专利名称：Bga芯片视觉检测系统及其检测方法
技术领域：
本发明涉及机器视觉检测领域，尤其涉及一种用于对BGA芯片进行检测的芯片检 测系统以及应用该系统的检测方法。
背景技术：
球栅阵列封装(BGA)是一种高密度IC封装方式，目前应用较广，其用球状突点(焊 球)替代传统的针状引脚对芯片进行封装，因此焊球的质量直接关系到后续贴装到PCB板的 性能，在生产中需严格控制焊球的质量，比如大小、位置、完整度和高度等。在BGA芯片的制作过程中，焊接工序完成后后需要对BGA芯片进行检测，检测焊球 是否存在缺陷，若发现缺陷焊球，需要将含有缺陷焊球的芯片剔除。生产过程中，焊球质量的检测工作通常是由操作工人通过肉眼或借助显微镜等设 备观察焊球情况来实现的，操作工作效率低下，而且容易导致工人眼睛疲劳。同时，由于不 同人的检测标准不一致，容易导致检测错误，检测的准确率不高。因此，人们研发出BGA芯片视觉检测系统，应用计算机对芯片电路板上的焊球进 行检测，辨别缺陷焊球。现有的芯片视觉检测系统由检测装置以及与检测装置通讯的计算 机组成，检测装置包括机身，机身上设有工作平台，并设有与工作平台垂直的工作柱，工作 柱可在工作平台上平动。工作平台上设置一个料盘，芯片放置在料盘上。工作柱上设有工业照相机，工业照 相机的照相方向朝向料盘。料盘一般是盛物面朝上设置，因此工业照相机的照相方向朝下 设置，并且在照相机的下方设有一个精密的光学镜头。检测装置还设有一个环形光源发生器，用于向待检测的芯片发出环形光线，环形 光线经芯片反射后入射至光学镜头，照相机即获得图像信息。照相机获取图像信息后，将信 息传送至作为控制单元的计算机中，由计算机的计算分析模块对图像信息进行分析计算， 从而辨别图像中是否存在芯片图像，并判断芯片的焊球是否存在缺陷，同时记录每一缺陷 焊球的位置，形成反馈信息。参见图1，检测装置对芯片进行检测时，环形光源发生器发出的环形光线Ll从焊 球的侧面照射在焊球1上表面2的边缘，焊球1顶部往往没有被光线照射，也就无法形成反 射光线。照相机形成的图像中，焊球图像往往是一个环形的图像，即焊球图像的中部形成一 个空洞。计算机的计算分析模块接收到图像后，往往采用对空洞进行填充的处理方式，然后 对填充后的焊球图像进行计算分析。然而，焊球图像的空洞也可能是由焊球自身缺陷引起的，例如焊球上表面的压伤、 凹陷等，使用对空洞填充方式无法检测上述的缺陷，影响芯片的检测质量。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种有效检测芯片焊球自身缺陷的BGA芯片视觉检测 系统。
本发明的另一目的是提供一种检测质量较高的BGA芯片视觉检测方法。为实现上述的主要目的，本发明提供的BGA芯片视觉检测系统包括控制单元，控 制单元设有计算分析模块；向控制单元传送图像信息的照相机，照相机与一个光学镜头共 轴线设置，其中，芯片视觉检测系统还设有同轴光源组件，其包括一个同轴光源发生器及一 个与光学镜头成45°夹角的半透半反镜，半透半反镜位于光学镜头的与照相机相反的一 侧。由上述方案可见，BGA芯片视觉检测系统检测时，同轴光源发生器发出的同轴光线 可照射在焊球的上表面顶端，从而避免照相机获取的焊球图像中部形成空洞，即计算分析 模块无需对焊球图像的空洞进行填充处理，可直接对焊球图像进行完整的检测，从而可检 测出焊球顶部压伤、凹陷等自身缺陷。一个优选的方案是，BGA芯片视觉检测系统还包括与控制单元连接的真空吸嘴。这 样，控制单元辨别缺陷焊球的位置后，可控制真空吸嘴将缺陷焊球剔除，检测、清障工作一 起完成，提高芯片生产效率。为实现上述的另一目的，本发明提供的BGA芯片视觉检测方法应用上述的BGA芯 片视觉检测系统，该方法包括同轴光发生器发出同轴光线，照相机获取图像信息并将获取 的图像信息传送至控制单元；控制单元的计算分析模块判断所获取的图像信息中是否包括 芯片的图像信息，若包括，则通过迭代法对图像进行阈值分割，区分图像中焊球图像的前景 与背景，并对焊球图像进行BLOB分析，计算每一焊球图像的位置、面积及周长参数，对焊球 图像进行圆拟合操作，辨别缺陷焊球。由上述方案可见，计算分析模块不对焊球图像进行空洞填充操作，而是直接计算 焊球的位置、面积、周长等参数，并通过这些参数判断焊球是否存在缺陷。这样，计算分析模 块可辨别焊球顶部压伤、凹陷等缺陷，提高芯片的检测质量。一个优选的方案是，计算分析模块内存储有阈值参数，上述的辨别缺陷焊球的步 骤是判断焊球图像的面积或周长等参数是否小于阈值参数。由此可见，通过计算分析模块的计算与辨别，能统一焊球缺陷判断标准，有利于提 高芯片检测质量。
图1是现有芯片视觉检测系统对芯片的焊球检测的光路示意图。图2是本发明BGA芯片视觉检测系统实施例中成像组件、同轴光源组件、真空吸嘴 及料盘的结构示意图，图中料盘盛有芯片。图3是本发明BGA芯片视觉检测系统实施例对芯片的焊球检测的光路放大示意 图。图4是本发明BGA芯片视觉检测方法实施例中计算分析缺陷焊球的流程图。以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施例方式本发明的BGA芯片视觉检测系统实施例由一台检测装置以及与检测装置通讯的 计算机组成，计算机作为本实施例的控制单元，其设有计算分析模块，对接收的图像信息进行计算分析。检测装置具有机身，机身上设有一个工作平台，该工作平台与水平面平行设置，在 工作台上设有一个料盘，待检测的芯片可放置在料盘上。检测装置还设有一根与工作平台垂直设置的工作柱，工作柱可在电机的带动下在 工作平台上平动。工作柱上安装有工作底板，工作底板上安装有多个设备，并且设有与计算 机通讯的通讯接口，实现检测装置与计算机之间的通讯。参见图2，工作底板10上安装有工业照相机11，工业照相机11的照相方向是朝向 料盘14，也就是朝向下方，即图2中的y轴负方向。在工业照相机11的照相方向上设有一 个精密光学镜头12，也就是光学镜头12位于工业照相机11的正下方。工业照相机11以及 光学镜头12组成本实施例的成像组件，且工业照相机11与光学镜头12共轴线设置。工作底板10上还安装有真空吸嘴13，其可在计算机的控制下剔除芯片15上的缺 陷焊球。检测装置上还设有同轴光源组件20，其由同轴光源发生器21以及光学棱镜23组 成。同轴光源发生器21出射端口 22轴线AX与工业照相机11的照相方向垂直，即图2中的 χ轴的方向。光学棱镜23位于同轴光源发生器21出射端口的前方，光学棱镜23内设有一 片半透半反镜24，半透半反镜24与工业照相机11的照相方向形成45°的夹角，并且半透 半反镜24与同轴光源发生器21出射端口 22的轴线AX之间形成的夹角α也是45°。由 于工业照相机11的照相方向为y轴的负方向，而同轴光源发生器21出射端口的轴线位于 χ轴上，因此半透半反镜24与χ轴及y轴均形成45°的夹角。并且，光线棱镜24位于光学 镜头12的正下方，也就是在工业照相机11照相方向上位于光学棱镜12的正前方。检测装置工作时，由同轴光发生器21发出同轴光线，检测装置对焊球的检测示意 图如图3所示。同轴光发生器发出的同轴光线L2经过半透半反镜24后形成反射光线L3， 由于半透半反镜24与同轴光发生器出射端口 22的轴线AX形成45°的夹角，因此同轴光 线L2以45°的入射角入射至半透半反镜24中，形成的反射光线L3也就以45°的出射角 出射，即沿图3中y轴负方向出射。反射光线L3入射至焊球16的顶部后形成反射光线L4，由于反射光线L3是垂直地 入射至焊球16的顶部，因此反射光线L4也是垂直地反射，并经过半透半反镜24后形成透 射光线L5，透射光线L5沿y轴正方向出射，并入射至光线镜头，工业照相机即生成图像信 肩、ο工业照相机通过工作底板与计算机电连接，从而将生成的图像信息传送至计算 机，计算机的计算分析模块对接收的信号进行分析、计算，并辨别缺陷焊球。本实施例的计算分析模块中存储有若干参数，包括焊球面积、焊球周长、焊球半径 以及焊球圆形相似度等参数，用于判断焊球是否为缺陷焊球。BGA芯片视觉检测系统工作时，首先由同轴光源发生器发出同轴光线，同轴光线经 过光学棱镜后入射至料盘上，光线经过料盘上的芯片反射后入射至光学透镜，工业照相机 生成图像信息并传送至作为控制单元的计算机。下面结合图4说明本实施例的控制单元工 作流程。首先，控制单元的计算分析模块接收来自工业照相机的图像信号，即执行步骤Si， 然后判断所接收的图像信息是否包括芯片图像信息，即执行步骤S2。判断有无芯片图像信息时，主要是依据有无芯片图像时图像表现的差异。当黑色的料盘上放置有芯片，同轴光线 入射至芯片后形成强烈的反射光线，即形成光斑；若料盘上没有放置芯片，同轴光线入射至 芯片后形成的光斑很少，因此通过判断光斑占图像面积比例大小即可判断是否存在芯片图 像信息。若图像信息包括有芯片图像信息，则执行步骤S3，否则返回执行步骤Si，获取下一 图像信息。步骤S3中，计算分析模块采用迭代法对图像信息进行阈值分割，区分焊球图像信 息的前景与背景。具体步骤如下
S31 求出所获取的图像信息的最大灰度值和最小灰度值，分别记为GMAX和GMIN，计 算初始阈值TK，
GlvIAX + GMIN^ 、
TK=--(式 1)。 S32:根据上述阈值TK将图像信息分割为前景和背景，分别求出两者的平均灰度 值ZF禾口 ZB。S33 求出新阈值TK1，
S34 若TK=TKl,则所得的新阈值TKl即为所需的阈值；否则返回步骤S32，继续迭 代计算。通过上述方法计算的阈值，即可区分图像信息中焊球图像的前景与背景。接着，执行步骤S4，对分割的图像信息进行正反两次的扫描标记，进行BLOB分析， 计算每一焊球图像的中心位置、面积、周长。具体的步骤如下
S41 对图像从上往下扫描一次，若当前像素是0，且其八邻域中的上四邻域，即左、左 上、上、右上像素都没有特征值，则给予当前像素标记，若左、左上、上、右上的任一像素具有 标记，按顺时针优先级予以标记。S42:对图像从下往上扫描一次，若当前像素有标记，且其左、左下、下或右下的任 一像素存在标记，则按左、左下、下、右下的优先级顺序重新予以标记。S43:扫描完毕后，各个物体都具有唯一标记，此时计算面积A是统计相同标记的 像素的个数。计算周长L时，若当前像素有标记，且其八个邻域像素的标记任一与其有不 同，则此标记的周长L加1。这样，可计算每一焊球的面积A及周长L。然后，执行步骤S5，对每一焊球图像进行圆拟合操作，也就是用最小二乘法拟合 圆，得到焊球图像的拟合半径R，并计算焊球图像的圆形相似度RN
Ry=2x^A(式 3)。
L接着，执行步骤S6，将计算的焊球图像的面积A、周长L、半径R以及圆形相似度RN 等参数与计算分析模块所存储的阈值参数进行比较，判断上述的参数是否小于阈值参数， 若小于表示焊球存在缺陷，执行步骤S7,将该焊球标记为缺陷焊球，否则执行步骤S8,将焊 球标记为正常焊球。
6
最后，控制单元根据计算分析模块的分析结果形成反馈信息，并控制真空吸嘴将 含有缺陷焊球的芯片剔除。由上述方案可见，本实施例的检测装置使用同轴光线对芯片进行检测，工业照相 机获得的焊球图像为实心的图像，计算分析模块不需要对焊球图像进行空洞填充处理，能 有效辨别焊球的压伤、凹陷等自身缺陷，提高检测质量。当然，上述实施例仅是本发明较佳的实施方案，实际应用时还可以有更多的变化， 例如，检测系统不设置真空吸嘴，控制单元仅对芯片图像进行分析；或者，芯片视觉检测系 统不设外置的计算机作为控制单元，而是在检测装置内设置PLC或单片机等作为控制单 元，这些改变同样可以实现本发明的目的。最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如用于计算焊球图像参数的改 变、辨别焊球图像前景与背景方法的改变等变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围 内。
权利要求
BGA芯片视觉检测系统，包括控制单元，所述控制单元设有计算分析模块；向所述控制单元传送图像信息的照相机，所述照相机与一光学镜头共轴线设置；其特征在于同轴光源组件，包括一同轴光源发生器及一与所述光学镜头成45°夹角的半透半反镜，所述半透半反镜位于所述光学镜头的与所述照相机相反的一侧。
2.根据权利要求1所述的BGA芯片视觉检测系统，其特征在于还包括一与所述控制单元连接的真空吸嘴。
3.应用如权利要求1所述BGA芯片视觉检测系统的检测方法，包括所述同轴光发生器发出同轴光线，所述照相机获取图像信息并将获取的图像信息传送 至所述控制单元；所述控制单元的计算分析模块判断图像信息中是否包括芯片的图像信息，若包括，则 通过迭代法对图像进行阈值分割，区分所述图像中焊球图像的前景与背景，并对所述焊球 图像进行BLOB分析，计算每一所述焊球图像的位置、面积及周长参数，对所述辉球图像进 行圆拟合操作，辨别缺陷焊球。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于所述圆拟合操作是使用最小二乘法计算拟合圆，计算所述拟合圆的拟合半径以及圆形 相似度。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于所述计算分析模块内存储有阈值参数；所述辨别缺陷焊球的步骤是判断所述焊球图像的所述面积或周长或半径或圆形相似 度参数是否小于所述阈值参数。
6.根据权利要求3至5任一项所述的检测方法，其特征在于所述BGA芯片视觉检测系统还包括与所述控制单元连接的真空吸嘴；所述检测方法还包括所述计算分析模块辨别所述缺陷焊球后，所述真空吸嘴将所述含 有缺陷焊球的芯片剔除。
全文摘要
本发明提供一种BGA芯片视觉检测系统及其检测方法，该系统包括控制单元，其设有计算分析模块；向控制单元传送图像信息的照相机，照相机与一光学镜头共轴线设置，该系统还设有同轴光源组件，其包括同轴光源发生器及与光学镜头成45°夹角的半透半反镜。该方法包括同轴光发生器发出同轴光线，照相机获取图像信息并将图像信息传送至控制单元；计算分析模块判断图像信息中是否包括芯片的图像信息，若包括则对图像进行阈值分割，区分图像中焊球图像的前景与背景，并对焊球图像进行BLOB分析，计算每一焊球图像的位置、面积及周长参数，对焊球图像进行圆拟合操作，辨别缺陷焊球。本发明能检测芯片焊球的自身缺陷，提高检测质量。
文档编号G01N21/952GK101936918SQ201010270538
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者邓泽峰 申请人:东信和平智能卡股份有限公司