CN103308007A - 多级反射与光栅成像的ic引脚共面度测量***与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级反射与光栅成像的IC引脚共面度测量***与方法，它主要包括IC芯片自重斜向滑动进料机构、外触发同步控制电路、IC芯片引脚成像光路***、图像采集卡与基于PC的智能视觉检测***。IC芯片引脚成像光路***是由两组相互独立的准平行蓝光LED光源、两个光栅、多个有机组合的反射镜和三棱镜所构成。通过该成像光路***可获取IC芯片引脚的检测光栅条纹图像。图像采集与分析软件***对带有光栅条纹的IC芯片引脚图像进行分析，评价图像中引脚的等长性和光栅条纹扭曲特性，并根据共面度误差与光栅条纹弯曲程度的对应f函数映射关系，计算相应的共面度误差。本发明可实现IC芯片的两排引脚同时成像，只需一次成像就可完成IC芯片引脚的精密检测，并且结构紧凑，性价比高。

Description

多级反射与光栅成像的IC引脚共面度测量***与方法

技术领域：

本发明专利属于电子集成电路封装领域，具体涉及一种电子封装中的IC芯片引脚的共面度测量的新方法和新***。适用于DIP(Dual In-line Package，双列直插)，SOP(Small Out-LinePackage，小外形封装)，PFP(Plastic Flat Package，扁平封装)等大规模集成电路引脚共面度的实时在线测量。

背景技术：

随着表面贴装技术的发展，贴片元器件取得了飞速的发展。在电路板表面贴装(SMT)生产工艺中，为保证贴装质量，对IC芯片引脚的尺寸与形位精度有一定的要求，特别是由对IC芯片引脚顶点到焊盘的竖直距离(共面度)有一定的精度要求。如果这种共面度超差，则器件的某些引脚跟PCB焊盘就不能紧密接触，就容易造成焊接时融化的焊锡接触不到引脚的底端，焊锡就不能把这些引脚和焊盘连接在一起形成良好的焊点，可能导致虚焊、漏焊和虚接等缺陷，最终会影响产品的可靠性。所以一般IC芯片生产厂家对芯片在引脚共面度都有严格的公差要求。

由于IC芯片的引脚很小，传统的人工检测引脚共面度的方法会导致人眼疲劳，检测结果容易受到检测人员主观因素的影响。因此，人工检测的检测精度低、检测速度慢。基于机器视觉的工业产品检测可克服上述困难，因此被广泛应用于IC芯片的表面质量自动化监测。

现有的光线投影法是把IC芯片引脚朝上放置在水平光滑的平面上，通过人眼在水平方向观测最高引脚与最低引脚之间的垂直距离，其差值为共面度。光线投影法结构简单，易于操作。但是，测量者视力会影响测量的过程，主观因素大，无法保证测量的精度。

中国专利CN100354601C采用与三坐标测量仪等类似的测量方法进行IC引脚共面度的测量。该方法需要一个双面光滑厚度均匀的轻薄平板，用于获取器件三个最高引脚，从而建立参考平面。通过三坐标测量仪测得各引脚到参考平面的距离，从而获得共面度。但是，这种接触式测量方法只能适用于人工抽检，检测速度慢，检测精度低，并且可能会对器件造成二次损伤。

中国专利CN101424511B采用光学图像采集与图像识别技术。但是该***使用了多种贵重的光学镜片，机械机构复杂，设备成本相对较高。每次成像只能完成单排引脚的图像采集，且成像必须满足以下条件：需要进行光信号的切换；IC芯片需要停止运动；直线电机需要往返一次。以上条件都消耗宝贵的时间，导致成像速度慢，难以满足高速在线检测的要求。

中国专利CN102052907A提出了一种基于投影莫尔条纹原理的BGA共面度三维测量***。该***使用两台相机同时进行成像，类似于双目机器视觉的方法。这种基于莫尔条纹的引脚共面度测量方法是使用两个相机分别进行成像，以获取平面信息和深度信息。该***需要另外配备一个辅助软件来控制LCD，从而产生虚拟光栅；需要人为设定一个参考平面；需要高精度的运动平台实现机械定位。该方法可实现大面积、高精度实时测量。但是，该方法采用两个相机成像的结构，使得测量装置体积大，***结构复杂，检测算法运算量大，设备成本较高。

美国专利US7012628B2采用机器视觉***对生产线上的IC芯片引脚的共面度进行质量检测。该***需要对左侧引脚和右侧引脚分别进行多次成像，并且都需要从不同的角度进行成像，采集得到的多帧图像进行分析，最终实现共面度的精确测量。但是，在成像过程中要求IC芯片保持静止，多次成像，致使检测速度慢。

日本专利JP，2003-207326，A是基于机器视觉原理实现IC引脚的共面度测量。该方法使用两个相机分别对IC芯片两排引脚的侧视图进行图像采集。该方法要求所有引脚放置在同一支撑平面上，在测量前人为设定一条基准线。通过视觉的方法，测量所有引脚的末端到基准线的距离，并与标定值进行比较，从而实现共面度的快速测量。但是，该方法采用双相机结构，结构复杂。

用于IC芯片引脚共面度的高速在线测量技术一直被日本、德国等少数几个国家所垄断，因而造成该类设备价格昂贵，难以在生产线上得以广泛应用。为了满足国内外厂家对经济型共面度测量设备的需求，本发明致力于设计出一种单相机一次成像高精度的在线实时视觉IC引脚共面度测量***。

发明内容：

本发明目的在于实现IC芯片引脚的共面度在线测量，克服现有共面度测量装置结构复杂、体积庞大、设备制造成本高、检测速度慢和检测精度低等缺点和不足之处。受到光线投影法和光栅成像原理的启发，提出了一种由若干相互独立的反射镜、三棱镜、光栅和图像采集单元组成的共面度在线智能视觉测量装置，以适应大规模生产的需求。

为实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种多级反射与光栅成像的IC芯片引脚共面度测量***，主要包括IC芯片自重斜向滑动进料机构、外触发同步控制电路、IC芯片引脚成像光路***、图像采集卡、摄像头、基于PC的智能视觉检测***、光电传感器，

所述IC芯片引脚成像光路***包括左右对称的左侧光路及右侧光路，所述左侧光路包括左侧蓝光LED光源、左侧透射光栅、左侧第一反射镜、左侧第二反射镜、左侧第三反射镜、和两底角为45度的等腰三棱镜的左半部分，所述左侧蓝光LED光源的光线由左向右平行射过左侧透射光栅后，经左侧第一反射镜反射后，光线倾斜地照射在IC芯片引脚的下表面；左侧第二反射镜以45度角布置，使来自IC芯片引脚的漫反射光线被反射后，再次垂直向上射向以45度布置的左侧第三反射镜，左侧第三反射镜反射光线由左向右水平射出后，照射在三棱镜的左侧，继而垂直向上地反射至摄像机；

所述右侧光路包括：右侧蓝光LED光源、右侧透射光栅、右侧第一反射镜、右侧第二反射镜、右侧第三反射镜、两底角为45度的等腰三棱镜的右半部分，所述右侧蓝光LED光源的光线由右向左平行射过右侧透射光栅，经右侧第一反射镜反射后，光线倾斜地照射在IC芯片引脚的下表面；右侧第二反射镜以45度角布置，使来自IC芯片引脚的漫反射光线被反射后，再次垂直向上射向以45度布置的右侧第三反射镜，右侧第三反射镜反射光线由右向左水平射出后，照射在三棱镜的右侧，继而垂直向上地反射至摄像机；

所述摄像机包括CCD相机和光学镜头，垂直安装在三棱镜对称中心线的正上方，该摄像机中心轴线垂直于IC芯片自重斜向滑动进料机构的滑动导轨并与IC芯片引脚成像光路***的中心平面重合；

所述IC芯片自重斜向滑动进料机构位于三棱镜的正下方且该IC芯片自重斜向滑动进料机构的滑动导轨中心线垂直于IC芯片引脚成像光路***的中心平面；

所述光电传感器垂直安装在IC芯片自重斜向滑动进料机构的滑动导轨中，位于摄像机视场的左边界处，当IC芯片滑过导轨穿越IC芯片引脚成像光路***时，光电传感器向外触发同步控制电路发出位置信号，该信号经处理后，向图像采集卡和左侧蓝光LED光源、右侧蓝光LED光源发出成像信号，光源闪亮，同时摄像机瞬间拍照，所拍照片经图形采集卡传送至具有基于PC的智能视觉检测***，所述基于PC的智能视觉检测***用于将获取的照片进行分析处理以得到IC芯片的引脚共面度。

进一步地，所述左侧第一反射镜、左侧第二反射镜、左侧第三反射镜、和两底角为45度的等腰三棱镜、右侧第一反射镜、右侧第二反射镜、右侧第三反射镜均为不锈钢，其反射面或成像表面均经过超精密磨床加而成。

进一步地，所述的左侧光路和右侧光路之间设置有防止光信号互相干扰的隔光板。

进一步地，所述光学镜头111为远心镜头。

一种多级反射与光栅成像的IC芯片引脚共面度测量***进行共面度测量的方法，包括步骤：

步骤1、当IC芯片沿滑动导轨滑至光电传感器时，外触发同步控制电路302触发摄像机及图像采集卡抓怕滑动而下的IC芯片引脚256级灰度图像，作为IC芯片引脚原始处理数据；

步骤2、实现IC芯片两排引脚的粗定位；

步骤3、截取感兴趣区域，建立两排引脚的子图像；

步骤4、对两个子图像分别进行中值滤波，消除噪声信号；

步骤5、对两个子图像分别进行目标边缘检测，获取光栅条纹与引脚的边缘特征信号；

步骤6、采用灰度平均值作为图像的分割阈值分割图像，实现图像的二值化处理；

步骤7、对每一引脚进行精确定位，建立各个引脚的子图像；

步骤8、分析每个引脚的子图像，跟踪光栅条纹的变化，计算出每一个引脚上光栅条纹的最大扭曲的像素距离；

步骤9、根据视觉***设计的成像精度，计算光栅条纹最大扭曲的物理距离；

步骤10、根据共面度误差与光栅条纹的扭曲程度对应的函数关系，计算出每一个引脚的共面度误差e_i，并统计已计算的引脚数量，对应函数映射关系表示为：

$f_i\left(\mathrm{\ΔH}\right)=k\·(X_i\left(H\right)-\stackrel{\‾}{H})$

$=k\·(\frac{d_i}{\tan \left(\mathrm{\α}\right)}-\stackrel{\‾}{H}),$

$=k\·(\frac{d_i}{\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}-2\·\mathrm{\γ})}-\stackrel{\‾}{H})$

f(ΔH)＝max{f₁(ΔH)，f₂(ΔH)，......，f_N(ΔH)}-min{f₁(ΔH)，f₂(ΔH)，......，f_N(ΔH)}，其中：f_i为IC第i个引脚的高度偏差，设引脚下偏移时f_i为正，引脚上偏移时f_i为负，K为理论计算值与实际值的调整系数，

为IC引脚的上端下表面与IC引脚的下端下表面的期望距离，ΔH为高度偏差，X_i为IC第i个引脚上的光栅条纹弯曲程度，d_i为IC第i个引脚上的光栅条纹的最大弯曲距离，α为IC芯片引脚下表面的投射光线与竖直方向的夹角，γ为水平投射光线在左侧第一反射镜103或右侧第一反射镜105上的入射角，f(ΔH)为共面度，其数值为IC芯片引脚的高度偏差的最大值与最小值之差；

步骤11、判定IC芯片的所有引脚子图像是否全部分析完毕，若是，执行步骤S512，求出各个引脚的共面度误差的最大值e_max＝_max{e₁，e₂，...e_N*K}和最小值e_min＝_min{e₁，e₂，...e_N*K}，若否，则返步骤8，直到所有子图像分析完毕；

步骤12、判定所测得的共面度误差的最大值e_max和最小值e_min是否在预设的共面度公差上下限范围内，若是，则判断为共面度合格，反之，为共面度不合格。

本发明把IC引脚的共面度测量转化为CCD相机成像后线纹长度的差异性测量，通过光栅对引脚极其细小的线纹差异图像进行扭曲和放大。通过建立共面度误差与光栅条纹弯曲程度的对应f函数关系，实现IC芯片两排引脚共面度在同一视场的测量。该方法是通过智能视觉检测***来分析光栅条纹的弯曲程度，并根据共面度误差与光栅条纹弯曲程度的对应函数映射关系最终计算出相应的共面度误差，对应函数映射关系表示为：

$f_i\left(\mathrm{\ΔH}\right)=k\·(X_i\left(H\right)-\stackrel{\‾}{H})$

$=k\·(\frac{d_i}{\tan \left(\mathrm{\α}\right)}-\stackrel{\‾}{H}),$

$=k\·(\frac{d_i}{\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}-2\·\mathrm{\γ})}-\stackrel{\‾}{H})$

f(ΔH)＝max{f₁(ΔH)，f₂(ΔH)，......，f_N(ΔH)}-min{f₁(ΔH)，f₂(ΔH)，......，f_N(ΔH)}，其中：f_i为IC第i个引脚的高度偏差，设引脚下偏移时f_i为正，引脚上偏移时f_i为负，K为理论计算值与实际值的调整系数，

为IC引脚的上端下表面与IC引脚的下端下表面的期望距离，ΔH为高度偏差，X_i为IC第i个引脚上的光栅条纹弯曲程度，d_i为IC第i个引脚上的光栅条纹的最大弯曲距离，α为IC芯片引脚下表面的投射光线与竖直方向的夹角，γ为水平投射光线在左侧第一反射镜或右侧第一反射镜上的入射角。认为高度偏差f_i与条纹弯曲程度X_i成正比例关系。条纹弯曲程度越大，则共面度误差就越大。并且条纹弯曲程度与最大弯曲距离、弯曲夹角有关。通过实验标定的方法确定函数关系表达式中的比例系数K(即：根据设计要求，确定成像后获取条纹的d_i，实际测量得到投射光线夹角γ，接触式测量获取f_i，代入上述函数映射关系表达式计算K，并多次测量计算K的平均值)。f(ΔH)命名为共面度，其数值为IC芯片引脚的高度偏差的最大值与最小值之差。

本发明以IC芯片的下平面作为定位平面。为了使得同一型号的IC芯片得到弯曲程度基本一致的光栅条纹，在成像时IC芯片不能沿X方向转动，不能沿Y方向转动，不能沿Z方向移动。

本发明必须满足以下约束：对于CCD相机的每一次成像，所有镜片的位置和角度都是保持固定不变，使得光线以固定的位置和方向投射到被测物体IC芯片的引脚上。

光栅、多级反射镜及三棱镜组成的IC芯片引脚成像光路***：光源发出的光线落在IC芯片的引脚上，基于光线投影法的原理，IC芯片引脚的下表面反射光通过多级反光镜的多级反射，两列引脚的下表面图像分别在三棱镜的两侧得以观测。放置在三棱镜正上方的CCD相机对此进行成像。即：通过专用的成像光路，把IC芯片引脚共面度的测量转化为图像中长度的信息。在上述基础上，在光源与反射镜之间，再加入光栅，得到光栅条纹图像。如果IC芯片的引脚的共面性好，共面度误差小，光栅条纹曲线的走势就基本一致，反之，如果某个引脚上翘或者是下弯，对应的光栅条纹就会发生剧烈的扭曲和放大，与相邻引脚上的光栅条纹相比，显得尤为突出。

IC芯片自重斜向滑动进料机构：IC滑动的机械传送装置是以IC的自身重力作为动力源，整个机械装置倾斜布置，IC芯片沿着导轨自上而下沿斜面做直线运动。因此，要求滑动导轨表面粗糙度小，IC芯片滑动时的摩擦力才会小。由于无额外的动力源，所以整个机械结构紧凑，没有动力传输而引起的振动，有利于成像。特别是当镜头的景深较小时，也能得到清晰的图像。

光电传感器及其组成的外触发同步控制电路：IC芯片在倾斜的滑轨上由上至下做直线运动。当IC运动到相机设定视场范围时，光电传感器响应后，给外触发同步电路输出位置感应信号。该外触发同步电路对信号进行处理后，给相机与光源发出触发信号，最后，光源短暂闪亮，同时相机瞬间抓拍图像帧。这种在运动中频闪拍照模式，可提高检测的速度。并且解决了在狭窄空间中LED光源难以散热的问题。

基于PC的智能视觉检测***：光栅条纹在CCD相机平面上得以成像，基于PC的智能视觉检测***对光栅条纹图像进行分析，分析每个引脚上光栅条纹的最大弯曲距离，并根据共面度误差与光栅条纹弯曲程度的函数关系，最终求得IC芯片引脚的共面度。

本发明的***与方法具有检测方法新颖、测量直观化、检测速度快、检测精度高、装置结构紧凑、设备造价便宜的特点。与现有的技术相比，具有如下特点和效果：

(1)该检测方法新颖。该发明装置能把IC引脚共面度的测量转化为基于机器视觉的智能化测量，引脚的共面性测量在图像上映射为引脚光栅条纹扭曲程度的判断。

(2)检测速度快。由于CCD相机每次能对IC芯片两侧引脚的光信号进行同时成像，只需要一次成像就可完成整个IC芯片的检测，因而检测速度快。

(3)检测精度高。由于光栅条纹对IC芯片引脚共面误差具有放大作用，可提高测量的精度。

(4)装置结构紧凑。IC芯片的机械传动装置是以IC芯片本身的自重作为动力源，因而不需要额外的动力装置。因此，整个机械结构设计紧凑，体积小。

(5)设备成本低。由于采用单相机成像光路***。因此，设备的制造成本低。

附图说明

图1是本发明成像***多级反射与光栅成像光路示意图。

图2是本发明***主体框架示意图。

图3是本发明外触发同步控制电路示意图。

图4是本发明图像采集***光栅条纹成像示意图。

图5是本发明的共面度测量方法流程图。

图6是本发明的单个IC引脚光栅条纹投影成像几何关系图。

图中所示为：100-IC芯片引脚成像光路***，101-左侧蓝光LED光源，102-左侧透射光栅，103-左侧第一反射镜，104-隔光板，105-右侧第一反射镜，106-右侧透射光栅，107-右侧蓝光LED光源，108-右侧第二反射镜，109-右侧第三反射镜，110-CCD相机，111-光学镜头，112-反射镜1，113-左侧第二反射镜，114-IC芯片，115-三菱镜，201-基于PC的智能视觉测量***，202-图像采集卡，301-光电传感器，302-外触发同步控制电路，303-IC芯片自重斜向滑动进料机构，304-优劣产品分类装置，401-光栅条纹，601-弯曲条纹垂直投影平面，602-光栅条纹水平投射平面。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图2所示，本发明的***主体框架包括：多反射镜、光栅和三棱镜构成的IC芯片引脚成像光路***100，IC芯片自重斜向滑动进料机构303，图像采集卡202、CCD相机110和镜头111构成的成像单元，基于PC的智能视觉测量***201，以及外触发同步控制电路302，优劣产品分类装置304。

如图1所示，为本发明提出的专用光路***：IC芯片引脚成像光路***100，该IC芯片引脚成像光路***100的左侧光路包括：所述左侧光路包括左侧蓝光LED光源101、左侧透射光栅102、左侧第一反射镜103、左侧第二反射镜113、左侧第三反射镜112、和两底角为45度的等腰三棱镜115的左半部分，所述左侧蓝光LED光源101的光线由左向右平行射过左侧透射光栅102后，被与YZ平面垂直并与XY平面成(900-γ)夹角安装的左侧第一反射镜103反射后，光线倾斜照射在IC芯片引脚的下表面；左侧第二反射镜113以45度角布置，使来自IC芯片引脚的漫反射光线被反射后，再次垂直向上射向以45度布置的左侧第三反射镜112，左侧第三反射镜112反射光线由左向右水平射出后，照射在三棱镜115的左侧，光信号所形成的图像最终在三棱镜115的左侧得以观察。

右侧光路与左侧光路相互独立，互不干扰，在位置上形成对称关系。其光路构件包括：右侧蓝光LED光源107、右侧透射光栅106、右侧第一反射镜105、右侧第二反射镜108、右侧第三反射镜109、两底角为45度的等腰三棱镜115的右半部分，所述右侧蓝光LED光源107的光线由右向左平行射过右侧透射光栅106，被与YZ平面垂直并与XY平面成(900-γ)夹角安装的右侧第一反射镜103反射后，光线垂直均匀地照射在IC芯片引脚的下表面；右侧第二反射镜108以45角度布置，使来自IC芯片引脚的漫反射光线被反射后，再次垂直向上射向以45度布置的右侧第三反射镜112，右侧第三反射镜112反射光线由右向左水平射出后，照射在三棱镜115的右侧，继而垂直向上地反射至摄像机。其光信号的传递过程与左侧光路完全相同，最终，右侧光信号所形成的图像在三棱镜115右侧得以观察。

上述所有光学组件都是以不锈钢为原材料，所有反射面或成像表面都需要经过超精密磨床加，从而呈现出镜面效果，并牢固安装在狭窄的成像空间中。

CCD相机110和光学镜头111安装在三棱镜115的竖直正上方，一次成像即可完成IC芯片两排引脚的图像采集。

被检测对象IC芯片114位于IC芯片自重斜向滑动进料机构303的滑动导轨上，下方为隔光板104；IC芯片114以自身重力沿滑动导轨由上至下斜向滑行，其下表面作为定位表面并贴紧滑动导轨上表面。滑动导轨限制IC芯片114的三个自由度，即：X方向转动、Y方向转动与Z方向移动。如图3所示，当IC芯片114运动到光电传感器301上方时，外触发同步控制电路302获取到位置信号的上升沿。位置信号经过相应处理后，给图像采集卡202发出外触发抓拍信号，实现了运动中快速采集IC芯片引脚图像。

各个透射光栅的黑色条纹投射在IC芯片引脚的下表面。引脚下表面在高度方向的差异，会引起成像后光栅条纹产生不同程度的扭曲。如图4所示，引脚高度保持不变的部分对应的光栅条纹401为直线段，而引脚的圆弧过渡部分对应的光栅条纹401为圆滑过渡的曲线段。对于共面度误差较小的引脚，光栅条纹的最大弯曲距离几乎相等；如图4所示，第1排的第2个引脚为上翘引脚，其共面度误差大，最大弯曲距离d相比正确情况较小，并光栅条纹401以顺时针方向弯曲而成一定的θ弯曲正夹角；如图4所示，第1排的第8个引脚为下弯引脚，其共面度误差也大，最大弯曲距离d相比正常情况较大，并光栅条纹401以逆时针方向弯曲而成一定的θ弯曲负夹角。在测量前进行标定，建立起共面度误差与光栅条纹401的扭曲程度的f函数对应关系。在测量中可定量分析，求得引脚的共面度误差。

如图5所示，以两排16个引脚为例，根据本发明提出的多级反射与光栅成像的IC芯片引脚共面度测量方法，按以下步骤完成两排引脚的共面度检测，特别是上翘、下弯引脚的检测，包括步骤：

步骤S501、当IC芯片沿滑动导轨滑至光电传感器时，外触发同步控制电路触发摄像机及图像采集卡抓怕滑动而下的IC芯片引脚256级灰度图像，作为IC芯片引脚原始处理数据；

步骤S502、实现IC芯片两排引脚的粗定位；

步骤S503、截取感兴趣区域，建立两排引脚的子图像；

步骤S504、对两个子图像分别进行中值滤波，消除噪声信号；

步骤S505、对两个子图像分别进行目标边缘检测，获取光栅条纹与引脚的边缘特征信号；

步骤S506、采用灰度平均值作为图像的分割阈值分割图像，实现图像的二值化处理；

步骤S507、对每一引脚进行精确定位，建立各个引脚的子图像；

步骤S508、分析每个引脚的子图像，跟踪光栅条纹的变化，计算出每一个引脚上光栅条纹的最大扭曲的像素距离；

步骤S509、根据视觉***设计的成像精度，计算光栅条纹最大扭曲的物理距离；

步骤S510、根据共面度误差与光栅条纹的扭曲程度对应的函数关系，计算出每一个引脚的共面度误差ei，并统计已计算的引脚数量，对应函数映射关系表示为：

$f_i\left(\mathrm{\ΔH}\right)=k\·(X_i\left(H\right)-\stackrel{\‾}{H})$

$=k\·(\frac{d_i}{\tan \left(\mathrm{\α}\right)}-\stackrel{\‾}{H}),$

$=k\·(\frac{d_i}{\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}-2\·\mathrm{\γ})}-\stackrel{\‾}{H})$

f(ΔH)＝max{f₁(ΔH)，f₂(ΔH)，......，f_N(ΔH)}-min{f₁(ΔH)，f₂(ΔH)，......，f_N(ΔH)}其中：f_i为IC第i个引脚的高度偏差，设引脚下偏移时f_i为正，引脚上偏移时f_i为负。K为理论计算值与实际值的调整系数，

为IC引脚的上端下表面与IC引脚的下端下表面的期望距离，ΔH为高度偏差，X_i为IC第i个引脚上的光栅条纹弯曲程度，d_i为IC第i个引脚上的光栅条纹的最大弯曲距离，α为IC芯片引脚下表面的投射光线与竖直方向的夹角，γ为水平投射光线在左侧第一反射镜103或右侧第一反射镜105上的入射角。认为高度偏差f_i与条纹弯曲程度X_i成正比例关系。条纹弯曲程度越大，则共面度误差就越大。并且条纹弯曲程度与最大弯曲距离、弯曲夹角有关。通过实验标定的方法确定函数关系表达式中的比例系数K(即：根据设计要求，确定

成像后获取条纹的d_i，实际测量得到投射光线夹角γ，接触式测量获取f_i，代入上述函数映射关系表达式计算K，并多次测量计算K的平均值)，f(ΔH)命名为共面度，其数值为IC芯片引脚的高度偏差的最大值与最小值之差，函数映射关系公式的具体推导过程如图6中所示。从单个IC引脚光栅条纹投影成像几何关系，可知直线条纹向弯曲条纹转变的过程。同时，弯曲条纹垂直投影平面601可形象反应条纹的弯曲成因，光栅条纹水平投射平面602的倾斜夹角为90°-γ，其大小会影响条纹的弯曲程度，其中N-N’为投射光线在左侧第一反射镜103上的法线；

步骤S511、判定IC芯片的所有引脚子图像是否全部分析完毕，若是，执行步骤S512，求出各个引脚的共面度误差的最大值e_max＝_max{e₁，e₂，...e_N*K}和最小值e_min＝_min{e₁，e₂，...e_N*K}，若否，则返步骤8，直到所有子图像分析完毕；

步骤S512、判定所测得的共面度误差的最大值e_max和最小值e_min是否在预设的共面度公差上下限范围内，若是，则判断为共面度合格，反之，为共面度不合格。

经上述步骤区分出来的共面度合格产品及共面度不合格经优劣产品分类装置304分开放置，以满足后续加工的需要。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.多级反射与光栅成像的IC芯片引脚共面度测量***，主要包括IC芯片自重斜向滑动进料机构(303)、外触发同步控制电路(302)、IC芯片引脚成像光路***(100)、图像采集卡(202)、摄像头、基于PC的智能视觉检测***(201)、光电传感器(301)，其特征在于：

所述IC芯片引脚成像光路***(100)包括左右对称的左侧光路及右侧光路，所述左侧光路包括左侧蓝光LED光源(101)、左侧透射光栅(102)、左侧第一反射镜(103)、左侧第二反射镜(113)、左侧第三反射镜(112)、和两底角为45度的等腰三棱镜(115)的左半部分，所述左侧蓝光LED光源(101)的光线由左向右平行射过左侧透射光栅(102)后，经左侧第一反射镜(103)反射后，光线倾斜地照射在IC芯片引脚的下表面；左侧第二反射镜(113)以45度角布置，使来自IC芯片引脚的漫反射光线被反射后，再次垂直向上射向以45度布置的左侧第三反射镜(112)，左侧第三反射镜(112)反射光线由左向右水平射出后，照射在三棱镜(115)的左侧，继而垂直向上地反射至摄像机；

所述右侧光路包括：右侧蓝光LED光源(107)、右侧透射光栅(106)、右侧第一反射镜(105)、右侧第二反射镜(108)、右侧第三反射镜(109)、两底角为45度的等腰三棱镜(115)的右半部分，所述右侧蓝光LED光源(107)的光线由右向左平行射过右侧透射光栅(106)，经右侧第一反射镜(103)反射后，光线倾斜地照射在IC芯片引脚的下表面；右侧第二反射镜(108)以45度角布置，使来自IC芯片引脚的漫反射光线被反射后，再次垂直向上射向以45度布置的右侧第三反射镜(112)，右侧第三反射镜(112)反射光线由右向左水平射出后，照射在三棱镜(115)的右侧，继而垂直向上地反射至摄像机；

所述摄像机包括CCD相机(110)和光学镜头(111)，垂直安装在三棱镜(115)对称中心线的正上方，该摄像机中心轴线垂直于IC芯片自重斜向滑动进料机构(303)的滑动导轨并与IC芯片引脚成像光路***(100)的中心平面重合；

所述IC芯片自重斜向滑动进料机构(303位于三棱镜(115)的正下方且该IC芯片自重斜向滑动进料机构(303)的滑动导轨中心线垂直于IC芯片引脚成像光路***(100)的中心平面；

所述光电传感器(301)垂直安装在IC芯片自重斜向滑动进料机构(303)的滑动导轨中，位于摄像机视场的左边界处，当IC芯片(114)滑过导轨穿越IC芯片引脚成像光路***(100)时，光电传感器(301)向外触发同步控制电路(302)发出位置信号，该信号经处理后，向图像采集卡(202)和左侧蓝光LED光源(101)、右侧蓝光LED光源(107)发出成像信号，光源闪亮，同时摄像机瞬间拍照，所拍照片经图形采集卡(202)传送至具有基于PC的智能视觉检测***(201)，所述基于PC的智能视觉检测***(201)用于将获取的照片进行分析处理以得到IC芯片引脚共面度。

2.根据权利要求1所述的多级反射与光栅成像的IC芯片引脚共面度测量***，其特征在于：所述左侧第一反射镜(103)、左侧第二反射镜(113)、左侧第三反射镜(112)、和两底角为45度的等腰三棱镜(115)、右侧第一反射镜(105)、右侧第二反射镜(108)、右侧第三反射镜(109)均为不锈钢，其反射面或成像表面均经过超精密磨床加而成。

3.根据权利要求2所述的多级反射与光栅成像的IC芯片引脚共面度测量***，其特征在于：所述的左侧光路和右侧光路之间设置有防止光信号互相干扰的隔光板(104)。

4.根据权利要求3所述的多级反射与光栅成像的IC芯片引脚共面度测量***，其特征在于：所述光学镜头(111)为远心镜头。

5.一种采用权利要求1-4所述的多级反射与光栅成像的IC芯片引脚共面度测量***进行共面度测量的方法，包括步骤：

步骤1、当IC芯片沿滑动导轨滑至光电传感器时，外触发同步控制电路302触发摄像机及图像采集卡抓怕滑动而下的IC芯片引脚256级灰度图像，作为IC芯片引脚原始处理数据；

步骤2、实现IC芯片两排引脚的粗定位；

步骤3、截取感兴趣区域，建立两排引脚的子图像；

步骤4、对两个子图像分别进行中值滤波，消除噪声信号；

步骤5、对两个子图像分别进行目标边缘检测，获取光栅条纹与引脚的边缘特征信号；

步骤6、采用灰度平均值作为图像的分割阈值分割图像，实现图像的二值化处理；

步骤7、对每一引脚进行精确定位，建立各个引脚的子图像；

步骤8、分析每个引脚的子图像，跟踪光栅条纹的变化，计算出每一个引脚上光栅条纹的最大扭曲的像素距离；

步骤9、根据视觉***设计的成像精度，计算光栅条纹最大扭曲的物理距离；

步骤10、根据共面度误差与光栅条纹的扭曲程度对应的函数关系，计算出每一个引脚的共面度误差ei，并统计已计算的引脚数量，对应函数映射关系表示为：

$f_i\left(\mathrm{\ΔH}\right)=k\·(X_i\left(H\right)-\stackrel{\‾}{H})$

$=k\·(\frac{d_i}{\tan \left(\mathrm{\α}\right)}-\stackrel{\‾}{H}),$

$=k\·(\frac{d_i}{\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}-2\·\mathrm{\γ})}-\stackrel{\‾}{H})$

f(ΔH)＝max{f₁(ΔH)，f₂(ΔH)，......，f_N(ΔH)}-min{f₁(ΔH)，f₂(ΔH)，......，f_N(ΔH)}，其中：f_i为IC第i个引脚的高度偏差，设引脚下偏移时f_i为正，引脚上偏移时f_i为负，K为理论计算值与实际值的调整系数，

为IC引脚的上端下表面与IC引脚的下端下表面的期望距离，ΔH为高度偏差，X_i为IC第i个引脚上的光栅条纹弯曲程度，d_i为IC第i个引脚上的光栅条纹的最大弯曲距离，α为IC芯片引脚下表面的投射光线与竖直方向的夹角，γ为水平投射光线在反射镜3或反射镜4上的入射角，f(ΔH)为共面度，其数值为IC芯片引脚的高度偏差的最大值与最小值之差；

步骤11、判定IC芯片的所有引脚子图像是否全部分析完毕，若是，执行步骤S512，求出各个引脚的共面度误差的最大值e_max＝_max{e₁，e₂，...e_N*K}和最小值e_min＝_min{e₁，e₂，...e_N*K}，若否，则返步骤8，直到所有子图像分析完毕；

步骤12、判定所测得的共面度误差的最大值e_max和最小值e_min是否在预设的共面度公差上下限范围内，若是，则判断为共面度合格，反之，为共面度不合格。

6.根据权利要求5所述的多级反射与光栅成像的IC芯片引脚共面度测量方法，其特征在于：所述摄像机在抓怕IC芯片的引脚灰度图像时，以IC芯片贴紧滑动导轨的下表面作为定位面，所述滑动导轨限制IC芯片X方向的转动，Y方向的转动，Z方向的移动。

7.根据权利要求6所述的多级反射与光栅成像的IC芯片引脚共面度测量方法，其特征在于：所述的引脚包括上翘引脚、正常引脚和下弯引脚，经过光栅成像后，上翘引脚上的光栅条纹沿顺时针方向扭曲，并与竖直方向成一定的正夹角；下弯引脚上的光栅条纹沿逆时针方向扭曲，并与竖直方向成一定的负夹角；正常引脚上的光栅条纹与竖直方向的夹角为零，并且，上翘引脚上的光栅条纹最大弯曲距离小于正常引脚的光栅条纹最大弯曲距离，所述的下弯引脚上的光栅条纹最大弯曲距离大于正常引脚的光栅条纹最大弯曲距离。

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