采用圖像采集和圖像處理的BGA連接器焊球檢測裝置的實(shí)現(xiàn)

1 引言

BGA（BallCridArray）是近幾年發(fā)展起來的一種電子器件封裝技術(shù)，非常適用于大規(guī)模集成電路的封裝，其發(fā)展十分迅速。BGA連接器和BGA封裝器件現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用，幾乎所有的計(jì)算機(jī)、移動電話等電子產(chǎn)品中都能找到BGA封裝器件。圖1是BGA連接器的BGA焊接面。

BGA連接器以焊球作為與印刷電路板連接的引腳。安裝時(shí)，加熱BGA連接器，使焊球直接熔接在印刷電路板上，就可完成BGA連接器的安裝過程。與其他類型的連接器相比，BGA連接器具有安裝方便，工作可靠，封裝密度高，易于裝配，體積小，自感和互感小等優(yōu)點(diǎn)。它特別適用于計(jì)算機(jī)CPU等超大規(guī)模集成電路芯片封裝或用作IC器件的連接插座。圖2是BGA連接器安裝后的側(cè)視圖。

由圖2可知，BGA連接器的制造精度要求很高，尤其是對BGA焊球的機(jī)械尺寸精度要求非常高。BGA連接器上的焊球高度差應(yīng)小于0.2毫米，否則就會造成BGA連接器上的某個(gè)或某些焊球無法與電路板正常熔接，從而使得整個(gè)電路產(chǎn)品報(bào)廢。圖3是BGA焊球高度不一致造成的電路連接故障的示意圖。

為了避免BGA連接器的連接故障，通常要在生產(chǎn)流水線上逐一對BGA連接器焊球質(zhì)量進(jìn)行檢測（主要檢測參數(shù)為焊球的直徑、高度）。若采用傳統(tǒng)的接觸式測量方法，不但測量周期較長，而且無法滿足在生產(chǎn)線現(xiàn)場對連接器上每一個(gè)焊球在線檢測的要求。

將機(jī)器視覺應(yīng)于BGA連接器焊球的質(zhì)量檢測，則可實(shí)現(xiàn)無損非接觸在線檢測。由于機(jī)器視覺采用圖像采集和圖像處理的方法，可在一次采樣過程中獲取被測BGA連接器的整個(gè)圖像，因此它的整個(gè)檢測周期非常短，并且能將BGA連接器上的所有焊球一次檢測完成。顯然，它是一種較為理想的BGA連接器質(zhì)量檢測方法。

2 檢測原理

采用機(jī)器視覺方法檢測BGA連接器焊球的直徑、高度等參數(shù)，先由圖像采集裝置獲取BGA連接器焊球端面的圖像，該圖像如圖（所示。然后設(shè)法從該圖像提取BGA連接器焊球的曲面信息，最后由曲面信息求得被測焊球的直徑、高度等參數(shù)。

焊球圖像生成過程如圖4所示。光源照射到焊球表面點(diǎn)S，其反射光經(jīng)透鏡中心投射在圖像面的點(diǎn)S‘上。當(dāng)光源為平行光，反射光呈均勻散亂分布，且焊球的投影為近似平面投影時(shí)，圖像面點(diǎn)S‘的灰度值I與照明方向角（α，β）和焊球表面點(diǎn)S的狀態(tài)有關(guān)。其函數(shù)關(guān)系可表示為：

I（x，y，α，β）=A＊ρ（x，y）＊G（p，q，α，β）I（x，y，α，β）是與點(diǎn)s對應(yīng)的圖像面上點(diǎn)S‘的灰度值，可從圖像采集裝置直接得到；同時(shí)，它也是以光投影方向角（α，β）為參數(shù)的關(guān)于物體表面點(diǎn)S（x，y）的函數(shù)。A為常數(shù)。ρ（x，y）為點(diǎn)S（x，y）處的表面反射率，它與點(diǎn)S（x，y）的表面性質(zhì)有關(guān)，如表面有污點(diǎn)或有花紋等都會影響反射率，且不同的位置有不同的ρ（x，y）。G為入射光在物體表面的密度，當(dāng)光投影方向角（α，β）確定后，它與點(diǎn)S（x，y）的表面斜率有關(guān)。

由上述分析可知：在圖像面生成的圖像帶有被側(cè)物體的三維信息p、ρ。檢測到點(diǎn)S的灰度值后，只要根據(jù)點(diǎn)S的坐標(biāo)x、y值和入射光方向角（α，β），設(shè)法從式（1）或式（2）提取p、ρ，就可得到焊球表面的斜率，然后由點(diǎn)S的斜率計(jì)算出被測焊球的直徑、高度。但是，式（1）中的表面反射率ρ（x，y）較為復(fù)雜，不同的物體有不同的表面反射率，同一物體的不同位置的表面反射率也不盡相同，而且在連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下，不可能得到準(zhǔn)確的被測物體表面反射率ρ（x，y）。因此，直接應(yīng)用式（1）無法由灰度值I計(jì)算出點(diǎn)S的斜率。

表面反射率ρ（x，y）雖然復(fù)雜，但是它僅與點(diǎn)S的表面性質(zhì)有關(guān)，而與照明條件無關(guān)。這里利用表面反射率ρ（x，y）的這一特性，在同一視點(diǎn)下，用同一光源分別以兩種不同入射方向角，照射BGA連接器的焊球，用圖像采集裝置在圖像面的點(diǎn)S‘處獲得相應(yīng)的兩個(gè)灰度值I1和I2。由于I1和I2是圖像面上點(diǎn)S‘在不同照明條件下的灰度值，對應(yīng)于BGA連接器焊球上的同一點(diǎn)S，具有相同的平面坐標(biāo)x、y和表面反射率ρ（x，y）。求解下列聯(lián)立方程：

在同一視點(diǎn)下，用相同光源分別以兩種不同入射方向角照射被測BGA連接器焊球；在圖像面，用圖像采集裝置獲取相應(yīng)的兩幅BGA連接器圖像；然后，逐一將兩幅圖像對應(yīng)點(diǎn)的兩灰度值和入射光源方向角代入式（5），求出BGA連接器各點(diǎn)的p值，并將求得的p值存于一兩維數(shù)組中，并使該數(shù)組的下標(biāo)與圖像的x、y坐標(biāo)對應(yīng)，從而將BGA連接器的灰度圖像轉(zhuǎn)換成BGA連接器的表面斜率圖像（沿x方向）；最后由BGA連接器的表面斜率圖像提取BGA連接器的表面斜率信息，計(jì)算出BGA焊球的直徑、高度。把上述測量過程稱之為“兩次投影”。

由于目標(biāo)是檢測BGA焊球的高度、直徑，在獲得BGA連接器的表面斜率圖像（沿x方向）后，沿x方向找出所有斜率p變化的極大值和極小值，然后根據(jù)相鄰極值在x方向和y方向的距離就可方便地計(jì)算出BGA焊球的直徑、高度。相鄰極值在x方向和y方向的距離可由圖像采集裝置的像素間距和保存p值的兩維數(shù)組下標(biāo)求得。圖5是當(dāng)y坐標(biāo)為某一值時(shí)，得到的BGA焊球曲面信息。

3 主要檢測算法

通過圖像采集裝置，在同一視點(diǎn)的圖像面獲取兩M×N像素的圖像，分別保存于image1［m，n］和image2［m，n］兩數(shù)組中。下列算法計(jì)算圖像面上每一像素對應(yīng)的被測BGA連接器表面X軸方向的斜率。計(jì)算結(jié)果存于一M×N數(shù)組中。

檢測算法：

4 運(yùn)行結(jié)果

該BGA連接器焊球檢測裝置采用768X590像素的面陣式CCD攝像頭，NI-1907圖像捕捉卡，LED平面光源和P4-1.7G計(jì)算機(jī)。該裝置用于檢測200個(gè)焊球的BGA連接器（40X40mm），檢測參數(shù)為焊球高度和直徑。它的檢測周期小于800ms，檢測精度可達(dá)到2%，具有檢測速度快，工作可靠等特點(diǎn)。

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