1. 引言

传统的晶片生产在焊线这一块主要靠人工和显微镜来观看和焊接，对人的依赖性比较强，因为长时间的工作人眼也容易疲劳。传统的LED生产在焊线这一块主要靠人工和显微镜来观看和焊接，对人的依赖性比较强，因为长时间的工作人眼也容易疲劳。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。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。

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。国内已有技术成熟的商品化贴片机，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。

自动晶片焊接机通过定位、移位、焊接等步骤，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。

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）等。

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相机成像产生影响。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。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2是采集获得的晶片图像。

2．工作流程

首先由工作平台将焊接基架一个待焊接元件输送到焊接工位，并由平台上的两个压片将元件固定。这时，由图像采集系统获取一幅晶片图像，由图像处理系统对图片进行晶片检测和定位，获得晶片上的焊点坐标，并根据引脚位置生成焊接引线的工序列表。列表中每一条记录，对应一条焊接连线工序。

焊接开始，焊头首先移动到晶片上起始焊点位置，并焊线；然后牵引焊线到引脚的焊线结束位置，并焊线；最后切断焊线，完成一根焊线的连接。

当一个元件的全部焊线（可能有多条）都焊接完毕，则工作台压片抬起，释放元件基架。焊接基架在工作台控制下向下移位，换上新的待焊接元件。

在整个焊线机的工作流程中最关键的是视觉系统，即图像处理部分，它决定了整个系统的晶片焊接精度。在下面中重点介绍晶片检测的图像处理算法。

3．晶片检测识别算法

在晶片检测和定位之前，需要先获得一幅标准的晶片样本图像，这时晶片应该是水平放置，偏转角度为零。同时，需要获得晶片相对位置关系的精确数据，比如，焊点相对晶片零点的坐标，晶片上焊点到引脚焊点的角度和距离等。

整个检测过程的工序流程分为4步：

第一步，对获取的待焊晶片图像进行灰度直方图规则化。使待检测图像整体灰度分布与标准样本图像的灰度分布基本一致。

第二步，进行动态阈值分割。将晶片所具有的识别特征从背景中分割出来，即将晶片从焊盘背景中分割出来，并保证晶片所具有的识别特征明确可见。由于焊接系统的具有较好的照明条件，并考虑到系统高效性和实时性要求，这里采用动态阈值分割方法，对图像进行二值化。

第三步，利用事先在标准样本图像中制作好的模板，在待检测图像上进行模式匹配，寻找最佳匹配，以确定芯片原点（x0,y0）。

第四步，依据确定好的芯片原点（x0,y0），根据晶片的相对标准位置关系，计算各焊点在图像中的位置坐标；生成焊线流程列表，输出给运动控制系统。

   图4显示的是由CCD相机捕捉到的晶片图像示意图。在图像中人为设定了图像的十字交叉线以及图像中心点，是为了便于人眼观察晶片相对于图像中心的位置，和晶片相对十字的倾斜角度。

事先要人工制作检测用标准模板（较小的虚线框），应保证模板特征的唯一性。模板在搜索区域内扫描，进行模板匹配。搜索区域最大可以与图像一样大，但是越大的搜索范围，就意味着要花费更多的搜索时间，因此应该使得搜索区域尺寸尽量的小。

由贴片机的晶片贴装精度和工作平台基架传送机构的定位精度，可以保证晶片在图像中的位置和偏转角度都在一个精度范围内，即晶片位置相对是固定的，位于图像的中心部位，且偏转角度有限。如果模板被定义为晶片的左上角，也就是说模板是用来搜索晶片左上角的，那么搜索范围就只设置在靠近左上部的大约占图像总面积1/4的区域内（较大的虚线框）就可以了。

本文所述的全自动晶片焊线机的控制系统，已经在实际生产中得以应用和验证，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。视觉检测方面的主要技术指标如下：

（1）设计工况要求：

1）晶片尺寸变化范围：0.5mm-3mm；

2）同时在视场内定位芯片的数量：1个芯片；

3）视场范围：大于4mm。

如果图像尺寸为640*480，假设3mm的正方形晶片对应300个像素，则每个像素对应的实际坐标尺寸为10μm，系统最小测量精度为0.01mm。

（2）硬件环境：

1）计算机：Intel P4 3.0，1GRAM工控计算机；

2）摄像机：千兆网相机；

3）光学系统：镜头视场为2.7(h) ×2.0(V)，镜头放大倍数为1.8×；

4）光源：角度照射LED环形光源。

（3）软件环境：

1）操作系统： Windows XP ；

2）开发环境：Microsoft Visual C++ 6.0。

3）图像识别精度：一个像素。

4）图像识别速度≤50ms。

4.优势

本文阐述了全自动晶片焊接机视觉控制系统的基本原理和实现手段，以及关键技术。其设计思路和工作原理，对于自动晶片焊接设备的自动化、智能化和国产化有一定的参考意义。传统的视觉系统只提供单个模板学习功能，在光线变化或者工作台抖动以及其他一些对图像拍照造成影响的情况下，会造成视觉系统对图像无法识别或误识别，针对这些缺点，创科提出了候补模板的学习功能的全新技术方案，在主模板无法匹配的情况下可以利用候补模板一一对比，大大改善了传统视觉系统的识别能力。同时，该套系统的另一个亮点是自动记录漏焊点的位置坐标以及焊接完成后自动归零回到出板位置，传统的视觉系统在焊线完成后还需要人工用显微镜来检测每个焊点是否有漏焊，这大大浪费了生产时间和人工成本。而创科这套系统提供错误列表自动记录功能，在焊盘因为少晶片或光线被遮住，相机无法取像以及图像质量确实太差，严重无法识别的情况下，该系统会记录所漏焊点的坐标位置，待系统自动焊线完成后自动回归到列表中每个错误位置点，实行手动焊线，待焊线完成后自动回到出板位置。