封裝電路板的三維在線檢測技術(shù)研究

何福權(quán)

（深圳和美精藝半導(dǎo)體科技股份有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著封裝技術(shù)SMT的逐步普及，電路板中的元器件會出現(xiàn)細小化與密集化情況，對于元件貼裝所出現(xiàn)的缺陷問題進行檢測，有效提高封裝電路板整體質(zhì)量。在傳統(tǒng)的檢測方法中，常見有紅外線檢測、電氣檢測和人工目檢等，這些方法都各有利弊，同時也會受自身檢測原理所帶來的影響，使其檢測能力無法適應(yīng)高精度、高速度等要求。為了彌補這一缺陷，科學(xué)家研究出了線結(jié)構(gòu)光視覺測量方法，該方法具備低成本、高精度、極強的實時性等諸多優(yōu)點，由此本文對線結(jié)構(gòu)光掃描封裝電路板的缺陷進行研究，對自動光學(xué)檢測系統(tǒng)進行分析，希望能夠為日后工作提供參考。

1 SMT封裝電路板三維在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計情況

下圖1為SMT封裝電路板完整的三維檢測結(jié)構(gòu)框架，該框架是由光學(xué)子系統(tǒng)、計算機、圖像采集子系統(tǒng)、掃描運動子系統(tǒng)等諸多結(jié)構(gòu)組合而成，光學(xué)子系統(tǒng)主要構(gòu)成為線激光器，圖像采集子系統(tǒng)由兩個部分組成，即CMOS與圖像采集卡的融合，掃描運動子系統(tǒng)的構(gòu)成部分包括控制箱與較高精準性的電控精密平移臺。在進行操作的時候，利用線激光器進行垂直透射，確保在特定的角落里CMOS相機能夠?qū)ΨQ地分布于光平面兩側(cè)，從而一個線結(jié)構(gòu)傳感器形成，進行測量時，掃描工序的完成需要光平面垂直方向與平移臺配合。

圖1 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 雙傳感器統(tǒng)一標定方法

為了保證在測量時，兩個傳感器狀態(tài)達到實時互補，必須確保兩個傳感器坐標的統(tǒng)一性。文章的宗旨就是探索統(tǒng)一標定雙傳感器的措施，借助平行線靶標的應(yīng)用，進行不同靶標圖像位置的有效采集，該過程不僅實現(xiàn)左面?zhèn)鞲衅髋c右面?zhèn)鞲衅魉斔偷膮?shù)Cij與Dij，同時也能保證坐標系處于統(tǒng)一的狀態(tài)。

2.1 標定情況

根據(jù)下圖2可知，在系統(tǒng)標定時，需要左面相機與右面相機根據(jù)某個角度，進行設(shè)置工作的對稱性，其間距平行線構(gòu)成狀態(tài)是通過靶標中一組去確定，隨后與Xw軸處于重合狀態(tài)，將這個重合位置確定為中心線，其中靶標坐標系以O(shè)w設(shè)定為原點，中心線與比鄰兩側(cè)間的標記線，具備距離的相等性，其基準就是這兩條線，同時確保相同距離的平行直線。

圖2 坐標標定示意圖

保證光條在投射過程中能夠與靶標平面處于垂直狀態(tài)，需要將測量坐標系之間建立在光平面中，保證左線結(jié)構(gòu)光傳感器與右線結(jié)構(gòu)光傳感器均在一個坐標系中。進行標定時，在標定時，必須遵照特定的方向?qū)袠水?dāng)中的測量坐標實施平移，將Zw確定為平移的距離?？梢詫⒐馄矫媾c靶標平行線間的焦點作為標定的特征點，同時將Yw確定為平行線的間距離。通過該方法，可以保證左相機與右相機均能得到想要的特征點。

2.2 傳感器標定結(jié)果

本文對標定方法的探尋和分析，宗旨就是系統(tǒng)與實際應(yīng)用的有機結(jié)合，確保標定工作的完成。按照電路板表層變化的深度狀態(tài)，將本次設(shè)計目標設(shè)定為5毫米，程序Z方位中測量區(qū)域務(wù)必高于等于5毫米。確保光平面與靶標的狀態(tài)為相互垂直，然后應(yīng)用非常符合的第一擺放位置，每次的平移運動間隔為1毫米，分別在0毫米，1毫米、2毫米、3毫米、4毫米和5毫米等多個位置，確定好靶標特征點。

3 自適應(yīng)光條中心提算方法

光條中心的準確獲取，能夠確保三維檢測結(jié)果具備準確性。SMT封裝電路板中，因元器件布置密集、細小的個頭，而且具備各異的封裝類型、差異性的表面涂層，系統(tǒng)采集的圖像不能杜絕遭受元器件表散射或者反射形成的噪聲，也有可能受到電路板中密集元器件形貌的影響，出現(xiàn)變形情況，光條走向已經(jīng)不是垂直或者水平的，其中很多光條會出現(xiàn)彎曲狀態(tài)。提取光條中心的傳統(tǒng)手段，利用極值法、梯度闕值法、灰度闕值法等不同措施，這些方法在使用過程中雖然十分簡單，但是卻會產(chǎn)生極大的噪聲，因此很難保證后期得到數(shù)據(jù)信息具備很高的精準度。利用Steger算法提取光條中心過程中，可以從中得到很高的精密度，但是卻需要進行多次的卷積工作，有著極大的運算難度，無法滿足在線需求。在對其中優(yōu)缺點了解后，本文會綜合系統(tǒng)光條圖像具備的特征，促進光條中心提取算法的自適應(yīng)性，分析綜合利用處理圖像的手段，首先要進行去噪操作，然后根據(jù)產(chǎn)生變形的光條走向，完成光條中心的準確提取[1]。

3.1 小波變化光條圖像去噪

其噪聲在系統(tǒng)光條圖像中發(fā)生，關(guān)鍵源于不相同的元器件表層不同部分的反射率，主要是因為元器件的表面各部分反射率有所不同，小波變化的時域局部性和頻域很好，可以有效處理圖像中某些微小的部分。噪聲在光調(diào)圖像中一般會在高頻段中聚集，并在某些時域區(qū)域內(nèi)存在，差異性的分布情況會在噪聲小波系統(tǒng)出現(xiàn)，經(jīng)過尺度變化之后，噪聲會逐步變小，所以有必要利用小波變化手段，促進圖像的分解速度，然后選擇最佳的閾值確定，逐漸地在小波變化域中將某些幅值相對小的噪聲分量去除掉，通過逆變換手段對圖像進行重組，然后獲取噪聲去除之后的圖像。通過觀察可知，利用有效的方法可以消除其中大量的干擾因素，同時對光條中關(guān)鍵信息完整保留。確保改善相應(yīng)的圖像質(zhì)量，然后圖像的分割工作也完成，對其細化案處理后，可以得到光條中心線[2]。

3.2 Gabor濾波其探測光條走向

在使用Gabor濾波器的時候，對方向的選擇項良好，在表示頻率與方向中，更類似于人類的視覺系統(tǒng)，由此在圖像處理范圍里逐漸應(yīng)用該方式。存在極佳方向選擇性，在方向與頻率的表示中，與人類視覺系統(tǒng)有著相似性，所以該方法被逐步應(yīng)用到圖像處理領(lǐng)域中。將多尺度Gabor濾波加入系統(tǒng)變形圖像中，能夠?qū)χ行木€中各點的大致方向?qū)嵤┩暾綔y，然后結(jié)合灰度重心法，有效修正光條中心點，最終能夠獲取更加精準的光條中心。可以利用二維偶對稱Gabor濾波器，在圖像中有效增強偶特征，例如中心軸線，在有效突出主軸垂直方位的程序中，比如中心軸線，在對主軸垂直方向特征進行突出過程中，延主軸方向特征能夠被Gabor濾波器所控制，由此采用更多尺度的Gabor濾波手段，能夠準確地檢測出光條中心的法線方位。實施細化光條后，能夠基本獲取中心線中各點Pi，綜合以往的實踐經(jīng)驗，Gabor濾波的完成可以考慮應(yīng)用幾個最符合的值，然后通過對比獲得該點能量更廣闊的方向，其狀態(tài)必須垂直于，而且對較佳的臨域內(nèi)，對灰度重心法應(yīng)用，對該點的坐標實施修正，最終將光條中心精準獲得。

4 精準度驗證與實驗

在進行掃描測量時為了驗證其系統(tǒng)準確度，必須對該系統(tǒng)進行應(yīng)用，測量實驗的目的是完成標準塊的驗證。把標準塊視為實驗?zāi)繕?，確保將兩個標準塊研磨一體化，同時完整地標記兩個標準塊的表面，分別是平面一與平面二，比如在圖3中，標準塊厚度為3毫米，利用系統(tǒng)對于兩個平面完成測量與掃描工作，最終獲得想要的數(shù)值[3]。

圖3 精準度驗證與實驗圖

利用該方法，可以對1毫米、2毫米、3毫米、4毫米、5毫米的標準塊完成測量工作，隨后得到的結(jié)果如下表1，通過比較方法可知，系統(tǒng)測量必須保證0.02毫米以上的精準度[4]。

表1 標準塊測量結(jié)果（單位：毫米）

5 結(jié)語

綜上所述，本文主要是在線結(jié)構(gòu)光傳感器基礎(chǔ)上，搭建與設(shè)計了三維在線監(jiān)測系統(tǒng)，測量了與其相關(guān)的各項柱距，將其用在SMT封裝電路板的工藝流程中，有效的檢測其中可能出現(xiàn)的缺陷問題。將雙傳感器測量方法應(yīng)用到該系統(tǒng)，解決了數(shù)據(jù)丟失的問題，進行標定時，會使用到平行線靶標，也就是可以在同一的時間內(nèi)，保證兩個傳感器的標定結(jié)構(gòu)狀態(tài)的一體性。把圖像處理手段應(yīng)用在系統(tǒng)中，首先去噪處理在圖像中完成，然后對光條最大能量方位進行探索，確定光條中心。實驗結(jié)果顯示，該方式可以達到0.02毫米的測量精度，最大限度地符合封裝電路板的缺陷。