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面向MEMS自动引线键合的显微视觉系统研究

马凌宇  
【摘要】: 引线键合是MEMS器件加工中应用最为广泛的一种封装工艺,现有的MEMS引线键合绝大多数是由操作者在显微镜下手工操作完成,操作者的经验和精神状态直接影响引线工艺的一致性和成品率。随着MEMS技术逐渐进入产业化发展阶段,对引线键合的自动化和批量化提出了更高的要求。 本文将基于变倍显微物镜的显微机器视觉系统引入引线键合工艺流程,利用其变倍特性解决了显微视觉精度与视野范围不能兼顾的问题。将采集得到不同放大倍数时键合器件的清晰图像经过各种图像处理程序识别并分离出键合目标,通过一种“全局粗定位、局部精定位”的坐标变换方式完成了键合目标在操作空间中的精确定位。最后根据这种定位方法研制了面向MEMS的全自动引线键合设备,实现了MEMS引线键合工艺的自动化。 首先,本文在分析了MEMS器件的特点及键合要求后,建立了基于连续变倍显微物镜的显微视觉定位系统,成功解决了大视野、高精度显微视觉定位的关键技术。全局粗定位、局部精定位的方式保证了定位效率,也为自动化引线键合设备的研制提供了理论依据。 为了保证快速采集到键合器件的清晰图像,通过对调焦评价函数特征的分析,选择能够适应各个放大倍数显微图像的梯度作为系统的自动调焦评价函数;针对三维器件说明了调焦窗口正确放置的原则和必要性;分析了变倍过程中聚焦平面位置的变化规律,提高了自动调焦的效率。综合以上三个方面,实现了变倍显微镜下三维目标高效自动调焦。 对于低放大倍数下的全局图像,主要利用形态学中的腐蚀膨胀操作、自动阈值分割、区域标记等技术完成了键合目标中心位置的粗定位;而对于高放大倍数下的局部图像,根据其半离焦的特征利用基于小波高频能量的多尺度显微图像分割方法实现了精定位。两个过程相互配合,在满足定位精度的同时最大限度地提高了系统的效率。 最后利用研制的“MEMS全自动金丝球键合机”对MEMS压力传感器进行了封装试验,达到了预期的效果,对自动化、批量化MEMS引线键合作业的实现起到了积极的推动作用。


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