CN104833681B - 一种快速测量mcm基板电路图形尺寸误差的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速测量MCM基板电路图形尺寸误差的装置及方法，光源环绕在镜头的周围，镜头垂直设置于载物台的上方，所述基板工装设置于载物台的顶部，所述镜头连接感应成像系统，所述感应成像系统将镜头接收到的光学信号转换为灰度图像，所述数据处理系统将感应成像系统生成的灰度图像进行数据提取和存储，所述判定系统将数据处理系统生成的数据特征进行判定，所述显示输出系统用于显示感应成像系统的成像结果、数据处理系统的数据处理结果、判定系统的数据特征比较结果。高效快速的对批量MCM基板上的电路图形的多个点之间的距离进行测量并判定是否满足组装需要。能在制造之前剔除不符合要求的MCM基板，提高制造成品率，减少昂贵的裸芯片报废。

Description

一种快速测量MCM基板电路图形尺寸误差的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种雷达电子MCM基板电路图形检验技术，尤其涉及的是一种快速测量MCM基板电路图形尺寸误差的装置及方法。

背景技术

随着雷达电子的向着阵列化，微型化的趋势发展。微型MCM(多芯片模块MultichipModule)电路器件的应用变得越来越广泛，开始出现数万只甚至更大规模的需求。组件的微型化意味着单个组件的线宽间距更窄，表面贴装密度更加密集。在这样的现状面前，应用自动化生产来代替手工生产来制造产品是必然的选择。但是MCM组件常用基板通常是低温共烧陶瓷或高温共烧陶瓷，其制造过程中不可避免的会出现不均匀膨胀。而通常的表面贴装工艺采用部分图形识别对基板定位，在电路图形的焊盘处自动点涂导电胶，自动拾取裸芯片贴装再固化烘烤，金丝引线键合的方式进行组装。

在裸芯片的筛选中已经提出了KGD标准(已知好芯片)，而针对MCM基板电路图形则没有相应的标准和筛选方法。由于该组装方式对MCM基板电路图形的尺寸误差要求相对苛刻，常会出现因组件某个线宽间距窄，组装密度高的局部与基板定位图形区距离超差，导致涂胶和贴片的位置偏离了焊盘，轻则需要返修，将裸芯片取下导致该裸芯片报废，重则导致无法修复的短路等问题，整只组件报废。昂贵的裸芯片成本往往是制造企业无法承受的，而对数量巨大的MCM基板电路图形上的几处甚至几十处亚毫米级别(0.1mm及以下)线宽间距，组装密度高的局部进行手工测量尺寸误差是否满足制造需求又是明显无法实施的。这时就需要一种自动化快速批量对MCM基板电路图形多处的尺寸误差进行测量的方法，在制造之前就剔除这些不符合要求的MCM基板，提高制造成品率，减少昂贵的裸芯片报废。

现有的雷达电子微电路组装中已有对裸芯片，片式电容电感等器件的检测方法，能够保证线边库物料的质量，但对于承载它们的MCM基板及其上的电路图形没有快速检验的方法，挨个点在放大设备上手工测量准确性差，劳动量巨大，在批量物料面前无能为力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种快速测量MCM基板电路图形尺寸误差的装置及方法，能够高效快速的对批量MCM基板上的电路图形的多个点之间的距离进行测量并判定是否满足组装需要。

本发明是通过以下技术方案实现的：本发明包括光源、镜头、载物台、基板工装、感应成像系统、数据处理系统、判定系统和显示输出系统；

所述光源环绕在镜头的周围，镜头垂直设置于载物台的上方，所述基板工装设置于载物台的顶部，所述镜头连接感应成像系统，所述感应成像系统的输出端连接数据处理系统的输入端，所述数据处理系统的输出端连接判定系统的输入端，所述判定系统的输出端连接显示输出系统的输入端，所述感应成像系统将镜头接收到的光学信号转换为灰度图像，所述数据处理系统将感应成像系统生成的灰度图像进行数据提取和存储，所述判定系统将数据处理系统生成的数据特征进行判定，所述显示输出系统用于显示感应成像系统的成像结果、数据处理系统的数据处理结果、判定系统的数据特征比较结果。

作为本发明的优选方式之一，所述装置还设有驱动机构，所述驱动机构驱动镜头和光源在载物台上方可沿水平方向或竖直方向移动。竖直方向移动时，保证镜头能始终对MCM基板对焦，从而获得高清晰度锐利边缘的图像；水平方向移动时，保证镜头能对基板工装上的不同位置上的多个MCM基板逐个对焦，获得图像。

作为本发明的优选方式之一，所述载物台上设有传送带，所述基板工装设置于传送带上。可逐个连续移动多个基板工装进入光源和镜头的可拍摄范围。

作为本发明的优选方式之一，所述光源有多个用于发射多色光的发光单元。可发射红，黄，蓝，紫等多色光。

作为本发明的优选方式之一，所述基板工装为合金或塑料制成，基板工装上设有多个用于放置基板的阵列式空腔。可装载多个MCM基板以供快速批量测量。

一种快速测量MCM基板电路图形尺寸误差的方法，包括以下步骤：

(1)调节光源，将待测基板电路图形与其他区域灰度色差调整到最大；

(2)将待测基板发射的光线信号转换为k阶灰度图像并记为该待测基板的Fig₁，依次将N个待测基板发射的光线信号转换为k阶灰度图像并记为该待测基板的Fig_N；

(3)将步骤(2)中的灰度图像Fig₁～Fig_N逐个进行电路图形特征提取，获取基板电路图形特征图像S₁～S_N；

(4)设定标准基板电路图形上多个需要测量尺寸误差的关键点为D₁～D_n，并设定D₁、D₂之间的距离标准值L_1-2，D₁、D₃之间的距离标准值L_1-3，…，D_n-1、D_n之间的距离标准值L_(n-1)-n；并设定D₁、D₂之间的距离标准值L_1-2允许的公差值为±T_1-2，D₁、D₃之间的距离标准值L_1-3允许的公差值为±T_1-3，…，D_n-1、D_n之间的距离标准值L_(n-1)-n允许的公差值为±T_(n-1)-n；

(5)寻找待测基板电路图形特征图像S₁中待测尺寸误差关键点S₁D₁～S₁D_n，并实际测量S₁中S₁D₁、S₁D₂之间的距离标准值S₁L_1-2，S₁D₁、S₁D₃之间的距离标准值S₁L_1-3，…，S₁D_n-1、S₁D_n之间的距离标准值S₁L_(n-1)-n，依次将电路图形特征图像S_n中的待测距离标记为S_nL_1-2、S_nL_1-3、…S_nL_(n-1)-n；

(6)将步骤(5)中的距离实测值S_nL_(n-1)-n与步骤(4)中设定的距离标准值L_(n-1)-n进行比对，如差值在±T_(n-1)-n范围内，判定该处为合格，否则判定为不合格；

待测基板中所有待判定的点之间的距离全部合格，则判定该基板合格，当待判定的点之间的距离有1个及以上不合格时，判定该基板不合格。

所述步骤(1)中，待测基板电路图形为全黑，则非图形区域为全白，或者待测基板电路图形为全白，非图形区域为全黑。

所述步骤(3)中，对基板灰度图像Fig₁～Fig_N逐个进行电路图形特征提取，获得基板电路图形特征图像S₁～S_N，在提取过程中采用标准图形相似度比对法，预先在系统中存有一个基板部分区域标准图，并设定灰度相似度阈值、形状相似度阈值及距离相似度阈值，当在基板灰度图像Fig_N中出现满足灰度相似度阈值，形状相似度阈值的区域，区域之间的距离满足距离相似度阈值的图像时，对待测基板定位并提取电路图形特征图像S_N。

所述步骤(5)中，寻找待测基板电路图形特征图像S₁中待测尺寸误差关键点S₁D₁～S₁D_n的方法如下：

在任一基板电路图形特征图像S_N中预设需寻找的测量点S_ND₁的图像搜索区，在搜索区内采用标准图形相似度比对法，预先在系统中存有测量点S_ND₁及周围电路图形标准图，并设定有灰度相似度阈值和形状相似度阈值，当在电路图形特征图像S_N的关键测量点S_ND₁的搜索区内出现同时满足灰度相似度阈值和形状相似度阈值的图形，则通过该图形对关键测量点S_ND₁进行定位，得到待测基板上需要测量尺寸误差的关键点S_ND₁，并通过此方法依次获取基板电路图形上多个需要测量尺寸误差的关键点S_ND₂～S_ND_N。

所述灰度相似度阈值调整范围为1～100，其中100为全黑；形状相似度阈值为1％～100％，其中100％为相似度完全一致；距离相似度阈值为0.001mm～10mm。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明利用自动化机器视觉识别技术，对识别区进行相似度比对能实现对MCM基板的初定位，再对待测点识别区进行相似度比对，定位并提取待测点的坐标。最后通过比对待测点坐标之间的距离和标准距离的差值是否满足设定容差阈值来判定MCM基板上的电路图形多处尺寸误差是否满足制造需求。本发明的光源、镜头、载物台的移动均可通过编程和自动化机器视觉识别技术自动进行。而感应成像系统、数据处理系统、判定系统协同进行多个组件，每个组件多个点的识别测量环节均无需人工操作，能够高速高效的自动判定MCM基板表面图形是否符合生产需要。有利于快速，高效的应对雷达电子组件自动化生产过程中的需求。对数量巨大并需要对每个基板图形多处进行测量的MCM基板进行高效快速的测量并自动判定测量结果。

本发明方法能够高效快速的对批量MCM基板上的电路图形的多个点之间的距离进行测量并判定是否满足组装需要。能在制造之前剔除不符合要求的MCM基板，提高制造成品率，减少昂贵的裸芯片报废。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是MCM基板在基板工装上的平面图；

图3是MCM基板的放大图，阴影区域为表面电路图形；

图4是MCM基板的机器视觉比对时所用的标准区域图，虚线区域为表面电路图形识别框；

图5是MCM基板的机器视觉比对通过后所提取的电路图形图；

图6是MCM基板的电路图形图中各个需测量点的机器视觉比时所用的标准电路区域图，虚线区域为表面电路各个测量点区域的图形识别框；

图7是本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例的测量装置包括光源1、镜头2、载物台3、基板工装4、感应成像系统5、数据处理系统6、判定系统7和显示输出系统8；

光源1环绕在镜头2的周围，镜头2垂直设置于载物台3的上方，基板工装4设置于载物台3的顶部，所述镜头2连接感应成像系统5，感应成像系统5的输出端连接数据处理系统6的输入端，数据处理系统6的输出端连接判定系统7的输入端，判定系统7的输出端连接显示输出系统8的输入端，感应成像系统5将镜头2接收到的光学信号转换为灰度图像，数据处理系统6包括一个存储单元，数据处理系统6将感应成像系统5生成的灰度图像进行数据提取和存储，判定系统7将数据处理系统6生成的数据特征进行判定，显示输出系统8包括显示器，显示输出系统8用于显示感应成像系统5的成像结果、数据处理系统6的数据处理结果、判定系统7的数据特征比较结果。

载物台3上沿水平方向设有传送带，所述基板工装4设置于传送带上。可逐个连续移动多个基板工装4进入光源1和镜头2的可拍摄范围。

光源1有多个用于发射多色光的发光单元。可发射红，黄，蓝，紫等多色光。

本装置设有驱动机构，所述驱动机构驱动镜头2和光源1在载物台3上方沿水平方向或竖直方向移动。竖直方向移动时，保证镜头2能始终对MCM基板9对焦，从而获得高清晰度锐利边缘的图像；水平方向移动时，保证镜头2能对基板工装4上的不同位置上的多个MCM基板9逐个对焦，获得图像。

如图2所示，基板工装4为合金或塑料制成，基板工装4上设有多个用于放置基板的阵列式空腔。可装载多个MCM基板9以供快速批量测量。MCM基板9为表面带有烧结金带电路图形的多层黑瓷基体的陶瓷基板。

如图7所示，一种快速测量MCM基板9电路图形尺寸误差的方法，包括以下步骤：

步骤1：首先将标准MCM基板9置于基板工装4上，再将基板工装4放在载物台3上，令光源1产生光线，并会聚到基板工装4上的标准MCM基板9后反射在镜头2上，并显示于显示输出系统8上；

观察显示输出系统8上的图像输出效果，人工调整光源1发光单元，红，黄，蓝，紫光的各自强度，将待测基板电路图形与其他区域灰度色差调整到最大；待测基板电路图形为全黑，则非图形区域为全白，或者待测基板电路图形为全白，非图形区域为全黑。

感应成像系统5将镜头2接收到的标准MCM基板9反射光线信号转换生成k阶灰度图像并记为MCM标准基板的灰度图像Fig₀，并传递并储存至数据处理系统6；

如图3所示，某型号MCM基板上有待测定相互距离的关键点D1、D2、D3、D4、D5。设定镜头2及感应成像系统5在Fig₀上的搜索区域大小，并在Fig₀上截取一独一无二的图形区域(虚线框内区域)作为设定机器视觉比对时所用的标准区域图，形成如图4所示的机器视觉比对时所用的标准区域图。

如图5所示，数据处理系统6将感应成像系统5传递来的标准MCM基板9灰度图像Fig₀进行电路图形特征提取，获得MCM基板9的标准电路图形特征图像S₀，并存在数据处理系统6中等待调用；

如图6所示，在MCM基板9标准电路图形特征图像S₀上设定需要测量尺寸误差的关键点D₁、D₂、…、第n个关键点D_n各自的搜索区域大小及机器视觉比对时所用的标准电路图形区域图。并设定D₁、D₂之间的距离标准值L_1-2，D₁、D₃之间的距离标准值L_1-3，…，D_n-1、D_n之间的距离标准值L_(n-1)-n；并设定D₁、D₂之间的距离标准值L_1-2可以允许的公差值±T_1-2，D₁、D₃之间的距离标准值L_1-3可以允许的公差值±T_1-3，…，D_n-1、D_n之间的距离标准值L_(n-1)-n可以允许的公差值±T_(n-1)-n；

步骤二：启动载物台3上的传送带，将待测的基板工装4及其上的待测MCM基板9逐个自光源1的下方通过；数据处理系统6在挨个搜索区内挨个寻找机器视觉比对时所用的标准区域图(图4虚线框内图)，并在比对通过后定位，利用它来校正MCM组件放置到基板工装4上的微小位置差。由感应成像系统5将镜头2接收到的校正位置差后的MCM基板9反射光线信号转换生成对应的k阶灰度图像Fig_N，N取1至n，并传递并储存至数据处理系统6，其中，第一个待测的MCM基板9所对应的灰度图像记为Fig₁，第二个待测的MCM基板9所对应的灰度图像记为Fig₂，以此类推，第N个待测的MCM基板9对应的灰度图像记为Fig_N；

数据处理系统6将感应成像系统5传递来的MCM基板9灰度图像Fig_N逐个进行电路图形特征提取，获得MCM基板9的电路图形特征图像S_N，依次为第一MCM基板9电路图形特征图像S₁、第二MCM基板9电路图形特征图像S₂、…、第nMCM基板9物料电路图形特征图像S_n；上述n个MCM基板9S₁、S₂、…S_n存在数据处理系统6中等待调用；

步骤三：数据处理系统6在MCM基板9电路图形特征图像S₁的需要测量尺寸误差的关键点S₁D₁、S₁D₂、…、第n个关键点S₁D_n各自设定的搜索区域上搜索机器视觉比对时所用的标准电路图形区域图(图6虚线框内图)，并在比对通过后定位，利用它来校正MCM组件因烧结膨胀等原因导致的电路图与标准电路图之间的位置差。寻找到MCM基板9的电路图形特征图S₁中待测尺寸误差的关键点S₁D₁、S₁D₂、…、第n个关键点S₁D_n，并测量S₁D₁、S₁D₂之间的距离标准值S₁L_1-2，S₁D₁、S₁D₃之间的距离标准值S₁L_1-3，…，S₁D_n-1、S₁D_n之间的距离标准值S₁L_(n-1)-n；MCM基板9的电路图形特征图S₂中的待测距离标记为S₂L_1-2、S₂L_1-3、…、S₂L_(n-1)-n；…MCM基板9的电路图形特征图S_n中的待测距离标记为S_nL_1-2、S_nL_1-3、…、S_nL_(n-1)-n；

判定系统7对数据处理系统6中的系统设定的距离标准值L_1-2与MCM基板9的电路图形图S₁中实测距离S₁L_1-2进行比对，如差值在±T_1-2范围内，判定该处为合格，否则判定为不合格；……对MCM基板9的电路图形图S₁中实测距离S₁L_(n-1)-n与标准距离L_(n-1)-n对比，如差值在±T_(n-1)-n范围内，判定该处为合格，否则判定为不合格；……对MCM基板9的电路图形图S_n中实测距离S_nL_(n-1)-n与标准距离L_(n-1)-n对比，如差值在±T_(n-1)-n范围内，判定该处为合格，否则判定为不合格；

对MCM基板9中所有待判定的点之间的距离全部合格，则判定该MCM基板9合格，当待判定的点之间的距离有1个及以上不合格时，判定该MCM基板9不合格。

步骤四：数据处理系统6在MCM基板9电路图形特征图像S₂……S_n重复步骤三，乃至完成所有待测MCM基板9电路图形MCM基板9电路图形尺寸误差的测量及判定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种快速测量MCM基板电路图形尺寸误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)调节光源，将待测基板电路图形与其他区域灰度色差调整到最大；

(2)将待测基板发射的光线信号转换为k阶灰度图像并记为该待测基板的Fig₁，依次将N个待测基板发射的光线信号转换为k阶灰度图像并记为该待测基板的Fig_N；

(3)将步骤(2)中的灰度图像Fig₁～Fig_N逐个进行电路图形特征提取，获取基板电路图形特征图像S₁～S_N；

(4)设定标准基板电路图形上多个需要测量尺寸误差的关键点为D₁～D_n，并设定D₁、D₂之间的距离标准值L_1-2，D₁、D₃之间的距离标准值L_1-3，…，D_n-1、D_n之间的距离标准值L_(n-1)-n；并设定D₁、D₂之间的距离标准值L_1-2允许的公差值为±T_1-2，D₁、D₃之间的距离标准值L_1-3允许的公差值为±T_1-3，…，D_n-1、D_n之间的距离标准值L_(n-1)-n允许的公差值为±T_(n-1)-n；

(5)寻找待测基板电路图形特征图像S₁中待测尺寸误差关键点S₁D₁～S₁D_n，并实际测量S₁中S₁D₁、S₁D₂之间的距离标准值S₁L_1-2，S₁D₁、S₁D₃之间的距离标准值S₁L_1-3，…，S₁D_n-1、S₁D_n之间的距离标准值S₁L_(n-1)-n，依次将电路图形特征图像S_n中的待测距离标记为S_nL_1-2、S_nL_1-3、…S_nL_(n-1)-n；

(6)将步骤(5)中的距离实测值S_nL_(n-1)-n与步骤(4)中设定的距离标准值L_(n-1)-n进行比对，如差值在±T_(n-1)-n范围内，判定该处为合格，否则判定为不合格；

待测基板中所有待判定的点之间的距离全部合格，则判定该基板合格，当待判定的点之间的距离有1个及以上不合格时，判定该基板不合格；

所述步骤(5)中，寻找待测基板电路图形特征图像S₁中待测尺寸误差关键点S₁D₁～S₁D_n的方法如下：

在任一基板电路图形特征图像S_N中预设需寻找的测量点S_ND₁的图像搜索区，在搜索区内采用标准图形相似度比对法，预先在系统中存有测量点S_ND₁及周围电路图形标准图，并设定有灰度相似度阈值和形状相似度阈值，当在电路图形特征图像S_N的关键测量点S_ND₁的搜索区内出现同时满足灰度相似度阈值和形状相似度阈值的图形，则通过该图形对关键测量点S_ND₁进行定位，得到待测基板上需要测量尺寸误差的关键点S_ND₁，并通过此方法依次获取基板电路图形上多个需要测量尺寸误差的关键点S_ND₂～S_ND_N。

2.根据权利要求1所述的一种快速测量MCM基板电路图形尺寸误差的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，待测基板电路图形为全黑，则非图形区域为全白，或者待测基板电路图形为全白，非图形区域为全黑。

3.根据权利要求1所述的一种快速测量MCM基板电路图形尺寸误差的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对基板灰度图像Fig₁～Fig_N逐个进行电路图形特征提取，获得基板电路图形特征图像S₁～S_N，在提取过程中采用标准图形相似度比对法，预先在系统中存有一个基板部分区域标准图，并设定灰度相似度阈值、形状相似度阈值及距离相似度阈值，当在基板灰度图像Fig_N中出现满足灰度相似度阈值，形状相似度阈值的区域，区域之间的距离满足距离相似度阈值的图像时，对待测基板定位并提取电路图形特征图像S_N。

4.根据权利要求3所述的一种快速测量MCM基板电路图形尺寸误差的方法，其特征在于，所述灰度相似度阈值调整范围为1～100，其中100为全黑；形状相似度阈值为1％～100％，其中100％为相似度完全一致；距离相似度阈值为0.001mm～10mm。

5.根据权利要求1所述的一种快速测量MCM基板电路图形尺寸误差的方法，其特征在于，所述方法使用的测量装置包括光源、镜头、载物台、基板工装、感应成像系统、数据处理系统、判定系统和显示输出系统；

所述光源环绕在镜头的周围，镜头垂直设置于载物台的上方，所述基板工装设置于载物台的顶部，所述镜头连接感应成像系统，所述感应成像系统的输出端连接数据处理系统的输入端，所述数据处理系统的输出端连接判定系统的输入端，所述判定系统的输出端连接显示输出系统的输入端，所述感应成像系统将镜头接收到的光学信号转换为灰度图像，所述数据处理系统将感应成像系统生成的灰度图像进行数据提取和存储，所述判定系统将数据处理系统生成的数据特征进行判定，所述显示输出系统用于显示感应成像系统的成像结果、数据处理系统的数据处理结果、判定系统的数据特征比较结果。

6.根据权利要求5所述的一种快速测量MCM基板电路图形尺寸误差的方法，其特征在于，所述装置还设有驱动机构，所述驱动机构驱动镜头和光源在载物台上方可沿水平方向或竖直方向移动。

7.根据权利要求5所述的一种快速测量MCM基板电路图形尺寸误差的方法，其特征在于，所述载物台上设有传送带，所述基板工装设置于传送带上。

8.根据权利要求5所述的一种快速测量MCM基板电路图形尺寸误差的方法，其特征在于，所述光源有多个用于发射多色光的发光单元。

9.根据权利要求5所述的一种快速测量MCM基板电路图形尺寸误差的方法，其特征在于，所述基板工装为合金或塑料制成，基板工装上设有多个用于放置基板的阵列式空腔。