QFN芯片图像采集装置及其图像采集方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种QFN(Quad Flat No-lead Package，方形扁平无引脚封装)芯片图像采集装置和一种QFN芯片图像采集装置的图像采集方法。

背景技术

QFN是一种体积小、重量轻、以塑料作为密封材料的表面贴装芯片封装技术。QFN封装内部引脚与焊盘之间导电路径短，布线电阻很低，具有卓越的电性能，且焊盘有直接散热通道，散热性好，QFN封装技术广泛运用于手机、数码相机以及其他便携小型电子设备的高密度印刷电路板上。但由于生产技术、环境等因素，QFN芯片引脚及中心焊盘表面部分会出现裂纹、异物、划痕、孔洞等缺陷。

相关技术中，一般通过人工检测芯片方法，该方法检测效率低、可靠性差，无法满足QFN芯片封装测试的连续高精度的检测要求。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种QFN芯片图像采集装置，该装置可连续稳定地拍摄高精度图像，采集的图像可清楚地看出芯片表面缺陷，可提高后续图像处理的效率和准确性。

本发明还提供一种QFN芯片图像采集装置的图像采集方法。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提出了一种QFN芯片图像采集装置，包括：包括：X轴伺服运动滑台装置、Y轴伺服运动滑台装置、Y轴辅助运动滑台装置、Z轴手摇式运动滑台装置、相机、镜头、光源、料盘夹具、机架和上位机，其中，X轴、Y轴和Z轴相互垂直，所述X轴伺服运动滑台装置通过第一连接板与所述Y轴伺服运动滑台装置连接，所述Y轴辅助运动滑台装置平行对齐固定在所述机架上，所述Z轴手摇式运动滑台装置通过第二连接板与所述X轴伺服运动滑台装置连接，所述相机、所述镜头和所述光源通过的L型板与Z轴手摇式运动滑台装置连接；所述X轴伺服运动滑台装置用于带动所述相机在X轴方向运动；所述Y轴伺服运动滑台装置和所述Y轴辅助运动滑台装置用于带动所述相机在Y轴方向运动；所述Z轴手摇式运动滑台装置用于带动所述相机在Z轴方向移动，以调节所述相机的工作距离和镜头焦距；所述料盘夹具用于固定料盘，所述料盘用于放置所述QFN芯片；所述相机是用于采集所述料盘中所述QFN芯片的图像；上位机通过通讯线分别与PLC、所述相机串口通讯，所述上位机用于发送控制指令给PLC，以使所述PLC控制所述X轴伺服运动滑台装置、所述Y轴伺服运动滑台装置工作，以控制所述相机在X轴、Y轴方向上移动，并获取所述相机采集的所述QFN芯片图像。

本发明上述提出的QFN芯片图像采集装置，还具有如下附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述相机的像素为500万像素，像素深度为8bit，最大帧率为10-20fps。

根据本发明的一个实施例，所述镜头的焦距为16mm、光圈范围为1.4-16的镜头。

根据本发明的一个实施例，所述光源为白色LED环形光源，所述光源由高亮LED经结构优化设计阵列排布而成，所述光源内径为50mm、外径为90mm、高为23mm，所述LED布置时与水平面呈30°倾斜角。

根据本发明的一个实施例，所述料盘夹具长为400mm、宽为195mm，所述料盘夹具采用铝板设计，所述料盘夹具由底板、X方向定位板和Y方向定位板组成，底板开有滑槽，所述料盘长为315mm、宽135mm，包括14行×35列。

根据本发明的一个实施例，所述机架长为1580mm、宽为830mm、高为840mm，所述机架的上台面为铝板，且所述上台面上打有8个按钮孔位和1个通讯线孔位，所述机架装有脚轮。

根据本发明的一个实施例，所述X轴伺服运动滑台装置包括伺服电机、滑台前板、滑台底板、滑台后板、联轴器、丝杆支撑前座、丝杆、丝杆支撑后座、导轨、滑块、感应器和感应片，所述X轴伺服运动滑台装置的移动行程大于料盘尺寸的长度。

根据本发明的一个实施例，所述Y轴伺服运动滑台装置包括伺服电机、滑台前板、滑台底板、滑台后板、联轴器、丝杆支撑前座、丝杆、丝杆支撑后座、导轨、滑块、感应器和感应片，所述Y轴伺服运动滑台装置的移动行程大于料盘尺寸的宽度。

根据本发明的一个实施例，所述Z轴手摇式运动滑台装置包括实心手轮、滑台前板、滑台底板、滑台后板、联轴器、丝杆支撑前座、丝杆、丝杆支撑后座、导轨和滑块。

基于上述的QFN芯片图像采集装置，本发明还提出一种QFN芯片图像采集装置的图像采集方法，包括以下步骤：上电后，PLC发送回归原点指令，以控制所述X轴伺服运动滑台装置、Y轴伺服运动滑台装置回归原点，其中，所述X轴右限位开关、Y轴后限位开关为所述原点；控制所述X轴伺服运动滑台装置向左移动，且每次向左移动一个工位后停留0.5s并控制所述相机进行定点拍摄，直至所述X轴伺服运动滑台装置到达左限位开关位置，停止X轴伺服运动滑台装置移动；控制所述Y轴伺服运动滑台装置前移一个工位后停止移动；控制所述X轴伺服运动滑台装置向右移动，且每次向右移动一个工位后停留0.5s并控制所述相机进行定点拍摄，以获取所述料盘中的QFN芯片图像，直至所述X轴伺服运动滑台装置到达右限位开关位置，停止X轴伺服运动滑台装置移动；控制所述Y轴伺服运动滑台装置前移一个工位后停止移动；判断所述Y轴伺服运动滑台装置是否到达前限位开关位置；如果是，则控制相机停止拍摄，以获取所述料盘中的QFN芯片图像，并控制所述X轴伺服运动滑台装置、Y轴伺服运动滑台装置回归原点；如果否，则返回控制所述X轴伺服运动滑台装置向左移动，且每次向左移动一个工位后停留0.5s并控制所述相机进行定点拍摄步骤。

发明的有益效果：

本发明可连续稳定地拍摄高精度图像，采集的图像可清楚地看出芯片表面缺陷，可提高后续图像处理的效率和准确性。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的QFN芯片图像采集装置的方框示意图；

图2是根据本发明一个实施例的QFN芯片图像采集装置的立体图；

图3a是根据本发明一个实施例的X轴伺服运动滑台装置与Y轴伺服运动滑台装置的连接板(第一连接板)的示意图；

图3b是根据本发明一个实施例的Z轴手摇式运动滑台装置与X轴伺服运动滑台装置的连接板(第二连接板)的示意图；

图3c是根据本发明一个实施例的相机、镜头和光源与Z轴手摇式运动滑台装置连接的L型板的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的相机工作时每一次拍摄所覆盖的最大视野FOV的示意图；

图5a是根据本发明一个实施例的镜头光圈调节至F＝1.4时相机所拍摄的图像；

图5b是根据本发明一个实施例的镜头光圈调节至F＝16时相机所拍摄的图像；

图5c是根据本发明一个实施例的镜头光圈调节至F＝9时相机所拍摄的图像；

图6是根据本发明一个实施例的光源打光示意图；

图7是根据本发明一个实施例的料盘夹具的示意图；

图8是根据本发明一个实施例的芯片承载料盘的示意图；

图9是根据本发明一个实施例的X轴伺服运动滑台装置的示意图；

图10是根据本发明一个实施例的Y轴伺服运动滑台装置的示意图；

图11是根据本发明一个实施例的Z轴手摇式运动滑台装置的示意图；

图12是根据本发明一个实施例的QFN芯片图像采集装置的图像采集方法的流程图；

图13是根据本发明一个实施例的相机拍摄路线轨迹示意图；

图14a是根据本发明一个实施例的采集得到的QFN芯片引脚面图像；

图14b是根据本发明一个实施例的采集得到的QFN芯片塑封面图像。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面是结合附图来描述本发明实施例提出的QFN芯片图像采集装置及其图像采集方法。

图1是根据本发明一个实施例的QFN芯片图像采集装置的方框示意图。图2是根据本发明一个实施例的QFN芯片图像采集装置的立体图。其中，如图1-2所示，该装置包括：X轴伺服运动滑台装置(3)、Y轴伺服运动滑台装置(10)、Y轴辅助运动滑台装置(2)、Z轴手摇式运动滑台装置(4)、相机(7)、镜头(8)、光源(5)、料盘夹具(9)、机架(1)和上位机(11)组成。

本发明装置采用龙门式模组结构设计，也称为XYZ模组。X轴伺服运动滑台装置(3)通过如图3a所示的连接板(第一连接板)与Y轴伺服运动滑台装置(10)连接，为保持采集装置平衡加入Y轴辅助运动滑台装置(2)作为总体支撑，平行对齐固定在机架(1)上。Z轴手摇式运动滑台装置(4)通过如图3b所示的连接板(第二连接板)与X轴伺服运动滑台装置(3)连接，相机(7)、镜头(8)和光源(5)通过如图3c所示的L型板与Z轴手摇式运动滑台装置(4)连接。此外，为了方便保养防尘，滑台上加了盖板做成半封闭式。

相机(7)是获取图像的前端采集设备，本发明装置选用的相机为面阵黑白CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)工业相机。在相机选型时，需要对相机分辨率、像素深度和最大帧率进行计算与分析。

分辨率是指相机每次采集图像的像素点数，相机单方向分辨率可以根据目标的要求精度及视野范围可以求出，其中视野范围为相机工作时每一次拍摄所覆盖的最大视野FOV为H mm×H mm，本发明预计每次拍摄9个芯片(3×3)，距离大约为27mm，如图4所示，本发明FO V最大为H×H＝40mm×40mm。系统检测精度a是指相机最大分辨率对应到被测物体的尺寸，由像元尺寸与系统放大倍率的比值算出，计算公式如下：

其中b是像元尺寸，L是相机传感器尺寸，PMAG为系统放大率，表示人眼所看到的图像的尺寸与被测物体实际尺寸的比值，

半导体芯片表面字符检测解析度的要求最低为a

即相机至少需要达到256万像素(1600×1600＝2560000)。

像素深度为每位像素数据的位数，分辨率和像素深度共同决定了图像的大小。像素深度越高，测量的精度越强，但会降低系统的检测效率，成本也会提高。综合考虑检测效率、精度和经济性，本发明选用相机像素深度为8bit。

最大帧率F为相机采集传输图像的速率。若图像采集时间t要求为0.1s，帧率计算为：

相机选用最小帧率为10fps即可，但在实际检测中一般大于10fps。

为了保证采集高精度的图像，本发明采用500万像素的相机，像素深度为8bit，最大帧率为10-20fps。

镜头(8)是相机中最重要的部件，它的好坏直接影响到拍摄成像的质量。镜头在选型时关键是确定其焦距，通过视野范围、工作距离以及传感器尺寸计算出焦距大小：

其中，WD指被测物体和相机镜头前端的距离,本发明工作距离设定为100mm，W是CCD传感器的宽度为6.6mm，H是视野范围FOV的宽度为40mm。根据计算和分析，本发明选用焦距为16mm、光圈范围为1.4-16的镜头。

在拍摄过程中，需要调整镜头光圈大小来保证采集图像的质量。本发明通过实验发现当光圈F＝9、曝光时间为14000μs时，采集到的芯片图像效果最好，如图5c所示。当镜头光圈调节至最大光圈F＝1.4时，图像会出现过曝情况，如图5a所示。而当镜头光圈调节至最小光圈F＝16时，采集图像较暗，如图5b所示。

光源(5)是图像采集系统的重要组成部分之一，本发明光源为白色LED环形光源。如图6所示，为光源打光示意图，光源由高亮LED经结构优化设计阵列排布而成，光源内径50mm，外径90mm，高23mm，LED布置时与水平面呈30°倾斜角，避免照射时出现阴影，凸显芯片成像特征，降低后期图像处理复杂度。

如图7所示，料盘夹具(9)长400mm，宽195mm，采用铝板设计，料盘夹具用于固定料盘，料盘用于放置QFN芯片。夹具由料盘底板(24)、X方向定位板(25)和Y方向定位板(26)组成，底板开有滑槽。如图8所示，本发明所述芯片承载料盘长315mm，宽135mm，为14行×35列，共计承载芯片490个。定位板可根据料盘大小进行移动调节，可适用于不同尺寸的芯片承载料盘。

机架(1)长1580mm，宽830mm，高840mm，上台面为铝板，为使加工方便，将上台面分割成两块板，拆卸方便。台面上打有8个按钮孔位和1个通讯线孔位。机架装有脚轮，可灵活移动。

上位机(11)通过通讯线分别与PLC、相机串口通讯，编程发送指令控制伺服电机稳定运动拍摄，从而采集高精度图像。

如图9所示，X轴伺服运动滑台装置(3)包括伺服电机(12)、滑台前板(13)、滑台底板(15)、滑台后板(17)、联轴器(23)、丝杆支撑前座(22)、丝杆(19)、丝杆支撑后座(18)、导轨(20)、滑块(21)、感应器(16)和感应片(14)。X轴伺服运动滑台装置实现相机在X轴方向运动，控制X轴方向的拍摄。为保证相机在X方向拍摄芯片图像的完整性，其移动行程应大于料盘尺寸的长度(料盘长315mm)，调节两个感应器之间的安装距离，设定X方向移动行程为400mm。

如图10所示，Y轴伺服运动滑台装置(10)包括伺服电机(27)、滑台前板(28)、滑台底板(37)、滑台后板(35)、联轴器(29)、丝杆支撑前座(30)、丝杆(31)、丝杆支撑后座(34)、导轨(32)、滑块(33)、感应器(38)和感应片(36)。其与X轴伺服运动滑台装置结构设计一致，除滑台移动距离不同，即底板、丝杆、导轨长度不同，其余均相同。Y轴辅助运动滑台装置与Y轴伺服运动滑台装置平行，起辅助平衡支撑作用。Y轴滑台装置与Y轴辅助滑台装置共同实现相机在Y轴方向运动，控制Y轴方向的拍摄。为保证相机在Y方向拍摄芯片图像的完整性，其移动行程应大于料盘尺寸的宽度(料盘宽135mm)，调节两个感应器之间的安装距离，设定Y方向移动行程为200mm。

如图11所示，Z轴手摇式运动滑台装置(4)包括实心手轮(6)、滑台前板(46)、滑台底板(39)、滑台后板(41)、丝杆支撑前座(45)、丝杆(44)、丝杆支撑后座(42)、导轨(40)和滑块(43)。其与X轴伺服运动滑台装置结构设计一致，通过实心手轮手动调节相机与工作台的距离。选用手摇方式成本低、使用寿命长，且实心手轮质量轻，可减少X轴和Y轴电机的驱动负载。在调节相机镜头工作距离时，手摇式相比电机驱动更加稳定、方便。Z轴滑台装置实现相机在Z轴方向移动，通过调节相机工作距离和镜头焦距，保证芯片图像清晰成像。

由此，本发明以面阵黑白CCD工业相机作为拍摄工具，采用XYZ三轴滑台装置和传感器定位元件，并利用PLC与上位机串口通讯实现自动化全方面拍摄。本发明要求每次拍摄9个芯片(3×3)，该图像采集装置可以对料盘中的QFN芯片进行连续、高精度图像采集，装置以12mm/s的速度完成移动，拍摄芯片图像表面字符检测解析度达到20μm，可有效获取芯片表面详细特征信息，为芯片表面缺陷检测提供了一定的依据。

基于上述的QFN芯片图像采集装置，本发明还提出一种QFN芯片图像采集装置的图像采集方法。

图12是根据本发明一个实施例的QFN芯片图像采集装置的图像采集方法的流程图。如图12所示，该方法包括以下步骤：

S1，上电后，PLC发送回归原点指令，以控制X轴伺服运动滑台装置、Y轴伺服运动滑台装置回归原点，其中，X轴右限位开关、Y轴后限位开关为原点。

具体的，在定位控制中，当PLC执行初始化运行或断电后再上电时，当前值寄存器内容会清零，但机械位置不一定在原点，因此有必要执行一次原点回归，使机械位置回归原点。为保证每一次相机拍摄芯片图像的准确性，通过上位机控制PLC发送回归原点指令，使装置回归原点，本发明设定X轴右限位开关(类型为光电传感器，又称行程开关)、Y轴后限位开关为起始原点。

S2，控制X轴伺服运动滑台装置向左移动，且每次向左移动一个工位后停留0.5s并控制相机进行定点拍摄，直至X轴伺服运动滑台装置到达左限位开关位置，停止X轴伺服运动滑台装置移动。

具体的，为保证采集所有芯片图像，不发生漏检现象，以光电传感器作为限位开关，使图像采集装置按“S型”路线循环运动并自动化拍摄芯片图像，如图13所示，相机每次在X方向拍摄12次，Y方向拍摄5次，共计拍摄60次。在调节伺服驱动PID参数后，经大量实验，根据相机拍摄视野范围FOV＝40×40mm，并保证芯片图像分辨率为1944×1944的基础上，设置X轴伺服电机运动频率为7000Hz，脉冲量为12000，即PLC每次以7000Hz的频率发送12000个脉冲，使X轴电机驱动滑台装置左移一个工位。为保证拍摄芯片图像的质量，X轴滑台装置每次向左移动一个工位后停留0.5s进行定点拍摄，避免因装置在运动过程中产生的轻微抖动而导致拍摄的图像模糊，直至到达左限位开关位置，停止X轴方向的相机移动拍摄。

S3，控制Y轴伺服运动滑台装置前移一个工位后停止移动。

具体的，X轴伺服运动滑台装置到达左限位开关处，X轴电机停止运动，根据上述的实验环境，设置Y轴伺服电机运动频率为7000Hz，脉冲量为12000，即PLC以7000Hz的频率发送12000个脉冲，根据图像采集装置拍摄路线要求，Y轴滑台装置在前移一个工位后停止运动。

S4，控制X轴伺服运动滑台装置向右移动，且每次向右移动一个工位后停留0.5s并控制相机进行定点拍摄，以获取料盘中的QFN芯片图像，直至X轴伺服运动滑台装置到达右限位开关位置，停止X轴伺服运动滑台装置移动。

S5，控制Y轴伺服运动滑台装置前移一个工位后停止移动。

S6，判断Y轴伺服运动滑台装置是否到达前限位开关位置。如果是，则执行步骤S7，如果否，则返回步骤S2。

S7，控制相机停止拍摄，以获取料盘中的QFN芯片图像，并控制X轴伺服运动滑台装置、Y轴伺服运动滑台装置回归原点。

具体的，当Y轴伺服运动滑台装置前移一个工位停止后，X轴电机反转，X轴滑台装置向右运动，重复步骤S2相机拍摄过程，直至到达右限位开关后停止。同时Y轴滑台装置前移一个工位，并继续进行芯片图像拍摄工作，直至Y轴滑台装置运动到前限位开关，且X轴滑台装置处于左限位开关处，触发PLC软元件指令，使电机驱动装置自动回归原点，QFN芯片图像采集流程完毕。

通过反复实验，对本发明图像采集装置自动循环一次所需时间进行计时，即从第一个工作点位自动运行到最后一个工作点位所需时间，约为132s，则平均每个工位所需时间为：

单个工位长度约为s＝27mm，则可计算出图像采集装置拍摄运行速度：

即装置以12mm/s的速度拍摄移动。

根据实验采集结果，单张芯片图像的分辨率为1944×1944，则实际检测精度

综上所述，根据本发明实施例的QFN芯片图像采集装置的图像采集方法，可以对料盘中的QFN芯片进行连续、高精度图像采集，装置以12mm/s的速度拍摄移动，采集装置运行稳定。拍摄的QFN芯片图像表面字符检测解析度能达到20μm，单幅图像分辨率达到1944×1944，能够清楚地观察出芯片表面缺陷，提高后续图像处理的速率和准确性。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。