視覺傳感技術(shù)機器視覺在半導(dǎo)體工業(yè)上的應(yīng)用早在二十年前就已開始，半導(dǎo)體、電子設(shè)備市場是機器視覺技術(shù)發(fā)源地并一直成為機器視覺賴以生存的巨大市場之一。半導(dǎo)體、電子制造業(yè)每一次技術(shù)上的飛躍如：晶圓越做越大，而內(nèi)部線路越做越細，向超細間距式器件挺進；連接器體積越來越小，每分鐘生產(chǎn)線上需要檢測、測量器件的數(shù)量越來越多，都將伴隨著新一輪半導(dǎo)體、電子生產(chǎn)裝備的誕生。隨之必將產(chǎn)生新的質(zhì)量保證系統(tǒng)改善其生產(chǎn)率和保證零次品率，進而促使機器視覺市場不斷發(fā)展壯大。機器視覺技術(shù)本身也隨著半導(dǎo)體、電子、光學(xué)、自動化等技術(shù)的發(fā)展而不斷完善、發(fā)展。 
 

 

    機器視覺的分類 

 

    半導(dǎo)體、電子制造中的機器視覺系統(tǒng)分為嵌入式系統(tǒng)和PC-Base系統(tǒng)兩類。 

 

    PC-Base系統(tǒng)一般由機器視覺標準配件包括工業(yè)用視覺光源、工業(yè)鏡頭、工業(yè)相機、圖像采集卡、機器視覺軟件和工業(yè)PC搭建而成，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，需要具備光學(xué)、機械、自動化、圖像算法及專業(yè)編程知識的技術(shù)人員來實現(xiàn)。一般情況下，硬件系統(tǒng)搭建完畢后，還要根據(jù)項目需求進行二次開發(fā)后才能上線使用。而嵌入式系統(tǒng)則是光源（某些嵌入式系統(tǒng)會內(nèi)置）、鏡頭、相機、圖像采集處理功能和視覺圖像分析軟件的高度集成化，系統(tǒng)功能模塊化。有些嵌入式系統(tǒng)的軟件操作界面非常簡單，按照軟件界面向?qū)гO(shè)置后就可以上線運行。嵌入式視覺系統(tǒng)又有兩種名稱：智能相機（Smart Camera）、視覺傳感器（Vision Sensor）。智能相機相對于視覺傳感器，一般硬件處理速度更快、軟件功能模塊更為強大，可以適應(yīng)各種適合嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜視覺檢測應(yīng)用。當(dāng)然，智能相機（Smart Camera）與視覺傳感器（Vision Sensor）之間并沒有嚴格的劃分標準，我們都稱為視覺傳感器也沒有錯。 

 

    PC-Base視覺系統(tǒng)和嵌入式視覺系統(tǒng)在半導(dǎo)體和電子行業(yè)都有廣泛應(yīng)用，需要根據(jù)系統(tǒng)需求來確定到底采用哪種視覺系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的主要特點是速度快、性能穩(wěn)定、操作簡單、體積小巧，非常適合于對檢測系統(tǒng)安裝空間要求非常嚴格、二次開發(fā)需求不是很強以及要求性能穩(wěn)定的場合。尤其是已有生產(chǎn)設(shè)備需增加檢測功能，提高設(shè)備附加值者，選擇嵌入式系統(tǒng)的性價比較高。世界知名機器視覺廠商或自動化廠商如Cognex、Dalsa、Omron、Sick、Banner、Simens等都有嵌入式機器視覺系統(tǒng)大量應(yīng)用在半導(dǎo)體后段制程及電子行業(yè)。

 

    半導(dǎo)體制造中的機器視覺應(yīng)用 

 

    半導(dǎo)體制造過程可以劃分為前、中、后三段。在這三段中，每一段制程，機器視覺都是必不可少的。 

 

    在前、中段過程中，機器視覺主要應(yīng)用在精密定位和檢測方面。沒有精密定位，也就不可能進行硅片生產(chǎn)。 中段制程是半導(dǎo)體制程的最重要環(huán)節(jié)，與機器視覺相關(guān)的還有最小刻度測量。目前，后段制程則是機器視覺應(yīng)用非常廣泛的環(huán)節(jié)。后段制程主要涉及晶圓的電器檢測、切割、封裝、檢測等過程。晶圓在切割前必須使用機器視覺系統(tǒng)檢測出瑕疵，并打上標記。檢測完畢切割過程中需要利用機器視覺系統(tǒng)進行精確快速對準定位，采用基于機器視覺技術(shù)的預(yù)對準技術(shù)具備很強的速度優(yōu)勢�；�于機器視覺的解決方案，只需要半秒鐘就能定位硅片中心并對準切口。美國知名機器視覺廠商Cognex生產(chǎn)的智能相機In-Sight1820就有類似的應(yīng)用。切割過程開始后也要利用機器視覺進行定位。如果定位出現(xiàn)問題，則可能整片晶圓會報廢。切割后的IC要保證在不互相接觸的前提下分裝到相應(yīng)的容器內(nèi)部，再繼續(xù)利用機器視覺系統(tǒng)找出非瑕疵品進入封裝過程。封裝過程的機器視覺應(yīng)用目前在國內(nèi)外都很成熟，如大家所熟知的AOI（Automatic Optic Inspection）。 
 

    縱觀半導(dǎo)體制造前、中、后三段的視覺應(yīng)用，PC-Base機器視覺系統(tǒng)占據(jù)著很大的比重，這是因為PC-Base系統(tǒng)對于設(shè)備完成復(fù)雜檢測需求及進行二次開發(fā)的實施性最強。在設(shè)備設(shè)計初期如果考慮PC-Base視覺系統(tǒng)，其整合性也最強。另外，由于智能相機等嵌入式視覺系統(tǒng)本身發(fā)展的限制，其精度和速度還無法與PC-Base系統(tǒng)相比。就以相機為例，目前已經(jīng)進入市場的工業(yè)相機最高分辨率已達到1600萬像素，智能相機最高也就200多萬像素。而半導(dǎo)體制造前段和中段對于圖像精度要求達200萬像素的相機很難實現(xiàn)，因此我們可以看到嵌入式視覺系統(tǒng)在半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用中仍大多集中在后段部分。

 

    電子制造業(yè)中的機器視覺應(yīng)用 

 

    按照通常的劃分方法，芯片在進行1級封裝前的制造、檢測和封裝過程為半導(dǎo)體制造業(yè)，之后為電子制造業(yè)。機器視覺在電子制造行業(yè)的應(yīng)用更加廣泛，小到電容、連接器等元器件，大到手機鍵盤、PC主板、硬盤，在電子制造產(chǎn)業(yè)鏈條的各個環(huán)節(jié)，幾乎都能看到機器視覺系統(tǒng)的身影。

      機器視覺四大主要功能：檢測、定位（引導(dǎo)）、測量、讀碼都有很多實際的應(yīng)用案例。其中最突出的就是SMT貼片上的機器視覺應(yīng)用及AOI/AXI設(shè)備。首先，SMT在貼片過程中就會用到機器視覺及視覺定位系統(tǒng)的高精度、多功能SMT貼片機技術(shù)。它通過視覺識別系統(tǒng)對不同元件進行視覺識別，能高速、高精度貼裝微小片狀元件、精細IC元件或異形元件。采用了視覺識別、定位技術(shù)的貼片機具有自動化水平高，操作方便，運行平穩(wěn)等特點。貼裝精度、識別元件范圍、貼裝速度等能符合電子行業(yè)高速、高質(zhì)量、零次品率的制造要求。SMT貼片技術(shù)目前在國內(nèi)已經(jīng)有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，如日東電子生產(chǎn)的SMT貼片機在電子組裝設(shè)備市場上已經(jīng)叫響，而日東與知名機器視覺企業(yè)—漢王視覺在機器視覺軟件算法于SMT上的應(yīng)用的合作開發(fā)也進行的如火如荼。近些年，隨著電路圖形的細線化等因素，SMT組裝質(zhì)量檢測與控制代替以往人工目視的AOI（自動光學(xué)檢測）的技術(shù)迅速發(fā)展起來。AOI是機器視覺技術(shù)與自控技術(shù)、精密機械技術(shù)綜合的檢測裝備，AOI一般由工作臺、電氣控制系統(tǒng)、CCD攝像系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)四大部分構(gòu)成。 

 

    其中：CCD攝像系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)是由機器視覺技術(shù)人員專門完成的。SMT當(dāng)中AOI具有PCB板檢測、焊膏印刷檢測、器件檢測、焊后檢測等功能。PCB板、焊后檢測一般是非實時性檢測，焊膏印刷和器件檢測則是與印刷機、貼片機相配套在一起進行的高速實時的檢測。國外的AOI知名廠商很多，如Agilent、Orbotech等，最近，國內(nèi)也出現(xiàn)了眾多民族AOI品牌，其中最知名的就是Aleader，他們是將機器視覺技術(shù)能很好的應(yīng)用在AOI上為數(shù)不多的國內(nèi)廠商之一。AXI（自動X射線檢測）與AOI在技術(shù)上的最主要的區(qū)別是：一個是X射線作為光源，另一個則更多使用可見光；另外，AOI一般檢測外部特征，AXI則通過X射線能檢測到一般可見光看不到位置的瑕疵并具有其它一些AOI無法完成的技術(shù)優(yōu)勢。國內(nèi)企業(yè)在AXI上也有突破，在Nepcon2008華南展上，國產(chǎn)AXI已經(jīng)相繼推出。 

 

    在電子制造業(yè)，機器視覺應(yīng)用廣泛的另一領(lǐng)域就是連接器檢測。世界知名的連接器廠商如Molex、Tyco等的生產(chǎn)線上都有大量的機器視覺檢測系統(tǒng)在運行。其中，Molex更有自己一個獨立的自動化部門，專門根據(jù)客戶要求及連接器各種技術(shù)變化情況，自行研發(fā)制造機器視覺檢測設(shè)備， 該部門從檢測需求到設(shè)備研發(fā)完畢，上線研發(fā)周期均很短，從而能保證Molex的連接器可以隨時根據(jù)客戶的要求而有相對應(yīng)的質(zhì)檢措施并能保證零瑕疵出廠。連接器制造流程主要分為沖壓、電鍍、注塑、裝配四個主要工藝流程，在四個流程當(dāng)中，每個環(huán)節(jié)都對連接器產(chǎn)品尺寸和質(zhì)量要求極為嚴格。比如Nokia對Molex生產(chǎn)的連接器要求為零次品率，即要求Molex提供給Nokia手機使用的連接器要求為100%都是合格品。而連接器大都體積非常小、精度高、制作工藝繁復(fù)、產(chǎn)品數(shù)量巨大、生產(chǎn)線運行高速。如電鍍環(huán)節(jié)速度非�？�，最快可達到10米/分鐘。這就要求必須使用機器視覺技術(shù)對所有的生產(chǎn)產(chǎn)品在相應(yīng)環(huán)節(jié)過程中進行測量和檢測，及時剔除不合格產(chǎn)品。

 

    除了SMT貼片、AOI、連接器檢測外，電子行業(yè)的機器視覺應(yīng)用還有如：PCB底片檢查、硬盤檢測、鍵盤檢測、電子制造過程中的機器人視覺引導(dǎo)定位、元器件的在線分類篩選、二維碼讀取等各種應(yīng)用。近兩三年來，機器視覺技術(shù)在半導(dǎo)體及電子制造領(lǐng)域中呈現(xiàn)出了一些新的發(fā)展趨勢。首先是讀碼需求的日益增多。如半導(dǎo)體制造業(yè)，企業(yè)生產(chǎn)管理者不但要跟蹤整個硅片的生產(chǎn)過程，確保產(chǎn)品質(zhì)量，還要能通過二維碼等打標技術(shù)將二維碼打到硅片及電子器件上的外殼上，以便能建立起制造管理信息以及跟蹤電子組裝過程中的各個部分，甚至包括將芯片運到世界上的任何地方進行封裝和測試。其次是視覺技術(shù)往高速、高分辨率的方向發(fā)展。在德國斯圖加特剛剛開完的Vision 2008機器視覺展覽上，也是以高速、高分辨率為新的技術(shù)亮點。再次就是視覺檢測由以前的黑白居多開始逐步增加彩色檢測需求。

      事實上，現(xiàn)實世界本來就是彩色的，當(dāng)彩色圖像二值化之后，很多的原始信息會丟失，原本豐富多彩的圖像變成了單一的二維圖像，原本輪廓分明的物體變成了模糊不清的輪廓，邊緣不再是邊緣，輪廓不再是輪廓，豐富也不再豐富，這一切都是信息失真造成的。彩色檢測需求有如：尖端微處理器生產(chǎn)商的生產(chǎn)工藝中都在采用非常薄的鍍層，以至于改變了硅片表面的樣子。按照鍍層的厚度，硅片表面呈現(xiàn)為藍色，紫色或深綠色。現(xiàn)在面對的不僅僅是傳統(tǒng)的銀色和金色硅片了。于是視覺檢測工程師開始使用紅外（IR）LED，IR能夠在標準硅片和超薄覆蓋層硅片的情況下都能工作良好。再者，RoHS的進展對焊膏產(chǎn)生了巨大的變革。制造現(xiàn)場的工程師們能使用不同的焊膏并將焊球制造得越來越小。一些焊膏能夠通過改變照明進行成像，另一些則需要應(yīng)用彩色成像來區(qū)別不同的，含鉛材料對比度更低的焊接材料。更低的對比度意味著無鉛焊膏成像的邊緣更不明顯，采用具有更強處理能力的彩色視覺技術(shù)能夠提供需要的數(shù)據(jù)以實現(xiàn)準確的測量。

      最后，我們必須清楚的看到，機器視覺準備開始進入3D時代。Flip芯片、CSP、微型BGA芯片焊接的錫球。為了保證其電氣連接性能，每個錫球必須有一定的高度，此類檢測必須以來3D視覺系統(tǒng)來完成。3D視覺檢測系統(tǒng)不但能檢測焊盤排列的問題，還可以檢測錫膏體積不足等原因，可以大大拓寬缺陷檢測的范圍。在前面提到的連接器檢測中也會用到3D視覺系統(tǒng)。普通的2D視覺系統(tǒng)可以檢測引腳缺少或者位置不正確問題，如果引腳位置正確但是插入深度不夠，就必須使用3D視覺系統(tǒng)在X、Y、Z方向?qū)Ρ粰z測物進行驗證。德國Sick公司的Sick IVP Ranger C50嵌入式智能相機在這些領(lǐng)域已經(jīng)有了很好的解決方案，PC-Base系統(tǒng)的主要配件廠商也為3D視覺的搭建提供了充足的技術(shù)準備，如知名德國相機廠商Basler的高端相機擁有現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），在相機中包含了多種常用的預(yù)處理算法，以適應(yīng)不斷加速的圖像分析處理的帶寬需求。Basler能夠在FPGA中實現(xiàn)客戶的特定算法，使用激光三角測量法來完成3D測量。 

 

    未來前景 

 

    由于半導(dǎo)體制造遵循摩爾定律，在IC上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。技術(shù)需求促進了半導(dǎo)體裝備及電子制造裝備的更新、升級和飛速發(fā)展。這就要求視覺傳感技術(shù)、機器視覺也能跟上技術(shù)發(fā)展的需要。令人興奮的是，這幾年，機器視覺所涉及的光學(xué)、機械、計算機、軟件、電子、芯片、網(wǎng)絡(luò)通信也在飛速發(fā)展，相應(yīng)的配件光源、鏡頭、相機、板卡軟件都以加速升級換代的步伐來適應(yīng)因技術(shù)發(fā)展而促動的機器視覺技術(shù)的高速發(fā)展。機器視覺在半導(dǎo)體和電子行業(yè)中必將成為不可取代的傳感檢測技術(shù)。