62
В дополнение к многочисленным базовым функциям, которые
входят в стандартное оснащение установки, есть ещё ряд технологических
модулей для каждой системы. Они могут быть приобретены отдельно или
же в комплекте с другими модулями и позволяют дооснащение в любое
время, увеличивая спектр доступных технологий и процессов системы.
Кроме этого, ряд системных расширений и вспомогательных систем
облегчает работу с установкой на ежедневной основе, повышая при этом
эффективность отдельных технологий и процессов.
Базовые функции:
- Лазерный указатель позиционирования. Позволяет грубое
выравнивание стола позиционирования с инструментом при помощи
лазерного указателя.
- Модуль оптической перемены. Позволяет изменить положение
камеры по оси Х. Полезно для выравнивания больших компонентов с
максимальным увеличением.
- Оптическая система совмещения контактов. Оптическая система с
камерой и сплиттером с фиксированным лучом для простого и прямого
выравнивания компонентов к подложке.
Модули:
- Модуль дозатора. Различные системы дозирования для применения
флюса, паяльной пасты, клея и других материалов.
- Модуль нагрева компонента. Прямая подача тепла в кристалл с
помощью специального инструмента; например, для
термокомпрессионной сварки и процессов склеивания.
- Модуль нагрева подложки. Прямая подача тепла в подложку снизу.
Доступны различные фиксации субстрата. Возможно подключение
инертного газа.
- Модуль окунания/штемплевания. Ручные или моторизированные
63
ракели для подачи клея или флюса, подходящие для чипов разных
размеров. Вращающиеся и линейные версии.
- Модуль перемещения дозатора. Блок подачи для перемещения
дозатора в рабочее или парковочное положение.
- Модуль подключения инертного газа. Надстройка для модулей
нагрева подложки. Используется для создания инертной или реактивной
(H2N2) атмосферы в защищенной камере.
- Модуль подключения муравьиной кислоты. Используется для
создания инертной или реактивной (CH2O2) атмосферы в защищенной
камере. Надстройка для модулей нагрева подложки.
- Модуль прижима (автоматический). Расширяет диапазон силы
прижима и позволяет управлять ней во время процесса.
- Модуль прижима (ручной). Обеспечивает различные диапазоны
силы прижима и позволяет регулировать их механическим путём во время
процесса.
- Модуль ультразвуковой сварки. Обеспечивает термозвуковую и
ультразвуковую сварку. Механическая энергия передается компоненту во
время контакта с подложкой.
- Модуль УФ обработки. Ультрафиолетовое излучение для процессов
без влияния тепла. УФ-источник может быть встроен в инструмент и
прикреплен к держателю подложки.
Расширения:
- Держатель компонента. Позволяет безопасное обращение с
компонентами Gel-Pak® и Waffle Packs.
- Держатель подложки. Ненагреваемая несузаяя пластина с
подходящей для подложки фиксацией (например, вакуумные
конструкции).
- Моуль визуального контроля над процессами. Обеспечивает
наблюдение за процессом в режиме реального времени.
64
- Модуль переворота кристаллов. Позволяет перевернуть кристаллы
перед монтажом для установки лицевой панели вниз.
- Модуль регулировки зазора. Позволяет совершать монтаж
компонентов на определённом расстоянии от подложки.
- Моторизированное выравнивание по Theta-оси. Позволяет вращать
инструмент (и компонент) на рычаге для выравнивания угла
позиционирования.
- Сменные линзы объектива. Изменяемые ахроматические линзы с
различными полями изображения и оптическими разрешениями.
Каждый из перечисленных модулей базируется на аппаратном
обеспечении для контроля и управления (моторы, датчики, управляющие
сигналы). Архитектура программного обеспечение должна быть построена
таким образом, чтобы указанные модули и их управляющие сигналы
динамически включались или отключались в конфигураторе машины и
процессов - в соотвествии с комплектацией установки.
Некоторые из перечисленных модулей имеют непосредственное
отошение к теме данной работы – основаны на получении и обработке
данных с цифрового микроскопа. В отличие от остальных модулей,
обработка изобажений это исключительно прерогатива программного
кода. Таким образом, разработка полноценной программы управления
невозможна без задействования специалистов в области построения
оптических систем и обработки изображений.
В качестве ориентира для некоторых окон программы можно
использовать копии экрана тех, что уже есть на рынке.
65
Рисунок 34. Выбор типа компонента
Рисунок 35. Выбор типа питателя (из матричных поддонов)
66
Рисунок 36. Главное окно программы
3.4 Эффективность внедрения предложенных методов
Эффективность внедрения предложенных методов можно оценить,
сравнивая имеющиеся на рынке установки для микромонтажа, и сделав
выводы об экономической эффективности их внедрения.
На рисунках ниже показаны разные типы установок в качестве
примера.
67
Рисунок 37. Ручная установка монтажа электронных компонентов
Рисунок 38. Полуавтоматическая установка монтажа электронных
компонентов
68
Рисунок 39. Автоматическая установка монтажа электронных компонентов
Как видно из приведенных изображений, все три типа установок
снабжены системами видеорегистрации с увеличивающей способностью
(цифровые микроскопы). Пример установки для ручного монтажа (см.
Рисунок 37), иллюстрирует использование Raspberry PI с тач-скрином в
качестве контроллера для управления и видеорегистрации. Тип
полуавтоматических установок характерен системами поддержки
принятия решения пользователем при выполнении монтажа. Эти системы
в первую очередь основаны на поиске заранее заданных объектов на
изображении, полученном с микроскопа. Тип автоматических установок
настраивается таким образом, чтобы управляющая программа могла
использовать данные с видеорегистратора для принятия самостоятельных
решений.
Таким образом, даже незначительное увеличение автоматизации (и
производительности) приводит к осознанию потребности в анализе
изображений. В связи с этим разработка и внедрение соответствующих
методов является критически важной в данной области.
Скорость работы установок ручного монтажа минимальна – не
больше 120 компонентов в час, с недостаточно высоким качеством и
точностью позиционирования.
69
Как правило, нижняя граница производительности автоматических
установки микромонтажа находится на уровне в среднем 3000 элементов в
час при монтаже с кремниевой пластины. Установки фирмы Siemens для
монтажа SMD компонентов позволяют устанавливать несколько десятков
тысяч компонентов в час – при параллельной подаче компонентов с
нескольких лент.
Скорость работы таких установок зависит от их комплектации. Из
опциональных можно выделить следующие модули, влияющие на
производительность:
- программный модуль детектирования объектов
- модуль визуального контроля
- модуль выталкивания кристаллов позволяет установить
кремниевую пластину с (полу) автоматической подачей элементов.
- модуль силы прижима позволяет управлять усилием в (полу)
автоматическом режиме
- модуль (ультразвукового, лазерного) монтажа
- модуль автоматизации оси Z.
В зависимости от комплектации, производительность установки
может сильно колебаться. В любом случае, учитывая необходимость
контроля процесса оператором, производительность до 1000 элементов в
час считается максимальной для таких установок.
Для установок ручного монтажа 100 элементов в час является
верхним пределом производительности.
Трудозатраты при разработке подобного оборудования в компании,
где проходит практику автор данной работы, составляют, примерно:
- 3 человеко-лет для составления проектной документации,
- 3 человеко-лет для сборки опытного образца (без учета времени
разработки комплектующих поставщиками),
- 20 человеко-лет для разработки программного обеспечения
70
программы управления для ПК,
- 4 человеко-лет для разработки программного обеспечения PMAS,
- 3 человеко-лет для проведения пусконаладочных работ и отладки
программы.
Из них, на реализацию алгоритмов автоматического управления,
основанных на методах распознавания изображений:
- 0,5 человеко-лет из общего времени составления проектной
документации,
- 1 человеко-лет из общего времени сборки опытного образца (без
учета времени разработки комплектующих поставщиками),
- 7 человеко-лет из общего времени разработки программного
обеспечения программы управления для ПК,
- 0 человеко-лет из общего времени разработки программного
обеспечения PMAS,
- 2,5 человеко-лет из общего времени проведения пусконаладочных
работ и отладки программы.
То есть, дополнительные трудозатраты на реализацию
автоматического управления с системой распознавания образов могут
занять до 30% от общего времени разработки установки. Учитывая
многократный прирост производительности по сравнению с
полуавтоматической установкой, эффективность от внедрения
предложенных методов в систему управления оценивается как высокая.
Заключение
В работе были рассмотрены методы распознавания изображений в
компьютерных системах. Рассмотрена возможность их применения в
установках микромонтажа электронных компонентов и ИМС на примере
образцов кремниевых пластин и отдельных компонентов. Выполнена
71
сравнительная оценка их работы и оценка эффективности внедрения.
Автором выполнена доработка 3D принтера, оснащенного моторами
– он преобразован в прототип установки монтажа электронных
компонентов с тремя моторами по осям XYZ для пространственного
перемещения USB-микроскопа, подсоединенного вместо нагревательного
элемента. В качестве вычислительного модуля, на котором выполнялось
тестирование методов и управление моторами использовался одноплатный
компьютер Raspberry PI3 B+ под управлением операционной системы
Linux.
Такая конфигурация позволила эффективно исследовать
существующие методы обработки изображений и доработать их для
получения координат объектов с последующим пересчетом в системе
координат установки микромонтажа электронных компонентов, с
применением концепции «встроенного зрения».
Наиболее эффективными по времени оказались метод прямого
поиска (MatchTemplate) и метод геометрических инвариантов. Однако, из-
за выявленных ограничений MatchTemplate он не может без
дополнительных доработок использоваться в установке.
Метод геометрических инвариантов, кроме явных преимуществ по
времени работы и независимости от угла поворота объектов, имеет
дополнительные – возможность гибкой настройки каждого этапа, а также
возможность перестановки этапов обработки, добавления или отключения
отдельных этапов.
Метод геометрических инвариантов рекомендуется к использованию
и дальнейшей проработке.