基于机器视觉的SMT钢网缺陷检测技术研究

河北工业大学硕士学位论文基于机器视觉的SMT钢网缺陷检测技术研究姓名：郭丽华申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：李铁军20081101河北工业大学硕士学位论文i基于机器视觉的SMT钢网缺陷检测技术研究摘要随着电子制造业的快速发展，印刷电路板上元器件的安装已普遍采用表面贴片安装技术（SMT）。焊膏印刷作为SMT技术中的首道工序是保证SMT产品质量的关键步骤，直接影响着后续的贴片、再流焊、清洗等工序，因此SMT印刷钢网的质量直接决定着印刷电路板的品质。随着印刷电路板集成度的不断提高，表面贴装元器件体积的越来越小，SMT钢网开孔密度也越来越大，传统的人工目测手段已经不能满足钢网检测要求。而随着现代制造技术，图像处理技术的发展，使得基于机器视觉的缺陷检测技术应用日益广泛。因此，本文基于机器视觉技术对SMT钢网缺陷检测技术进行了深入研究，其主要研究内容如下：本文分析了国内外视觉检测技术的现状和发展趋势，并对视觉检测系统的工作原理进行了研究，确定了基于视觉的SMT钢网缺陷检测系统的具体方案。由于SMT钢网开口尺寸非常小，对其检测属于精密检测，课题采用高分辨率的扫描仪来获得待检测图像，因此要实现检测软件与扫描仪的接口之间的通讯。对SMT钢网的灰度图像进行了分析，并采用一种基于灰度变换的阈值迭代法对钢网图像进行二值化处理。在钢网标准图像和待检测图像的配准方法上，本文采用基于模板匹配的配准方法，实现了高精度的图像配准，检测精度可达到0.1mm。利用参考比较法对SMT钢网的孔位偏移、孔径过大、孔径太小、多孔和少孔等缺陷进行识别并标记在钢网图像相应的位置上，为后续的修复工作奠定了基础。本文以Labview8.2为开发平台，设计了钢网缺陷检测的软件系统，并通过实验验证了其检测性能，本文所讨论的方法对常见缺陷的识别能得到较为满意的结果，达到了预定的效果，具有较好的应用价值。关键词：机器视觉，模板匹配，图像配准，缺陷检测，参考比较法基于机器视觉的SMT钢网缺陷检测技术研究iiRESEARCHOFSMTSTENCILDEFECTINSPECTIONSYSTEMBASEDONTHECOMPUTERVISIONABSTRACTAsthedevelopmentofelectronicmanufacturingindustry,theinstallationofthecomponentsontheprintedcircuitboardhasgenerallyadoptedthesurfacemountedtechnology.Solderpasteprinting,asthefirstSMTprocesses,isthemostimportantandcriticalsteptoensureproductquality.Ithasadirectimpactonthefollow-upStepsuchasthepatch,reflow,cleaningprocess.Therefore,SMTstencilprintingdirectlydeterminesthequalityoftheprintedcircuitboardquality.Withtheintegratedlevelandthedensityoftheprintedcircuitboardcontinuousincreasing,thesizeoftheSMDisgettingsmallerandsmaller,SMTstencilopeningsincreasingdensity.Traditionaldetectiontechnologycannolongermeettherequirements.Withthedevelopmentofmodernmanufacturingtechnology,imageprocessingtechnologies,Machinevisiondetectiontechnologyhasbeenmorewidelyused.ThepaperhasstudiedtheSMTstencildetectionSystembasedonthemachinevision,themaincontentsofthestudyareasfollows:ThisthesisanalyzesthestatusanddevelopmenttrendsofVisionexaminationtechnologyintheworld,andstudiesworkingprincipleofdetectionsystem.AndthewholestructureplanofSMTstencildefectdetectionSystemisdrownupinthispaper.DuetoapertureofSMTstencilisverysmall,thestencildefectdetectionbelongstotheprecisiondetection.Theimageswillbeobtainedbyhigh-resolutionscanners,soweneedtoachievetheCommunicationinterfacebetweenthescannersanddefectdetectionsoftware.ThepaperhasanalyzedSMTstencilimage,andusedathresholdmethodbasedongrayscaletransformationbringinggrayscaleimageintobinaryimage.Thepaperhasusingimagematchingmethodwhichbasedontemplatematchingmethodtoachieveahighprecision,andthedetectionaccuracycanupto0.1mm.Thethesisrecognizeshole-migration,thesizeistoolargeortoosmall,lessholes,ExtraholeandetcdefectswithreferencebasedinspectionMethod,andearmarkstheirpositionsonSMTstencil,whichcontributetothefollowingrepairwork.TheSMTStencilDefectsInspectionSystemhasbeendesignedbasedonLabview8.2,anditsinspectionabilityhasbeenvalidatedthroughexperiment,severalimageshavebeentestedusingthissystem.Theresultsshowthatitcanrecognizethefaultseffectively.KEYWORDS:machinevision，patternmatching，imageregistration，defectsinspection，referencebasedmethod原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1课题的背景及研究意义1-1-1SMT技术简介随着IC产业的不断发展和生产技术的不断提高，人们对电子设备提出了更新、更高的要求，如功能多、体积小、便于携带，因此印刷电路板必须小型化、甚至微型化。目前，印刷电路板的设计、加工水平已达到0.10～0.12mm（线条宽度和间距），层数已经达到46层（富士公司）甚至更多，可以说印刷电路板的技术和复杂性己经达到一个相当高的水平。为实现这个目标，PCB元器件必须是表面贴装元件（SMC）和表面贴装器件（SMD），SMC/SMD与PCB的连接就必须采用表面贴装技术[1]。表面组装技术（SMT，SurfaceMountTechnology）亦称表面贴装技术或表面安装技术，是无需对电路板钻插装孔，直接将无引脚或断引线的表面贴装元器件（SMC/SMD）焊到印制电路板表面规定位置上的电路装联技术[2]。具体地说，就是首先在印制板电路盘上涂布焊锡膏，再将表面贴装元器件准确地放到涂有焊锡膏的焊盘上，通过加热印制电路板直至焊锡膏熔化，冷却后便实现了元器与印制板之间的互联。由于各种片式元器件的几何尺寸和占空间体积比插装元器件小得多，这种组装形式具有结构紧凑、体积小、耐振动、抗冲击、高频特性好和生产效率高等优点[3,4]。下面是表面贴装工艺的主要步骤：丝印（或点胶）--贴装–固化–回流焊接–清洗–检测–返修丝印：其作用是将焊膏或贴片胶漏印到PCB的焊盘上，为元器件的焊接做准备。点胶：它是将胶水滴到PCB的的固定位置上，其主要作用是将元器件固定到PCB板上。贴装：其作用是将表面组装元器件准确安装到PCB的固定位置上。固化：其作用是将贴片胶融化，从而使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起。回流焊接：其作用是将焊膏融化，使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起。清洗：其作用是将组装好的PCB板上面的对人体有害的焊接残留物除去。检测：其作用是对组装好的PCB板进行焊接质量和装配质量的检测。返修：其作用是对检测出现故障的PCB板进行返工。其中关键的几个步骤如图1.1所示：图1.1SMT基本工艺[5]Fig.1.1SMTbasicprocess基于机器视觉的SMT钢网缺陷检测技术研究2随着贴片元件越来越小，SMT的产品组件之间的间隔也变得越来越小，出现的缺陷也就越来越多。在PCB生产线上，故障分布大约是：焊接缺陷占75%以上，包括桥接、虚焊、焊料球、立碑、焊锡不足、焊锡过多等；元器件错误占8%-10%，包括极性反、漏放、位置错误、元件错误等，剩下不到10%为元器件电气参数不合格。并且，据相关资料和生产实践证明，在SMT工艺中高精度的且带有视觉检测系统的贴片机以及红外线回流焊并不是影响SMT产品质量的主要因素，PCB上所出现的产品质量缺陷60%～90%是源于丝印焊膏，焊膏印刷作为SMT的第一道工序，它影响着后续的贴片、再流焊、清洗、测试等工艺，并直接决定着产品的可靠性。故丝网印刷是SMT工艺中重要的、关键的环节[6]。它采用已经制好SMT的钢网（又称模板），用一定的方法使钢网和印制板直接接触，当刮刀以一定的速度和角度在模板上向前推进时，使焊膏在钢网上均匀流动，挤压锡膏使其注入钢网孔。当钢网脱开印制板时，焊膏就从钢网孔脱落到电路板的相应的焊盘图形上，从而完成了焊膏在印制板上的印刷，如图1.2所示为焊膏印刷原理图。图1.2焊膏印刷原理[6]Fig.1.2Solderpasteprintingprinciple而在表面安装技术（SMT）中，特别在设备调研、选型阶段，工程技术人员往往把较多的精力集中在贴片机、红外线再流焊接设备、在线检测设备以及SMT维修工作站或手动维修工作台的选择上，而很少关注丝网印刷。大多数人把SMT中的丝网印刷