焊线机视觉系统

全自动晶片焊线机视觉检测系统的研究

摘要：全自动晶片焊线机是晶片生产的关键设备之一，其视觉系统是设备的核心技术所在。视觉系统决定了晶片的检测和定位精度。本文详细介绍了基于机器视觉的全自动晶片焊线机的专用芯片视觉检测系统的工作原理和设计结构，着重阐述了视觉系统的软件和硬件设计过程，以及用于晶片检测定位的图像处理算法。实验表明系统在速度和精度上都可满足焊线生产的需求，对于自动晶片焊接设备的自动化、智能化和产业化有一定的参考意义。

关键词：自动焊线机，视觉检测，图像处理，晶片检测定位

Design on Vision Detection System

of Automatic IC Wire Bonder

Duan Jin，Wang Feng，Lu Jian, Zhu Yong, Jing Wenbo

(Changchun University of Science & Technology, Changchun, 130022, China, Duanjin: duanjin@ )

（Jilin Kaichuang Electric technology Company, Changchun,130023,China）

Abstract：

The Wire bonding machine is one of the primary equipment for chip production. The machine vision system is very crucial in the process of wire-bonding. The structure and principle of vision detection system in high precision chip wire-bonder are introduced in this paper. The design of the hardware and software of the system are discussed, at the same time the arithmetic of image processing is presented. Experiment results shows that the method can effectively detecte and locate the chip. The speed and accuracy of the system are good enough to meet the practical application requirement.

Key words：Wire bonder, Vision detection, Image processing, Chip detection & location

0．引言

表面组装技术（SMT Surface Mounting Technology）使现代电子组装的重量减轻，体积缩小，成本降低，是目前电子组装行业最流行的技术和工艺，具有重要的应用价值。目前，我国已经成为世界最大的IC晶片消费国之一。但是我国现在80%的IC晶片却是依赖国外进口的，其主要原因是表面组装设备依赖进口，没有自主知识产权。由于国外厂商都对核心技术采取严密的技术保密，我国表面自动组装技术与国外先进水平相比有着明显差距，特别是在组装设备的精度和速度等的重要指标上[1][2][3]。

SMT生产线通常由表面涂敷设备、贴片机、焊接机、丝印机、清洗机、测试设备等表面组装设备组成。其中关键设备——焊接机（Wire Bonder），更是国外各大电子设备公司激烈竞争的对象[4]。国内已有技术成熟的商品化贴片机[1，5，6]，但是国产的晶片焊线机基本还停留在半自动或较低的全自动水平，且产业化水平较低。

本文阐述全自动超声波铝丝焊线机的研制和产业化过程中的核心技术。重点对基于机器视觉的全自动晶片焊线机的控制系统进行研究，深入阐述了IC 晶片的图像检测和定位系统的软件和硬件设计原理和实现过程。实验结果表明,本文所述的自动晶片焊线机视觉检测系统，在速度和精度方面都可满足焊线生产的需求，且具有较好的鲁棒性。论文设计原理和技术关键，对于晶片焊接设备的自动化、智能化有一定的参考意义，为自动焊线机的设计和产业化提供了重要依据。

1．系统构成

自动晶片焊接机通过定位、移位、焊接、切断等步骤，快速将表面装贴器件准确的焊接到PCB板焊盘的指定焊点上。

图1是晶片焊接部位示意图。在一个焊接基架上有一排同种型号的半导体器件，图中是两个相邻的半导体器件（比如功率放大三极管），IC晶片是由贴片机（Die bonder）贴焊在焊盘上的，焊接机需要在晶片上找到焊线位置（焊点），用焊线将晶片焊点与相对应的器件引脚连接起来。焊线的粗细表示焊线的直径不同，焊线的直径一般是30μm到500μm。

焊线基架

晶片

焊点焊点

焊线

焊线

引脚

图1 晶片焊接部位示意图

Fig.1 the element’s position of the chip

图2 晶片焊线机系统组成

Fig.2 the structure of the IC wire bonder

全自动超声波铝线焊线机的控制系统组成，见图2。焊线机的控制系统主要有工作平台、焊头，图像采集系统，工业控制计算机，PLC等组成[5]。

工作平台是焊线机的载物平台，在单一方向上传送焊接基架，并由压片来固定焊接基架，完成送料的工序。

焊头是一个X-Y-Z-θ四个自由度的机械运动机构。由焊头完成旋转，移动，焊线，切线等功能，通过超声波用铝线将晶片和引脚连接起来。

工业控制计算机的从功能上又可以分为图像处理系统和运动控制系统。工控机通过操作界面实现人机接口。

图像处理系统应用图像处理技术，对采集系统获得的晶片图像进行检测和识别，计算并输出晶片的精确位置坐标。

运动控制系统进行焊接工序控制，通过PLC对机械运动机构进行控制。工作平台和焊头都在运动控制系统的控制下协调按步骤工作。

图像处理系统和运动控制系统的分工见图5。

为了获得高精度的图像处理数据，需要采集到高质量的图像，图像采集系统硬件部分包括CCD相机，镜头，照明系统（光源）和图像采集卡等[1]。

光源在图像采集系统中起到相当重要的作用。晶片的表面金属光泽对光线的反射，会给晶片的检测带来不利影响。另外，光源照度分布以及光源的光谱成分等因素都会对CCD传感器成像产生影响。综合考虑晶片形状，光滑程度，平坦度，表面光泽，以及现场工作环境等因素，系统光源选用白色角度照射LED环形光源作为主光源，见图3。同时，以均匀白色扩散光作为辅助光源提供足够背景照度。这样可以使得物体足够明亮，有效的消除阴影，且图像灰度分布连续而均匀，不易受到环境因素的影响，更为图像分割提供了良好的条件。图4是采集获得的晶片图像。

图3 系统光源

Fig.3 the structure of the light source