CN1758424A - 基于图像处理的晶片检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于图像处理的晶片检测系统，包括基座、晶元盘和图像采集卡，基座上安装有X方向步进电机和Y方向步进电机，X方向步进电机和Y方向步进电机分别通过X方向传动丝杆和Y方向传动丝杆与晶元盘相连接，晶元盘上方安装有镜头和光源，镜头通过支架与基座相连接，还通过CCD和数据线与PC机内的图像采集卡相连接，X方向步进电机和Y方向步进电机通过驱动板卡外接PC机。本发明基于Linux，采用SIMD指令集和多线程并行/并发处理，极大提高了处理速度。本发明设计了具有较好抗干扰能力的光源系统，实现图像的稳定采集，可以高速、高精度对晶片进行定位和质量检测。

Description

基于图像处理的晶片检测系统

                         技术领域

本发明涉及芯片封装后工序晶片质量检测设备技术领域，具体是指一种基于图像处理的晶片检测系统。

                         背景技术

IC芯片制造中的关键装备包括芯片制造(前工序)和封装(后工序)两大部分。前工序指芯片扩散、快速热处理、硅片处理等过程，后工序指芯片质量检测、封装等过程。每一过程都涉及到精密的特殊工具和设备。前工序装备的发展趋势是研制新型超精细光刻机等设备；后工序装备则是发展与更密、更小、更轻的新型封装工艺相适应的高速、高精度、低成本的封装设备，并实现整个封装过程的全自动。

高速图像处理技术已经被广泛应用于工业和军事领域等众多领域。在电子产品的生产与制造方面，其核心技术之一是采用计算机视觉技术对产品元件进行高速、高精度定位与检测。针对IC生产后工序过程的高速、高精度IC质量可靠性检测和定位问题，国内目前还没有完整成熟的技术方案。

                         发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种基于图像处理的晶片检测系统，该系统可以高速、高精度对晶片的墨点、边缘缺损、内部缺损、角度偏移、钝化层等进行质量检测和定位，并具有抗干扰能力。

本发明的目的通过下述技术方案实现：所述基于图像处理的晶片检测系统包括基座、晶元盘和图像采集卡，所述基座上安装有X方向步进电机和Y方向步进电机，所述X方向步进电机和Y方向步进电机分别通过X方向传动丝杆和Y方向传动丝杆与晶元盘相连接，所述晶元盘上方安装有镜头和光源，所述镜头通过支架与基座相连接，还通过CCD和数据线与PC机内的图像采集卡相连接，所述X方向步进电机和Y方向步进电机通过驱动板卡外接PC机。

为了更好地实现本发明，所述X方向步进电机和Y方向步进电机分别连接有X方向传感器和Y方向传感器，所述X方向传感器和Y方向传感器通过信号放大电路板外接PC机。所述PC机内置运动控制卡。

所述基于图像处理的晶片检测系统的控制方法包括如下步骤和工艺条件：

启动基于图像处理的晶片检测系统；

系统初始化，包括在Linux系统下，图像采集卡、运动控制卡驱动模块的加载，通过运动控制卡检测X、Y方向传感器的信号，实现晶元盘的零点定位；

PC机发出步进电机的控制信号，传送给步进电机驱动电路，根据控制信号中的方向和脉冲信号，确定步进电机的运动方向和运动速度，在传动丝杆的作用下带动整个晶元盘移动；

当晶元盘每移动一个晶片间距，CCD、镜头和光源采集晶片图像，并将采集信号通过图像采集卡传送给PC机进行图像处理。

所述图像处理包括如下步骤：

首先通过中值滤波、图像增强进行图像预处理；

采用指令级SIMD操作，通过快速分层金字塔匹配算法实现晶片的高速高精度定位；

晶片定位完成后，通过多线程并发/并行处理的方式对芯片的墨点、边缘缺损、内部缺损、角度偏移、钝化层质量进行检测。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、目前图像处理系统主要在DOS、Windows系统下进行，windows系统下的图像采集和处理系统在实时性方面有很大限制，DOS系统下对于整个机器系统的构建是不利的。本发明基于Linux，有效的解决了现有国内外市场公开销售的视觉处理系统在实时性特别是速度方面的瓶颈技术问题，在国内IC生产设备研制方面属于首创。

2、本发明采用SIMD指令集，优化了算法编程，极大地提高了处理速度。

3、本发明中的晶片检测算法多线程并行/并发处理，节约算法处理时间。

4、IC芯片的质量在焊接前必须经过严格的质检，IC芯片体积小，特征不明显，对其采集图像容易发生微小形变，本发明设计了具有较好抗干扰能力的光源系统，实现图像的稳定采集。本发明可以高速、高精度对晶片的墨点、边缘缺损、内部缺损、角度偏移、钝化层等进行定位和质量检测。

                         附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的工作流程图；

图3是本发明中步进电机驱动板卡的电路原理图；

图4是本发明中信号放大电路板的电路原理图；

图5是本发明中图像处理流程图；

图6是本发明中快速分层金字塔匹配算法示意图；

图7是本发明中检测算法优化流程图。

                         具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实现方式并不局限于此。

如图1所示，本实施例所述基于图像处理的晶片检测系统包括基座1，基座1上安装有X方向步进电机3和Y方向步进电机4，X方向步进电机3和Y方向步进电机4分别通过X方向传动丝杆6和Y方向传动丝杆5与晶元盘9相连接，晶元盘9上方安装有镜头10、同轴光源11，镜头10通过支架2与基座1相连接，还通过CCD12和数据线13与PC机内的图像采集卡14(采用大恒公司CG-400型图像采集卡)相连接，X方向步进电机3和Y方向步进电机4通过驱动板卡外接PC机。X方向步进电机3和Y方向步进电机4分别连接有X方向传感器7和Y方向传感器8，X方向传感器7和Y方向传感器8通过信号放大电路板也外接PC机。其中，基座1用于为整个系统提供一个稳定的运行环境，支架2用于支撑图像采集的前端设备，可以方便的实现调整。X方向步进电机3和Y方向步进电机4通过X方向传动丝杆6和Y方向传动丝杆5的传动作用带动晶元盘9的移动。X方向传感器7和Y方向传感器8主要用于X方向步进电机3和Y方向步进电机4的零点定位。晶元盘9是承载所有晶片的圆盘。镜头10、同轴光源11、CCD12组成采集图像的前端部分。通过数据线13与图像采集卡14配合PC机实现图像采集功能。

如图2所示，本实施例所述基于图像处理的晶片检测系统的控制方法包括如下步骤和工艺条件：

启动基于图像处理的晶片检测系统；

系统初始化，包括在Linux系统下，图像采集卡、运动控制卡驱动模块的加载，通过运动控制卡检测X、Y方向传感器的信号，实现晶元盘的零点定位；

PC机发出步进电机的控制信号，传送给步进电机驱动电路，根据控制信号中的方向和脉冲信号，确定步进电机的运动方向和运动速度，在传动丝杆的作用下带动整个晶元盘移动；

当晶元盘每移动一个晶片间距，CCD、镜头和光源采集晶片图像，并将采集信号通过图像采集卡传送给PC机进行图像处理。

本实施例将图像处理主要分为几个部分完成。其中初始化部分包括了通过X、Y方向步进电机移动晶元盘，提供比较稳定的晶片源图像以供采集，即实现稳定的晶片源图像。

图像采集系统包括采用合适的摄像头，镜头、图像采集卡以及合理的光源系统。本实施例采用以同轴光为主的光源系统。选用CCD的主要性能参数见表1，选用大恒公司CG-400图像采集卡的主要性能参数见表2。

表1CCD参数

名称	参数
		尺寸	1/4英寸
CCD总像素	795(水平)×596(垂直)
		扫描系统	625线，50场/秒

表2图像采集卡参数

名称		性能参数
			输入支持		六路视频输入，三路S-VIDEO输入
分辨率	PAL制	768×576×24位
			NTSC制	640×480×24位
	是否支持亮度、对比度编程				支持
是否支持镜像			支持图像的水平、垂直镜像
		清晰度		＞400线
支持操作系统					Win9x、WinNT、Win2000、Linux

如图3所示，驱动板板的主要功能是将运动控制卡发出的脉冲和方向信号经过电路变换后，作为步进电机的驱动信号。其原理如下：电路板接收到控制卡的脉冲和方向信号后，通过光电隔离电路(6N137等器件完成)，虑除干扰信号，然后作为单片机(型号为AT89C2051)的输入信号，通过单片机内部程序变为两相四拍的步进电机控制信号，四个控制信号分别通过AT89C2051(P1.2、P1.3、P1.4、P1.5)四个输出端口与放大电路相连，放大电路主要由实现该放大原理的芯片(SLA7026)完成。每个SLA7026的分为四路输出信号控制一个步进电机的运动，每块驱动板实现三个步进电机的驱动。

如图4所示，信号放大电路板的主要功能是将采集到的传感器信号整形后，通过接口与运动控制卡的I/O点相连。S1、S2表示两传感器。其中引脚3为其主要的信号线，信号经过运算放大器LM393的放大作用，通过四2输入端与非门(CD74HC132E)作用后，ls641最后通过同相8总线收发器(74ls641)实现接口与运动控制卡的I/O相连。

如图5所示，本实施例的高速高精度图像处理流程按照下述步骤完成：

图像采集完成后，首先通过中值滤波，图像增强等图像预处理手段实现图像预处理；

实现晶片的高速高精度定位，运用了快速分层金字塔匹配算法实现定位，算法中采用指令级SIMD操作实现算法优化，提高定位速度；

定位完成后，实现芯片质量的检测，芯片质量包括多个方面检测(包括晶片的墨点、边缘缺损、内部缺损、角度偏移、钝化层)，通过多线程并发/并行处理的方式实现检测。

本实施例在以上情况下采集到的图像。图像在采集过程中受到前景光，背景光、环境光源以及环境中相关湿度、温度的影响，不可避免的会出现采集的图像与真实图像存在差异。图像在传输以及转换时，都可能引起图像质量的下降，在对图像提取新信息及运算之前，运用图像去噪和图像增强等通用图像处理算法实现图像的预处理功能，以获取更多的需要信息。

本实施例中的晶片定位以模板匹配为主，同时加入了优化算法以提高速度，同时提高系统的整体性能。模板就是一幅已知的小图像。模板匹配就是在一幅大图像中搜寻目标。已知该图中有要找的目标，且该目标与模板有相同的尺寸、方向和图像，通过一定的算法可以在图中找到目标，确定其坐标位置。

算法改进包括：快速分层金字塔匹配算法。

如图6所示，快速分层金字塔匹配算法就是先用图像模糊化的方法，生成一系列小的低精度的被搜索图像和模板图像，这些被模糊化的图像如金字塔一般按分辨率的大小自下向上排列。金字塔中的图像精度每个层次都是上一层次的一半，就是在上一层图像上运行一次低通滤波器制造出来的。如果层次0(原始图像的大小)是512×512，则层次1是256×256象素，层次2是128×128象素，如此类推。因此，金字塔上的越高层次，图像和模板的分辨率就越低。

匹配路径改进

因此根据视觉平台和晶片盘的特点，可以通过比较每点的匹配度来判定模板匹配的路径，提高效率。具体的思想就是将当前位置的匹配度和邻近位置的匹配度进行比较来判定下一次的模板匹配的方向，步骤如下：

1、选取图像中心作为第一个匹配区域，计算匹配度；

2、计算该区域四周，偏移一个象素的8个区域的匹配度，并和上一区域匹配度一起计算出MAX值；

3、如果MAX是8个区域中的某一个，那么选该区域为中心，返回第二步；

4、如果MAX是原中心区域，说明该处就是匹配值最大的位置，退出计算。

算法编程优化

模板匹配的主要计算量体现在匹配度计算的次数和其本身所需的计算量上。前面所提到的优化算法都针对特定的场合与特定的模板，对算法进行修改，来减少匹配度计算的次数来提高匹配速度。Intel处理器提供了MMX/SSE/SSE2指令集，支持指令级SIMD操作。只需将原算法中的部分计算过程提取出来，重新设计编写成函数，实现单处理机上的并行处理，缩短单次匹配度计算的时间，提高模板匹配的速度。

试验结果

在运行Redhat Linux Fedora Core1操作系统的Pentium42.4G主机，分别用GCC3.32和ICC8.0编译上述函数。其中数组长度取4096，循环运算10000次情况下的试验数据如表3：

表3试验数据

	GCC	ICC
			未用SIMD	75.64ms	76.72ms
使用MMX	26.21ms	23.06ms
			使用SSE2	15.89ms	10.85ms

如图7所示，图像检测算法及优化主要由以下几个部分组成：

墨点是晶片电路检测机在表面打上的标记。墨点在颜色、位置及大小形状上都比较稳定，在图像直方图上有明显的峰值，本实施例采用了膨胀、腐蚀等形态学的方法滤出面积不够的干扰小黑点，然后采用快速的分割算法将墨点提取。

晶片内部图形没有一定规则，而晶片外部结构基本都是正方形，本实施例采用顺序跟踪技术实现。求边界的斜率就可以计算出晶片的角度偏差。

在检测边界时，用区域生长的方法实现缺损准确度百分比的检测，本实施例采用了边界提取的算法，提取轮廓信息，实现晶片钝化层的检测。

根据灰度的一阶导数幅值的变化，设计街道检测算法。

芯片无损视觉质量检测的内容有多个方面，如墨点检测、角度检测、边缘检测、钝化层检测、街道检测等等。无损检测的具体过程就是通过摄像头采集图像传送到PC机进行处理，这些检测的内容具有相对的独立性，因此可通过多线程并发/并行处理的方法来提高效率。

本实施例的主要技术指标如表4。

表4主要技术指标

名称	指标
		图像处理精度	＜0.1像素(亚像素)
图像处理速度	毫秒级(60毫秒内完成)
		漏检率	＜0.5％
误检率	＜0.05％

如上所述，即可较好地实现本发明。

Claims (5)

1、一种基于图像处理的晶片检测系统，其特征是，包括基座、晶元盘和图像采集卡，所述基座上安装有X方向步进电机和Y方向步进电机，所述X方向步进电机和Y方向步进电机分别通过X方向传动丝杆和Y方向传动丝杆与晶元盘相连接，所述晶元盘上方安装有镜头和光源，所述镜头通过支架与基座相连接，还通过CCD和数据线与PC机内的图像采集卡相连接，所述X方向步进电机和Y方向步进电机通过驱动板卡外接PC机。

2、根据权利要求1所述一种基于图像处理的晶片检测系统，其特征是，所述X方向步进电机和Y方向步进电机分别连接有X方向传感器和Y方向传感器，所述X方向传感器和Y方向传感器通过信号放大电路板外接PC机。

3、根据权利要求1所述一种基于图像处理的晶片检测系统，其特征是，所述PC机内置运动控制卡。

4、权利要求1所述一种基于图像处理的晶片检测系统的控制方法，其特征是，包括如下步骤和工艺条件：

启动基于图像处理的晶片检测系统；

系统初始化，包括在Linux系统下，图像采集卡、运动控制卡驱动模块的加载，通过运动控制卡检测X、Y方向传感器的信号，实现晶元盘的零点定位；

PC机发出步进电机的控制信号，传送给步进电机驱动电路，根据控制信号中的方向和脉冲信号，确定步进电机的运动方向和运动速度，在传动丝杆的作用下带动整个晶元盘移动；

当晶元盘每移动一个晶片间距，CCD、镜头和光源采集晶片图像，并将采集信号通过图像采集卡传送给PC机进行图像处理。

5、根据权利要求4所述一种基于图像处理的晶片检测系统的控制方法，其特征是，所述图像处理包括如下步骤：

首先通过中值滤波、图像增强进行图像预处理；

采用指令级SIMD操作，通过快速分层金字塔匹配算法实现晶片的高速高精度定位；

晶片定位完成后，通过多线程并发/并行处理的方式对芯片的墨点、边缘缺损、内部缺损、角度偏移、钝化层质量进行检测。

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