一种芯片热压力检测方法、系统及热压封装控制系统.pdf

本发明公开了一种芯片热压力检测方法，包括以下步骤：(1)采集热压后芯片的圆形凸点在天线上造成的圆环形压痕图像；(2)在压痕图像中提取圆环形压痕的轮廓和圆心点；(3)将轮廓沿周向均匀划分为多个圆弧段；(4)求取各圆弧段的宽度；(5)对各圆弧段的宽度加权求和得到压痕宽度。本发明还提供了基于上述方法的热压力检测系统和芯片热压封装控制系统，根据检测出的压痕宽度与目标压痕宽度之间的偏差产生相应的压力控制指令，以调节热压头装置对芯片的热压力。本发明通过压痕宽度表征压力大小，根据压痕宽度偏差调整气压大小，从而保证压力一致，提高了热压精度和成品性能。

权利要求书1.  一种芯片热压力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集热压后芯片的圆形凸点在天线上造成的圆环形压痕图像；(2)在压痕图像中提取圆环形压痕的轮廓；(3)将轮廓沿周向均匀划分为多个圆弧段；(4)求取各圆弧段的宽度；(5)对各圆弧段的宽度加权求和得到压痕宽度式中，ni表示构成第i个圆弧段的像素点个数，M表示构成轮廓的像素点个数，N表示圆弧段的个数，hi表示第i个圆弧段的宽度；(6)依据压痕宽度，结合预先标定的压痕宽度与热压力关系，换算得到热压力。2.  根据权利要求1所述的芯片热压力检测方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：在压痕图像中提取圆环形压痕的边缘点集A和圆心点O1；将点集A中的点相对于圆心点O1做极坐标变换得到在极坐标系r-θ下的点集B，计算点集B中所有点的r坐标的平均值将点集B中r坐标与平均值之差的绝对值大于预定阈值Y的点进行剔除；所述步骤(3)具体为：将θ坐标均分为N个区域，统计点集B中的点在各区域的分布，得到表示构成N个圆弧段的N个点子集B1,B2…BN；所述步骤(4)具体为：第i个圆弧段的宽度第i个圆弧段的外轮廓到圆心点的距离为第i个点子集Bi中的外轮廓点到圆心点距离的平均值，第i个圆弧段的内轮廓到圆心点的距离为第i个点子集Bi中的内轮廓点到圆心点距离的平均值；所述步骤(5)中，所述构成第i个圆弧段的像素点个数ni为第i个点子集Bi中点的个数，构成轮廓的像素点个数M为完成剔除处理后点集B中点的 个数。3.  一种芯片热压力检测系统，其特征在于，包括：XY运动平台，用于执行平面X与Y方向的直线运动；背光光源，固定于XY运动平台上，用于为压痕图像采集提供光源；图像采集装置，固定于XY运动平台上，用于采集热压后芯片的圆形凸点在天线上造成的圆环形压痕图像；压痕检测单元，其输入端连接图像采集装置的输出端，包括：轮廓提取模块，用于在压痕图像中提取圆环形压痕的轮廓和圆心点；轮廓划分模块，用于将轮廓沿周向均匀划分为多个圆弧段；圆弧段宽度计算模块，用于求取各圆弧段的宽度；压痕宽度计算模块，用于对各圆弧段的宽度加权求和得到压痕宽度式中，ni表示构成第i个圆弧段的像素点个数，M表示构成轮廓的像素点个数，N表示圆弧段的个数，hi表示第i个圆弧段的宽度；热压力换算模块，用于依据压痕宽度，结合预先标定的压痕宽度与热压力关系，换算得到热压力。4.  根据权利要求3所述的芯片热压力检测系统，其特征在于，所述轮廓提取模块包括提取子模块和干扰点剔除子模块；提取子模块用于在压痕图像中提取圆环形压痕的边缘点集A和圆心点O1；干扰点剔除子模块用于将点集A中的点相对于圆心点O1做极坐标变换得到在极坐标系r-θ下的点集B，计算点集B中所有点的r坐标的平均值将点集B中r坐标与平均值之差的绝对值大于预定阈值Y的点进行剔除；所述轮廓划分模块包括区域划分子模块和分布统计子模块，区域划分子模块用于将θ坐标均分为N个区域，分布统计子模块用于统计点集B中的点在各区域的分布，得到表示构成N个圆弧段的N个点子集B1,B2…BN；所述圆弧段宽度计算模块，用于计算第i个圆弧段的宽度第i个圆弧段的外轮廓到圆心点的距离为第i个点子集Bi中的外轮廓点到圆心点距离的平均值，第i个圆弧段的内轮廓到圆心点的距离为第i个点子集Bi中的内轮廓点到圆心点距离的平均值；所述压痕宽度计算模块，用于对各圆弧段的宽度加权求和得到压痕宽度其中，构成第i个圆弧段的像素点个数ni为第i个点子集Bi中点的个数，构成轮廓的像素点个数M为完成剔除处理后点集B中点的个数。5.  一种芯片热压封装控制系统，其特征在于，包括：XY运动平台，用于执行平面X与Y方向的直线运动；背光光源，固定于XY运动平台上，用于为压痕图像采集提供光源；图像采集装置，固定于XY运动平台上，用于采集热压后芯片的圆形凸点在天线上造成的圆环形压痕图像；压痕检测单元，其输入端连接图像采集装置的输出端，用于从圆环形压痕图像中检测出压痕宽度；压痕评估单元，用于计算检测出的压痕宽度与目标压痕宽度之间的偏差；热压控制系统，用于依据压痕偏差产生相应的压力控制指令，以调节热压头装置对芯片的热压力；热压头装置，用于执行对芯片的热压；所述压痕检测单元包括：轮廓提取模块，用于在压痕图像中提取圆环形压痕的轮廓和圆心点；轮廓划分模块，用于将轮廓沿周向均匀划分为多个圆弧段；圆弧段宽度计算模块，用于求取各圆弧段的宽度；压痕宽度计算模块，用于对各圆弧段的宽度加权求和得到压痕宽度式中，ni表示构成第i个圆弧段的像素点个数，M表示构成轮廓的像素点个数，N表示圆弧段的个数，hi表示第i个圆弧段的宽度。6.  根据权利要求5所述的芯片热压封装控制系统，其特征在于，所述轮廓提取模块包括提取子模块和干扰点剔除子模块；提取子模块用于在压痕图像中提取圆环形压痕的边缘点集A和圆心点O1；干扰点剔除子模块用于将点集A中的点相对于圆心点O1做极坐标变换得到在极坐标系r-θ下的点集B，计算点集B中所有点的r坐标的平均值将点集B中r坐标与平均值之差的绝对值大于预定阈值Y的点进行剔除；所述轮廓划分模块包括区域划分子模块和分布统计子模块，区域划分子模块用于将θ坐标均分为N个区域，分布统计子模块用于统计点集B中的点在各区域的分布，得到表示构成N个圆弧段的N个点子集B1,B2…BN；所述圆弧段宽度计算模块，用于计算第i个圆弧段的宽度第i个圆弧段的外轮廓到圆心点的距离为第i个点子集Bi中的外轮廓点到圆心点距离的平均值，第i个圆弧段的内轮廓到圆心点的距离为第i个点子集Bi中的内轮廓点到圆心点距离的平均值；所述压痕宽度计算模块，用于对各圆弧段的宽度加权求和得到压痕宽度其中，构成第i个圆弧段的像素点个数ni为第i个点子集Bi中点的个数，构成轮廓的像素点个数M为完成剔除处理后点集B中点的个数。7.  根据权利要求5或6所述的芯片热压封装控制系统，其特征在于，还包括工作面平行度评估模块，用于计算两个压痕间的高度差Δgmn＝γ(Hm-Hn)，若Δgmn大于预定值，则判定工作面需要进行平行度调整；式中，Hm、Hn分别表示第m个与第n个压痕的宽度，γ表示压痕宽度与热压工作面平行度之间的比例系数。

说明书一种芯片热压力检测方法、系统及热压封装控制系统
技术领域
本发明属于电子封装技术领域，涉及一种芯片热压力检测方法、系统及热压封装控制系统。
背景技术
热压工艺是RFID标签封装工艺的重要一环，热压系统的功能是通过温度与压力实现芯片与基板的可靠连接，热压效果直接影响到成品的性能参数。适宜的温度与压力可以确保封装质量，提高成品的性能。
目前适于用RFID标签封装设备的热压系统，大部分都实现了热压温度闭环控制，但是对于热压压力的控制一般采用开环或半闭环的方式。公开号为CN 202695395 U的中国专利提出一种用于RFID标签封装热压装置，该装置使用恒压气缸作用于加热头上，该方案仅保证了作用于加热头上的压力保持恒定，无法保证加热头作用于芯片上的压力保持恒定，由此导致热压控制精度不高，所生产的产品一致性差，良率低下的问题。
发明内容
针对现有的用于RFID标签封装设备的热压系统无法实现热压压力稳定的缺陷，本发明提出一种芯片热压力检测方法、系统及热压封装控制系统，其目的在于，通过压痕宽度表征压力大小，根据压痕宽度偏差调整气压大小，从而保证压力一致，提高了热压精度和成品性能。
一种芯片热压力检测方法，包括以下步骤：
(1)采集热压后芯片的圆形凸点在天线上造成的圆环形压痕图像；
(2)在压痕图像中提取圆环形压痕的轮廓；
(3)将轮廓沿周向均匀划分为多个圆弧段；
(4)求取各圆弧段的宽度；
(5)对各圆弧段的宽度加权求和得到压痕宽度式中，ni表示构成第i个圆弧段的像素点个数，M表示构成轮廓的像素点个数，N表示圆弧段的个数，hi表示第i个圆弧段的宽度；
(6)依据压痕宽度，结合预先标定的压痕宽度与热压力关系，换算得到热压力。
进一步地，所述步骤(2)具体为：在压痕图像中提取圆环形压痕的边缘点集A和圆心点O1；将点集A中的点相对于圆心点O1做极坐标变换得到在极坐标系r-θ下的点集B，计算点集B中所有点的r坐标的平均值将点集B中r坐标与平均值之差的绝对值大于预定阈值Y的点进行剔除；
所述步骤(3)具体为：将θ坐标均分为N个区域，统计点集B中的点在各区域的分布，得到表示构成N个圆弧段的N个点子集B1,B2…BN；
所述步骤(4)具体为：第i个圆弧段的宽度第i个圆弧段的外轮廓到圆心点的距离为第i个点子集Bi中的外轮廓点到圆心点距离的平均值，第i个圆弧段的内轮廓到圆心点的距离为第i个点子集Bi中的内轮廓点到圆心点距离的平均值；
所述步骤(5)中，所述构成第i个圆弧段的像素点个数ni为第i个点子集Bi中点的个数，构成轮廓的像素点个数M为完成剔除处理后点集B中点的个数。
一种芯片热压力检测系统，包括：
XY运动平台，用于执行平面X与Y方向的直线运动；
背光光源，固定于XY运动平台上，用于为压痕图像采集提供光源；
图像采集装置，固定于XY运动平台上，用于采集热压后芯片的圆形凸点在天线上造成的圆环形压痕图像；
压痕检测单元，其输入端连接图像采集装置的输出端，包括：
轮廓提取模块，用于在压痕图像中提取圆环形压痕的轮廓和圆心点；
轮廓划分模块，用于将轮廓沿周向均匀划分为多个圆弧段；
圆弧段宽度计算模块，用于求取各圆弧段的宽度；
压痕宽度计算模块，用于对各圆弧段的宽度加权求和得到压痕宽度式中，ni表示构成第i个圆弧段的像素点个数，M表示构成轮廓的像素点个数，N表示圆弧段的个数，hi表示第i个圆弧段的宽度；
热压力换算模块，用于依据压痕宽度，结合预先标定的压痕宽度与热压力关系，换算得到热压力。
进一步地，
所述轮廓提取模块包括提取子模块和干扰点剔除子模块；提取子模块用于在压痕图像中提取圆环形压痕的边缘点集A和圆心点O1；干扰点剔除子模块用于将点集A中的点相对于圆心点O1做极坐标变换得到在极坐标系r-θ下的点集B，计算点集B中所有点的r坐标的平均值，将点集B中r坐标与平均值之差的绝对值大于预定阈值Y的点进行剔除；
所述轮廓划分模块包括区域划分子模块和分布统计子模块，区域划分子模块用于将θ坐标均分为N个区域，分布统计子模块用于统计点集B中的点在各区域的分布，得到表示构成N个圆弧段的N个点子集B1,B2…BN；
所述圆弧段宽度计算模块，用于计算第i个圆弧段的宽度第i个圆弧段的外轮廓到圆心点的距离为第i个点子集Bi中的外轮廓点到圆心点距离的平均值，第i个圆弧段的内轮廓到圆心点的距离为第i个点子集Bi中的内轮廓点到圆心点距离的平均值；
所述压痕宽度计算模块，用于对各圆弧段的宽度加权求和得到压痕宽度其中，构成第i个圆弧段的像素点个数ni为第i个点子集Bi中 点的个数，构成轮廓的像素点个数M为完成剔除处理后点集B中点的个数。
一种芯片热压封装控制系统，包括：
XY运动平台，用于执行平面X与Y方向的直线运动；
背光光源，固定于XY运动平台上，用于为压痕图像采集提供光源；
图像采集装置，固定于XY运动平台上，用于采集热压后芯片的圆形凸点在天线上造成的圆环形压痕图像；
压痕检测单元，其输入端连接图像采集装置的输出端，用于从圆环形压痕图像中检测出压痕宽度；
压痕评估单元，用于计算检测出的压痕宽度与目标压痕宽度之间的偏差；
热压控制系统，用于依据压痕偏差产生相应的压力控制指令，以调节热压头装置对芯片的热压力；
热压头装置，用于执行对芯片的热压；
所述压痕检测单元包括：
轮廓提取模块，用于在压痕图像中提取圆环形压痕的轮廓和圆心点；
轮廓划分模块，用于将轮廓沿周向均匀划分为多个圆弧段；
圆弧段宽度计算模块，用于求取各圆弧段的宽度；
压痕宽度计算模块，用于对各圆弧段的宽度加权求和得到压痕宽度式中，ni表示构成第i个圆弧段的像素点个数，M表示构成轮廓的像素点个数，N表示圆弧段的个数，hi表示第i个圆弧段的宽度。
进一步地，
所述轮廓提取模块包括提取子模块和干扰点剔除子模块；提取子模块用于在压痕图像中提取圆环形压痕的边缘点集A和圆心点O1；干扰点剔除子模块用于将点集A中的点相对于圆心点O1做极坐标变换得到在极坐标系r-θ下的点集B，计算点集B中所有点的r坐标的平均值将点集B中r坐 标与平均值之差的绝对值大于预定阈值Y的点进行剔除；
所述轮廓划分模块包括区域划分子模块和分布统计子模块，区域划分子模块用于将θ坐标均分为N个区域，分布统计子模块用于统计点集B中的点在各区域的分布，得到表示构成N个圆弧段的N个点子集B1,B2…BN；
所述圆弧段宽度计算模块，用于计算第i个圆弧段的宽度第i个圆弧段的外轮廓到圆心点的距离为第i个点子集Bi中的外轮廓点到圆心点距离的平均值，第i个圆弧段的内轮廓到圆心点的距离为第i个点子集Bi中的内轮廓点到圆心点距离的平均值；
所述压痕宽度计算模块，用于对各圆弧段的宽度加权求和得到压痕宽度其中，构成第i个圆弧段的像素点个数ni为第i个点子集Bi中点的个数，构成轮廓的像素点个数M为完成剔除处理后点集B中点的个数。
进一步地，还包括工作面平行度评估模块，用于计算两个压痕间的高度差Δgmn＝γ(Hm-Hn)，若Δgmn大于预定值，则判定工作面需要进行平行度调整；式中，Hm、Hn分别表示第m个与第n个压痕的宽度，γ表示压痕宽度与热压工作面平行度之间的比例系数。
本发明的有益技术效果体现在：
本发明利用压痕宽度表征压力大小，相比直接采集热压力大小，避免了复杂的压力采集装置，操作更方便，可靠性高。后续可根据压痕宽度偏差调整气压大小，从而保证压力一致，提高了热压精度和成品性能。该方法处理效率高，硬件成本低，可广泛应用于RFID标签封装设备。
附图说明
图1是本发明芯片热压封装控制方法的整体流程图；
图2是本发明芯片热压封装控制系统的总体结构示意图；
图3是本发明的压痕特征提取与评价的方法流程图；
图4是本发明的压痕特征提取与评价的效果示意图；
图5是本发明的图像采集装置所采集到的压痕图像。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。此处说明若涉及到具体实例时仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
如图1所示，本发明芯片热压封装控制方法的整体流程为：首先采集压痕的图像，其次是提取压痕的特征，然后根据压痕评估方法计算压痕特征与目标值的偏差，压痕评估是通过对压痕宽度偏差评价热压压力是否合适：图像中的压痕呈圆环形，圆环的宽度反映了热压压力的大小，但是圆环各处的宽度可能不一致；压痕评价模型将压痕沿圆周方向分割为若干个圆弧，通过求取该圆弧段内外轮廓与内轮廓之间的差值得到该圆弧段宽度特征值。求取各段圆弧区域的宽度特征值的加权平均值，以此作为压痕的宽度；最后将检测出的压痕宽度与目标压痕宽度之间的偏差反馈到热压系统进行压力调整。
图2是本发明的一种基于压痕检测的芯片热压封装控制系统的总体结构示意图。该系统主要包括图像采集装置1、背光光源2、XY运动平台4、压痕检测系统5、热压控制系统6、热压头装置。3表示芯片。图像采集装置1与背光光源2安装在XY运动平台4上，采集到的图像由压痕检测系统5进行处理，处理结果反馈到气压控制装置6，由热压控制系统6对热压头装置中下热压头7的气缸气压进行调整，实现热压压力自动调整。压痕检测系统5包括压痕检测单元和压痕评估单元，压痕检测单元用于从圆环形压痕图像中检测出压痕宽度,压痕评估单元用于计算检测出的压痕宽度与目标压痕宽度之间的偏差。
图3是本发明压痕检测单元提取压痕宽度特征的一种具体实施方式流程图，其包括：图像增强提高图像对比度(该步骤不是必须，在图像质量 较差时可选择使用以提高图像对比度)；提取压痕边缘点集合；提取压痕的圆心坐标；将压痕边缘点相对于其圆心进行极坐标变换；根据变换后的得到的点集进行压痕特征提取。
具体来说，首先进行图像增强操作，本发明优选使用基于局部均值与标准差的图像增强算法对压痕图像进行处理，将压痕图像上的像素点(i0,j0)的灰度值x(i0,j0)经过基于局部均值与标准差的图像增强算法处理后，其灰度值h(i0,j0)变为
h(i0,j0)=m‾(i0,j0)+3σ(i0,j0)[x(i0,j0)-m‾(i0,j0)]]]>
式中表示以点(i0,j0)为中心的P×P窗口区域内所有点灰度值平均值，σ(i0,j0)表示该窗口区域内所有点灰度值的标准差。
如图4所示，在完成图像增强操作后，得到特征增强后的图像201后，即可进行边缘检测和圆心点提取得到压痕特征202。边缘检测采用可Sobel算子、Canny算子、Prewitt算子等方法；压痕的圆心坐标可采用Hough变换、正交扫描法、阈值分割提取法等方法。
之后，将压痕的边缘点相对于圆心进行极坐标变换，得到一组在极坐标下的点集B203，首先对点集B进行剔除操作：计算点集B中所有点的r坐标的平均值，将点集B中r坐标与平均值之差的绝对值大于阈值Y的点进行剔除。
然后，将θ坐标均分为N个区域，统计点集B中的点在各区域的分布，得到N个点子集B1,B2…BN。本发明具体的一种实施方式是：点集B按θ坐标值升序排列，将B中的点按θ坐标值进行划分为N个子集B1,B2…BN，第i个子集Bi中的点的θ坐标θi满足(i-1)*2π/N≤θi＜i*2π/N。不局限升序排列，降序排列亦可。
最后，计算压痕的等效宽度：
H=Σi=1NniMhi]]>
式中，ni表示第i个点子集Bi中点的个数，M表示完成剔除处理后点集B中点的个数，第i个点子集Bi的宽度特征值为第i个点子集Bi中的外轮廓点到圆心点距离的平均值，为第i个点子集Bi中的内轮廓点到圆心点距离的平均值。
根据压痕等效宽度，计算其与理想宽度的偏差δ：
δ=h-Hh]]>
式中，h为压痕宽度的目标值，压痕宽度的目标值根据不同的生产条件有所区别，目标值需根据批量生产前的试生产来确定。
最后将压痕偏差反馈到热压系统进行压力调整
如图1所示，热压控制部分包括热压控制系统6和热压头装置，图中仅示出热压头装置中的下热压头7与上热压头8。压痕特征提取完成后，将结果与目标值的偏差δ反馈到热压控制系统6中，热压控制系统调整气路气压，实现下热压头7的压力变化，热压系统的气路气压调整值ΔP为：
ΔP＝δPa
式中，Pa为气路初始工作压力。
如图5所示，采集到的图像中总共有两个压痕，两个压痕的等效宽度可能不相等，这是由于热压工作面平行度存在偏差，可以根据两个压痕的特征来评价热压工作面平行度并实时调整。压痕之间的高度差为：
Δgmn＝γ(Hm-Hn)
式中，Δgmn表示第m个压痕与第n个压痕的高度差，Hm、Hn表示第m个与第n个压痕的等效宽度，γ表示压痕宽度与热压工作面高度之间的比例系数，γ的值可通过标定得到。
以上说明若涉及具体的实例，仅仅用以解释本发明，并不限制本发明， 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，均应包含在本发明的保护范围之内。