專利名稱：一種電子元件的接觸單元的測位方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機器視覺檢測領域和以及電子元件上接觸單元的定位測量。
背景技術：
現(xiàn)有技術中，電子元件上接觸單元的測位方法及裝置一般為采用兩個照相機成 一定的三角測量角度，分別拍攝得到第一圖像和第二圖像，從而來測定接觸單元于Z軸方 向上相對于電子設備底面的位置。上述測定的接觸單元位置的精確度受用于拍攝第一和第 二圖像的兩個照相機之間三角測量角度的影響。還有一個三角測量計算精確度的限制條 件，因為所使用的數(shù)據(jù)是從二維信息得來。另外三角測量角度的精確度也受光學畸變的影 響，非均勻照明也會造成方程式推導錯誤。因此，接觸單元的測位需要一種更加有效且不受 在校準和測量過程中不確定因素影響的三維測位方法。發(fā)明_既述本發(fā)明涉及一種測量電子元件上各個接觸單元位置的方法，該方法包括以下步 驟將所述接觸單元放入校準空間；照明所述接觸單元；通過具有與校準平面平行延伸的 第一像平面的一號照相機，拍攝記錄所述接觸單元的第一圖像；通過二號照相機拍攝記錄 所述接觸單元的第二圖像；處理所述第一圖像來測定在每個所述接觸單元上每個所述接觸 單元的第一圖像點，其中所述每個第一圖像點是指在每個所述接觸單元上的位置點；處理 所述第二圖像來測定在每個所述接觸單元上每個所述接觸單元的第二圖像點；其中每個所 述接觸單元的所述第二圖像點和所述第一圖像點對應在每個所述接觸單元上為同一點；通 過位置映射算法來測定第二圖像上的第三圖像點；以及測定在所述第二圖像上所述第二圖 像點和第三圖像點之間的位移，其中所述第三圖像點是所述第一圖像點正交投影于所述校 準平面上的點。本發(fā)明也涉及一種測量電子元件上各個接觸單元位置的裝置，該裝置包括用于 照明預先放置在標準空間中所述接觸單元的照明光源；一號照相機和二號照相機；所述一 號照相機和二號照相機分別用于拍攝記錄所述接觸單元的第一和第二圖像；一處理裝置， 該裝置與所述一號照相機和二號照相機連接，用以得到每個接觸單元在所述第一圖像上的 第一圖像點的位置和在第二圖像上第二圖像點的位置，每個所述接觸單元的所述第一圖像 點和第二圖像點對應在每個所述接觸單元上為同一點，在所述第二圖像上通過位置映射算 法得到第三圖像點的位置，所述第三圖像點由所述第一圖像點正交投影所得，以及測定所 述第二圖像點和第三圖像點的位移。還可以包括額外的三號照相機，用于補償一號照相機記錄的且二號照相機沒有記 錄的圖像點，三號照相機的增加可縮短整個檢測所需的時間。附圖簡述結(jié)合附圖閱讀以下詳細描述的說明性實施例，可以容易地清楚并完全理解本發(fā)明 的上述和其它方面、特征和優(yōu)點，所有附圖中類似特征由相同部件表示，其中圖IA和IB是本發(fā)明中照相機和照明的分布示意圖2A，2B，2C分別是通過一號、二號和三號照相機拍攝記錄的BGA元件的第一、第
二和第三圖像；圖3是一種用于校準的多層掩膜版；圖4A，4B，4C是通過一號、二號和三號照相機拍攝得到的校準用掩膜版的圖像；圖5是從第一到第二校準圖像的坐標的映射算法；圖6是本發(fā)明的測位原理。發(fā)明詳述本發(fā)明方法設計用于自動計算電子元件上接觸單元的三維位置，上述電子元件可 以為BGA(Ball Grid Array，球柵陣列)/CSP (Chip Scale Packaging，芯片規(guī)模封裝)，倒焊 芯片器件，含鉛器件(QFP小型方塊平面封裝，TSOP薄型小尺寸封裝)和無鉛器件(MLP 24 腳鑄模無鉛封裝，QFN方形扁平無引腳封裝)。本發(fā)明能夠自動計算單個器件上接觸單元組 合的三維位置，例如如

圖1所示的具有含鉛器件的BGA/CSP組合器件(1)。以圖1中顯示的這種方式，將電子元件(1)預先放置在校準空間內(nèi)，其上的接觸單 元(2)和(3)通過照明光源(7)和(8)來照明。一號照相機(4)垂直于校準平面設置，用于 拍攝如圖2A所示的元件底部的第一圖像。設置二號照相機(5)和三號照相機(6)用于拍 攝如圖2B和2C所示的電子元件的第二和第三側(cè)透視投影圖像。本發(fā)明的第一種實施例， 只需要2個照相機來測定電子元件上接觸單元的三維位置。第二圖像無法觀測到的電子元 件上接觸單元，則使用第三個照相機來拍攝其圖像。第三個照相機的使用也可以縮短整個 的圖像獲取時間。當使用第三個照相機時，分別記錄在一號和三號照相機中第一和第三圖 像上的其它接觸單元位置的測量方法和裝置與使用一號和二號照相機的方法及裝置相同。 因此，本發(fā)明實施例只描述使用第一和第二照相機進行測位的操作方法。優(yōu)選地，照相機1和2之間的定位按照圖IA和IB所示的方式，均直接朝向電子元 件設置，此外，照相機1、2和3的放置遵守以下原則整個電子元件上的所有接觸單元至少 能被2臺不同的照相機所觀測到。例如，圖IA和IB顯示了三個照相機設在不同的χ、y、ζ 坐標，由此所有的接觸單元可能處于的位置均能由至少2臺不同的照相機所觀測到。在接觸單元測位開始前需要對測量三維的接觸單元的設備進行校準。該校準是為 了獲得第一圖像中的位置Xl和相對應的第二圖像中的位置Χ3之間的關系，例如由一個圖 像點正交投影于校準平面所得。如圖3中所示的用于校準的掩模版(9)。它包括許多預先 確定的標記，這些標記可采用已精確知道其位置的方塊來表示。掩模版(9)包括用于預先 放置被測電子元件的襯底，該襯底包括多層經(jīng)處理的玻璃層，且以列陣的方式設置于玻璃 基層上。采用高精度的絲網(wǎng)印刷術將方塊印于每塊玻璃層上。所有玻璃層的厚度都是精確 已知的，同時所有精確印制的標記均能被照相機方便地檢測到。雖然未在圖中標示，但是先 前所述的校準用掩模版也可由其它類似的校準用掩模版所替代，例如從已精確定位的層面 投影、具有縱向結(jié)構的掩膜版。為了能獲得精確的校準，印于校準用掩模版上方塊的位置和尺寸都需精確至0. 1 微米。校準用掩模版橫跨的范圍和體積定義為在x、y和ζ方向上已校準的空間。因此，當校 準用掩模版在χ、y和ζ方向覆蓋了較大的空間和范圍時，測量較大的電子元件需要采用更 大的空間。在然后進行的測量過程中，接觸單元所處的平面不必完全定位于校準平面(11) 上，只要接觸單元所處的平面在所建立的校準空間之內(nèi)即可進行測量。
圖4A、4B和4C分別顯示了一號、二號和三號照相機各自拍攝的校準用掩模版的第 一、第二和第三圖像。由于單個如校準用掩模版上的方塊標記能夠被識別，因此校準過程中 可測定映射算法，可用于進一步如圖5所示的圖像之間的映射。圖4A和4B分別是一號(4) 和二號照相機(5)記錄的校準用掩模版的校準圖像。如圖4A和4B所示，校準步驟包括相 同方塊(10) (11)或者在由一號⑷和二號照相機(5)拍攝的第一圖像(圖4A)和第二圖 像(圖4B)中的類似特征(圖4A)所處位置的測定。從每個在第一和第二圖像中所測定相 對應特征的位置推導出位置映射算法。如圖5中所示，在第一圖像中點(111)的坐標，映射 至它在第二圖像中的對應點(111’)。因此，該平面(11)為校準平面，因為它表面上的標記 特征是用于將第一圖像平面上的像素映射至第二圖像。參考圖5，利用雙線性插值技術來測定任意兩個標記之間所有位置的坐標。例如 在第一圖像中Xl點的位置用dx和dy表示，參考由第一圖像上矩形陣形成的坐標(111)、 (112)、(221)和(222)。第二圖像上的X3點是第一圖像上Xl正交投影得到的點，用dx’和 dy’表示。通過測定關聯(lián)dx和dx，以及關聯(lián)dy和dy’之間的關系來得到第一圖像上第一 圖像點和第二圖像上圖像點之間的位置映射算法，其中第二圖像上圖像點是由第一圖像點 正交投影于標準平面上得到的點。例如，關聯(lián)第一圖像平面上Xl和第二圖像平面上X 3的 位置映射算法與χ-坐標關聯(lián)dx和dx’和y-坐標關聯(lián)dy和dy’相關聯(lián)。然后在測量過程 中使用位置映射算法來測定位于第二圖像平面的點，該點是第一圖像點正交投影于校準平 面所得。參考圖3，4A，4B和5，首先通過第一和第二圖像中各自的像素坐標XI，X2來測定ζ 軸比例因子，比如校準用掩模版上的方塊(10)。Χ3是通過位置映射算法得到從Xl點正交 映射于校準平面上的點。因為Χ2和Χ3的ζ向距離是已知的，由此可測定第二圖像(4Β)和 第三圖像(4C)上的ζ軸比例因子。例如，如果Χ2和Χ3的距離是10mm，他們在第二圖像上 相應的距離為25像素，那ζ軸比例因子為10mm/25像素=0. 4mm/像素。完成校準步驟后，用得到的x-y坐標位置映射算法和ζ軸比例因子來測定元件的 第一圖像和第二圖像上接觸單元的位置。另外，接觸單元的X，Y和Z軸的距離可以通過各 自的X，y和Z縮放比例因子來計算得到。因為通過校準用掩模版可精確定位，所以接觸單 元的位置測定也可精確至微米。校準操作也適用于照相機對照相機的校準，以明確一號(4) 和二號照相機(5)之間的位置關系。三號照相機和一號照相機的位置關系也可通過該方法 測定。既然用于測量的空間已經(jīng)校準，一號和二號照相機的放置也已說明，參考圖6可 幫助理解本發(fā)明的測量原理。三號照相機(6)的放置參照二號照相機相對于一號照相機的 放置。如果一個電子元件放入校準空間中，它上面的一個接觸單元的位置參照校準平面P 定為P點。一號照相機拍攝接觸單元的第一圖像同時選取第一P點。測定第一圖像上接觸 單元的第一 P點對應的第一圖像點Xl的位置。二號照相機(5)拍攝具有P點的接觸單元的第二圖像，測定P點對應的第二圖像 上的第二圖像點X2。利用位置映射算法將P點正交投影于校準平面ρ上，得到第二 P’點， 在第二圖像中，P’位置的圖像點即為第三圖像點X3。如果接觸單元P定域于校準平面P， 則X3則認為是處于預計的位置。第二圖像中X3點的位置通過位置映射算法計算得到。X2 和X3之間的位移基于這樣一個事實實際上，接觸單元通常不能準確定位在校準平面上，而是有一段需要測量的高度差ΔΖ。根據(jù)前面所述，位移Δ Z可以通過X3和X2之間的距離 (例如ΔΖ’ )和第二圖像中Z軸的比例因子之間的乘積計算所得。由于本發(fā)明是對校準空間內(nèi)的點進行測量，很顯然，本領域技術人員可利用本發(fā) 明來測量任意兩點之間的距離，只要該兩個是位于校準空間內(nèi)。本發(fā)明涉及的在校準空間內(nèi)測量元件上接觸單元之間距離和接觸單元和校準平 面之間距離的方法和系統(tǒng)，對于本領域技術人員來說是十分實用和有效的，其中所述元件 可以是設有接觸單元的集成電路。因此以上實施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的 限制，本發(fā)明的范疇和實施例由各權利要求所限定。
權利要求
1.一種電子元件上接觸單元(2，3)的測位方法，包括以下步驟將所述接觸單元(2，3)置于校準空間內(nèi)；照明所述接觸單元(2，3)；通過具有與校準平面平行延伸的第一像平面的一號照相機(4)，拍攝所述接觸單元 (2,3)的第一圖像；通過二號照相機(5)拍攝所述接觸單元的第二圖像；處理所述第一圖像來測定在每個所述接觸單元(2，3)上每個所述接觸單元(2，3)的第 一圖像點，其中，所述每個第一圖像點是位于每個所述接觸單元(2，3)上的點；處理所述第二圖像來測定在每個所述接觸單元(2，3)上每個所述接觸單元(2，3)的第 二圖像點；其中，所述每個所述接觸單元(2，3)上的第二圖像點和第一圖像點對應在每個 所述接觸單元(2，3)的同一點上；通過位置映射算法來測定第二圖像上的第三圖像點；以及測定在所述第二圖像上所述第二圖像點和第三圖像點之間的位移，其中所述第三 圖像點由所述第一圖像點正交投影于所述校準平面上得到。
2.如權利要求1所述方法，其特征在于，所述位移通過ζ軸比例因子和所述第二圖像點 和第三圖像點的坐標差的乘積得到。
3.如權利要求1所述方法，其特征在于，本發(fā)明方法還包括推導用于計算所述一號和 二號照相機(5)之間精確相對位置的所述位置映射算法。
4.如權利要求1所述方法，其特征在于，本發(fā)明方法還包括推導用于測定所述第二圖 像點和所述正交投影圖像點的位移的ζ軸比例因子。
5.如權利要求1所述方法，其特征在于，還包括測定校準空間中任意兩個點之間的位移。
6.一種用于電子元件上接觸單元(2，3)的測位裝置，包括用于照明預先放置在標準空間中所述接觸單元(2，3)的照明光源(7，8)；一號照相機(4)和二號照相機(5)；所述一號照相機(4)和二號照相機(5)分別用于拍攝所述接觸單元(2，3)的第一和第 二圖像；一處理裝置，該裝置與所述一號照相機(4)和二號照相機(5)連接，用以得到每個接 觸單元(2，3)在所述第一圖像上第一圖像點的位置和每個接觸單元(2，3)在第二圖像上第 二圖像點的位置，每個所述接觸單元(2，3)的所述第一圖像點和第二圖像點對應在每個所 述接觸單元(2，3)的同一點上，在所述第二圖像上通過位置映射算法得到第三圖像點的位 置，所述第三圖像點由所述第一圖像點正交投影所得，以及測定所述第二圖像點和第三圖 像點的位移。
7.—種如權利要求6所述用于電子元件上接觸單元(2，3)的測位裝置，其特征在于，所 述處理裝置通過ζ軸比例因子和所述第二圖像點和第三圖像點的坐標差的乘積得到所述 位移。
8.—種如權利要求6所述用于電子元件上接觸單元(2，3)的測位裝置，其特征在于，還 包括一校準用掩模版(9)，該掩模版的圖像由第一和第二照相機(4，5)拍攝得到，所述處理 裝置從校準用掩模版的圖像，推導出用于計算所述一號和二號照相機(4，5)之間精確相對位置的位置映射算法。
9.一種如權利要求8所述用于電子元件上接觸單元(2，3)的測位裝置，其特征在于，所 述校準用掩模版(9)包括其上設有經(jīng)過處理的特征標記的基層和其上設有特征標記的多 層，所述多層的厚度是精確已知的，且相對于所述基層上的特征標記是精確定位的。
10.一種如權利要求8所述用于電子元件上接觸單元(2，3)的測位裝置，其特征在于， 所述處理裝置導出用于測定所述第二圖像點和第三圖像點之間位移的ζ軸比例因子。
11.一種如權利要求7所述用于電子元件上接觸單元(2，3)的測位裝置，其特征在于， 所述處理裝置測定在所述校準空間內(nèi)任意兩點之間的位移。
12.—種如權利要求6所述用于電子元件上接觸單元(2，3)的測位裝置，其特征在于， 所述測位裝置還包括與所述處理裝置相連的三號照相機(6)，該照相機用于拍攝所述接觸 單元的第三圖像，所述第三圖像具有第四圖像點和第五圖像點，其中所述第五圖像點是所 述第一圖像點正交投影所得的點且不位于所述第二圖像中，同時，所述處理裝置測定所述 第四圖像點和所述第五圖像點之間的位移。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用x，y和z三維的比例因子對電子元件上接觸單元(2，3)進行測位的方法及裝置。在校準過程中測定比例因子，同時該校準過程也確立系統(tǒng)中照相機與照相機之間的位置關系。校準操作先定位一號照相機(4)拍攝的圖像點，通過該圖像點對應得到二號和三號照相機(5，6)拍攝的圖像點，由此獲得第一圖像點和第二圖像點的位移，進而確定不同接觸單元之間的高度差。
文檔編號G01B11/00GK102099653SQ200980127848
公開日2011年6月15日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權日2008年7月21日
發(fā)明者游振忠, 羅智杰, 黃禎立 申請人:偉特機構有限公司