柔性印刷线路板LED贴片点银质量视觉检测方法

沈阳工业大学视觉检测技术研究所 张俊朋 苑玮琦

柔性印刷线路板LED贴片点银质量视觉检测方法

沈阳工业大学视觉检测技术研究所 张俊朋 苑玮琦

柔性印刷线路板中贴片式LED灯的粘贴要经过点银、贴片、封胶等工艺，其中点银过程中会产生漏点银、银点偏位、银点拉丝超标、银点不够圆等一系列质量问题。提出了一套基于机器视觉的点银质量在线检测方法:利用canny算子提取连接盘边缘，并利用模板匹配对银点所在连接盘进行定位；利用图像增强，最大类间差法提取银点；通过银点与背景区域求交集以及可接受区域的滤除来检测银点拉丝超标缺陷。该方案已经应用在了生产线上并且具有较高的检测准确率。

点银缺陷；模板匹配；图像增强

0　引言

柔性印刷线路板（FPC，Flexible Printed Circuit)不仅具有轻、薄、小等优点，其应用还非常广泛，本文研究的FPC主要用在笔记本电脑键盘中的电路连通。键盘除了按键之外，还包括LED指示灯。其中LED指示灯的粘贴包括点银、贴片和封胶三个步骤。本文研究点银质量在线检测方法,点银过程要求银点覆盖连接盘滞留孔，覆盖偏差不能超过0.2mm，银点圆度在0.75以上，并且银点拉丝不能超过0.1mm。实际操作过程中会出现漏点银、银点过大、银点偏位、银点拉丝超标、银点不够圆等缺陷。本文重点研究银点拉丝超标的检测方法。首先搭建硬件平台，采集银点图像，然后通过本文提出的方法对点银质量进行检测。

1　连接盘外轮廓及滞留孔区域的提取

对点银质量进行检测前，需要先找到银点，才能进行后续的处理，而银浆点在连接盘上，为了缩减点银质量检测的范围，排除键盘图像中背景区域对点银检测不必要的干扰，选用未经点银的连接盘外轮廓作为模板，通过基于形状特征的模板匹配对点过银的连接盘进行匹配定位。同时通过动态阈值提取连接盘上的滞留孔区域，计算滞留孔区域的面积，并通过面积特征作为检测漏点银的依据。

2　银点的提取

获取到模板之后，为了匹配的准确性，采用带角度的基于形状的模板匹配对连接盘进行定位，以减小检测范围，提高检测速度。最大旋转角度由放置印刷线路板的底板与流水线的最大夹角决定。原图如图1(a)所示。定位后图像如图1(b)所示。

由于成像时会出现光斑和连接盘连在一起的现象，如图1(c)所示，如果直接进行阈值分割，会将与连接盘相连部分的光斑分割为连接盘区域，从而导致银点提取不完整，影响后续银点偏位与银点拉丝超标缺陷的检测。为了避免这一情况，在提取银点之前对其进行预处理。

本文采取灰度值变换[1]这一图像增强的方法来增强银点图像的局部对比度，使其不受背景变化的影响。增强后的图像如图1(d)所示。连接盘区域的灰度值达到255，但是与连接盘相连接的光斑周围的灰度值明显小于255。

对增强后的图像通过固定阈值分割和4-邻域标记法求取连通域，然后通过面积特征提取出只有连接盘部分的区域。通过将提取出的连接盘进行孔洞填充与图像减法即可提取出二值化银点，但是当银点点偏时，会出现银点越过连接盘边界的情况，如图1(e)所示，这时孔洞填充的方法已经不适合用来提取银点区域。为了使银点区域的提取不受银点在连接盘所处位置的影响，利用增强后的图像，提取银点越过边界时的连接盘区域，利用图像减法[2],只得到银点和背景区域，选取出银点和背景区域所在的图像如图1(f)所示。

采用最大类间差法二值化图像 1(g),最大类间差法所确定的阈值最大化类间方差，即：

式中HP为确定的最佳阈值，δb2(H) 为类间差，δb2(Hp) 为获得的最大类间差。

f(x,y)是二值化之前的银点图像，二值化后的银点图像为：

二值化后的银点图像如图1(g)所示，可以看到银点图像受到了背景区域的干扰。这时采用半径为3的圆为结构元对二值化后的银点图像进行开运算。开运算不仅能平滑图像而且能够消除细小区域的干扰，处理结果如图1(h)所示。

图1　银点提取过程图

3　银点拉丝超标检测

在点银机工作过程中的拉丝现象，会导致后续贴片过程中两个银点相连而出现LED短路问题，所以对银点拉丝超标的检测是点银质量检测的关键。银点拉丝超标的定义是银点出现拉丝，并且处于两个银点中间位置。正常银点图像如图2(a)所示，银点拉丝超标如图2(b)所示。

本文采取的方法是利用提取出的银点区域与背景区域求交集，此背景区域由被检测图像，如图2(a)，减去模板匹配时得到的连接盘区域而获得，背景区域如图1(c)所示。然后利用最小外接矩形求交集的长度，通过长度判断是否为银点拉丝超标缺陷。

在统计学中，用矩来描述随机变量的分布形态[3]，将矩的定义推广到图像中，把像素点值作为随机变量值 f(x,y)，则(x,y)表示像素点的坐标，感兴趣区域 R的 p+q 阶矩如式(3)所示：

由(1)式可以得到感兴趣区域的零阶矩和两个一阶矩，零阶矩如式(4)所示，两个一阶矩如式(5)、(6)所示：，如式(7)所示：

根据零阶矩和一阶矩，则可求出感兴趣区域的质心

由以上各式，可求出区域的中心矩，如式(8)所示：

由p+q=2时的2阶中心矩可以得到区域的长度信息。根据式(8)可求出u00，u02，u11等。由以上求得的各个参数即可获得区域最小外接矩形的长度和宽度信息，即：

交集区域如图2(d)中红色区域所示。如果长度大于0.1 mm，则判为银点拉丝超标。图2(d)求出的银点拉丝超标的长度为0.37 mm，故为银点拉丝超标缺陷。

可接受区域的排除：

在点银机工作过程中会出现银点与背景有一定的交集，且交集长度达到了0.1mm，但是在缺陷评判标准里面属于合格的现象，原图如图2(e)所示，经过检测处理后得到如图2(f)所示红色区域，称之为可接受区域。对可接受区域滤除所采取的方法及步骤为：

首先，用提取出的银点拉丝区域与去掉拉丝的银点区域求并集。去掉拉丝的银点区域如图2(g)所示，并集区域如图2(h)所示。

其次，用去掉拉丝的银点区域w，与并集区域b的圆度进行比较。其中圆度的定义为：

式中A为面积，r为区域中心到边界的最大距离。

图2　银点拉丝超标检测过程图

若Cw＞Cb，则说明是真正的银点拉丝超标，若Cw＜Cb，则说明是可接受区域。针对图2(g)与图2(h)，计算出的圆度分别为0.76与0.91，即Cw＜Cb，所以为可接受区域。通过以上方法即可排除可接受区域对银点拉丝超标缺陷的误判。

4　实验结果

在工业现场对点银质量检测方法进行测试，所检测的柔性印刷线路板上最少有1个LED指示灯，最多有3个LED指示灯，一个LED指示灯需要点两个银点，每块底板上一般放置5至9块柔性印刷线路板。从开始拍摄柔性印刷线路板图像到检测结果显示，每块底板上放置的柔性印刷线路板总的检测时间最多不超过6s，经过现场对柔性印刷线路板1个月的不间断测试，现针对板号为261的板型，提取其2个小时的不间断测试结果，如表1所示。

表1　银点拉丝超标和银点偏位测试结果

5　结束语

与传统刚性印刷线路板对焊锡多锡、少锡的检测不同，本文主要针对柔性印刷线路板LED贴片点银过程中的银点拉丝超标缺陷，提出了一套完整的在线检测方案，利用银点与背景交集的长度判断是否拉丝超标，同时兼顾可接受区域的排除，使银点拉丝超标缺陷的检测结果更加准确；经过理论分析与现场测试，所提方案的检测精度和检测速度均符合企业要求。

[1]Carsten S,Markus U,Christian W.机器视觉算法与应用[M].杨少荣,吴迪靖等译.北京:清华大学出版社,2008:340-341.

[2]Rafael C Gonzalez,Richard E Woods.数字图像处理(第三版) [M].阮秋琦译.北京:电子工业出版社,2003:42-44.

[3]苑玮琦,胡迪.利用矩实现植物叶片长宽的测量[J].计算机工程与应用,2013,49(16):188-191.