封裝電路板的三維在線檢測技術研究

何福權

（深圳和美精藝半導體科技股份有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著封裝技術SMT的逐步普及，電路板中的元器件會出現細小化與密集化情況，對于元件貼裝所出現的缺陷問題進行檢測，有效提高封裝電路板整體質量。在傳統的檢測方法中，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高精度、高速度等要求。為了彌補這一缺陷，科學家研究出了線結構光視覺測量方法，該方法具備低成本、高精度、極強的實時性等諸多優點，由此本文對線結構光掃描封裝電路板的缺陷進行研究，對自動光學檢測系統進行分析，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測系統設計情況

下圖1為SMT封裝電路板完整的三維檢測結構框架，該框架是由光學子系統、計算機、圖像采集子系統、掃描運動子系統等諸多結構組合而成，光學子系統主要構成為線激光器，圖像采集子系統由兩個部分組成，即CMOS與圖像采集卡的融合，掃描運動子系統的構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相機能夠對稱地分布于光平面兩側，從而一個線結構傳感器形成，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 檢測系統結構圖

2 雙傳感器統一標定方法

為了保證在測量時，兩個傳感器狀態達到實時互補，必須確保兩個傳感器坐標的統一性。文章的宗旨就是探索統一標定雙傳感器的措施，借助平行線靶標的應用，進行不同靶標圖像位置的有效采集，該過程不僅實現左面傳感器與右面傳感器所輸送的參數Cij與Dij，同時也能保證坐標系處于統一的狀態。

2.1 標定情況

根據下圖2可知，在系統標定時，需要左面相機與右面相機根據某個角度，進行設置工作的對稱性，其間距平行線構成狀態是通過靶標中一組去確定，隨后與Xw軸處于重合狀態，將這個重合位置確定為中心線，其中靶標坐標系以Ow設定為原點，中心線與比鄰兩側間的標記線，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，需要將測量坐標系之間建立在光平面中，保證左線結構光傳感器與右線結構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將靶標當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 傳感器標定結果

本文對標定方法的探尋和分析，宗旨就是系統與實際應用的有機結合，確保標定工作的完成。按照電路板表層變化的深度狀態，將本次設計目標設定為5毫米，程序Z方位中測量區域務必高于等于5毫米。確保光平面與靶標的狀態為相互垂直，然后應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，出現變形情況，光條走向已經不是垂直或者水平的，其中很多光條會出現彎曲狀態。提取光條中心的傳統手段，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，但是卻會產生極大的噪聲，因此很難保證后期得到數據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。在對其中優缺點了解后，本文會綜合系統光條圖像具備的特征，促進光條中心提取算法的自適應性，分析綜合利用處理圖像的手段，首先要進行去噪操作，然后根據產生變形的光條走向，完成光條中心的準確提取[1]。

3.1 小波變化光條圖像去噪

其噪聲在系統光條圖像中發生，關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。噪聲在光調圖像中一般會在高頻段中聚集，并在某些時域區域內存在，差異性的分布情況會在噪聲小波系統出現，經過尺度變化之后，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，同時對光條中關鍵信息完整保留。確保改善相應的圖像質量，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，由此在圖像處理范圍里逐漸應用該方式。存在極佳方向選擇性，在方向與頻率的表示中，與人類視覺系統有著相似性，所以該方法被逐步應用到圖像處理領域中。將多尺度Gabor濾波加入系統變形圖像中，能夠對中心線中各點的大致方向實施完整探測，然后結合灰度重心法，有效修正光條中心點，最終能夠獲取更加精準的光條中心?？梢岳枚S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，綜合以往的實踐經驗，Gabor濾波的完成可以考慮應用幾個最符合的值，然后通過對比獲得該點能量更廣闊的方向，其狀態必須垂直于，而且對較佳的臨域內，對灰度重心法應用，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準確度，必須對該系統進行應用，測量實驗的目的是完成標準塊的驗證。把標準塊視為實驗目標，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，利用系統對于兩個平面完成測量與掃描工作，最終獲得想要的數值[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，隨后得到的結果如下表1，通過比較方法可知，系統測量必須保證0.02毫米以上的精準度[4]。

表1 標準塊測量結果（單位：毫米）

5 結語

綜上所述，本文主要是在線結構光傳感器基礎上，搭建與設計了三維在線監測系統，測量了與其相關的各項柱距，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的缺陷問題。將雙傳感器測量方法應用到該系統，解決了數據丟失的問題，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，保證兩個傳感器的標定結構狀態的一體性。把圖像處理手段應用在系統中，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。