作者 / 陳文鳳，佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院；張淼，廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院；歐幸福、 李本紅，佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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基于嵌入式的IC芯片外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者 / 陳文鳳，佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院；張淼，廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院；歐幸福、 李本紅，佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院

為解決人工檢測(cè)集成芯片引腳存在的諸多弊端，設(shè)計(jì)一套基于ARM-DSP雙核結(jié)構(gòu)的集成芯片引腳缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。采用閾值分割算法提取芯片引腳目標(biāo)，通過(guò)灰度躍變檢測(cè)引腳中心點(diǎn)，并統(tǒng)計(jì)引腳中點(diǎn)間距以識(shí)別芯片引腳缺陷；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)圖像采集電路、圖像處理電路和其他外圍控制電路等，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)檢測(cè)速度快，檢測(cè)精度高。

嵌入式；集成芯片；引腳缺陷檢測(cè)；

引言

在IC集成芯片器件生產(chǎn)過(guò)程中，芯片的外觀質(zhì)量檢測(cè)是其中一項(xiàng)必不可少的環(huán)節(jié)，包括芯片的引腳尺寸、殘缺、偏曲、間距不均、平整度差等檢測(cè)項(xiàng)目，而上述質(zhì)量問題會(huì)直接影響電路產(chǎn)品的質(zhì)量。目前IC集成芯片器件的外觀質(zhì)量檢測(cè)主要采用人工目檢方法。但人工目檢方法存在檢測(cè)速度慢、檢測(cè)精度低等諸多缺陷，在一定程度上制約了我國(guó)芯片生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展，如何改進(jìn)生產(chǎn)檢測(cè)工藝，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)方法的智能化和自動(dòng)化，提高微觀級(jí)別工藝檢測(cè)精度和效率，降低成本，促進(jìn)大規(guī)模集成電路工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)的升級(jí)，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需要。

針對(duì)集成芯片的特點(diǎn)，本文提出一種集成芯片引腳缺陷檢測(cè)的圖像處理方法，并設(shè)計(jì)基于ARM和DSP雙處理器的芯片引腳缺陷實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片引腳的外觀質(zhì)量檢驗(yàn)。

1. 系統(tǒng)總體

系統(tǒng)是由背景光源及驅(qū)動(dòng)電路、線陣式CCD工業(yè)相機(jī)及其輔助裝置、FPGA圖像采集電路、基于DSP和ARM雙處理器結(jié)構(gòu)的嵌入式圖像處理和控制部分、信號(hào)輸出部分等組成。

嵌入式圖像處理和控制部分是系統(tǒng)的核心，主控制器采用三星公司的S3C6410 ARM處理器，配置、移植Linux操作系統(tǒng)，協(xié)處理器使用TI公司的TMS320C6678DSP處理器。DSP協(xié)處理器主要接收來(lái)自FPGA圖像采集電路傳送過(guò)來(lái)的圖像數(shù)據(jù)，完成圖像預(yù)處理、分割、模板匹配、缺陷分析等復(fù)雜的圖像處理工作，將圖像處理結(jié)果發(fā)送給ARM主控制器，同時(shí)以AV信號(hào)輸出給顯示器進(jìn)行顯示。

ARM主控制器主要完成人機(jī)交互、任務(wù)管理、數(shù)據(jù)輸入輸出、外部設(shè)備的控制和通信等系統(tǒng)的基本運(yùn)行。（1）通過(guò)操作觸摸屏查看圖像處理結(jié)果等數(shù)據(jù)，設(shè)置、處理系統(tǒng)參數(shù)等；（2）接收光纖傳感器的芯片位置觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)光源控制器點(diǎn)亮環(huán)形LED光源，觸發(fā)CCD工業(yè)相機(jī)拍攝芯片圖像；（3）采集、處理和控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、加減速及正反轉(zhuǎn)。（4）將檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤中，以待日后查閱、統(tǒng)計(jì)應(yīng)用等；（5）根據(jù)圖像處理結(jié)果，控制剔除裝置剔除缺陷芯片等。

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 圖像處理電路

為滿足ARM主處理器和DSP協(xié)處理器之間高速的數(shù)據(jù)傳輸要求，本文采用基于IDT70261的雙端口RAM的接口電路，通過(guò)IDT70261芯片兩組獨(dú)立數(shù)據(jù)接口D0LD15L和D0R-D15R實(shí)現(xiàn)S3C6410和TMS320C6678連接。

■2.2 ARM外圍控制電路

主控制器S3C6410的外圍控制電路主要包括觸摸屏顯示器、以太網(wǎng)接口電路、電機(jī)控制電路、環(huán)形光源控制電路、光纖傳感器、硬盤存儲(chǔ)器以及次品分揀裝置等部分。

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程

集成芯片引腳缺陷檢測(cè)算法包括對(duì)集成芯片的引腳尺寸偏差、殘缺、偏曲、間距不均等類型缺陷的檢測(cè)。

4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

系統(tǒng)圖像傳感器采用30萬(wàn)像素的嘉恒OK_AM1121 型1/3英寸黑白面陣CCD工業(yè)相機(jī)；配備6mm的T2616FICS-3型Computar鏡頭；背景光源使用奧普特OPT-RI5030白色LED環(huán)形光源，同時(shí)將EMCV （Embedded Computer Vision Library）移植至系統(tǒng)DSP協(xié)處理器上完成圖像的預(yù)處理等工作。

■4.1 芯片圖像提取

使用上述算法對(duì)2000幅集成型芯片圖像進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，現(xiàn)選取3幅有代表性的圖像予以說(shuō)明。分別對(duì)原始圖片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)至準(zhǔn)水平、裁剪、濾波降噪、二值分割和開關(guān)運(yùn)算等處理提取芯片引腳目標(biāo)。

圖1 合格芯片引腳提取算法效果

圖2 引腳缺失提取算法效果

圖3 引腳殘缺提取算法效果

圖4 引腳偏曲提取算法效果

表1 引腳中心間距統(tǒng)計(jì)結(jié)果

■4.2 引腳缺陷檢測(cè)

根據(jù)集成芯片常用封裝標(biāo)準(zhǔn)，引腳間距為1.27mm，引腳長(zhǎng)度為2.54mm。結(jié)合系統(tǒng)的標(biāo)定和芯片圖像的測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，引腳平均長(zhǎng)度為46個(gè)像素，引腳平均間距為23個(gè)像素，合格芯片引腳個(gè)數(shù)為單列14個(gè)，按照設(shè)計(jì)要求設(shè)定合格引腳間距誤差為不超過(guò)5個(gè)像素。

在提取芯片引腳圖像的基礎(chǔ)上，使用本文的方法進(jìn)行缺陷檢測(cè)，分別設(shè)置35條灰度躍變檢測(cè)直線，獲取引腳根部、端部和其他部分的中心坐標(biāo)，記錄引腳根部中心個(gè)數(shù)，并得到芯片缺失引腳個(gè)數(shù)；計(jì)算每條掃描直線上每?jī)蓚€(gè)引腳中心坐標(biāo)的間隔距離，如表1所示，其中圖1所示芯片引腳間距均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，圖2、圖3、圖4所示芯片引腳分別存在缺失、殘缺、偏曲等缺陷。

通過(guò)對(duì)2000個(gè)集成芯片進(jìn)行檢驗(yàn)，可得系統(tǒng)的引腳缺陷檢驗(yàn)出錯(cuò)率為0.5%，且其中0.2%錯(cuò)判現(xiàn)象為合格產(chǎn)品被誤判為次品，系統(tǒng)可滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

5. 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了整個(gè)集成芯片引腳缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件算法設(shè)計(jì)；采用ARM+DSP的雙處理器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)算法和系統(tǒng)應(yīng)用功能的快速處理；設(shè)計(jì)了迭代閾值二值分割算法和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法相結(jié)合的方法完成引腳圖像的有效提取，設(shè)計(jì)了基于灰度躍變檢測(cè)引腳中心點(diǎn)的引腳缺陷識(shí)別方法。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看來(lái)，該方法檢測(cè)效率高、穩(wěn)定性好，滿足工程的實(shí)際應(yīng)用。

＊ ［1］ 朱更明，李方敏.芯片管腳缺陷在線視覺檢測(cè)系統(tǒng)研究［J］. 電子制作，2015，30（9）：1866-1873.

＊ ［2］ 鄭金駒，李文龍，王瑜輝，等. QFP芯片外觀視覺檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法［J］. 中國(guó)機(jī)械工程，2013，24（3）：290-298.

＊ ［3］ MaYide，Dai Ruo lang，Li Lian. Ancounting and segmenta tion method of blood cell image with logical and morpho log ical feature of cell ［J］. Chinese Journal of Electronics，2002，11（01）：53-55.

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研重大專項(xiàng)（2012A090300005）資助項(xiàng)目