半導(dǎo)體電子設(shè)備市場(chǎng)是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)源地 成為不可取代的傳感檢測(cè)技術(shù)

視覺(jué)傳感技術(shù)機(jī)器視覺(jué)在半導(dǎo)體工業(yè)上的應(yīng)用早在二十年前就已開(kāi)始，半導(dǎo)體、電子設(shè)備市場(chǎng)是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)源地并一直成為機(jī)器視覺(jué)賴以生存的巨大市場(chǎng)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(xì)，向超細(xì)間距式器件挺進(jìn)；連接器體積越來(lái)越小，每分鐘生產(chǎn)線上需要檢測(cè)、測(cè)量器件的數(shù)量越來(lái)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(jìn)而促使機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)不斷發(fā)展壯大。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)本身也隨著半導(dǎo)體、電子、光學(xué)、自動(dòng)化等技術(shù)的發(fā)展而不斷完善、發(fā)展。

機(jī)器視覺(jué)的分類

半導(dǎo)體、電子制造中的機(jī)器視覺(jué)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(jī)器視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)配件包括工業(yè)用視覺(jué)光源、工業(yè)鏡頭、工業(yè)相機(jī)、圖像采集卡、機(jī)器視覺(jué)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(jī)械、自動(dòng)化、圖像算法及專業(yè)編程知識(shí)的技術(shù)人員來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般情況下，硬件系統(tǒng)搭建完畢后，還要根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行二次開(kāi)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(huì)內(nèi)置）、鏡頭、相機(jī)、圖像采集處理功能和視覺(jué)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(jiǎn)單，按照軟件界面向?qū)гO(shè)置后就可以上線運(yùn)行。嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)又有兩種名稱：智能相機(jī)（Smart Camera）、視覺(jué)傳感器（Vision Sensor）。智能相機(jī)相對(duì)于視覺(jué)傳感器，一般硬件處理速度更快、軟件功能模塊更為強(qiáng)大，可以適應(yīng)各種適合嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜視覺(jué)檢測(cè)應(yīng)用。當(dāng)然，智能相機(jī)（Smart Camera）與視覺(jué)傳感器（Vision Sensor）之間并沒(méi)有嚴(yán)格的劃分標(biāo)準(zhǔn)，我們都稱為視覺(jué)傳感器也沒(méi)有錯(cuò)。

PC-Base視覺(jué)系統(tǒng)和嵌入式視覺(jué)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(lái)確定到底采用哪種視覺(jué)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是速度快、性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、體積小巧，非常適合于對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)安裝空間要求非常嚴(yán)格、二次開(kāi)發(fā)需求不是很強(qiáng)以及要求性能穩(wěn)定的場(chǎng)合。尤其是已有生產(chǎn)設(shè)備需增加檢測(cè)功能，提高設(shè)備附加值者，選擇嵌入式系統(tǒng)的性價(jià)比較高。世界知名機(jī)器視覺(jué)廠商或自動(dòng)化廠商如Cognex、Dalsa、Omron、Sick、Banner、Simens等都有嵌入式機(jī)器視覺(jué)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(jī)器視覺(jué)應(yīng)用

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

在前、中段過(guò)程中，機(jī)器視覺(jué)主要應(yīng)用在精密定位和檢測(cè)方面。沒(méi)有精密定位，也就不可能進(jìn)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(jī)器視覺(jué)相關(guān)的還有最小刻度測(cè)量。目前，后段制程則是機(jī)器視覺(jué)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(cè)、切割、封裝、檢測(cè)等過(guò)程。晶圓在切割前必須使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)出瑕疵，并打上標(biāo)記。檢測(cè)完畢切割過(guò)程中需要利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行精確快速對(duì)準(zhǔn)定位，采用基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的預(yù)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)具備很強(qiáng)的速度優(yōu)勢(shì)?；跈C(jī)器視覺(jué)的解決方案，只需要半秒鐘就能定位硅片中心并對(duì)準(zhǔn)切口。美國(guó)知名機(jī)器視覺(jué)廠商Cognex生產(chǎn)的智能相機(jī)In-Sight1820就有類似的應(yīng)用。切割過(guò)程開(kāi)始后也要利用機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行定位。如果定位出現(xiàn)問(wèn)題，則可能整片晶圓會(huì)報(bào)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(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)找出非瑕疵品進(jìn)入封裝過(guò)程。封裝過(guò)程的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用目前在國(guó)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(jué)應(yīng)用，PC-Base機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)占據(jù)著很大的比重，這是因?yàn)镻C-Base系統(tǒng)對(duì)于設(shè)備完成復(fù)雜檢測(cè)需求及進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的實(shí)施性最強(qiáng)。在設(shè)備設(shè)計(jì)初期如果考慮PC-Base視覺(jué)系統(tǒng)，其整合性也最強(qiáng)。另外，由于智能相機(jī)等嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)本身發(fā)展的限制，其精度和速度還無(wú)法與PC-Base系統(tǒng)相比。就以相機(jī)為例，目前已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)的工業(yè)相機(jī)最高分辨率已達(dá)到1600萬(wàn)像素，智能相機(jī)最高也就200多萬(wàn)像素。而半導(dǎo)體制造前段和中段對(duì)于圖像精度要求達(dá)200萬(wàn)像素的相機(jī)很難實(shí)現(xiàn)，因此我們可以看到嵌入式視覺(jué)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(jī)器視覺(jué)應(yīng)用

按照通常的劃分方法，芯片在進(jìn)行1級(jí)封裝前的制造、檢測(cè)和封裝過(guò)程為半導(dǎo)體制造業(yè)，之后為電子制造業(yè)。機(jī)器視覺(jué)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(jī)鍵盤(pán)、PC主板、硬盤(pán)，在電子制造產(chǎn)業(yè)鏈條的各個(gè)環(huán)節(jié)，幾乎都能看到機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的身影。機(jī)器視覺(jué)四大主要功能：檢測(cè)、定位（引導(dǎo)）、測(cè)量、讀碼都有很多實(shí)際的應(yīng)用案例。其中最突出的就是SMT貼片上的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用及AOI/AXI設(shè)備。首先，SMT在貼片過(guò)程中就會(huì)用到機(jī)器視覺(jué)及視覺(jué)定位系統(tǒng)的高精度、多功能SMT貼片機(jī)技術(shù)。它通過(guò)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)不同元件進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別，能高速、高精度貼裝微小片狀元件、精細(xì)IC元件或異形元件。采用了視覺(jué)識(shí)別、定位技術(shù)的貼片機(jī)具有自動(dòng)化水平高，操作方便，運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)。貼裝精度、識(shí)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(guó)內(nèi)已經(jīng)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，如日東電子生產(chǎn)的SMT貼片機(jī)在電子組裝設(shè)備市場(chǎng)上已經(jīng)叫響，而日東與知名機(jī)器視覺(jué)企業(yè)—漢王視覺(jué)在機(jī)器視覺(jué)軟件算法于SMT上的應(yīng)用的合作開(kāi)發(fā)也進(jìn)行的如火如荼。近些年，隨著電路圖形的細(xì)線化等因素，SMT組裝質(zhì)量檢測(cè)與控制代替以往人工目視的AOI（自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)）的技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)。AOI是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)與自控技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)綜合的檢測(cè)裝備，AOI一般由工作臺(tái)、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(jī)器視覺(jué)技術(shù)人員專門(mén)完成的。SMT當(dāng)中AOI具有PCB板檢測(cè)、焊膏印刷檢測(cè)、器件檢測(cè)、焊后檢測(cè)等功能。PCB板、焊后檢測(cè)一般是非實(shí)時(shí)性檢測(cè)，焊膏印刷和器件檢測(cè)則是與印刷機(jī)、貼片機(jī)相配套在一起進(jìn)行的高速實(shí)時(shí)的檢測(cè)。國(guó)外的AOI知名廠商很多，如Agilent、Orbotech等，最近，國(guó)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(jī)器視覺(jué)技術(shù)能很好的應(yīng)用在AOI上為數(shù)不多的國(guó)內(nèi)廠商之一。AXI（自動(dòng)X射線檢測(cè)）與AOI在技術(shù)上的最主要的區(qū)別是：一個(gè)是X射線作為光源，另一個(gè)則更多使用可見(jiàn)光；另外，AOI一般檢測(cè)外部特征，AXI則通過(guò)X射線能檢測(cè)到一般可見(jiàn)光看不到位置的瑕疵并具有其它一些AOI無(wú)法完成的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

在電子制造業(yè)，機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用廣泛的另一領(lǐng)域就是連接器檢測(cè)。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(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行。其中，Molex更有自己一個(gè)獨(dú)立的自動(dòng)化部門(mén)，專門(mén)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(jī)器視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備， 該部門(mén)從檢測(cè)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(shí)根據(jù)客戶的要求而有相對(duì)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(gè)主要工藝流程，在四個(gè)流程當(dāng)中，每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)連接器產(chǎn)品尺寸和質(zhì)量要求極為嚴(yán)格。比如Nokia對(duì)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(jī)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(yùn)行高速。如電鍍環(huán)節(jié)速度非?？欤羁炜蛇_(dá)到10米/分鐘。這就要求必須使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)所有的生產(chǎn)產(chǎn)品在相應(yīng)環(huán)節(jié)過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量和檢測(cè)，及時(shí)剔除不合格產(chǎn)品。

除了SMT貼片、AOI、連接器檢測(cè)外，電子行業(yè)的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用還有如：PCB底片檢查、硬盤(pán)檢測(cè)、鍵盤(pán)檢測(cè)、電子制造過(guò)程中的機(jī)器人視覺(jué)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(lái)，機(jī)器視覺(jué)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(shì)。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(gè)硅片的生產(chǎn)過(guò)程，確保產(chǎn)品質(zhì)量，還要能通過(guò)二維碼等打標(biāo)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(guò)程中的各個(gè)部分，甚至包括將芯片運(yùn)到世界上的任何地方進(jìn)行封裝和測(cè)試。其次是視覺(jué)技術(shù)往高速、高分辨率的方向發(fā)展。在德國(guó)斯圖加特剛剛開(kāi)完的Vision 2008機(jī)器視覺(jué)展覽上，也是以高速、高分辨率為新的技術(shù)亮點(diǎn)。再次就是視覺(jué)檢測(cè)由以前的黑白居多開(kāi)始逐步增加彩色檢測(cè)需求。

事實(shí)上，現(xiàn)實(shí)世界本來(lái)就是彩色的，當(dāng)彩色圖像二值化之后，很多的原始信息會(huì)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(cè)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(lán)色，紫色或深綠色。現(xiàn)在面對(duì)的不僅僅是傳統(tǒng)的銀色和金色硅片了。于是視覺(jué)檢測(cè)工程師開(kāi)始使用紅外（IR）LED，IR能夠在標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)展對(duì)焊膏產(chǎn)生了巨大的變革。制造現(xiàn)場(chǎng)的工程師們能使用不同的焊膏并將焊球制造得越來(lái)越小。一些焊膏能夠通過(guò)改變照明進(jìn)行成像，另一些則需要應(yīng)用彩色成像來(lái)區(qū)別不同的，含鉛材料對(duì)比度更低的焊接材料。更低的對(duì)比度意味著無(wú)鉛焊膏成像的邊緣更不明顯，采用具有更強(qiáng)處理能力的彩色視覺(jué)技術(shù)能夠提供需要的數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測(cè)量。

最后，我們必須清楚的看到，機(jī)器視覺(jué)準(zhǔn)備開(kāi)始進(jìn)入3D時(shí)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(gè)錫球必須有一定的高度，此類檢測(cè)必須以來(lái)3D視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)完成。3D視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)不但能檢測(cè)焊盤(pán)排列的問(wèn)題，還可以檢測(cè)錫膏體積不足等原因，可以大大拓寬缺陷檢測(cè)的范圍。在前面提到的連接器檢測(cè)中也會(huì)用到3D視覺(jué)系統(tǒng)。普通的2D視覺(jué)系統(tǒng)可以檢測(cè)引腳缺少或者位置不正確問(wèn)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(jué)系統(tǒng)在X、Y、Z方向?qū)Ρ粰z測(cè)物進(jìn)行驗(yàn)證。德國(guó)Sick公司的Sick IVP Ranger C50嵌入式智能相機(jī)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(jué)的搭建提供了充足的技術(shù)準(zhǔn)備，如知名德國(guó)相機(jī)廠商Basler的高端相機(jī)擁有現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA），在相機(jī)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(shí)現(xiàn)客戶的特定算法，使用激光三角測(cè)量法來(lái)完成3D測(cè)量。

未來(lái)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(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。技術(shù)需求促進(jìn)了半導(dǎo)體裝備及電子制造裝備的更新、升級(jí)和飛速發(fā)展。這就要求視覺(jué)傳感技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)也能跟上技術(shù)發(fā)展的需要。令人興奮的是，這幾年，機(jī)器視覺(jué)所涉及的光學(xué)、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、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(jī)、板卡軟件都以加速升級(jí)換代的步伐來(lái)適應(yīng)因技術(shù)發(fā)展而促動(dòng)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的高速發(fā)展。機(jī)器視覺(jué)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(cè)技術(shù)。