多维度机器视觉在全自动共晶贴片设备中的应用

王雁 田芳

摘要：机器视觉系统是保证全自动共晶贴片机能够精确、高效贴片的基础。从如何实现高精度贴片角度出发，研究了实现高精度贴片的系统框架组成。针对主要组成部分的多维度机器视觉系统，重点介绍了多维度机器视觉系统功能、标定方法和定位方法。最终通过工艺实验验证了多维度机器视觉在高精度贴片设备中的可行性。

关键词：机器视觉；多维度；共晶贴片机

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）05-0082-03

在微封装工艺领域中，贴片工艺为关键工序，随着微封装工艺技术的发展，贴片精度和贴片效率的提高成为了不断追求的目标。在共晶贴片工艺过程中，为了能够实现高精度、高效率、高品质的贴片效果，全自动共晶贴片设备必须具有高精度的视觉系统及标定算法、精确的温度控制系统、合理的机械结构布局、高精度的精密运动平台、合理的工艺参数等[1]。为了进一步优化共晶贴片工艺流程，提高自动化程度和贴片精度，需要在全自动共晶设备中增加多个相机，构成多维度机器视觉系统[2]。

1 高精度共晶贴片机系统框架

在光通讯TO探测器封装领域中，全自动共晶贴片机主要完成对TO、垫块、芯片的共晶贴合工艺，为了实现高精度、高效率的贴片流程，其系统主要由X、Y、T三轴组成的高精度共晶台、高精度的温度控制系统、蓝膜式垫块和芯片上料单元、垫块和芯片位置校准单元、TO传送及进料和出料单元、多维度机器视觉系统单元等组成[3]，其具体示意图如图1所示。

高精度共晶台在机器视觉定位、运动平台纠偏的基础上通过加热完成TO、垫块、芯片的焊接功能，在焊接腔体内必须有热氮气进行防氧化保护；高精度温控系统主要为共晶台和腔体内氮气提供热源；垫块蓝膜机构和芯片蓝膜机构在机器视觉定位和机械手的作用下实现垫块和芯片自动上料的功能；垫块和芯片校准单元主要对机械手从蓝膜吸附后的垫块和芯片的角度及位置进行初步机械定位，机械定位后通过校准单元上方视觉系统进行视觉定位，从而实现精确拾取垫块和芯片的功能；TO传送及进料和出料单元主要完成TO半成品上料和成品下料功能；多维度机器视觉系统主要辅助各单元模块实现精确上料、精确焊接的功能。本文主要对多维度机器视觉系统进行分析和论证[4]。

2 多维度机器视觉系统分析

2.1 机器视觉系统功能组成

由图1可知，从硬件角度分析多维度机器视觉系统主要由相机1～相机7、镜头、光源、相机数据采集卡组成，其各子相机系统功能如下：

相机1与相机5分别对放置于蓝膜上的垫块和芯片进行视觉定位，然后通过蓝膜平台进行位置纠正，从而使垫块和芯片实现自动上料功能。

相机2与相机4分别对机械校准单元校准后的垫块和芯片进行视觉定位，然后通过机械校准平台进行X、Y、T方向的位置纠正，从而保证垫块和芯片能够精确拾取。

相机7对TO管壳进行角度纠偏。

相机6对芯片侧机械手从机械校准台吸取校准后的芯片背面进行二次视觉定位，提高贴片精度。

相机3首先对放置于共晶台的TO管壳进行X、Y、T三个维度的位置纠正，然后将垫块共晶贴片于TO管壳上方，随后相机对垫块上表面进行定位，同样进行X、Y、T三个维度的位置纠正，然后将仰视相机定位后的芯片贴片于垫块上表面，完成最终共晶焊接。

2.2 机器视觉系统坐标系标定算法

由机器视觉系统组成及各相机功能可知，相机1～相机6分别与独立对应的X、Y运动平台进行标定，将各相机视场坐标系与其对应运动平台坐标系建立起关系，其相机视场坐标与运动平台坐标关系如图2所示。相机标定方法均采用Mark_A，Mark_B，Mark_C，Mark_D，Mark_E特征点在视场中呈现五个不同位置来实现，然后通过矩阵坐标计算得到相机视场坐标系与运动平台坐标系关系，具体公式如下：

相机7只对TO管壳进行角度定位，其定位角度与模板进行比对即可，无需进行标定操作。

2.3 机器视觉系统相机定位方法

根据各相机功能和TO管壳、垫块、芯片成像特征，其如图3所示。相机1、相机2、相机4、相机5可采用矩形定位方法即可满足定位需求；相机6为仰视相机，需对芯片背面焊盘进行精确识别，采用图形定位方法即可；相机7对TO管座角度进行定位，由TO管壳特征可知，需要用圆定位方法实现。相机3在整个视觉系统中起核心定位作用，其定位方法和精度直接影响最终贴片精度，结合TO管壳、垫块、芯片特征，需要采用矩形、几何图形、圆形综合定位方法[5]。

3 贴片基准与多相机视觉系统关系

全自動共晶贴片机贴片工艺过程，首先将由相机7初步校准过角度的TO管TU 壳放入带有热氮气保护的共晶台，TO管壳放置完成后，由相机3对TO管壳进行精定位，通过X、Y、T平台校准位置偏差使TO管壳位于相机3视场中心，即将相机3视场中心作为焊接坐标系基准。TO管壳定位完成后，将精确拾取到的垫块贴放与TO管壳上方，加热延时T1，同时由相机3对垫块上表面进行视觉定位，进行位置纠偏，使垫块中心也位于相机3视场中心。此时，垫块和TO管壳在以相机3视场中心为基准的条件下完成了焊接。

芯片被机械手从校准台处拾取后需要在仰视相机6处对芯片背面焊盘进行二次定位，被定位后芯片位置如何与垫块上的焊接区域进行位置匹配成为最终共晶焊接精度保证的重要依据。从理论角度分析，可以采用两种方法实现，具体如下：

第一种方法是通过对相机3、相机6、拾取芯片机械手运动轴进行标定，建立其三个坐标系的相互关系，最终通过坐标关系的转化，芯片被相机6定位后，直接推算出芯片最终贴片位置，从而实现最终高精度贴片。

第二种方法是在贴片芯片之前，将已经焊接的垫块移动至相机3视场中心A，作为芯片焊接的位置基准，芯片被相机6定位完成后，将芯片移动至视场中心B，此时，芯片与垫块位置距离永远为LAB，具体如图4所示，通过将机械手每次运动固定相对距离LAB可实现精确贴片。本应用采用第二种方法，该方法可以减少相机3、相机6、拾取芯片机械手的复杂标定流程，同时可以忽略机械手角度旋转带来的X、Y方向的位置偏差。

4 工艺实验验证

基于上述多维度机器视觉系统的全自动共晶贴片机，为了进一步弥补各相机之间的安装或标定误差，在VC6.0开发平台下，利用MFC进行软件开发，设计各相机视觉定位补偿接口，其补偿界面如图5所示。

在高精度运动控制系统、高精度加热系统、多维机器视觉系统的协同工作下，通过高效合理的标定算法、坐标关系转化及处理方法下，在各项工艺参数（如：加热时间、冷却时间、焊接温度、焊接压力等）合理设置下，经过大量工艺验证，贴片精度在X方向和Y方向均优于±10μm，其具体数据如图6所示，成品贴片效率优于15秒/个，最终贴片效果如图7所示。

5 结语

通过对全自动共晶贴片机系统框架中的多维机器视觉系统分析，介绍了各相机功能及标定方法和定位方法，同时对贴片基准和多相机视觉系统坐标系关系进 行研究和论证。最终通过各相机视觉补偿和工艺实验验证，实现了高进度贴片的目的。

参考文献

[1]贾春艳.贴片机研究与结构设计[D].哈尔滨工程大学，2008.

[2]周德俭.表面组装工艺技术[M].北京：电子工业出版社，2002.

[3]钟江生，李秦川，夏毓鹏，等.贴片机视觉系统构成原理及其视觉定位[J].电子工业专用设备，2005，（12）：26-29.

[4]龙绪明.高精度视觉贴片机计算机控制系统[J].电子工业专用设备，1996，25（01）：38-45.

[5]袁鹏，胡跃明，吴忻生，等.基于视觉的高速高精度贴片机运动控制系统的设计与实现[J].计算机集成制造系统，2004，（S1）：187-190.