柔性IC封裝基板外觀檢測(cè)問(wèn)題分析

馬其三

（深圳市正基電子有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著電子產(chǎn)品更新?lián)Q代，多功能化、信號(hào)傳輸高頻高速數(shù)字化以及微小型化趨勢(shì)明顯，這就給PCB發(fā)展提出了更嚴(yán)苛的要求，高可靠性、高密度化、高性能化是必不可少的條件。從而，IC封裝基板開始從傳統(tǒng)的無(wú)極基板向目前的有極基板（PCB板）轉(zhuǎn)變，在此背景下，高端集成電路在柔性IC封裝基板的支撐下得到快速發(fā)展。隨著日趨增加的需求，怎樣提升柔性IC封裝基板的制作和檢測(cè)效率以及相關(guān)的效益，是有關(guān)部門必須盡快解決的問(wèn)題。

1 外觀檢測(cè)系統(tǒng)硬件架構(gòu)和設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件框架

本文介紹的柔性IC封裝基板外觀檢測(cè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)架系統(tǒng)，主要包括兩大系統(tǒng)，即工控機(jī)系統(tǒng)和雙視覺(jué)圖像采集系統(tǒng)；而雙視覺(jué)圖像采集系統(tǒng)又是由真空吸附平臺(tái)、精密顯微鏡檢測(cè)平臺(tái)、精密三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、變倍鏡檢測(cè)平臺(tái)、精密三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成。具體如圖1所示。

圖1 柔性封裝基板外觀檢測(cè)系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 雙視覺(jué)圖像采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)為外觀檢測(cè)系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)的核心構(gòu)成，設(shè)計(jì)的主體部分為發(fā)揮關(guān)鍵作用的四大平臺(tái)：精密顯微鏡檢測(cè)平臺(tái)、變倍鏡檢測(cè)平臺(tái)、精密三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和真空吸附平臺(tái)。裝置在精密三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的是顯微鏡檢測(cè)平臺(tái)，而該顯微鏡檢測(cè)平臺(tái)上利用銜接支架固定的是變倍鏡檢測(cè)平臺(tái)，并且是以水平方向向上并排放置。利用對(duì)雙視覺(jué)圖像采集系統(tǒng)地控制，可以自由切換檢測(cè)高密度柔性封裝基板和覆膜柔性封裝基板，最大限度滿足不同生產(chǎn)廠家對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)的不同精度要求，而且在不同混合工序場(chǎng)景里應(yīng)用，可以顯著提升企業(yè)的生產(chǎn)效率，例如鉆孔工序、蝕刻工序、出廠品質(zhì)驗(yàn)證工序等。變倍鏡檢測(cè)平臺(tái)通過(guò)銜接支架固定在顯微鏡檢測(cè)平臺(tái)上，并在水平方向上并排放置[1]。

1.2.2 工控機(jī)系統(tǒng)

本設(shè)備工控機(jī)選用Intel（R）Core（TM）i7-6700 CPU@3.40GHz，也可以增頻到4.0GHz，設(shè)定為8GB的內(nèi)存，網(wǎng)卡配備上可采用千兆網(wǎng)卡和固高運(yùn)動(dòng)板卡。上位機(jī)軟件系統(tǒng)調(diào)用運(yùn)動(dòng)板卡可以通過(guò)函數(shù)接口進(jìn)行，板卡對(duì)相連的電機(jī)驅(qū)動(dòng)及伺服電機(jī)的控制是通過(guò)板卡發(fā)送指令以及脈沖信號(hào)完成的，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)平臺(tái)在精密三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)。利用網(wǎng)線將千兆網(wǎng)卡與精密顯微鏡檢測(cè)平臺(tái)連接，然后借助網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)高清圖像進(jìn)行傳輸采集。

2 軟件系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)柔性IC基板外觀缺陷檢測(cè)功能，精準(zhǔn)的硬件系統(tǒng)發(fā)揮功能外，還要依靠功能完整和劃分清晰的軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)不僅含有必不可少的基本功能模塊，更要以此為基礎(chǔ)完成不同模塊的無(wú)縫連接。在設(shè)計(jì)上既要實(shí)現(xiàn)不同模塊承擔(dān)的任務(wù)，又要確保每個(gè)檢測(cè)工序工作的協(xié)同性和配合緊密性，同時(shí)更要發(fā)揮軟件系統(tǒng)的高效性和可維護(hù)性的特點(diǎn)。本文根據(jù)柔性IC封裝基板外觀缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的具體情況，對(duì)軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)功能模塊實(shí)施合理劃分以及研究每個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方案，最終設(shè)計(jì)出軟件的整體方案。該軟件系統(tǒng)包括：界面管理系統(tǒng)（智能檢測(cè)界面、數(shù)據(jù)分析界面、用戶管理界面、系統(tǒng)設(shè)置界面）；后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)；系統(tǒng)檢測(cè)算法設(shè)計(jì)；工作模式設(shè)計(jì)（圖像采集的運(yùn)動(dòng)方式、多線程并行工作方式、系統(tǒng)各子流程）。

3 外觀缺陷問(wèn)題分類分析

3.1 二維缺陷

該問(wèn)題是指柔性IC封裝基板外觀表面二維平面存在的缺陷，主要類別包括線傷缺口、劃痕、露銅等缺陷。柔性基本上的線路是傳導(dǎo)電流的導(dǎo)線，線路部分發(fā)生開路和短路現(xiàn)象，就是線傷缺口的缺陷，通常是因?yàn)椴糠志€路附著在柔性基板上時(shí)，金屬線路沒(méi)有完全與載膜脫離導(dǎo)致的。露銅的缺陷問(wèn)題根源是重氮片清洗不干凈， 導(dǎo)致焊料涂層難以完全覆蓋銅表面。最典型的現(xiàn)象為部分金屬銅面完全被磨損，將覆銅表面下的基板材料暴露出來(lái)，形成大小不一的缺陷面積，呈現(xiàn)比較規(guī)律的形態(tài)，多為近似圓形。劃痕類缺陷問(wèn)題泛指金PI面、金屬銅面存在機(jī)械性劃傷，問(wèn)題的主要特征是被損傷部分銅面被全部磨去，將基板表面材質(zhì)外露，最嚴(yán)重的劃痕表現(xiàn)為基板材質(zhì)也被磨損；呈現(xiàn)線條狀的缺陷；缺陷的數(shù)目不定[2]。

3.2 三維缺陷

外觀表面三維缺陷呈現(xiàn)立體感以及出現(xiàn)基板凹凸現(xiàn)象。表現(xiàn)為折痕、孔咬噬、壓痕等缺陷類型。折痕類問(wèn)題是指基板表面的皺褶難以變平整，呈現(xiàn)嚴(yán)重的光源光線漫反射，造成同一待測(cè)圖像中背景區(qū)域亮度最暗，較亮的是金面區(qū)域，亮度最高的是折痕區(qū)域，而且存在基板翹起等問(wèn)題。孔咬噬類缺陷通常是發(fā)生在過(guò)孔處，體現(xiàn)為孔周圍畸變、銅箔殘缺等情形，嚴(yán)重的缺陷會(huì)出現(xiàn)凹陷或凸起，空間特征明顯。壓痕類缺陷問(wèn)題表現(xiàn)在覆銅基板的銅面呈現(xiàn)貌似被碾壓的跡象。其具體特征表現(xiàn)出兩種跡象：第一，被壓傷的范圍金面遭受磨損，銅面下基板材料外露；第二，被壓傷的范圍變形，通常向下凹陷，呈現(xiàn)彎曲邊緣的情況，但沒(méi)有損傷到銅面。

4 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)分析

4.1 二維缺陷分類和定位效果

本文采用 yolo-3v 算法對(duì)柔性封裝基板表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。該算法能夠識(shí)別圖像中同一類型或不同類型的多個(gè)缺陷，并給出缺陷類型的名稱和位置坐標(biāo)。下面的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了兩種二維缺陷問(wèn)題：露銅類和劃痕類。檢測(cè)效果如圖1所示。

圖 1 二維缺陷檢測(cè)結(jié)果

4.2 三維缺陷分類和定位效果

柔性IC封裝基板外觀表面的三維缺陷呈現(xiàn)空間特征的立體化。無(wú)論是提取特征還是類型識(shí)別，難度都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二維缺陷檢測(cè)。本文對(duì)CV起翹、孔咬噬和壓痕三種特征實(shí)施檢測(cè)，檢驗(yàn)缺陷分類和定位算法有沒(méi)有受到缺陷維度的影響。按照對(duì)常見(jiàn)缺陷類型檢測(cè)結(jié)果對(duì)繪制的PR曲線。在獲得了孔咬噬、CV起翹露銅、劃痕、壓痕類缺陷的PR曲線后，求出與其對(duì)應(yīng)的AP（Average Precision）值以及整個(gè)測(cè)驗(yàn)結(jié)果的MAP（Mean Average Precision）值。

從檢測(cè)結(jié)果不難看出，本文的外觀缺陷問(wèn)題分類與定位算法，完全可以利用一個(gè)模型對(duì)屬性特征、諸多形態(tài)的不同類型缺陷、背景等實(shí)施分類和定位。在樣本量不多的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓痕、露銅、劃痕、孔咬噬等四類缺陷問(wèn)題精準(zhǔn)的檢測(cè)效果。利用對(duì)檢測(cè)效果缺陷實(shí)施分析，顯現(xiàn)比較明顯的特征對(duì)比度，通過(guò)基礎(chǔ)卷積網(wǎng)絡(luò)對(duì)其實(shí)施特征自動(dòng)提取之后，在進(jìn)行訓(xùn)練獲取的效果優(yōu)良；針對(duì)CV起翹類缺陷由于過(guò)少的訓(xùn)練樣本，難以獲得充足的特有信息，導(dǎo)致算法難以實(shí)施圓滿的分類和回歸。另外，本文的相關(guān)分析中發(fā)現(xiàn)能不能對(duì)不同類型缺陷進(jìn)行明晰的區(qū)分，會(huì)明顯影響到檢測(cè)結(jié)果。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，第一是圖像數(shù)據(jù)標(biāo)注的清晰度，會(huì)影響到訓(xùn)練效果；第二是針對(duì)一些相似的缺陷問(wèn)題，能否樹立明晰、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)標(biāo)注進(jìn)行輔助性的再次判斷，也會(huì)影響到檢測(cè)效果[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)制造技術(shù)的飛速發(fā)展，輕薄化、微型化是相關(guān)柔性IC封裝基板產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。所以對(duì)柔性IC封裝基板外觀問(wèn)題檢測(cè)的精度和效率也有了越發(fā)高的要求。而實(shí)際情況是當(dāng)前的生產(chǎn)企業(yè)傳統(tǒng)的人與設(shè)備結(jié)合實(shí)施檢測(cè)的模式難以滿足其要求，機(jī)器化、智能化地對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)的新模式備受期待，所以本文的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外觀檢測(cè)功能完全得以實(shí)現(xiàn)。