专利名称：一种电子元件的接触单元的测位方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器视觉检测领域和以及电子元件上接触单元的定位测量。
背景技术：
现有技术中，电子元件上接触单元的测位方法及装置一般为采用两个照相机成 一定的三角测量角度，分别拍摄得到第一图像和第二图像，从而来测定接触单元于Z轴方 向上相对于电子设备底面的位置。上述测定的接触单元位置的精确度受用于拍摄第一和第 二图像的两个照相机之间三角测量角度的影响。还有一个三角测量计算精确度的限制条 件，因为所使用的数据是从二维信息得来。另外三角测量角度的精确度也受光学畸变的影 响，非均勻照明也会造成方程式推导错误。因此，接触单元的测位需要一种更加有效且不受 在校准和测量过程中不确定因素影响的三维测位方法。发明_既述本发明涉及一种测量电子元件上各个接触单元位置的方法，该方法包括以下步 骤将所述接触单元放入校准空间；照明所述接触单元；通过具有与校准平面平行延伸的 第一像平面的一号照相机，拍摄记录所述接触单元的第一图像；通过二号照相机拍摄记录 所述接触单元的第二图像；处理所述第一图像来测定在每个所述接触单元上每个所述接触 单元的第一图像点，其中所述每个第一图像点是指在每个所述接触单元上的位置点；处理 所述第二图像来测定在每个所述接触单元上每个所述接触单元的第二图像点；其中每个所 述接触单元的所述第二图像点和所述第一图像点对应在每个所述接触单元上为同一点；通 过位置映射算法来测定第二图像上的第三图像点；以及测定在所述第二图像上所述第二图 像点和第三图像点之间的位移，其中所述第三图像点是所述第一图像点正交投影于所述校 准平面上的点。本发明也涉及一种测量电子元件上各个接触单元位置的装置，该装置包括用于 照明预先放置在标准空间中所述接触单元的照明光源；一号照相机和二号照相机；所述一 号照相机和二号照相机分别用于拍摄记录所述接触单元的第一和第二图像；一处理装置， 该装置与所述一号照相机和二号照相机连接，用以得到每个接触单元在所述第一图像上的 第一图像点的位置和在第二图像上第二图像点的位置，每个所述接触单元的所述第一图像 点和第二图像点对应在每个所述接触单元上为同一点，在所述第二图像上通过位置映射算 法得到第三图像点的位置，所述第三图像点由所述第一图像点正交投影所得，以及测定所 述第二图像点和第三图像点的位移。还可以包括额外的三号照相机，用于补偿一号照相机记录的且二号照相机没有记 录的图像点，三号照相机的增加可缩短整个检测所需的时间。附图简述结合附图阅读以下详细描述的说明性实施例，可以容易地清楚并完全理解本发明 的上述和其它方面、特征和优点，所有附图中类似特征由相同部件表示，其中图IA和IB是本发明中照相机和照明的分布示意图2A，2B，2C分别是通过一号、二号和三号照相机拍摄记录的BGA元件的第一、第
二和第三图像；图3是一种用于校准的多层掩膜版；图4A，4B，4C是通过一号、二号和三号照相机拍摄得到的校准用掩膜版的图像；图5是从第一到第二校准图像的坐标的映射算法；图6是本发明的测位原理。发明详述本发明方法设计用于自动计算电子元件上接触单元的三维位置，上述电子元件可 以为BGA(Ball Grid Array，球栅阵列)/CSP (Chip Scale Packaging，芯片规模封装)，倒焊 芯片器件，含铅器件(QFP小型方块平面封装，TSOP薄型小尺寸封装)和无铅器件(MLP 24 脚铸模无铅封装，QFN方形扁平无引脚封装)。本发明能够自动计算单个器件上接触单元组 合的三维位置，例如如
图1所示的具有含铅器件的BGA/CSP组合器件(1)。以图1中显示的这种方式，将电子元件(1)预先放置在校准空间内，其上的接触单 元(2)和(3)通过照明光源(7)和(8)来照明。一号照相机(4)垂直于校准平面设置，用于 拍摄如图2A所示的元件底部的第一图像。设置二号照相机(5)和三号照相机(6)用于拍 摄如图2B和2C所示的电子元件的第二和第三侧透视投影图像。本发明的第一种实施例， 只需要2个照相机来测定电子元件上接触单元的三维位置。第二图像无法观测到的电子元 件上接触单元，则使用第三个照相机来拍摄其图像。第三个照相机的使用也可以缩短整个 的图像获取时间。当使用第三个照相机时，分别记录在一号和三号照相机中第一和第三图 像上的其它接触单元位置的测量方法和装置与使用一号和二号照相机的方法及装置相同。 因此，本发明实施例只描述使用第一和第二照相机进行测位的操作方法。优选地，照相机1和2之间的定位按照图IA和IB所示的方式，均直接朝向电子元 件设置，此外，照相机1、2和3的放置遵守以下原则整个电子元件上的所有接触单元至少 能被2台不同的照相机所观测到。例如，图IA和IB显示了三个照相机设在不同的χ、y、ζ 坐标，由此所有的接触单元可能处于的位置均能由至少2台不同的照相机所观测到。在接触单元测位开始前需要对测量三维的接触单元的设备进行校准。该校准是为 了获得第一图像中的位置Xl和相对应的第二图像中的位置Χ3之间的关系，例如由一个图 像点正交投影于校准平面所得。如图3中所示的用于校准的掩模版(9)。它包括许多预先 确定的标记，这些标记可采用已精确知道其位置的方块来表示。掩模版(9)包括用于预先 放置被测电子元件的衬底，该衬底包括多层经处理的玻璃层，且以列阵的方式设置于玻璃 基层上。采用高精度的丝网印刷术将方块印于每块玻璃层上。所有玻璃层的厚度都是精确 已知的，同时所有精确印制的标记均能被照相机方便地检测到。虽然未在图中标示，但是先 前所述的校准用掩模版也可由其它类似的校准用掩模版所替代，例如从已精确定位的层面 投影、具有纵向结构的掩膜版。为了能获得精确的校准，印于校准用掩模版上方块的位置和尺寸都需精确至0. 1 微米。校准用掩模版横跨的范围和体积定义为在x、y和ζ方向上已校准的空间。因此，当校 准用掩模版在χ、y和ζ方向覆盖了较大的空间和范围时，测量较大的电子元件需要采用更 大的空间。在然后进行的测量过程中，接触单元所处的平面不必完全定位于校准平面(11) 上，只要接触单元所处的平面在所建立的校准空间之内即可进行测量。
图4A、4B和4C分别显示了一号、二号和三号照相机各自拍摄的校准用掩模版的第 一、第二和第三图像。由于单个如校准用掩模版上的方块标记能够被识别，因此校准过程中 可测定映射算法，可用于进一步如图5所示的图像之间的映射。图4A和4B分别是一号(4) 和二号照相机(5)记录的校准用掩模版的校准图像。如图4A和4B所示，校准步骤包括相 同方块(10) (11)或者在由一号⑷和二号照相机(5)拍摄的第一图像(图4A)和第二图 像(图4B)中的类似特征(图4A)所处位置的测定。从每个在第一和第二图像中所测定相 对应特征的位置推导出位置映射算法。如图5中所示，在第一图像中点(111)的坐标，映射 至它在第二图像中的对应点(111’)。因此，该平面(11)为校准平面，因为它表面上的标记 特征是用于将第一图像平面上的像素映射至第二图像。参考图5，利用双线性插值技术来测定任意两个标记之间所有位置的坐标。例如 在第一图像中Xl点的位置用dx和dy表示，参考由第一图像上矩形阵形成的坐标(111)、 (112)、(221)和(222)。第二图像上的X3点是第一图像上Xl正交投影得到的点，用dx’和 dy’表示。通过测定关联dx和dx，以及关联dy和dy’之间的关系来得到第一图像上第一 图像点和第二图像上图像点之间的位置映射算法，其中第二图像上图像点是由第一图像点 正交投影于标准平面上得到的点。例如，关联第一图像平面上Xl和第二图像平面上X 3的 位置映射算法与χ-坐标关联dx和dx’和y-坐标关联dy和dy’相关联。然后在测量过程 中使用位置映射算法来测定位于第二图像平面的点，该点是第一图像点正交投影于校准平 面所得。参考图3，4A，4B和5，首先通过第一和第二图像中各自的像素坐标XI，X2来测定ζ 轴比例因子，比如校准用掩模版上的方块(10)。Χ3是通过位置映射算法得到从Xl点正交 映射于校准平面上的点。因为Χ2和Χ3的ζ向距离是已知的，由此可测定第二图像(4Β)和 第三图像(4C)上的ζ轴比例因子。例如，如果Χ2和Χ3的距离是10mm，他们在第二图像上 相应的距离为25像素，那ζ轴比例因子为10mm/25像素=0. 4mm/像素。完成校准步骤后，用得到的x-y坐标位置映射算法和ζ轴比例因子来测定元件的 第一图像和第二图像上接触单元的位置。另外，接触单元的X，Y和Z轴的距离可以通过各 自的X，y和Z缩放比例因子来计算得到。因为通过校准用掩模版可精确定位，所以接触单 元的位置测定也可精确至微米。校准操作也适用于照相机对照相机的校准，以明确一号(4) 和二号照相机(5)之间的位置关系。三号照相机和一号照相机的位置关系也可通过该方法 测定。既然用于测量的空间已经校准，一号和二号照相机的放置也已说明，参考图6可 帮助理解本发明的测量原理。三号照相机(6)的放置参照二号照相机相对于一号照相机的 放置。如果一个电子元件放入校准空间中，它上面的一个接触单元的位置参照校准平面P 定为P点。一号照相机拍摄接触单元的第一图像同时选取第一P点。测定第一图像上接触 单元的第一 P点对应的第一图像点Xl的位置。二号照相机(5)拍摄具有P点的接触单元的第二图像，测定P点对应的第二图像 上的第二图像点X2。利用位置映射算法将P点正交投影于校准平面ρ上，得到第二 P’点， 在第二图像中，P’位置的图像点即为第三图像点X3。如果接触单元P定域于校准平面P， 则X3则认为是处于预计的位置。第二图像中X3点的位置通过位置映射算法计算得到。X2 和X3之间的位移基于这样一个事实实际上，接触单元通常不能准确定位在校准平面上，而是有一段需要测量的高度差ΔΖ。根据前面所述，位移Δ Z可以通过X3和X2之间的距离 (例如ΔΖ’ )和第二图像中Z轴的比例因子之间的乘积计算所得。由于本发明是对校准空间内的点进行测量，很显然，本领域技术人员可利用本发 明来测量任意两点之间的距离，只要该两个是位于校准空间内。本发明涉及的在校准空间内测量元件上接触单元之间距离和接触单元和校准平 面之间距离的方法和系统，对于本领域技术人员来说是十分实用和有效的，其中所述元件 可以是设有接触单元的集成电路。因此以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的 限制，本发明的范畴和实施例由各权利要求所限定。
权利要求
1.一种电子元件上接触单元(2，3)的测位方法，包括以下步骤将所述接触单元(2，3)置于校准空间内；照明所述接触单元(2，3)；通过具有与校准平面平行延伸的第一像平面的一号照相机(4)，拍摄所述接触单元 (2,3)的第一图像；通过二号照相机(5)拍摄所述接触单元的第二图像；处理所述第一图像来测定在每个所述接触单元(2，3)上每个所述接触单元(2，3)的第 一图像点，其中，所述每个第一图像点是位于每个所述接触单元(2，3)上的点；处理所述第二图像来测定在每个所述接触单元(2，3)上每个所述接触单元(2，3)的第 二图像点；其中，所述每个所述接触单元(2，3)上的第二图像点和第一图像点对应在每个 所述接触单元(2，3)的同一点上；通过位置映射算法来测定第二图像上的第三图像点；以及测定在所述第二图像上所述第二图像点和第三图像点之间的位移，其中所述第三 图像点由所述第一图像点正交投影于所述校准平面上得到。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述位移通过ζ轴比例因子和所述第二图像点 和第三图像点的坐标差的乘积得到。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，本发明方法还包括推导用于计算所述一号和 二号照相机(5)之间精确相对位置的所述位置映射算法。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，本发明方法还包括推导用于测定所述第二图 像点和所述正交投影图像点的位移的ζ轴比例因子。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，还包括测定校准空间中任意两个点之间的位移。
6.一种用于电子元件上接触单元(2，3)的测位装置，包括用于照明预先放置在标准空间中所述接触单元(2，3)的照明光源(7，8)；一号照相机(4)和二号照相机(5)；所述一号照相机(4)和二号照相机(5)分别用于拍摄所述接触单元(2，3)的第一和第 二图像；一处理装置，该装置与所述一号照相机(4)和二号照相机(5)连接，用以得到每个接 触单元(2，3)在所述第一图像上第一图像点的位置和每个接触单元(2，3)在第二图像上第 二图像点的位置，每个所述接触单元(2，3)的所述第一图像点和第二图像点对应在每个所 述接触单元(2，3)的同一点上，在所述第二图像上通过位置映射算法得到第三图像点的位 置，所述第三图像点由所述第一图像点正交投影所得，以及测定所述第二图像点和第三图 像点的位移。
7.—种如权利要求6所述用于电子元件上接触单元(2，3)的测位装置，其特征在于，所 述处理装置通过ζ轴比例因子和所述第二图像点和第三图像点的坐标差的乘积得到所述 位移。
8.—种如权利要求6所述用于电子元件上接触单元(2，3)的测位装置，其特征在于，还 包括一校准用掩模版(9)，该掩模版的图像由第一和第二照相机(4，5)拍摄得到，所述处理 装置从校准用掩模版的图像，推导出用于计算所述一号和二号照相机(4，5)之间精确相对位置的位置映射算法。
9.一种如权利要求8所述用于电子元件上接触单元(2，3)的测位装置，其特征在于，所 述校准用掩模版(9)包括其上设有经过处理的特征标记的基层和其上设有特征标记的多 层，所述多层的厚度是精确已知的，且相对于所述基层上的特征标记是精确定位的。
10.一种如权利要求8所述用于电子元件上接触单元(2，3)的测位装置，其特征在于， 所述处理装置导出用于测定所述第二图像点和第三图像点之间位移的ζ轴比例因子。
11.一种如权利要求7所述用于电子元件上接触单元(2，3)的测位装置，其特征在于， 所述处理装置测定在所述校准空间内任意两点之间的位移。
12.—种如权利要求6所述用于电子元件上接触单元(2，3)的测位装置，其特征在于， 所述测位装置还包括与所述处理装置相连的三号照相机(6)，该照相机用于拍摄所述接触 单元的第三图像，所述第三图像具有第四图像点和第五图像点，其中所述第五图像点是所 述第一图像点正交投影所得的点且不位于所述第二图像中，同时，所述处理装置测定所述 第四图像点和所述第五图像点之间的位移。
全文摘要
本发明涉及一种利用x，y和z三维的比例因子对电子元件上接触单元(2，3)进行测位的方法及装置。在校准过程中测定比例因子，同时该校准过程也确立系统中照相机与照相机之间的位置关系。校准操作先定位一号照相机(4)拍摄的图像点，通过该图像点对应得到二号和三号照相机(5，6)拍摄的图像点，由此获得第一图像点和第二图像点的位移，进而确定不同接触单元之间的高度差。
文档编号G01B11/00GK102099653SQ200980127848
公开日2011年6月15日 申请日期2009年6月26日 优先权日2008年7月21日
发明者游振忠, 罗智杰, 黄祯立 申请人:伟特机构有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
