多維度機器視覺在全自動共晶貼片設備中的應用

王雁 田芳

摘要：機器視覺系統是保證全自動共晶貼片機能夠精確、高效貼片的基礎。從如何實現高精度貼片角度出發，研究了實現高精度貼片的系統框架組成。針對主要組成部分的多維度機器視覺系統，重點介紹了多維度機器視覺系統功能、標定方法和定位方法。最終通過工藝實驗驗證了多維度機器視覺在高精度貼片設備中的可行性。

關鍵詞：機器視覺；多維度；共晶貼片機

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0082-03

在微封裝工藝領域中，貼片工藝為關鍵工序，隨著微封裝工藝技術的發展，貼片精度和貼片效率的提高成為了不斷追求的目標。在共晶貼片工藝過程中，為了能夠實現高精度、高效率、高品質的貼片效果，全自動共晶貼片設備必須具有高精度的視覺系統及標定算法、精確的溫度控制系統、合理的機械結構布局、高精度的精密運動平臺、合理的工藝參數等[1]。為了進一步優化共晶貼片工藝流程，提高自動化程度和貼片精度，需要在全自動共晶設備中增加多個相機，構成多維度機器視覺系統[2]。

1 高精度共晶貼片機系統框架

在光通訊TO探測器封裝領域中，全自動共晶貼片機主要完成對TO、墊塊、芯片的共晶貼合工藝，為了實現高精度、高效率的貼片流程，其系統主要由X、Y、T三軸組成的高精度共晶臺、高精度的溫度控制系統、藍膜式墊塊和芯片上料單元、墊塊和芯片位置校準單元、TO傳送及進料和出料單元、多維度機器視覺系統單元等組成[3]，其具體示意圖如圖1所示。

高精度共晶臺在機器視覺定位、運動平臺糾偏的基礎上通過加熱完成TO、墊塊、芯片的焊接功能，在焊接腔體內必須有熱氮氣進行防氧化保護；高精度溫控系統主要為共晶臺和腔體內氮氣提供熱源；墊塊藍膜機構和芯片藍膜機構在機器視覺定位和機械手的作用下實現墊塊和芯片自動上料的功能；墊塊和芯片校準單元主要對機械手從藍膜吸附后的墊塊和芯片的角度及位置進行初步機械定位，機械定位后通過校準單元上方視覺系統進行視覺定位，從而實現精確拾取墊塊和芯片的功能；TO傳送及進料和出料單元主要完成TO半成品上料和成品下料功能；多維度機器視覺系統主要輔助各單元模塊實現精確上料、精確焊接的功能。本文主要對多維度機器視覺系統進行分析和論證[4]。

2 多維度機器視覺系統分析

2.1 機器視覺系統功能組成

由圖1可知，從硬件角度分析多維度機器視覺系統主要由相機1～相機7、鏡頭、光源、相機數據采集卡組成，其各子相機系統功能如下：

相機1與相機5分別對放置于藍膜上的墊塊和芯片進行視覺定位，然后通過藍膜平臺進行位置糾正，從而使墊塊和芯片實現自動上料功能。

相機2與相機4分別對機械校準單元校準后的墊塊和芯片進行視覺定位，然后通過機械校準平臺進行X、Y、T方向的位置糾正，從而保證墊塊和芯片能夠精確拾取。

相機7對TO管殼進行角度糾偏。

相機6對芯片側機械手從機械校準臺吸取校準后的芯片背面進行二次視覺定位，提高貼片精度。

相機3首先對放置于共晶臺的TO管殼進行X、Y、T三個維度的位置糾正，然后將墊塊共晶貼片于TO管殼上方，隨后相機對墊塊上表面進行定位，同樣進行X、Y、T三個維度的位置糾正，然后將仰視相機定位后的芯片貼片于墊塊上表面，完成最終共晶焊接。

2.2 機器視覺系統坐標系標定算法

由機器視覺系統組成及各相機功能可知，相機1～相機6分別與獨立對應的X、Y運動平臺進行標定，將各相機視場坐標系與其對應運動平臺坐標系建立起關系，其相機視場坐標與運動平臺坐標關系如圖2所示。相機標定方法均采用Mark_A，Mark_B，Mark_C，Mark_D，Mark_E特征點在視場中呈現五個不同位置來實現，然后通過矩陣坐標計算得到相機視場坐標系與運動平臺坐標系關系，具體公式如下：

相機7只對TO管殼進行角度定位，其定位角度與模板進行比對即可，無需進行標定操作。

2.3 機器視覺系統相機定位方法

根據各相機功能和TO管殼、墊塊、芯片成像特征，其如圖3所示。相機1、相機2、相機4、相機5可采用矩形定位方法即可滿足定位需求；相機6為仰視相機，需對芯片背面焊盤進行精確識別，采用圖形定位方法即可；相機7對TO管座角度進行定位，由TO管殼特征可知，需要用圓定位方法實現。相機3在整個視覺系統中起核心定位作用，其定位方法和精度直接影響最終貼片精度，結合TO管殼、墊塊、芯片特征，需要采用矩形、幾何圖形、圓形綜合定位方法[5]。

3 貼片基準與多相機視覺系統關系

全自動共晶貼片機貼片工藝過程，首先將由相機7初步校準過角度的TO管TU 殼放入帶有熱氮氣保護的共晶臺，TO管殼放置完成后，由相機3對TO管殼進行精定位，通過X、Y、T平臺校準位置偏差使TO管殼位于相機3視場中心，即將相機3視場中心作為焊接坐標系基準。TO管殼定位完成后，將精確拾取到的墊塊貼放與TO管殼上方，加熱延時T1，同時由相機3對墊塊上表面進行視覺定位，進行位置糾偏，使墊塊中心也位于相機3視場中心。此時，墊塊和TO管殼在以相機3視場中心為基準的條件下完成了焊接。

芯片被機械手從校準臺處拾取后需要在仰視相機6處對芯片背面焊盤進行二次定位，被定位后芯片位置如何與墊塊上的焊接區域進行位置匹配成為最終共晶焊接精度保證的重要依據。從理論角度分析，可以采用兩種方法實現，具體如下：

第一種方法是通過對相機3、相機6、拾取芯片機械手運動軸進行標定，建立其三個坐標系的相互關系，最終通過坐標關系的轉化，芯片被相機6定位后，直接推算出芯片最終貼片位置，從而實現最終高精度貼片。

第二種方法是在貼片芯片之前，將已經焊接的墊塊移動至相機3視場中心A，作為芯片焊接的位置基準，芯片被相機6定位完成后，將芯片移動至視場中心B，此時，芯片與墊塊位置距離永遠為LAB，具體如圖4所示，通過將機械手每次運動固定相對距離LAB可實現精確貼片。本應用采用第二種方法，該方法可以減少相機3、相機6、拾取芯片機械手的復雜標定流程，同時可以忽略機械手角度旋轉帶來的X、Y方向的位置偏差。

4 工藝實驗驗證

基于上述多維度機器視覺系統的全自動共晶貼片機，為了進一步彌補各相機之間的安裝或標定誤差，在VC6.0開發平臺下，利用MFC進行軟件開發，設計各相機視覺定位補償接口，其補償界面如圖5所示。

在高精度運動控制系統、高精度加熱系統、多維機器視覺系統的協同工作下，通過高效合理的標定算法、坐標關系轉化及處理方法下，在各項工藝參數（如：加熱時間、冷卻時間、焊接溫度、焊接壓力等）合理設置下，經過大量工藝驗證，貼片精度在X方向和Y方向均優于±10μm，其具體數據如圖6所示，成品貼片效率優于15秒/個，最終貼片效果如圖7所示。

5 結語

通過對全自動共晶貼片機系統框架中的多維機器視覺系統分析，介紹了各相機功能及標定方法和定位方法，同時對貼片基準和多相機視覺系統坐標系關系進 行研究和論證。最終通過各相機視覺補償和工藝實驗驗證，實現了高進度貼片的目的。

參考文獻

[1]賈春艷.貼片機研究與結構設計[D].哈爾濱工程大學，2008.

[2]周德儉.表面組裝工藝技術[M].北京：電子工業出版社，2002.

[3]鐘江生，李秦川，夏毓鵬，等.貼片機視覺系統構成原理及其視覺定位[J].電子工業專用設備，2005，（12）：26-29.

[4]龍緒明.高精度視覺貼片機計算機控制系統[J].電子工業專用設備，1996，25（01）：38-45.

[5]袁鵬，胡躍明，吳忻生，等.基于視覺的高速高精度貼片機運動控制系統的設計與實現[J].計算機集成制造系統，2004，（S1）：187-190.