基于机器视觉的BGA微焊球高度测量方法与系统研究

摘要

球栅阵列(BGA)封装是一种高密度、面阵列的先进封装技术。BGA焊点的可靠性与芯片上焊球高度的一致性（共面度）息息相关，因此需要测量芯片上焊球的高度值。目前，封装企业急需一种检测速度快、精度适中、检测成本低的BGA微焊球高度检测设备。为此，本文提出并实现了一种基于机器视觉的BGA微焊球高度测量方法，具有测量精度高、速度快的特点，主要研究工作包括:
　　 1)根据微焊球的SEM图像验证了BGA微焊球的理想球冠假设，并基于该假设提出了一种利用平行光照射下的焊球阴影来进行焊球高度测量的方法;分析了光源入射角度、焊球半径、阴影长度对高度测量结果的影响;设计了采用低角度环形光源和点光源照明的成像方法。
　　 2)针对焊球图像及阴影图像，提出了通过滤波、Otsu自动阈值分割、区域填充去孔洞、轮廓提取，来获得焊球及阴影轮廓的方法;提出了基于圆、椭圆拟合的焊球、阴影轮廓拟合算法;实验研究了图像处理算法的有效性和稳定性。
　　 3)构建了基于机器视觉的全自动BGA微焊球在线检测系统;设计了系统的机械结构、控制电路;基于Visual C++和OpenCV编写了系统控制软件，实现了高度为数百μm左右微焊球的高度自动测量。
　　 4)研究了芯片的平移、旋转、基板材料、基板翘曲对BGA微焊球高度测量结果的影响;发现基板X方向的翘曲改变了基板与入射光间的角度，是影响高度测量结果的主要因素，根据高度测量结果的锯齿状分布特征，提出了自动补偿算法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．1．1 微电子封装简介

1．1．2 BGA封装技术简介

1．1．3 BGA植球技术

1．2 B6A焊球检测的国内外研究现状

1．2．1 焊球共面度研究

1．2．2 焊球高度检测技术

1．2．3 BGA缺陷检测技术

1．3 本文的课题来源和研究内容

1．3．1 研究目标及课题来源

1．3．2 本文主要研究内容

第二章 BGA微焊球高度测量原理

2．1 BGA焊球理想球冠假设

2．2 焊球高度测量原理

2．3 各因素对高度测量结果的影响分析

2．4 焊球高度测量实验

2．4．1 实验方案

2．4．2 实验配置

2．4．3 实验结果图像

2．5 本章小结

第三章 微焊球数字图像处理

3．1 特征提取

3．1．1 滤波

3．1．2 图像分割

3．1．3 去孔洞处理

3．1．4 轮廓提取

3．2 基于圆拟合的焊球图像处理算法

3．2．1 基于最小二乘法的圆拟合算法

3．2．2 基于RANSAC的鲁棒圆拟合算法

3．2．3 基于LMedS的鲁棒圆拟合算法

3．2．4 焊球半径测量结果

3．3 基于椭圆拟合的阴影图像处理算法

3．3．1 基于最小二乘法的椭圆拟合算法

3．3．2 基于焊球高度测量原理的椭圆拟合算法

3．4 焊球高度的计算

3．5 本章小结

第四章 微焊球高度测量仪机器视觉系统设计

4．1 系统结构

4．2 硬件部分

4．2．1 机械结构设计

4．2．2 光源的选择及照明方式的设计

4．2．3 工业相机及镜头的选择

4．2．4 电气连接

4．2．5 焊球高度检测系统实物图

4．3 软件部分

4．3．1 系统软件需求分析

4．3．2 系统软件平台及图像处理库的选择

4．3．3 系统软件组成模块

4．3．4 系统软件检测流程

4．3．5 高度检测系统软件的界面

4．4 本章小结

第五章 微焊球高度测量实验与结果分析

5．1 芯片平移对高度测量结果的影响

5．2 芯片旋转对高度测量结果的影响

5．3 陶瓷基板芯片测量实验

5．4 硅基板芯片测量实验

5．5 板型对测量结果的影响及处理

5．5．1 基板翘曲实验

5．5．2 基板翘曲对测量结果影响的理论分析

5．5．3 根据基板翘曲补偿高度测量结果

5．5．4 基板翘曲时高度测量结果的自动补偿

5．6 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果