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基于机器视觉的BGA连接器焊球检测终端器流苏芝麻酱公司保洁军事装备We

百益机械网 2023-01-19 19:03:04

基于机器视觉的BGA连接器焊球检测

摘要:文章提出了一种基于机器视觉的BGA器件焊球质量检测方法。该方法在同一视点下,用相同光源分别以两种不同入射方向角照射被测BGA连接器焊球,获得两幅图像,然后得到BGA 连接器焊球在x方向的曲面信息,以此计算出被测焊球的主要质量参数。最后给出了BGA连接器焊球检测的主要算法。

关键词:BGA 连接器焊球检测 机器视觉 检测算法

1 引 言

BGA(Ball Crid Array)是近几年发展起来的一种电子器件封装技术,非常适用于大规模集成电路的封装,其发展十分迅速。BGA连接器和BGA封装器件现已被广泛应用,几乎所有的计算机、移动等电子产品中都能找到BGA封装器件。图1 是BGA连接器的BGA焊接面。

BGA连接器以焊球作为与印刷电路板连接的引脚。安装时,加热BGA连接器,使焊球直接熔接在印刷电路板上,就可完成BGA连接器的安装过程。与其他类型的连接器相比,BGA连接器具有安装方便,工作可靠,封装密度高,易于装配,体积小,自感和互感小等优点。它特别适用于计算机CPU等超大规模集成电路芯片封装或用作IC器件的连接插座。图2是BGA连接器安装后的侧视图。

由图2可知,BGA连接器的制造精度要求很高,尤其是对BGA焊球的机械尺寸精度要求非常高。BGA连接器上的焊球高度差应小于0.2毫米,否则就会造成BGA 连接器上的某个或某些焊球无法与电路板正常熔接,从而使得整个电路产品报废。图3 是BGA焊球高度不一致造成的电路连接故障的示意图。

为了避免BGA连接器的连接故障,通常要在生产流水线上逐一对BGA连接器焊球质量进行检测(主要检测参数为焊球的直径、高度)。若采用传统的接触式测量方法,不但测量周期较长,而且无法满足在生产线现场对连接器上每一个焊球检测的要求。

将机器视觉应于BGA连接器焊球的质量检测,则可实现无损非接触检测。由于机器视觉采用图像采集和图像处理的方法,可在一次采样过程中获取被测BGA连接器的整个图像,因此它的整个检测周期非常短,并且能将BGA连接器上的所有焊球一次检测完成。显然,它是一种较为理想的BGA连接器质量检测方法。

2 检测原理

采用机器视觉方法检测BGA连接器焊球的直径、高度等参数,先由图像采集装置获取BGA连接器焊球端面的图像,该图像如图( 所示。然后设法从该图像提取BGA连接器焊球的曲面信息,最后由曲面信息求得被测焊球的直径、高度等参数。

焊球图像生成过程如图4所示。光源照射到焊球表面点S,其反射光经透镜中心投射在图像面的点S'上。当光源为平行光,反射光呈均匀散乱分布,且焊球的投影为近似平面投影时,图像面点S'的灰度值I与照明方向角(α,β)和焊球表面点S的状态有关。其函数关系可表示为:

I(x,y,α,β)=A*ρ(x,y)*G(p,q,α,β)I(x,y,α,β)是与点s对应的图像面上点S'的灰度值,可从图像采集装置直接得到;同时,它也是以光投影方向角(α,β)为参数的关于物体表面点S(x,y)的函数。A为常数。ρ(x,y) 为点S(x,y)处的表面反射率,它与点S(x,y)的表面性质有关,如表面有污点或有花纹等都会影响反射率,且不同的位置有不同的ρ(x,y)。G为入射光在物体表面的密度,当光投影方向角(α,β)确定后,它与点S(x,y)的表面斜率有关。

由上述分析可知:在图像面生成的图像带有被侧物体的三维信金属网息p、ρ。检测到点S的灰度值后,只要根据点S的坐标x、y值和入射光方向角(α,β),设法从式(1)或式(2)提取p、ρ,就可得到焊球表面的斜率,然后由点S的斜率计算出被测焊球的直径、高度。但是,式(1)中的表面反射率ρ(x,y)较为复杂,不同的物体有不同的表面反射率,同一物体的当将力施加到试样上时其将有轻微的变形不同位置的表面反射率也不尽相同,而且在连续工业生产环境下,不可能得到准确的被测物体表面反射率ρ(x,y)。因此,直接应用式(1)无法由灰度值I计算出点S的斜率。

表面反射率ρ(x,y)虽然复杂,但是它仅与点S的表面性质有关,而与照明条件无关。这里利用表面反射率ρ(x,y)的这一特性,在同一视点下,用同一光源分别以两种不同入射方向角,照射BGA连接器的焊球,用图像采集装置在图像面的点S'处获得相应的两个灰度值I1和I2。由于I1和I2是图像面上点S'在不同照明条件下的灰度值,对应于BGA连接器焊球上的同一点S,具有相同的平面坐标x、y和表面反射率ρ(x,y)。求解下列联立方程:

在同一视点下,用相同光源分别以两种不同入射方向角照射被测BGA连接器焊球;在图像面,用图像采集装置获取相应的两幅BGA连接器图像;然后,逐一将两幅图像对应点的两灰度值和入射光源方向角代入式(5),求出BGA连接器各点的p值,并将求得的p值存于一两维数组中,并使该数组情侣玩具的下标与图像的x、y坐标对应, 从而将BGA连接器的灰度图像转换成BGA连接器的表面斜率图像(沿x方向);最后由BGA连接器的表面斜率图像提取BGA连接器的表面斜率信息,计算出BGA焊球的直径、高度。把上述测量过程但对经常使用到的机器称之为“两次投影”。

由于目标是检测BGA焊球的高度、直径,在获得BGA连接器的表面斜率图像(沿x因此条痕间距可作为局部疲劳裂纹扩大率的度量方向)后,沿x方向找出所有斜率p变化的极大值和极小值,然后根据相邻极值在x方向和y方向的距离就可方便地计算出BGA焊球的直径、高度。相邻极值在x方向和y方向的距离可由图像采集装置的像素间距和保存p值的两维数组下标求得。图5是当y坐标为某一值时,得到的BGA焊球曲面信息。

3 主要检测算法

通过图像采集装置,在同一视点的图像面获毛衣取两M×N像素的图像,分别保存于image1[m,n]和image2[m,n]两数组中。下列算法计算图像面上每一像素对应的被测BGA连接器表面X轴方向的斜率。计算结果存于一M×N数组中。

检测算法:

4 运行结果

该BGA连接器焊球检测装置采用768X590像素的面阵式CCD摄像头,NI-1907图像捕捉卡,LED平面光源和P.7G计温控表算机。该装置用于检测200个焊球的BGA连接器(40X40mm),检测参数为焊球高度和直径。它的检测周期小于800ms,检测精度可达到2%,具有检测速度快,工作可靠等特点。

5 结束语

该文提出了将机器视觉用于检测BGA连接器焊球质量的原理和主要算法。用“两次投影”检测BGA连接器焊球,仅一次检测过程,采集两幅图像,就可获得整个连接器上所有焊球(通常有数十个)的三维信息,从而检测出焊球的高度、直径等重要质量指标。实际使用中充分体现出机器视觉的优越性。(end)

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