CN100343966C - 柔性激光植球机的焊盘视觉识别与定位系统 - Google Patents

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Abstract

一种柔性激光植球机的焊盘视觉识别与定位系统，在装好植球头的固定支架上安装CCD摄像机，摄像机和镜头的中轴线与植球头的中轴线相互平行，并在不互相干涉的条件下尽可能互相靠近，镜头正下方安装环形LED光源，避免周围光线变化对后期图像处理和系统定位精度的影响，摄像机与安装于PC机内的图像采集卡相连，植球头下方的X-Y轴运动平台通过运动控制器与PC机相连。本发明能自动、半自动的准确定位焊盘并植入焊球，将摄像机摄下的图像信号经由图像采集卡数字化后送入PC机内存，由图像处理软件做进一步处理与分析，找到焊盘的中心位置，再通过运动控制器控制X-Y轴运动平台，使芯片上焊盘移动到植球头正下方，完成植球动作。

Description

柔性激光植球机的焊盘视觉识别与定位系统
技术领域
本发明涉及一种柔性激光植球机的焊盘视觉识别与定位系统，可用于半导体封装装备中的精密定位，属于视觉识别与定位、先进电子制造和机电一体化领域。
背景技术
球栅阵列(BGA)封装技术是近两年才在电子封装工业中大规模应用的一种最新的尖端电子封装技术。采用BGA封装形式，植球技术就成为国产BGA封装IC的主要瓶颈。随着BGA封装的大发展，预计在最近几年内采用BGA封装的IC将成为我国集成电路的主流。植球技术的关键操作是对BGA芯片上的焊盘进行准确定位。植球过程中运动平台的运动精度也直接关系到植球的完成质量。柔性激光植球技术属全新概念的植球技术，目前还未见有相同的具有实用化与商品化水平的设备。实验室中已有完成此功能的手动植球装备，但该类装备只能提供一定程度上的精度保证，人为因素很大，是主要的误差来源。如国家发明专利《焊球植入装置》(申请号：0324231)借助显微镜，人工识别将要返修的焊盘，并定位焊盘位置后植入焊球。虽然该类植球装备可以完成返修时焊球植入功能，但是由于完全依靠人工识别与定位焊盘，因此植球工作劳动强度大，焊盘定位精度和重复定位精度以及植球效率低，生产效率极其低下，系统可靠性大大下降。因此该类装备不便于普及、推广和商用化，更不能满足BGA芯片小型化、高密度I/O数的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种柔性激光植球机的焊盘视觉识别与定位系统，性能稳定，成本低廉，能准确识别和定位芯片上焊盘的位置信息，保证激光植球机能准确地完成焊球植入动作，可应用于多类型、不同尺寸的BGA芯片的焊球植入工作。
为实现这样的目的，本发明的柔性激光植球机的焊盘视觉识别和定位系统主要部件有X-Y轴运动平台，BGA芯片，环形LED光源，镜头，CCD摄像机，图像采集卡，个人电脑(PC)，图像处理软件，运动控制器，固定支架，植球头。在已安装好植球头的固定支架上，安装一个CCD摄像机，镜头通过C接口与CCD摄像机相连，同时紧固在支架上，防止松动。在CCD摄像机和镜头与支架固联时，应使其中轴线与植球头中轴线相互平行，并在不互相干涉的条件下尽可能互相靠近。然后在摄像机正下方安装一个环形LED光源，目的是避免周围光线变化对后期图像处理和系统定位精度的影响。环形LED光源的类型与尺寸可根据植球装备的实际外部环境、视野大小、芯片物体的外形与颜色以及预留的空间尺寸等因素进行选择。CCD摄像机通过视频线与安装于PC机内的图像采集卡相连，植球头下方的X-Y轴运动平台上放置BGA芯片，X-Y轴运动平台通过运动控制器与PC机相连。工作时，CCD摄像机拍摄下的图像信号经由图像采集卡数字化后送入PC机内存，然后由PC机运行图像处理软件做进一步处理与分析，找到焊盘的中心位置，然后通过运动控制器控制X-Y轴运动平台，使芯片上焊盘移动到植球头正下方，完成植球动作。
本发明中的CCD摄像机可以自动获取焊盘的中心位置信息，大大增加激光植球机的柔性，降低了植球装备对机械部分的精度要求和传感器数量，大大降低了成本；系统具有实现原理简单、可靠，抗外界干扰强、灵敏度和稳定性高等优点，能适应多类型、不同尺寸的BGA芯片的焊球植入与返修工作；具有焊盘视觉识别与定位系统的柔性激光植球装备能自动、半自动的准确定位焊盘，并植入焊球，生产效率高，可在国内外推广应用，具有很大的商用价值。若针对已有激光植球装备改造，本发明系统不需要对原有装备做任何特殊的硬件改造，便能应用于多类型、不同尺寸的BGA芯片的焊球植入工作。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图1中，X-Y轴运动平台1，BGA芯片2，环形LED光源3，镜头4，CCD摄像机5，图像采集卡6，个人电脑(PC)7，图像处理软件8，运动控制器9，固定支架10，植球头11。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明系统结构如图1所示，在已安装好植球头11的固定支架10上，安装一个CCD摄像机5，镜头4通过C接口与CCD摄像机5相连，镜头4同时紧固在固定支架10上，防止松动。在CCD摄像机5和镜头4与固定支架10固联时，应使其中轴线与植球头11的中轴线相互平行，并在不互相干涉的条件下尽可能互相靠近。然后在镜头4正下方安装一个环形LED光源3，目的是避免周围光线变化对后期图像处理和系统定位精度的影响。环形LED光源3的类型与尺寸可根据植球装备的实际外部环境、视野大小、BGA芯片2的外形与颜色以及预留空间尺寸等因素进行选择。CCD摄像机5通过视频线与安装于PC机7内的图像采集卡6相连，植球头11下方的X-Y轴运动平台1上放置BGA芯片2，X-Y轴运动平台1通过运动控制器9与PC机7相连。
工作时，CCD摄像机5拍摄下的图像信号经由图像采集卡6数字化后送入PC机7内存，然后由PC机7运行图像处理软件8做进一步处理与分析，找到焊盘的中心位置，然后通过运动控制器9控制X-Y轴运动平台1，使BGA芯片2上的焊盘移动到植球头11正下方，完成植球动作。
具有焊盘视觉识别与定位系统的柔性激光植球机能分别工作于半自动、全自动植入焊球两种工作模式，其工作过程分别描述如下。
1.返修时的半自动焊球植入模式：首先将要返修的BGA芯片2放在X-Y轴运动平台1上，启动运动控制器9，使BGA芯片2上要返修的焊盘位于CCD摄像机5视野内。由CCD摄像机5抓取图像并显示在PC机7屏幕上。接着在屏幕上选取包含需返修焊盘的一小块区域，图像处理软件8就自动对该区域图像进行处理，提取出焊盘的中心位置。然后通过预先标定好的CCD摄像机5与植球头11间的空间位姿变换关系，把焊盘相对于图像坐标系的位置信息变换到运动系统坐标系中，并把变换后的位置信息传给运动控制器9来控制X-Y轴运动平台1，使需植球的焊盘移动到植球头正下方，然后植入焊球。上述过程循环进行，直到BGA芯片2上所有需返修的焊盘都植入焊球为止。
2.全自动焊球植入模式：首先将需要全部植球的BGA芯片2放在X-Y轴运动平台1上，启动运动控制器9，使BGA芯片2上包含的预定义特征(如十字标架，特殊的焊盘)位于CCD摄像机5视野内，由CCD摄像机5抓取图像并显示在PC机7屏幕上。接着导入该BGA芯片2的描述文件(设计时生成的各焊盘在基板上的坐标及预定义特征信息)和相对应的特征模板文件。图像处理软件8就自动在实时抓取的图像中查找特征模板，找到后返回特征模板在图像中的坐标信息。然后通过预先标定的CCD摄像机5与植球头11间的空间位姿变换关系，把特征相对于图像坐标系的位置信息变换到运动系统坐标系中。结合已知的BGA芯片2的描述文件计算出各焊盘相对于运动系统坐标系的位置信息，并把变换后的位置信息传给运动控制器9，使每个需植球的焊盘依次移动到植球头11正下方，由植球头11植入焊球。上述过程循环进行，直到所有需植球的BGA芯片2上的焊盘都植入焊球为止。

Claims (1)

1、一种柔性激光植球机的焊盘视觉识别与定位系统，其特征在于在已安装好植球头(11)的固定支架(10)上安装一个CCD摄像机(5)，同样紧固在固定支架(10)上的镜头(4)通过C接口与CCD摄像机(5)相连，CCD摄像机(5)和镜头(4)的中轴线与植球头(11)的中轴线相互平行，并在不互相干涉的条件下互相靠近，镜头(4)正下方安装一个环形LED光源(3)，CCD摄像机(5)通过视频线与安装于PC机(7)内的图像采集卡(6)相连，植球头(11)下方的X-Y轴运动平台(1)上放置球栅阵列芯片(2)，X-Y轴运动平台(1)通过运动控制器(9)与PC机(7)相连；CCD摄像机(5)拍摄下的图像信号经由图像采集卡(6)数字化后送入PC机(7)内存，由PC机(7)运行图像处理软件(8)做进一步处理与分析，找到焊盘的中心位置，然后通过运动控制器(9)控制X-Y轴运动平台(1)，使球栅阵列芯片(2)上的焊盘移动到植球头(11)正下方，由植球头(11)植入焊球。
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