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BGA PCB 影像檢測 林宸生 逢甲自控系 光電及機器視覺實驗室. BGA 腳座陣列 Ball Grid Array packaging 球格陣列構裝或錫球陣列構裝. 簡 介 IC 構裝對外的接腳由早期的單邊 ( SIP)， 到雙邊( DIP)， 再進步到四邊( QFP) ，當腳數達 300 I/O 以上時， BGA 封裝在高腳數的應用，以整個 面的接腳方式， 1.27 mm 大腳距及焊接自動對應 ( self-alignment) 的功能，大幅提升良率，且不需投資購買昂貴之新設備，大部份可沿用傳統 SMT 的設備。. - PowerPoint PPT Presentation
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BGAPCB影像檢測
林宸生 逢甲自控系
光電及機器視覺實驗室
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BGA 腳座陣列 Ball Grid Array packaging
球格陣列構裝或錫球陣列構裝簡 介
IC 構裝對外的接腳由早期的單邊 (SIP) ，到雙邊(DIP) ，再進步到四邊 (QFP) ，當腳數達 300I/O 以上時， BGA 封裝在高腳數的應用，以整個 面的接腳方式， 1.27mm 大腳距及焊接自動對應 (self-alignment) 的功能，大幅提升良率，且不需投資購買昂貴之新設備，大部份可沿用傳統 SMT 的設備。
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BGA 腳座陣列 應 用 範 圍
PBGA ， CBGA ， TBGA ， CSP_BGA 等不同型式的 BGA ，其主要應用對象： — Intel Triton n 晶片組 — Power PC 603 系列 — Ultra SPARC (CPU， SRAM 等 ) — Graphic 晶片 — CPU 晶片 — DRAM 晶片
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BGA 封裝的優點• . 由於不帶引腳而可實現小型化 , 可提供高密度表面黏著封裝，所佔
面積較傳統封裝技術為小。• . 縮小了著裝區 , 而且不必擔心引腳彎曲 , 較好處理。使用錫球取代
引腳（ Lead），減少組裝、測試過程中，因引腳變形所造成的損失。• . 由於電極部分不在 Package 外圍 , 而在底部 , 可加大腳距。具優良電
氣散熱特性，散熱通孔等的作用提高了散熱特性。 • . 接合點距離縮短 , 提高了電氣信特性。 • . 由於在基板上著裝元件 , 可使 Package 薄型化 , 以對應 MCM 。所需
SMT 製程與現有製程相容，且具有高生產良率。。
5
6
ＬＡＳＥＲ --BGA 檢測糸統
以取得錫球高度 (z) 資料庫。 使用 x-y table 移動，變換Ｘ及丫座標………...
使用 三角量測法。 使用雷射光打在 BGA 的錫球上，經由 PSD 接收反射光。
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影像處理之考量
影像之背景光源強度： 1200 lumen （距離 10cm）影像大小： 640*480Computer-Eyes
Sat., Hue, Contrast, Brightness.(0, 0, 100, 45)
CCD ：距 BGA 座 15cm
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影像處理方法
影像之前處理：二值化
9
經二值化處理
Image
T 1,1 T1,2 T1,3
T2,1 T2,2 T2,3
動態二值化將影像取成 6 區塊，然後求這些區塊的二值化臨界點
A
B
A
A
BC
A
BC D
影像分割之過程
演算法中採用八鄰接點搜尋
1.演算法開始，令標記 Label=1。
2.自左向右、由上至下掃瞄影像，找尋其值為 1的種子點，設定種子點標記=Label。假如找不到種子點，則結束整個標記演算法
3.對於種子點周圍同值之像素點做下述操作：由 x 軸方向(a)自左向右逐點掃瞄影像，若 f(x,y)標記為 Label，則令 f(x,y)八鄰接點中，值為 1的像素點標記 =Label。(b)自右向左逐點掃瞄影像，若 f(x,y)標記為 Label，則令 f(x,y)八鄰接點中，值為 1的像素點標記 =Label。改 y 軸方向(c)由上往下逐點掃瞄影像，若 f(x,y)標記為 Label，則令 f(x,y)八鄰接點中，值為 1的像素點標記 =Label。(d)由下往上逐點掃瞄影像，若 f(x,y)標記為 Label，則令 f(x,y)八鄰接點中，值為 1的像素點標記 =Lable。
4.經過四個方向掃瞄後，標記為 L 之微粒被完整取出。指定新的標記Label++，重複步驟 2，直到標記完所有微粒。
n3 n2 n1
n4 f(x,y) n0
n5 n6 n7
13
扇形 ( 外圍 ) 掃描
c
(a)
2
121
yyyy
(b)
2
121
xxxx
(c)
yxf ,
14
(d)
yxfiyjfix
ixj
,,1
if f<t f=0 i=1,2,3....
iy
iyj
jixf1
,
if f<t f=0 i=1,2,3....
1
,ix
ixj
iyjf
if f<t f=0 i=1,2,3....
(g)(g)
15
(g)
1
,iy
iyj
jixf
if f<t f=0 i=1,2,3....
(h)
yxfjixfiyjfjixfiyjfiy
iyj
ix
ixj
iy
iyj
ix
ixj
,,,,,11
11
if f<t f=0 i=1,2,3....
16
2,1,2,1,
,,2,,2,1
2
12
11
yxfyxfyxfyxf
yxfjixfiyjfjixfiyjfiy
iyj
ix
ixj
iy
iyj
ix
ixj
if f<t f=0 i=1,2,3....
yxfyxfyxfyxf
yxfjixfiyjfjixfiyjfiy
iyj
ix
ixj
iy
iyj
ix
ixj
,2,1,2,1
,,2,,2,11
21
2
1
if f<t f=0 i=1,2,3....
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通式：
if y-x>0 then s1=0 and s2=(y-x)/2if y-x<0 then s2=0 and s1=(x-y)/2if y-x=0 then s1=0 and s2=0
2
0
1
0
12
2
11
1
2
12
1
11
,,,,,3
,12,,12,
s
m
s
n
isy
isyj
isx
isxj
isy
isyj
isx
isxj
myxfmyxfynxfynxfyxf
jisxfisyjfjisxfisyjf
if f<t f=0 i=1,2,3....
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以機器視覺的方式來檢測一個正常的 BGA 腳座 ( 如圖 1) 或是判斷一個不正常的 BGA 腳座 ( 如圖 2 ，下方中央位置有一圓球脫落 )
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製程中檢測 BGA 腳座，不但要判斷圓球是否脫落，也要確定每個圓球之定位是否偏移，既迅速 ( 要在 0.3 秒內完成 ) 又正確的完成判斷的工作
電腦影像視覺技術廠商使用的放大倍率，是包含顯示器的尺寸一起考慮的：影像視覺系統的放大倍率=
實際物體的長度/ 顯示器中物體影像的長度
每一像素點所代表的長度=
CCD 感測晶片尺寸 / (顯微鏡頭的放大倍率 CCD 感測晶片解析度)
21
n
iii xgyaaE
1
210 )(),(
01)()(
1)()(
2
2
2
2
2
2
2
2
b
Cy
a
Cx
b
Cy
a
Cx yxyx
01)(')(' 22 yx CyBCxA
利用最小平方誤差法
其中 g(xi)：配合實驗數據的擬用函數
yi：實際函數
利用橢圓方程式：
將上式修改為
(5)
(6)
22
n
i
n
i
n
ixixiyixi CxCxCyBCxA
A
E
0 1 0
2224 )()()(')('0'
( 7 )
n
i
n
i
n
iyiyiyixi CyCyBCyCxA
B
E
1 1 1
2422 )()(')()('0'
( 8 )
2
1
22 }1)(')('{
n
iyixi CyBCxAE
當邊緣點座標 x , y 帶入(6)式使之等號成立，則表示此點在橢圓方程式上，因此將(6)式當成誤差方程式
為使誤差減少到最小，將上式對 A’及 B’做偏微分等於零得
23
n
iyi
n
ixi
n
iyi
n
iyixi
n
ixiyi
n
ixi
Cy
Cx
CyCyCx
CxCyCx
B
A
1
2
1
2
1
1
4
1
22
1
22
1
4
)(
)(
)()()(
)()()(
'
'
'
1
'
1
Bb
Aa ，短軸長軸
n
iyi
n
ixi
n
iyi
n
iyixi
n
ixiyi
n
ixi
Cy
Cx
B
A
CyCyCx
CxCyCx
1
2
1
2
1
4
1
22
1
22
1
4
)(
)(
'
'
)()()(
)()()(
將(7)(8)兩式化為矩陣型式
所以
(9)
24
0122 DyCxByAx
01''2'''2' 2222 yyxx CByCByBCAxCAxA (10)
將(6)式展開：
利用橢圓方程式另一形式
令上式為誤差方程式
n
iiiii DyCxByAxE
1
222 }1{
上式對 A、B、C、D做偏微分等於零得
(11)
25
n
i
n
iiii
n
ii
n
iii
n
ii xDyxCxByxAx
A
E
1 1
22
1
3
1
22
1
4
2
)()()()()(0
n
i
n
iii
n
iii
n
ii
n
iii yDyCyxByAyx
B
E
1 1
23
1
2
1
4
1
22
2
)()()()()(0
n
i
n
iiii
n
ii
n
iii
n
ii xDyxCxByxAx
C
E
1 11
2
1
2
1
3
2
)()()()()(0
n
i
n
iii
n
iii
n
ii
n
iii yDyCyxByAyx
D
E
1 1
2
11
3
1
2
2
)()()()()(0
寫成矩陣型式並解出 A、B、C、D及Ｅ如下：
26
n
ii
n
ii
n
ii
n
ii
n
ii
n
iii
n
ii
n
iii
n
iii
n
ii
n
iii
n
ii
n
ii
n
iii
n
ii
n
iii
n
iii
n
ii
n
iii
n
ii
y
x
y
x
yyxyyx
yxxyxx
yyxyyx
yxxyxx
D
C
B
A
1
1
1
2
1
21
1
2
11
3
1
2
11
2
1
2
1
3
1
3
1
2
1
4
1
22
1
2
1
3
1
22
1
4
)(
)(
)(
)(
將(10)式與(11)式比較係數得中心位置(Cx , Cy)
27
11''
'2
'2
'
'
22
yx
y
x
CBCA
DCB
CCA
BB
AA
B
DC
A
CC
y
x
2
2
(12)
28
BGAPCB檢測
逢甲 -- 耀文電子產學合作
29
30
耀文電子廠商委託案，其主要是要計算出電路版中孔的位置
先前設計 :手動操作的程式。更新：讓電腦來自動量測。
31
目標
利用影像處理的技術，結合程式設計工具，使用者只要框出一個範圍，就能自動將區域內兩個圓的圓心座標、半徑決定出來。
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定圓步驟•擷取一張影像資料• 對影像作二值化•利用質心法決定出內圓圓心座標• 在利用水平掃瞄，哪一列符合的點數最多，就令為可能直徑
• 在利用垂直掃瞄，哪一行符合的點數最多，就令為可能直徑
•兩個可能直徑中取大的為內圓直徑• 縮小搜尋範圍•逐一掃瞄，每三行統計一次符合的點數，超過 33 ，則可能為圓的邊界
•訂出四個外圓邊界後，即可訂出圓心和直徑
33
操作步驟
• 用滑鼠選定一個四方形區域•按 enter 或是按下”定圓”鈕，看是
否有選取出內外圓• 如果沒有選取出正確的內外圓，再利用微調鈕來調整至正確大小和位置
• 確定位置後，按記錄鈕，就會將目前的內外圓資訊存入電腦
34
成果
根據廠商提供的錄影帶，能定出有兩個圓一起的情況，因為程式流程是先定出內圓，再根據內圓的資訊，進而定出外圓。
35least square circleprofile
O'(x'c,y'c)
O(xc,yc)
t
SR
36
N
xx ic
''
2
N
yy ic
''
2
37
38
1
PCB image
center of pad p
center of image C
center of hole h
ix
iyiLiW
SA
i i
i
39
ha pa
hbpb
( 0 , 0 )
34L
2
L34
12L
2
L12
)2
W,
2
L( C 12
2
)W2
W,L
2
L( p 22
122 )yW
2
W,L
2
L(h 2222
122 x
)2
W,
2
L( C 12
1
)W2
W,L
2
L( p 11
121
)yW2
W,L
2
L( h 1111
121 x
)2
W,
2
L( C 34
3
)W2
W,L
2
L(p 3
133
343
)yW2
W,L
2
L( h 3333
343 x )
2
W,
2
L( C 2434
4
)W2
W,L
2
L(p 4
244
344
)yW2
W,L
2
L(h 4444
344 x
W
2
W
40
41
D m a x = m a x ( D i )
D m i n = m i n ( D i )
D d e v = D m a x - D m i n
N
DD i
ave
N
)D-(DS
2
iave
3S
LCL)-D,D-min(ULCCpk aveave
42
F a c t o rpμ
R e d c o l o r50y)(x,G R , 1μ p
23y)(x,G R , 0μ p
05y)(x,G32 R , 18
23y)(x,Gμ R
p
G r e e n c o l o r64y)(x,G G , 1μ p
47y)(x,G G , 0μ p
64y)(x,G47 G , 17
47y)(x,Gμ G
p
B l u e c o l o r40y)(x,G B , 1μ p
8y)(x,G B , 0μ p
40y)(x,G8 B , 32
8y)(x,Gμ B
p
43
44
45
46
47
參考文獻林宸生 邱創乾 陳德請，數位信號處理實務入門，高立書
局。Ioannis Pitas, Digital Image Processing Algorithms, Prentice Hall, 1993.
http://train.trtc.com.tw/hw_info/bga.htmhttp://www.greatgum.com.tw/BGA-0用錫球 .htm邱奕契、梁有燈、莊富傑， BGA視覺檢測技術之研究，
第十一屆全國自動化科技研討會
