QFP芯片貼裝定位的視覺(jué)檢測(cè)算法研究

姜利

(江蘇省常州技師學(xué)院，江蘇 常州 213032)

0 引言

隨著電子元件封裝向小型化、微型化、片式化等方向發(fā)展，表面組裝技術(shù)(SMT)便成為電子元器件組裝(又稱(chēng)為貼裝)到印刷電路板(PCB)上的關(guān)鍵技術(shù)[1]，但由于表面組裝元件的類(lèi)型目前尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，用于表面貼裝的元器件類(lèi)型很多，所以不同封裝類(lèi)型的元器件對(duì)應(yīng)的定位和識(shí)別算法也不相同。QFP是指四周上有矩形引腳的芯片，是表面貼裝芯片中的典型元件類(lèi)型。由于QFP元件引腳中存在一段彎折，致使在攝像機(jī)獲得的芯片圖像中針腳區(qū)域的灰度不一致，在輪廓提取后的芯片圖像中，出現(xiàn)針腳斷裂的情況，這給QFP芯片位置誤差檢測(cè)和引腳缺陷分析帶來(lái)很大困難。利用定向膨脹修復(fù)引腳的方法檢測(cè)QFP芯片[2]，常因耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)、效率低下而不滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用。文中試圖以QFP的幾何特征為依據(jù)，提出一種基于極點(diǎn)四邊形的QFP形位檢測(cè)算法，以實(shí)現(xiàn)QFP元件的位置誤差實(shí)時(shí)檢測(cè)，為智能視覺(jué)貼片機(jī)的研制提供重要參考依據(jù)。

選用7周齡清潔級(jí)SD雄性大鼠24只,由揚(yáng)州大學(xué)比較醫(yī)學(xué)中心提供,許可證號(hào)：SCXK(蘇)2013-0011。隨機(jī)分為4組，每組6只。對(duì)照組(C)不運(yùn)動(dòng)，其余3組均進(jìn)行一次性跑臺(tái)力竭運(yùn)動(dòng)，并于力竭后分別于即刻、24h、48h后宰殺(即E0、E24、E48組)，各組分離血清；并取下右側(cè)股四頭肌，一分為二，一份-80℃冰箱保存，待測(cè)AMPK、TSC2、mTOR的含量及變化，另一份立即用于冰凍切片，觀察肌纖維類(lèi)型。

97 S7-200型PLC在破碎系統(tǒng)中的生產(chǎn)應(yīng)用 ………………………………………………………… 林 斌

1 QFP芯片的幾何特征

鮮明的幾何特征是表面貼裝元件最基本的特點(diǎn)，只有抓住了這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，視覺(jué)檢測(cè)工作才能高效地進(jìn)行。SMT元器件定位的最終目的是把元件引腳同對(duì)應(yīng)焊盤(pán)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)起來(lái)，因此沒(méi)有比從考慮元件腳的位置入手得到元件位置而完成元件定位來(lái)得更直觀和精確的方法。QFP形元件具有矩形的元件腳分布于元件的四周，QFP芯片具有兩個(gè)典型的幾何特征。

1)引腳等尺寸

QFP芯片的外形及主要參數(shù)，如圖1所示，所有引腳的尺寸都是相同的，相鄰引腳的間距也是相同的。

圖1 QFP芯片的外形及主要參數(shù)

利用4個(gè)極值點(diǎn)U(XU,Ymin)、R(Xmax,YR)、B(XB,Ymax)、L(Xmin,YL)和芯片轉(zhuǎn)角θ可以確定4條直線，如圖6所示。上側(cè)LU：y=kU(x-XU)+Ymin；下側(cè)LB：y=kB(x-XB)+Ymax；左側(cè)LL：y=kL(x-Xmin)+YL；右側(cè)LR：y=kR(x-Xmax)+YR。其中：kU=kB=atanθ；kR=kL=-1/atanθ。設(shè)定閾值d，如果芯片引腳頂部的點(diǎn)到本區(qū)域直線的距離小于給定的閾值，則將這些點(diǎn)存儲(chǔ)于集合Ω，形成4個(gè)關(guān)于芯片引腳頂部點(diǎn)的集合Ωi(i=1,2,3,4)。

對(duì)原始圖像(m,n)進(jìn)行濾波處理并選用類(lèi)間最大方差法(Otsu)[3]進(jìn)行閾值分割，閾值為97，分割結(jié)果如圖3所示；然后再對(duì)目標(biāo)區(qū)域像素進(jìn)行八鄰域掃描提取圖像的邊緣輪廓，如圖4所示。

圖2 QFP芯片圖像

基于極點(diǎn)四邊形的QFP芯片圖像檢測(cè)流程的設(shè)計(jì)思路為，首先找出芯片圖像的4個(gè)極值點(diǎn)，連接極值點(diǎn)便得到極點(diǎn)四邊形，利用極點(diǎn)四邊形的轉(zhuǎn)角初步確定芯片的轉(zhuǎn)角，根據(jù)轉(zhuǎn)角和4個(gè)極值點(diǎn)可以確定4條直線，利用點(diǎn)到直線的距離提取芯片每側(cè)引腳頂點(diǎn)，運(yùn)用推廣的最小二乘法對(duì)獲取的點(diǎn)集進(jìn)行矩形擬合得到4條直線，由此4條直線便可計(jì)算出芯片中心坐標(biāo)和芯片轉(zhuǎn)角；然后沿垂直于引腳的方向在距離引腳頂部1/3處畫(huà)標(biāo)尺，沿標(biāo)尺方向統(tǒng)計(jì)與標(biāo)尺相交的點(diǎn)對(duì)數(shù)，所述的點(diǎn)對(duì)數(shù)就是引腳的個(gè)數(shù)，計(jì)算引腳間距判別引腳是否存在偏折。

2 基于極點(diǎn)四邊形的QFP芯片圖像檢測(cè)算法

QFP以上幾何特征使得用與芯片體相似的矩形作為掃描路徑來(lái)檢測(cè)引腳尺寸成為可能。只有在4條邊的引腳尺寸都相同的情況下，才能通過(guò)這種掃描路徑把南北方向和東西方向引腳的檢測(cè)統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)行處理。這樣既簡(jiǎn)化了檢測(cè)過(guò)程，又提高了檢測(cè)的可靠性和快速性。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，貼片機(jī)在貼裝過(guò)程中，QFP芯片在圖像中的位置和轉(zhuǎn)角始終在一定范圍內(nèi)而不會(huì)有太大的變化。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于(m,n)的QFP芯片圖像進(jìn)行區(qū)域分割，上側(cè)：縱坐標(biāo)y取值范圍為[1,m/4]；下側(cè)：縱坐標(biāo)y取值范圍為[3m/4,m]；左側(cè)：橫坐標(biāo)x取值范圍為[1,n/4]；右側(cè)：橫坐標(biāo)x取值范圍為[3n/4,n]。在上述的4個(gè)區(qū)域內(nèi)按照一定的規(guī)則提取4個(gè)極值點(diǎn)：L(Xmin,YL)、B(XB,Ymax)、U(XU,Ymin)、R(Xmax,YR)，將上述的4個(gè)極值點(diǎn)按U—R—B—L的順序依次相連，便得到極點(diǎn)四邊形，結(jié)果如圖5所示。在芯片不發(fā)生任何傾斜時(shí)，直線UR斜率的反正切就是極點(diǎn)四邊形的初始角度θ0；在芯片發(fā)生某個(gè)角度傾斜時(shí)，極點(diǎn)四邊形的轉(zhuǎn)角變?yōu)棣華ngle，由此可以初步計(jì)算出芯片的轉(zhuǎn)角θ=θAngle-θ0。

1)圖像預(yù)處理

QFP芯片頂端引腳指的是圖2中標(biāo)出的引腳A-引腳D。由于QFP芯片的引腳是沿其芯片體中心線對(duì)稱(chēng)分布的，所以芯片每條邊上的引腳極點(diǎn)可以形成平行四邊形ABCD，這里稱(chēng)之為QFP芯片的極點(diǎn)四邊形。

圖3 分割結(jié)果

圖4 輪廓提取

采用復(fù)數(shù)矢量法對(duì)單元肋進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，通過(guò)設(shè)定驅(qū)動(dòng)滑塊位移、速度來(lái)求得各個(gè)關(guān)節(jié)角位移、角速度。進(jìn)行肋單元機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，首先按照矢量封閉多邊形列出復(fù)數(shù)矢量方程，再將肋單元分成3個(gè)回路進(jìn)行分析，按照矢量封閉多邊形列出矢量方程。

實(shí)驗(yàn)溫度下對(duì)不同濃度的Corten鋼試樣施加5MPa或不施加應(yīng)力，通過(guò)腐蝕前后的稱(chēng)重可以把金屬腐蝕速度表示成單位時(shí)間內(nèi)單位金屬表面的重量變化。Corten鋼的腐蝕速率如表9所示。

（2）疊前道集資料的精細(xì)預(yù)處理是提高AVO檢測(cè)精度的關(guān)鍵。疊前道集資料處理必須進(jìn)行高保真度、高信噪比和高分辨率的處理，尤其不能破壞地震振幅的相對(duì)關(guān)系。

圖5 QFP的極點(diǎn)四邊形

3)提取點(diǎn)集

2)粗定位

2)極點(diǎn)四邊形構(gòu)成平行四邊形

圖6 過(guò)極值點(diǎn)4條直線

4)矩形擬合

對(duì)上步獲取的點(diǎn)集Ωi(i=1,2,3,4)，采用推廣的矩形最小二乘法進(jìn)行邊緣擬合[4]。根據(jù)矩形相鄰兩邊斜率為互倒數(shù)、對(duì)邊斜率相等的關(guān)系設(shè)擬合方程為

圖7 QFP矩形擬合的結(jié)果

3 算法實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，采用Visual C++6.0作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用該平臺(tái)提供的微軟基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)MFC，構(gòu)建了圖像數(shù)據(jù)的讀取、存儲(chǔ)、顯示，濾波處理，閾值分割，輪廓提取、邊界跟蹤，直線擬合，矩形擬合及圖像重心計(jì)算等函數(shù)[5]，其操作界面如圖8所示。將圖片通過(guò)“打開(kāi)圖像”導(dǎo)入界面，依次點(diǎn)擊“濾波”、“閾值分割”、“QFP輪廓提取”、“QFP位置誤差檢測(cè)”，程序便會(huì)繪出圖8所示的擬合直線，其QFP元件位置偏差檢測(cè)結(jié)果為：Δx=-2，Δy=-2，轉(zhuǎn)角偏差Δθ=-9.9° 。該算法的運(yùn)行時(shí)間為31 ms，檢測(cè)精度達(dá)到亞像素級(jí)；采用矩形擬合，消除了擬合直線相互獨(dú)立、互不相關(guān)的問(wèn)題，檢測(cè)精度與實(shí)時(shí)性均滿(mǎn)足貼片機(jī)的需求。

圖8 QFP基于極點(diǎn)四邊形的檢測(cè)界面

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)圖像預(yù)處理、粗定位、邊緣分割、精定位等步驟，利用基于極點(diǎn)四邊形的矩形擬合算法對(duì)QFP圖像進(jìn)行了定位誤差的分析與計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用推廣的最小二乘法實(shí)現(xiàn)矩形擬合，保證了QFP元件4條邊的矩形特性，更精確地表達(dá)了芯片的位置誤差。該算法不但精度高，而且實(shí)時(shí)性較好，能夠很好地滿(mǎn)足貼片機(jī)高速、高精度的要求。