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1 引言
随着电子设备对小型、轻型、薄型和高可靠性的需求，促进各种新型器件特别是细间距、微细间距器件得到迅速发展，并被越来越多地用于各类电子设计上，于是对SMT中的关键设备－贴盘机的贴片精度提出了更高的要求。作为贴片机的重要组成部分，视觉对中系统对贴片机整体性能的影响巨大。本文从应用角度对贴片机视觉对中系统进行了详细介绍，以使从事SMT的有关技术人员更好地了解当今高精度贴片机的图像处理技术是如何适应器件高精度贴装的需求。
2 贴片机视觉对中的原理
贴片机在吸取元件后，首先遇到的问题是"对中"问题，即要将元件的中心与贴片头的主轴中心线保持一致。传统的贴片机的元件"对中"是用机械方法来实现的（称为"机械对中"）。当贴片头吸取元件后，主轴提升时波动四个抓把元件抓一下，使元件轻微地移动到主轴的中心上来。这种"对中"方法，由于是依靠机械动作，因此速度受到限制。同时，元件受到机械力的作用也容易损坏。不易保持贴片质量。
现在的贴片机普遍采用视觉对中系统。视觉对中是指贴片机贴片头上的吸嘴吸取元件后，在移到贴放位置的过程中，由固定在贴片头上的或固定在机身上某处的摄像机对元件进行对中（该方法有效降低对中所需时间及减少对元件的损坏），并且通过影像探测元件的光强分布，将其转换为模拟电信号，再经过A/D转换成能进一步处理的数字形式。这些值表示视野内给定点的平均光强度，这些平均光强度再经过固态摄像机上许多细小精密的光敏元件组成的CCD阵列，输出0-255级的灰度值。灰度值与光强度成正比，灰度值越大，则数字化图像越清晰。数字化信息，经存贮、编码、放大、整理和分析，最后将结果反馈到控制单元指令执行机构完成准确的贴片操作。
贴片机视觉系统由视觉硬件和软件构成。硬件一般由影像探测、影像存贮和处理以及影像显示三部分组成。视觉系统硬件功能如图1所示。
摄像机是视觉系统的传感部件，用于贴片机的视觉系统一般采用固态摄像机。固态摄像机的主要部分是一块集成电路，集成电路芯片上制作有许多细小精度光敏元件组成的CCD阵列。每个光敏探测元件输出的电信号与被观察目标上相应位置反射光强度成正比，这一电信号即作为这一像元的灰度8值被记录下来。像元坐标决定了该点在图像中的位置。每个像元产生的模拟电信号经过模数转换变成0-255之的某一数值，并传送到计算机。固态摄像机具有体积小、重量轻、灵敏度高、频谱和动态范围宽等优点。标准固态摄像机像元阵列为512×512，当视野为25.4mm时，分辨率为0.05mm。
摄像机获取的大量信息由微处理机处理，处理结果由显示器显示。摄像机与微处理机，微处理机与执行机构及显示器之间由通信电缆连接，一般采用RS232接口。
3 视觉系统光学性能的4项最基本参数
视觉系统光学性能的4项最基本参数是视野（field of view）、分辨率（resolution）、工作距离（working distance）和视野深度（depth of field）（见图2）。
（1）视野。简单而言，视野就是摄像机需要检测的区域尺寸。很多从事机器视觉系统规格的工程师是从放大倍数的角度来思考的。然而，放大倍数是一种相对规格，依赖于图像传感器的尺寸和显示器件的尺寸。从视野或分辨率的角度来说，它没有真正意义。例如，一种具备50倍放大倍数的系统可能具有5.3mm的视野（加入该系统使用的是1/2英寸CCD和13英寸显示器）或15.2mm的视野（1英寸CCD、19英寸显示器）。
（2）分辨率。分辨率是系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸。在多数情况下，视野越小，分辨率越好。在机器视觉中采用2种分辨率：灰度分辨率和空间分辨率。灰度值法是用图像多级亮度来表示分辨率的方法。灰度值分辨率规定在多大的离散值时机器能分辨给定点的测量光强度，需要处理的光强度越小，灰度值分辨率就越高。但是，光学系统的分辨能力有限，所以灰度值分辨率超过256的系统将失去意义。灰度值越大，数字化图像与人观察的试图越接近。有关研究表明，人视力分辨到的灰度级在50-60之间，因而64灰度足以提供必要的观察信息。目前很多贴片机视觉系统都采用了256级灰度值，这类系统具有很强的区别目标特征的能力。空间分辨率规定覆盖原始影像的栅网的大小；栅网越细，即网点和像元数越高，尺寸测量就越精细。在网格尺寸相同时，具有1024×1024网格的系统比具有512×512网格的系统测量精度高。在一个光学测量系统中，灰度值分辨率和空间分辨率要相匹配。
（3）工作距离。工作距离是指从镜头前部到受检验物体的距离。工作距离越长，保持小视野的难度和成本就越高。通常人们会出于需要而规定小视野，同时出于方便而规定相当长的工作距离。然而这种配置会极大地增加成本，往往会降低分辨率，并削弱光学器件的采光能力，从而不必要地降低了系统的总体成像性能。
（4）视野深度（又称景深）。假如成像的物体是三维的，那么还必须考虑视野深度。镜头的视野深度是物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力。大的视野深度能够简化各种安装限制，这是因为不需要进行精确的移动来使物体定位于镜头的额定工作距离。
4 视觉系统的精度
影响视觉系统解读的因素主要是由摄像机的分辨率决定。摄像机的分辨率越高，对应于单位面积像元数就越多，精度就越高。但是，分辨率越高，找到相应图像就更加困难，因而就会降低贴装系统的贴装效率，所以要根据实际需要确定合适的摄像机分辨率。例如美国环球公司GSM贴片机的仰视摄像机分辨率有0.0254mm、0.0660mm、0.1016mm3种。0.1016mm摄像机所能处理的最小引脚宽度为0.203mm，针对33.358mm以下尺寸（例如QFP208）可一次成像，而对大于33.358mm尺寸的元件（例如QFP240）会采取4次照相合成的方法来增大照相面积的目的，先分别照四边，然后合成一个整个的器件，但所花费的时间将会成倍增长。0.0660mm摄像机所能处理得最小引脚宽度为0.132mm一次成像的最大元件尺寸为20.8mm。0.0254mm摄像机所能处理得最小引脚宽度为0.066mm，一次成像的最大元件尺寸仅为8mm。从上面的介绍可以看出，随着像机分辨率的提升，可处理元件的精度也提高，但所花费的时间也大幅提升。
5 视觉系统的种类
视觉系统一般分为俯视、仰视、头部或激光对齐，视位置或摄像机的类型而定。图3列出了一个典型的贴片视觉对中系统。
（1）俯视摄像机安装在贴片头上，用来在电路板上搜寻目标（称作基准），一边在贴装前将电路板至于正确位置。
（2）仰视摄像机用于在固定位置检测元件，一般采用CCD技术，在安装之前，元件必须移过摄像机上方，以便做视觉对中处理。粗看起来，好象有些耗时。但是，由于贴片头必须移至送料器收集元件，如果摄像机安装在拾取位置（从送料处）和安装位置（板上）之间，视像的获取和处理便可在安装头移动的过程中同时进行，从而缩短贴装时间。
（3）头部摄像机直接安装在贴片上，一般采用line-sensor技术，在拾取元件移到指定位置的过程中完成对元件的检测，这种技术又成为"飞行对中技术"，它可以大幅度提高贴装效率。该系统由两个模块组成：一个模块是由光源与镜头组成的光源模块。光源采用LED发光二极管与散射透镜，光源透镜组成光源模块；另一个模块为接受模块，采用LineCCD及一组光学镜头组成接受模块，见图4。此两个模块分别装在贴片头主轴的两边，与主轴及其他组建组成贴片头。贴片机有几个贴片头，就会有向的几套系统。
（4）激光对齐是指从光源产生一适中光束，照射在元件上，来测量元件投射的影响。这种方法可以测量元件的尺寸、形状以及吸嘴中心轴的偏差。这种方法快速，因为不要求从摄像机上方走过。但其主要缺陷是不能对引脚和密脚元件作引脚检查，对片状元件则是一个好的选择。20世纪90年代激光对位技术推出时只能处理7mm×7mm的元件，目前安必昂公司推出的第二代激光对位系统处理元件尺寸增至18mm×18mm，激光技术可识别更多的形状，精度也有显著提高，见图5。
在3种元件对中方式（CCD、line-sensor、激光）中，以CCD技术为最佳，目前的CCD硬件性能都具备相当的水平。在CCD硬件开发方面前些时候开发了"背光"（Back-Lighting）及"前光"（Front-Lighting）技术（如图6），以及可编程的照明控制，以更好应付各种不同元件贴装需要。例如引脚QFP元件从后面照明，因为没有虚光反射出现。相反，BGA元件最好是从前光照明，将完整的锡球分布在包装底面上显示出来。有些微型BGA元件底面有可见的走线，可能混淆视觉系统。这些元件要求侧面照明系统。它将从侧面照明锡球，而不是底面的走线，因此视觉系统可检查细球分布，正确地识别元件。
6 贴片机视觉系统的评估
在评估面向SMD贴放对位系统和应用的贴片机视觉系统时，可以遵循如下的一些准则：
6.1 确定PCB基准标记位置的能力
由于PCB基准标记的可靠定位是任何SMD贴放对位的第一步，视觉系统必须可以识别不同的基准，即使在基准外观并不理想的状况下。例如，来自制造工艺的氧化、镀锡和波峰焊料导致的各种变化，可能造成镜面反射和表面不一致，它们会极大地改变标记的外观。客观影响基准外观的其它因素包括电路板变形、焊料堆积过多、电路板颜色改变等等。具有容忍这些状况的视觉系统可以帮助使用者提高对位成功率，减少操作者的干预。
6.2 识别非标准器件能力
机器视觉系统应该能够可靠地识别各类非标准器件的外形，不论它们的形状如何少见。现有的贴片对位软件，带有内置的几何图案寻找工具，这些工具能"学习"器件的几何属性，即使它形状怪异，系统也能够识别器件。
6.3 可靠避开吸嘴的能力
SMD元件贴装一般使用前光照明或背光照明，或两者都用。背光照明用于差距器件的背影，显现的图像类似于二进制图像，使视觉系统更容易识别器件。在识别片式组容类等简单器件时通常采用这类照明。但背光也会给视觉系统带来难题：拾取器件吸嘴的背影经常会从器件后面突出或部分遮蔽芯片（如图7）。尽管正面照明技术可以防止这种现象，但吸嘴本身的象素灰度值可能会使视觉系统无法可靠地区分吸嘴和器件。选择能够识别器件和拾取器件的吸嘴之间形状差别的视觉系统，这样的系统能容忍吸嘴的部分遮蔽，因此将提高器件对中精度，防止由于视觉错误而使器件被误放。
6.4 识别密间距器件和白色陶瓷表面器件的能力
为了精确地识别BGA、倒装芯片或CSP等各种器件，并检查引脚偏差，视觉系统必须能够准确定位每一个元件。视觉系统还应该可靠地识别白色陶瓷表面器件，它的低对比度反射性质会使传统的视觉技术失去作用。这些功能应该得到核实，测试软件应该能区分各个物体。
6.5 具有自动化编程能力
针对非常特殊的元件，新型视觉软件工具应该具有自动"学习"的能力，用户不必把参数人工输入到系统中，从头创建器件描述，他们只需把器件拿到视觉摄像机前照张相就可以了，系统将自动地产生类似CAD的综合描述。这项技术可以提高器件描述精度，并减少很多操作者的错误，加快元件库的创建速度，尤其是在频繁引入新型器件或使用形状独特器件的情况下，从而提升生产效率。
6.6 支持多种类型的摄像机
以前处理图像的时间一直要比获取它们的时间长，但CPU技术的新发展加速了图像处理速度，图像获取速度反而可能成为限制因素。为了提高系统处理效率，要把获取图像的时间降到最低程度，视觉系统应该能够支持多种先进的行扫描、高分辨率（1024×1024像素）、高速的数字式摄像机。
在评估面向SMD贴放对中的贴片机视觉系统时应充分考虑上述几个因素，确保您所选择的系统具有高度的灵活性，能够轻松处理新的元件类型和来自不同制造商的不同器件，使用户的工作变得更为简单。 |
