光电器件金丝键合缺陷的视觉检测方法与流程

本发明属于光电封装，具体涉及光电器件金丝键合缺陷的视觉检测方法。

背景技术：

1、在光通信器件的封装制造领域，金丝键合工序是连接芯片焊盘与基板引脚的核心工艺环节。以bosa、tosa等高速光收发器件为代表的光电封装产品，其内部激光器芯片与跨阻放大器、光电探测器等有源元件之间的电气互联，均依赖直径在18至25微米量级的超细金丝完成。键合质量直接决定器件的高频电学性能与长期可靠性，是光电封装质量管控的核心工序。

2、公开号为cn116087209a的专利申请文件公开了一种金丝键合工艺的外观检测方法及系统，该方法通过不同光源模式获取金线的基准图片和多张背景图片，在基准图片中，根据金线与背景对象的对比度设置切分线，根据切分线将基准图片中的金线分割为多个金线段，对于每一个金线段，从背景图片和基准图片中选取对比度最高的金线段，将选取的金线段进行拼接得到符合对比度要求的待测金线；并按照设定的检测需求，对待测金线进行间距、弯曲、交叉和断线等缺陷检测。该发明通过灵活的光源配置和检测方法来实现光通信产品的全自动机器视觉检测，具有高的检测适应性和抗干扰强的特点，检测稳定性和产品检出率良好，实现了金线键合工艺的自动化检验。

3、针对金丝键合的缺陷检测，行业现有的自动视觉检测方案普遍采用固定角度同轴照明配合高分辨率工业相机的采集架构，并以阈值分割或卷积特征提取的方式对丝弧轮廓进行完整性判断。为进一步提升对断丝、缺丝、虚焊等宏观缺陷的识别率，部分系统引入了多尺度特征图提取网络，在丝体中段的断裂识别上取得了较好效果。

4、由于金丝与第一焊点（即芯片焊盘侧球焊点）之间的颈部区域是金丝从球形焊球几何体过渡到圆柱形丝体的急剧形变地带，该区域内表面法线方向在不足2个丝径（约40微米）的跨度内旋转接近90°，若在固定角度照明条件下，焊球球体本身对入射光产生几何遮蔽，导致在颈部根部形成一道与照明角度强相关、且随丝弧张角变化而位置浮动的暗月牙阴影带。这道由焊球自身几何形态决定的自阴影区在任何单一固定照明角度下均无法消除，而颈部裂纹作为光电器件金丝键合中失效概率最高的致命缺陷，其断裂面图像特征与该自阴影带在灰度分布、空间位置与形态上高度重叠。这种现象会使得现有检测系统无法从单帧图像中区分焊球几何自阴影与颈部材料断裂暗纹，进而导致颈部裂纹这一关键缺陷存在系统性漏检盲区。

技术实现思路

1、本发明提供光电器件金丝键合缺陷的视觉检测方法，以解决现有技术中固定角度照明在颈部区域产生检测盲区的技术问题。

2、本发明提供了光电器件金丝键合缺陷的视觉检测方法，包括以下步骤：

3、s1，对采集到的金丝键合区域原始图像执行滤波预处理与局部对比度增强，提取金丝丝体的骨架中心线以拟合丝弧轨迹，并定位焊球的圆心坐标及等效半径，得到增强图像，进而划定颈部区域的空间范围；

4、s2，结合预先标定的固定照明光源入射方向，基于圆心坐标及等效半径构建针对颈部区域的焊球几何自阴影预测模型以确定自阴影覆盖子区域，并在自阴影覆盖子区域内比对实际像素灰度值与理论阴影灰度基准值构建差分响应图，进而标记出颈部裂纹候选区；

5、s3，响应于颈部裂纹候选区不为空，计算补偿照明角度以采集补偿照明帧，并将补偿照明帧中对应颈部裂纹候选区的灰度响应与正常丝体亮度基准进行比对，以确认颈部裂纹候选区是否为真实颈部缺陷；

6、s4，针对确认为真实颈部缺陷的区域，将原始固定照明帧与补偿照明帧进行叠加构建双通道特征图，结合丝弧轨迹在双通道特征图上按优先级互斥排查缺陷类型，并输出缺陷类型的判定结果及坐标位置。

7、其效果在于：通过基于焊球球面几何构建解析自阴影预测模型，精确划定自阴影覆盖子区域，将照明几何遮蔽与材料物理断裂在成像层面明确区分，从根本上消除了固定角度照明架构下颈部裂纹漏检的风险。

8、进一步地，对采集到的金丝键合区域原始图像执行滤波预处理与局部对比度增强，包括：

9、对原始图像执行各向异性扩散滤波预处理；

10、依据各像素邻域内金丝候选区的局部灰度动态范围计算增强系数；

11、利用增强系数对滤波后的图像执行自适应局部对比度增强，最终得到增强图像。

12、其效果在于：限定原始图像采用各向异性扩散滤波搭配自适应局部对比度增强的预处理方式，滤波可平滑基板非均匀背景亮度起伏、完整保留金丝边缘梯度，自适应增强根据局部灰度动态范围调整增强系数，避免焊球高亮区域灰度饱和、丝体细节丢失，提升后续丝弧骨架提取、焊球定位的精度，消除背景干扰带来的连锁检测误差，为后续阴影建模、缺陷判读提供高质量增强图像基底。

13、进一步地，提取金丝丝体的骨架中心线以拟合丝弧轨迹，并定位焊球的圆心坐标及等效半径，进而划定颈部区域的空间范围，包括：

14、在增强图像上利用脊线检测算子提取金丝丝体的骨架中心线，以拟合出完整的丝弧轨迹；

15、通过圆变换定位焊球的圆心坐标及等效半径；

16、以圆心坐标为圆心、以等效半径至等效半径的预设倍数为径向边界，最终划定出颈部区域的空间范围。

17、进一步地，结合预先标定的固定照明光源入射方向，基于圆心坐标及等效半径构建针对颈部区域的焊球几何自阴影预测模型以确定自阴影覆盖子区域，包括：

18、利用圆心坐标与等效半径，结合固定照明光源入射方向，以解析方式构建焊球几何自阴影预测模型；

19、依据球面遮蔽锥的切线条件确定自阴影的理论边界曲线；

20、将理论边界曲线与颈部区域的交集，最终确定为自阴影覆盖子区域。

21、进一步地，在自阴影覆盖子区域内比对实际像素灰度值与理论阴影灰度基准值构建差分响应图，进而标记出颈部裂纹候选区，包括：

22、在自阴影覆盖子区域内将当前帧图像的实际像素灰度值减去理论阴影灰度基准值，最终构建出差分响应图；

23、基于无缺陷样本的在线统计积累设定用于过滤连通暗区的阈值；

24、将差分响应图中为负值且绝对值超过阈值的连通区域，最终标记为颈部裂纹候选区。

25、其效果在于：通过设定阈值对连通暗区进行过滤，有效排除了由焊球表面随机污染、氧化层局部反射率波动等非结构性因素引入的灰度扰动对判断结果的干扰，使得差分响应图的构建更加精准可靠。

26、进一步地，计算补偿照明角度以采集补偿照明帧，包括：

27、从颈部裂纹候选区的中心坐标出发，确定满足无遮挡条件的射线方向；

28、在满足无遮挡条件的所有可选角度中，选取固定照明光源入射方向关于焊盘平面的镜像方向作为补偿照明角度；

29、按照补偿照明角度激活对应象限的发光单元组进行定向补光，最终采集得到补偿照明帧。

30、进一步地，将补偿照明帧中对应颈部裂纹候选区的灰度响应与正常丝体亮度基准进行比对，以确认颈部裂纹候选区是否为真实颈部缺陷，包括：

31、从历史无缺陷帧中提取丝体主干段的像素灰度中值作为正常丝体亮度基准；

32、若补偿照明帧中颈部裂纹候选区的灰度响应大于或等于正常丝体亮度基准，则判定为伪暗纹并移除；

33、若灰度响应小于正常丝体亮度基准，则最终确认颈部裂纹候选区为真实颈部缺陷。

34、其效果在于：通过定向补偿照明帧的二次亮度验证，使得颈部区域的最终判定建立在双帧差分证据之上，避免了依赖单一灰度阈值的脆性判断，从而显著降低了颈部缺陷的虚报率。

35、进一步地，将原始固定照明帧与补偿照明帧进行叠加构建双通道特征图，结合丝弧轨迹在双通道特征图上按优先级互斥排查缺陷类型，包括：

36、将原始固定照明帧与补偿照明帧进行逐像素叠加，最终构建出双通道特征图；

37、在双通道特征图上，判断真实颈部缺陷是否呈现沿丝弧轨迹切线方向的横向暗纹，且在两个通道中均持续呈现暗响应；

38、若满足条件，则最终判定缺陷类型为颈部裂纹。

39、其效果在于：通过将颈部裂纹等缺陷的判据在双通道特征图上按优先级互斥排查，每类缺陷对应明确的几何形态判据，实现了光电封装产线金丝键合缺陷从候选标记到类型确认的全流程判读。

40、进一步地，结合丝弧轨迹在双通道特征图上按优先级互斥排查缺陷类型，还包括：

41、当不满足颈部裂纹的判定条件时，判断双通道特征图中的颈部区域内是否呈现弥散暗区；

42、检测丝弧轨迹在颈部端点处是否出现位置跳变，且端点坐标偏离圆心坐标的投影点超过预设距离；

43、若上述两个条件同时成立，则最终判定缺陷类型为焊球剥离。

44、进一步地，结合丝弧轨迹在双通道特征图上按优先级互斥排查缺陷类型，还包括：

45、当不满足颈部裂纹与焊球剥离的判定条件时，判断双通道特征图的两个通道中颈部区域的亮度是否均弱于丝体主干区域亮度；

46、计算颈部丝体的半峰全宽，并判断半峰全宽是否小于基于同批次统计均值与名义丝径推导的判定门限；

47、若满足条件，则最终判定缺陷类型为颈部过细。

48、有益效果是：本发明打破了传统单一固定角度照明在复杂形变区域的检测局限。利用焊球球面几何构建解析自阴影预测模型，将照明几何遮蔽与材料物理断裂在成像层面明确区分，消除了固定角度照明架构下颈部裂纹漏检的风险，大幅提升了光电器件封装质量管控的可靠性。

49、进而，本发明引入补偿照明验证流程与多角度特征图叠加判读方式，将颈部区域的最终判定建立在双帧差分证据之上。结合互斥分类判据与同批次自适应几何参数，实现了各类缺陷的精准分类与结构化记录，为后续工艺优化与失效分析提供了完整且可复现的数据支撑，有效保障了光通信器件的高频电学性能与长期稳定性。