基于矩形擬合的IC芯片塊定位算法

孫浩楠，王勇，胡志平，汝長海

(蘇州大學(xué) 機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

隨著電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來越多的IC芯片(以下簡稱芯片)被應(yīng)用在電子產(chǎn)品上，這對(duì)集成電路企業(yè)的生產(chǎn)速度提出了更高的要求[1]。在半導(dǎo)體加工工藝流程中，有一部分IC芯片的封裝形式需要使用砂輪切割來實(shí)現(xiàn)IC芯片的分塊，而其中一種重要的切割方法就是UV貼膜切割，利用UV膜的黏性來固定IC框架，從而保證在切割的過程中芯片的位置基本保持不變。切割工序完成后，均勻排列的IC芯片還粘在UV膜上，工人使用外凸的治具劃膜的背面，將IC芯片與膜分離。

傳統(tǒng)的人工剝料嚴(yán)重制約了芯片塊封裝速度，亟需將此道工藝流程自動(dòng)化。本文研究通過矩形擬合的方法，精確定位芯片塊的位置，根據(jù)圖像處理反饋的位置信息規(guī)劃超聲震動(dòng)頭剝料路徑，采取逐行掃描的方法將IC芯片塊與UV膜分離。

實(shí)驗(yàn)表明，通過改進(jìn)的矩形擬合算法，大大提高了IC芯片塊定位精度，減少了超聲震動(dòng)頭空載時(shí)間，提高了剝離效率。

1 IC芯片塊的視覺檢測(cè)任務(wù)分析

芯片剝離系統(tǒng)主要由相機(jī)、光源、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)等組成，如圖1所示。首先相機(jī)采集圖像并將其傳入圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行芯片塊位置的精確提取，然后將每個(gè)芯片塊的中心坐標(biāo)以及旋轉(zhuǎn)角度反饋給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，最后通過機(jī)械模組帶動(dòng)超聲震動(dòng)頭接觸芯片塊，逐行掃描。

圖1 IC芯片剝離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 IC芯片塊識(shí)別和定位算法

2.1 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理是為圖像標(biāo)定、邊緣提取、擬合矩形等過程減少難度。圖像信號(hào)在獲取和傳輸?shù)冗^程中會(huì)受到環(huán)境和自身?xiàng)l件等各種各樣因素的干擾，導(dǎo)致圖像質(zhì)量會(huì)受到不同程度的影響，為后續(xù)處理過程，如邊緣提取、擬合矩形等增加困難。本系統(tǒng)圖像預(yù)處理包括濾波降噪[2]、圖像增強(qiáng)與閾值分割[3]。

閾值處理的目的就是把像素分配給兩個(gè)或多個(gè)組的過程中引入的平均誤差最小。閾值選取不合適，閾值處理后的圖片可能毫無用處。本文采用Otsu自動(dòng)計(jì)算閾值算法[4]，其表達(dá)式為

g=w1×w2×(μ1-μ2)2

(1)

式中：w1為目標(biāo)區(qū)域中像素點(diǎn)占比；w2為背景區(qū)域像素點(diǎn)占比；μ1為目標(biāo)區(qū)域平均灰度值；μ2為背景區(qū)域平均灰度值。通過迭代計(jì)算，選取最優(yōu)閾值T，使類間方差達(dá)到最大值。圖2所示為閾值分割效果。

圖2 圖像分割

2.2 特征精確提取

矩形特征的精確提取，對(duì)后續(xù)路徑規(guī)劃至關(guān)重要。首先使用Canny算子提取亞像素邊緣[5]，接著根據(jù)空間坐標(biāo)信息分別聚類芯片塊四邊的像素點(diǎn)，通過魯棒統(tǒng)計(jì)方法建立衡量像素點(diǎn)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，迭代剔除擬合直線過程中的離群點(diǎn)[6]，得到最優(yōu)邊緣直線方程并建立四邊直線的方程組[3]，如圖3和式(2)所示。

圖3 特征提取

(2)

式中：k1、k2為直線方程中的常數(shù)；b1、b2、b3、b4為直線方程的截距。計(jì)算矩形四邊直線方程的交點(diǎn)得到矩形的4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)(C1,C2,C3,C4)，從而確定矩形芯片塊的中心位置(式(3))和偏轉(zhuǎn)角度(式(4))。

(3)

(4)

其中：當(dāng)θ>0時(shí)，矩形塊順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)θ<0時(shí)，矩形塊逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

3 實(shí)物測(cè)試

利用改進(jìn)的矩形擬合算法對(duì)不同類型的芯片塊分別進(jìn)行實(shí)物測(cè)試，芯片塊類型較多，選擇常見的300 mm料盤和230 mm寸料盤各1種型號(hào)分別進(jìn)行100次測(cè)試，所得到的芯片塊擬合效果如圖4所示，重復(fù)性測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

圖4 各型號(hào)芯片塊矩形擬合效果

表1 300 mm料盤重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

表2 230 mm料盤重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

由表1和表2可知，文中算法在芯片塊矩形擬合時(shí)，保證了芯片塊的矩形特征，且在該算法下角度重復(fù)性誤差在0.1°范圍之內(nèi)，坐標(biāo)誤差在2像素之內(nèi)，滿足剝料機(jī)路徑規(guī)劃的軌跡要求。

4 結(jié)語

本文針對(duì)剝料機(jī)芯片塊的視覺定位問題提出了基于矩形擬合的IC芯片塊定位算法，通過Canny算子提取輪廓邊緣，使用魯棒統(tǒng)計(jì)方法迭代剔除離群點(diǎn)，優(yōu)化擬合邊緣直線參數(shù)，降低芯片塊邊緣不平整對(duì)擬合精度的影響，精確獲取了芯片塊的位置信息，為剝料流程高效以及自動(dòng)化提供了可靠保證。