視覺傳感技術機器視覺在半導體工業(yè)上的應用早在二十年前就已開始，半導體、電子設備市場是機器視覺技術發(fā)源地并一直成為機器視覺賴以生存的巨大市場之一。半導體、電子制造業(yè)每一次技術上的飛躍如：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。機器視覺技術本身也隨著半導體、電子、光學、自動化等技術的發(fā)展而不斷完善、發(fā)展。
機器視覺的分類
半導體、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)構成復雜，需要具備光學、機械、自動化、圖像算法及專業(yè)編程知識的技術人員來實現(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，可以適應各種適合嵌入式系統(tǒng)的復雜視覺檢測應用。當然，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)在半導體和電子行業(yè)都有廣泛應用，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)設備需增加檢測功能，提高設備附加值者，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)大量應用在半導體后段制程及電子行業(yè)。
半導體制造中的機器視覺應用
半導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)。 中段制程是半導體制程的最重要環(huán)節(jié)，與機器視覺相關的還有最小刻度測量。目前，后段制程則是機器視覺應用非常廣泛的環(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的預對準技術具備很強的速度優(yōu)勢。基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）。
縱觀半導體制造前、中、后三段的視覺應用，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)對于設備完成復雜檢測需求及進行二次開發(fā)的實施性最強。在設備設計初期如果考慮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)在半導體行業(yè)應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）、測量、讀碼都有很多實際的應用案例。其中最突出的就是SMT貼片上的機器視覺應用及AOI/AXI設備。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。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貼片技術目前在國內(nèi)已經(jīng)有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，如日東電子生產(chǎn)的SMT貼片機在電子組裝設備市場上已經(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（自動光學檢測）的技術迅速發(fā)展起來。AOI是機器視覺技術與自控技術、精密機械技術綜合的檢測裝備，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)四大部分構成。
其中：CCD攝像系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)是由機器視覺技術人員專門完成的。SMT當中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能很好的應用在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)，機器視覺應用廣泛的另一領域就是連接器檢測。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變化情況，自行研發(fā)制造機器視覺檢測設備， 該部門從檢測需求到設備研發(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、產(chǎn)品數(shù)量巨大、生產(chǎn)線運行高速。如電鍍環(huán)節(jié)速度非常快，最快可達到10米/分鐘。這就要求必須使用機器視覺技術對所有的生產(chǎn)產(chǎn)品在相應環(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定位、元器件的在線分類篩選、二維碼讀取等各種應用。近兩三年來，機器視覺技術在半導體及電子制造領域中呈現(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處理算法，以適應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。技術需求促進了半導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、機器視覺也能跟上技術發(fā)展的需要。令人興奮的是，這幾年，機器視覺所涉及的光學、機械、計算機、軟件、電子、芯片、網(wǎng)絡通信也在飛速發(fā)展，相應的配件光源、鏡頭、相機、板卡軟件都以加速升級換代的步伐來適應因技術發(fā)展而促動的機器視覺技術的高速發(fā)展。機器視覺在半導體和電子行業(yè)中必將成為不可取代的傳感檢測技術。
原文載于榮格媒體集團<<傳感器>>
