戚義鵬，黃希，許紅健，王恒

(1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇南通 226019; 2.富金森(南通)科技有限公司, 江蘇南通 226001)

0 前言

封裝是IC芯片生產(chǎn)的關(guān)鍵工序之一，塑料封裝(以下簡(jiǎn)稱塑封)是IC產(chǎn)業(yè)中的主流封裝成型工藝，其市場(chǎng)占有率在行業(yè)中達(dá)到90%以上[1-2]。塑封工藝可以將支撐芯片的引線框架、芯片和鍵合引線用塑料等樹脂類聚合物材料包封起來(lái)，以保證IC芯片在使用過程中最大限度地發(fā)揮其電學(xué)特性[3]。根據(jù)GB/T 14663—2007[4]，引線框架在塑封壓機(jī)的模具上安放位置應(yīng)當(dāng)定位準(zhǔn)確、安放可靠，應(yīng)有防錯(cuò)位措施。而上料排片預(yù)熱作為進(jìn)入塑封壓機(jī)的前一個(gè)工位，引線框架是否精準(zhǔn)放置會(huì)極大地影響塑封質(zhì)量，因此引線框架高效精準(zhǔn)入位與進(jìn)行入位檢測(cè)對(duì)于排片機(jī)至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)IC封裝企業(yè)的自動(dòng)排片大多仍采用傳統(tǒng)的X、Y伺服主軸型排片機(jī)，入位檢測(cè)也仍依靠人工檢驗(yàn)，其抓放效率低下、入位精度不足、勞動(dòng)強(qiáng)度大的缺點(diǎn)勢(shì)必容易導(dǎo)致IC芯片塑封失效，影響企業(yè)生產(chǎn)效率。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引線框架排片機(jī)是實(shí)現(xiàn)IC芯片產(chǎn)品封裝的重要設(shè)備，它要求能高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)IC芯片引線框架的有序排片和均勻預(yù)熱，實(shí)現(xiàn)工序自動(dòng)化。新型引線框架排片機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由進(jìn)料部件、升降臺(tái)部件、輸送軌道、SCARA機(jī)械臂、抓取部件、預(yù)熱平臺(tái)等關(guān)鍵部分組成。

樣機(jī)實(shí)物如圖2所示。其工作流程：(1)通過進(jìn)料部件推進(jìn)滿載料盒，將疊置于料盒內(nèi)的料片逐片推出至輸送軌道，并由拉針拖動(dòng)至待抓取區(qū)；(2)通過SCARA機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)抓取部件抓取料片，并按一定序列逐片排放在矩陣式多工位封裝托架上；(3)針對(duì)已放置料片進(jìn)行入位視覺檢測(cè)；(4)通過預(yù)熱平臺(tái)對(duì)料片進(jìn)行均勻預(yù)熱，并等待塑封。

1.1 進(jìn)料部件

進(jìn)料部件由料盒推入收回部件、料片推桿部件以及升降臺(tái)部件三部分組成。料盒推入收回部件如圖3所示，其作用是將滿載料盒逐個(gè)推入升降臺(tái)。本文作者采用無(wú)桿氣缸驅(qū)動(dòng)，并利用調(diào)壓閥和調(diào)速閥配合調(diào)整氣缸推力，避免料盒發(fā)生傾倒。滿載料盒由無(wú)桿氣缸4向前推入，導(dǎo)向軸和直線軸承保證推入過程的平穩(wěn)性，空載料盒由氣缸7從部件底部進(jìn)行收回，在空載料盒達(dá)到一定數(shù)量時(shí)會(huì)觸發(fā)傳感器5，同時(shí)設(shè)計(jì)有可調(diào)擋板9，適用于不同形式的塑封產(chǎn)品。

升降臺(tái)部件如圖4所示，主要由步進(jìn)電機(jī)、絲杠、直線導(dǎo)軌、壓緊氣缸以及上、下限傳感器組成。由于料片在料盒中是按一定步距疊置的，該部分是通過料片推桿機(jī)構(gòu)周期性地將料片從料盒中逐片推出，此部分要求往復(fù)精度高，以避免產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差。本文作者采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)高精度絲杠帶動(dòng)升降臺(tái)上下動(dòng)作，并且設(shè)計(jì)有直線導(dǎo)軌保證上下動(dòng)作的平穩(wěn)性。

1.2 料片輸送軌道

輸送軌道如圖5所示，主要由步進(jìn)電機(jī)、同步齒形帶、拉針機(jī)構(gòu)、軌道以及光纖傳感器組構(gòu)成。料片初進(jìn)軌道時(shí)，光纖傳感器組會(huì)根據(jù)其散熱片的位置判斷料片是否反向、位置是否正確。待機(jī)械臂抓取完前一料片后，處于當(dāng)前料片定位孔正下方的拉針機(jī)構(gòu)會(huì)在氣缸與導(dǎo)向軸的作用下準(zhǔn)確升入定位孔中。通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步齒形帶并帶動(dòng)拉針機(jī)構(gòu)，將料片拖動(dòng)至待抓取區(qū)域。軌道下方設(shè)計(jì)有光纖傳感器對(duì)準(zhǔn)料片的中筋位置，檢測(cè)料片是否準(zhǔn)確到位。

預(yù)熱平臺(tái)工作時(shí)表面溫度可達(dá)180 ℃，由于輸送軌道距離預(yù)熱平臺(tái)較近，傳統(tǒng)的皮帶式柔性輸送結(jié)構(gòu)會(huì)受到高溫的影響而出現(xiàn)皮帶老化加速、定位精度降低等嚴(yán)重問題，并且皮帶式輸送結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)料片的高速移動(dòng)。本文作者采用拉針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體部件中空體積更大，熱量不易聚集，并且拉針結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)料片快速輸送時(shí)不會(huì)因慣性發(fā)生偏移或打滑的功能，料片平均輸送速度可達(dá)1.1 s/片。

1.3 抓取部件

抓取部件如圖6所示，單作用氣缸1的向下動(dòng)作可以使四邊軸承與圓臺(tái)發(fā)生相切擠壓，在直線軸承的導(dǎo)向作用下會(huì)向外伸出5 mm，呈現(xiàn)卡爪張開的姿態(tài)。6根導(dǎo)向軸中段都設(shè)置有彈簧，在氣缸向上動(dòng)作時(shí)，6個(gè)卡爪同時(shí)收緊并夾住料片，此時(shí)傳感器會(huì)檢測(cè)料片是否被成功抓取。

該抓取部件僅用一個(gè)氣缸完成了對(duì)6個(gè)卡爪的開合控制，而在X、Y、Z軸方向上的移動(dòng)則依靠SCARA機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。SCARA機(jī)械臂有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，可實(shí)現(xiàn)在平面內(nèi)的精確定位[5]。另一個(gè)關(guān)節(jié)用于完成手臂末端在Z軸方向上的移動(dòng)，大臂臂長(zhǎng)為400 mm、小臂臂長(zhǎng)為300 mm，復(fù)位精度均為±0.01 mm。末端參考點(diǎn)的位置坐標(biāo)p是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移φ1和φ2，及移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移z決定的，即:

p=f(φ1,φ2,z)

(1)

與傳統(tǒng)的X、Y伺服主軸型相比，SCARA機(jī)械臂的精度更高、響應(yīng)更快，并且適應(yīng)環(huán)境的能力強(qiáng)，整合性更高[6]。

醫(yī)療旅游的重要元素是醫(yī)療服務(wù)，高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)是醫(yī)療旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。泰國(guó)和印度都視醫(yī)療質(zhì)量為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本。但醫(yī)療服務(wù)不同于制造業(yè)產(chǎn)品，具有無(wú)形性(intangibility)、不可分割性(inseparability)、與易逝性(perishability)特點(diǎn)[15]，因此，從業(yè)人員的資質(zhì)與業(yè)界口碑對(duì)于醫(yī)療服務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要?；诖耍﹪?guó)和印度都高度重視醫(yī)療人才的引進(jìn)和培養(yǎng)，從美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)了一大批高水平的醫(yī)療人才，醫(yī)務(wù)人員具有良好的英語(yǔ)水平；另一方面，鼓勵(lì)醫(yī)療機(jī)構(gòu)通過國(guó)際認(rèn)證，尤其是JCI認(rèn)證，以展示其高水平的醫(yī)療服務(wù)能力。

進(jìn)行了14個(gè)完整循環(huán)的系統(tǒng)排片測(cè)試，共計(jì)168片，測(cè)試結(jié)果中并未出現(xiàn)料片掉落或放置偏移等情況，入位率為100%。完成一個(gè)不含入位檢測(cè)的排片循環(huán)平均需要61.4 s，完全滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的應(yīng)用需求。

2 入位視覺檢測(cè)

如今機(jī)器視覺已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，主要用于保證產(chǎn)品質(zhì)量、控制生產(chǎn)流程[7]。本文作者將圖像處理技術(shù)運(yùn)用于自動(dòng)化塑封生產(chǎn)線上，在引線框架排片機(jī)中對(duì)料片的入位情況進(jìn)行在線檢測(cè)。入位檢測(cè)模塊如圖7所示，主要由工業(yè)相機(jī)、鏡頭、工控機(jī)、PLC、環(huán)形光源以及圖像處理軟件組成。

2.1 硬件選型

為優(yōu)化視覺檢測(cè)速度，采用雙工位在線檢測(cè)方式。采用的相機(jī)型號(hào)為DMK 33GX265e，分辨率為2 048像素×1 536像素，采集幀率為36，輸出黑白圖像；鏡頭型號(hào)為SC-DLH06-5MP，焦距為6 mm，手動(dòng)調(diào)節(jié)光圈。因?yàn)殂~的電導(dǎo)率、強(qiáng)度、可成型性具有優(yōu)勢(shì)，銅合金替代了早期IC封裝中使用的鐵鎳合金，成為制成引線框架的主要材料[8]。但銅合金表面易反光，所以系統(tǒng)采用白色環(huán)形光源BT-R7535W，其LED呈高密度環(huán)形分布，提供高亮、均勻的圓形照明，不易出現(xiàn)反光和陰影。

2.2 算法設(shè)計(jì)

入位檢測(cè)系統(tǒng)軟件在VS2019開發(fā)環(huán)境下基于Halcon視覺庫(kù)開發(fā)，其核心部分為圖像處理算法。算法主要包含區(qū)域定位與糾偏、圖像預(yù)處理、特征提取以及入位情況分析4部分。文中以TO220封裝引線框架作為研究對(duì)象，料片尺寸為228.1 mm×30.3 mm，初始視野大小為120 mm×90 mm，像素分辨率為0.06 mm/像素。

(1)目標(biāo)區(qū)域定位并糾偏

圖8所示為料片入位實(shí)物圖，由于預(yù)熱平臺(tái)的工作溫度高，為避免視覺系統(tǒng)快速老化，在實(shí)時(shí)獲取圖像時(shí)會(huì)將鏡頭物距放大，這會(huì)使圖像初始視野較大并且存在小范圍內(nèi)的角度偏差，導(dǎo)致后續(xù)特征提取出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象，所以需要先對(duì)圖像進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域定位和糾偏。以固定的圖像坐標(biāo)截取視野640像素×480像素的目標(biāo)區(qū)域，并進(jìn)行閾值二值化與特征選擇，提取出圖像中部灰度值較低的區(qū)域，求出該區(qū)域與水平方向的角度θ，獲得旋轉(zhuǎn)矩陣R，并定義圖像中心點(diǎn)P為旋轉(zhuǎn)中心。

(2)

使用旋轉(zhuǎn)矩陣R對(duì)圖像進(jìn)行仿射變換，可以輸出如圖9所示的標(biāo)準(zhǔn)初始圖像，如圖10所示的空置狀態(tài)圖像以及如圖11所示的偏移狀態(tài)圖像。

(2)圖像預(yù)處理

在圖像采集過程中，由于SCARA機(jī)械臂復(fù)位精度較高，相機(jī)、鏡頭和光源等基本能夠保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，所以圖像的噪聲主要來(lái)源于脈沖噪聲。同時(shí)，為避免引線框架金屬表面細(xì)紋的干擾，選擇中值濾波對(duì)圖像去噪。利用Blob分析法[9]先對(duì)待檢測(cè)圖像進(jìn)行二值化，區(qū)分出前景與背景，然后進(jìn)行連通區(qū)域處理，最終通過形態(tài)學(xué)運(yùn)算保留一定的邊緣特征，得到如圖12所示的圖像。為增強(qiáng)圖像高頻區(qū)域，并抑制一些冗余特征，對(duì)Blob分析后的圖像進(jìn)行低通濾波，再進(jìn)行像素灰度值運(yùn)算，得到如圖13所示的圖像。

(3)特征提取

利用Canny邊緣檢測(cè)法[10]提取亞像素精確邊緣，經(jīng)過非極大值抑制處理后得到最后的邊緣圖像，如圖14所示。通過特征選擇提取出符合閾值要求的圓特征，若數(shù)量大于3則繼續(xù)進(jìn)行邊緣圖像中豎直直線與水平直線的提取，反之，則可判定為空置狀態(tài)。利用亞像素邊緣的圓度、長(zhǎng)度以及方向特征參數(shù)提取出豎直直線與水平直線。但此時(shí)所提取的直線特征處于離散狀態(tài)，通過計(jì)算兩個(gè)輪廓端點(diǎn)最小距離、兩個(gè)輪廓端點(diǎn)最小距離與最長(zhǎng)輪廓的比值，將距離相近的直線計(jì)算為并集，整合為同一條基準(zhǔn)直線，處理后如圖15所示。

(4)入位分析

通過水平直線的坐標(biāo)位置再次分割圖像，排除定位針弧形平臺(tái)邊緣的干擾，同時(shí)從該區(qū)域的邊緣圖像中根據(jù)坐標(biāo)、圓度和圓半徑等特征參數(shù)提取出定位孔的邊緣特征，采用最小二乘法擬合得到圓的方程[11]，求出精確的圓心和半徑等參數(shù)并創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)圓。圖16所示均為入位檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算圓心到兩條豎直直線像素距離的比值a，判斷定位孔是否位于封裝托架的中心位置，再計(jì)算圓心到兩條水平直線距離的差值b，判斷料片整體與封裝托架的位置關(guān)系。當(dāng)料片發(fā)生偏移或掉落時(shí)，圖像中定位孔圓特征的數(shù)量、比值a和差值b將不符合設(shè)定閾值，因此會(huì)被判定為NG。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，入位檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)98.8%，單個(gè)料片平均檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)為339 ms，滿足替代人工檢驗(yàn)的需求。

表1 檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中誤檢結(jié)果均是由于如圖17所示的燈源照明問題所導(dǎo)致的誤判，雖然可以通過設(shè)置嚴(yán)格的閾值參數(shù)的方法來(lái)避免照明過度，但是可能會(huì)造成頻繁停機(jī)復(fù)位，從而影響生產(chǎn)效率。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文作者提出的新型引線框架排片機(jī)的控制核心為PLC，圖18所示為控制流程圖。其中，料盒推入與收回、料片輸送與抓放、預(yù)熱平臺(tái)的溫度控制都是采用OMRON的CP1H型PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各動(dòng)作的有效配合。它擁有Ethernet接口，用于與負(fù)責(zé)圖像處理的工控機(jī)進(jìn)行通信，并且其擴(kuò)展性能強(qiáng)，可外接使用CP1W和CJ系列的單元，利用軟件XC-programmer進(jìn)行梯形圖程序的設(shè)計(jì)。在視覺檢測(cè)時(shí)，機(jī)械臂每到達(dá)一個(gè)料片坐標(biāo)，就傳輸一個(gè)中斷信號(hào)至PLC，同時(shí)觸發(fā)相機(jī)拍照和環(huán)形光源閃爍，進(jìn)行初始圖像的采集，并傳輸?shù)焦た貦C(jī)。工控機(jī)利用Halcon視覺庫(kù)方法對(duì)圖像進(jìn)行處理分析，再將結(jié)果傳輸至PLC。若料片中途掉落或未準(zhǔn)確入位，則設(shè)備將會(huì)亮起報(bào)警指示燈，直至復(fù)位。

TOSHIBA的THL700型SCARA機(jī)械臂是通過控制器TSL3000控制的，將PLC與控制器進(jìn)行串口通信，從而控制SCARA機(jī)械臂的運(yùn)行狀態(tài)。利用軟件TSAssist示教25個(gè)坐標(biāo)位，分別為12個(gè)料片放置點(diǎn)、12個(gè)入位檢測(cè)點(diǎn)以及1個(gè)料片抓取點(diǎn)。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)引線框架排片機(jī)在生產(chǎn)過程中，進(jìn)料部件平穩(wěn)性差、效率低，X、Y伺服主軸型機(jī)械手抓取效率低、入位精度不足等問題，提出了一種基于Halcon檢測(cè)入位情況的新型自動(dòng)引線框架排片機(jī)。通過對(duì)進(jìn)料各部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)并采用SCARA四軸機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)了高效準(zhǔn)確的排片均勻預(yù)熱功能，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。入位檢測(cè)系統(tǒng)的正檢率達(dá)98.8%，單個(gè)料片平均檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)為339 ms，在生產(chǎn)實(shí)際中能夠極大地提高自動(dòng)排片機(jī)的生產(chǎn)精度，并降低勞動(dòng)強(qiáng)度，可為IC封測(cè)企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。