jié)果可以作為計算機輔助質(zhì)量CAQ（Computer Aided Qualify）系統(tǒng)的信息來源，也可以與其他控制系統(tǒng)集成。

2 數(shù)字圖像處理

精密數(shù)字圖像處理算法和IC基板檢測軟件要對圖像進行分割、濾波降噪、邊緣特征提取、缺陷位置判別、圖像拼接等

處理。為達到所要求的速度，必須研究高效、快速的算法和芯片檢測系統(tǒng)軟件。圖像包含多種不確定因素，導致邊緣提取無法得到完整的輪廓。本項目應(yīng)用現(xiàn)代信號處理技術(shù)等綜合手段，設(shè)計能實現(xiàn)圖像特征的識別、提取和檢測IC基板缺陷的模型和算法。

圖像處理部分的框圖如圖2所示。在讀取圖像后校準圖像，目的是使讀取的圖像與模板圖像對齊。所謂“模板圖像”，是指沒有缺陷的圖像。先從沒有缺陷的基板掃描或從CAM文件得到模板圖像，然后分別對圖像進行開運算（膨脹、腐蝕）和閉運算（腐蝕、膨脹），最后對缺陷圖像與模板圖像作加法和減法處理并二值化，提取特征后作對比，找出缺陷。

圖2 圖像處理程序流程圖

2.1 灰度圖像的形態(tài)學處理：膨脹、腐蝕

設(shè)f（x，y）是輸入圖像，b（x，y）是結(jié)構(gòu)元素，二者可看作是一個子圖像函數(shù)。如果Z表示實整數(shù)的集合，（x，y）是來自Z×Z的整數(shù)，則f和b是坐標為（x，y）像素灰度值的函數(shù)（來自實數(shù)集R的實數(shù)）。如果灰度也是整數(shù)，則Z可由整數(shù)R所代替。

函數(shù)b對函數(shù)f進行灰度膨脹可定義（f b），運算式如下：

（f b）（s，t）=max{f（s-x，t-y）+b（x，y）

∣（s-x），（t-y）∈Df；（x，y）∈Db}. （1）

式（1）中：Df和Db分別為函數(shù)f和b的定義域；b為形態(tài)處理的結(jié)構(gòu)元素。

由于膨脹操作是在結(jié)構(gòu)元素形狀定義的領(lǐng)域中選擇f+b的最大值，因而通常對灰度圖像的膨脹處理可得到兩種結(jié)果：①如果所有的結(jié)構(gòu)元素都為正，則輸出圖像會比輸入圖像亮；②黑色細節(jié)的減少或去除取決于膨脹操作中結(jié)構(gòu)元素相關(guān)的值和形狀。

經(jīng)過膨脹和腐蝕后的模板圖像如圖3所示。

圖3 膨脹后的模板圖像和腐蝕后的模板圖像

2.2 圖像的二值化處理

圖像的二值化處理是將圖像中有意義的特征和需要應(yīng)用的特征進行分割，利用前景和背景灰度特性的差異，將閾值的像素設(shè)定為一個灰度值，高于閾值的像素設(shè)定為另一個灰度值，前景與背景以明顯的灰度級區(qū)分開來。

g（x，y）=f1 t≤f（x，y）≤255. （2）

g（x，y）=f2 0≤f（x，y）≤t. （3）

式（2）（3）中：t是[0，255]范圍內(nèi)的灰度閾值。

大于閾值t的灰度值等于固定的灰度值f1，小于閾值t的灰度值等于固定的灰度值f2.對圖像進行二值化處理后，把前景圖像與背景圖像區(qū)分開。在本文中，f1，f2的設(shè)定需要根據(jù)不同IC基板的類型和廠家對檢測標準的嚴格程度進行，從而從相加/減后的圖像中提取所需要的特征。匹配提取后的缺陷如圖4所示。

3 軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)

本軟件操作系統(tǒng)是基于LabVIEW的圖形化程序設(shè)計平臺開發(fā)的測試與控制軟件，具有底層驅(qū)動、應(yīng)用層驅(qū)動和人機界面三個層面的作用。底層驅(qū)動主要用來操作硬件，例如對運動控制卡、圖像采集卡的驅(qū)動；應(yīng)用層主要用來完成數(shù)據(jù)的采集、儲存、轉(zhuǎn)換和分析，實現(xiàn)儀器的各種功能；人機界面層面主要向用戶提供友好的人機對話環(huán)境，包括程序運行時的顯示模式和操作的相應(yīng)方式。操作系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 操作系統(tǒng)流程圖

操作系統(tǒng)主要包含用戶管理模塊、程式管理模塊、編程模塊、硬件管理模塊、運行模塊、統(tǒng)計分析模塊等功能模塊，各模塊分別實現(xiàn)不同功能。用戶管理模塊實現(xiàn)操作系統(tǒng)的登錄和用戶的管理（包括建立用戶、密碼修改、權(quán)限設(shè)置等）；程式管理模塊將工件信息按照類型以文件形式存儲，可以實現(xiàn)打開、新建、刪除文件等操作；編程模塊對用戶開放，用戶可通過該模塊對不同工件進行編程，以檢測和標記不同的工件；硬件管理模塊主要是對各硬件模塊進行管理和調(diào)試，例如電機參數(shù)（低速、加速度、高速等）的設(shè)置、電機的運轉(zhuǎn)、回原點等操作；運行模塊實現(xiàn)對整個工作流程的控制和對用戶操作的響應(yīng)；統(tǒng)計分析模塊用于統(tǒng)計過程控制，包括對各工位工作時間、工作周期、工件信息等的統(tǒng)計分析。核心處理單元整合各模塊功能，實現(xiàn)整個操作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語

IC基板的視覺檢測技術(shù)具有非接觸、速度快、精度高、操作簡單、重復性好等特點。該系統(tǒng)利用了現(xiàn)代控制理論、圖像采集與處理技術(shù)、軟件編程技術(shù)和光源設(shè)計技術(shù)等，自動化程度較高。自主研發(fā)半導體芯片光學檢測設(shè)備對于填補國內(nèi)空白，縮短我國半導體工業(yè)生產(chǎn)與世界水平的差距，打破國外壟斷的局面，提升我國自主創(chuàng)新能力和精密設(shè)備的制造水平有著深遠的意義。

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〔編輯：王霞〕