一种基于视觉识别的IC芯片生产智能检测系统的制作方法

本发明属于半导体器件制造领域，具体涉及一种基于视觉识别的ic芯片生产智能检测系统。

背景技术：

1、在ic芯片生产制造过程中，视觉检测是保障产品质量的关键环节，随着芯片集成度不断提升，待检测特征尺寸不断缩小，对视觉检测系统的定位精度、图像采集实时性和长期运行稳定性提出极高要求，基于运动平台的视觉检测系统已成为当前ic芯片检测的主流技术方案，其通过运动平台带动相机或工件进行移动，配合图像采集与处理算法实现缺陷识别。

2、然而，现有芯片视觉检测系统在实际应用中普遍存在以下问题：运动平台的定位精度受限于传动机构的固有缺陷，传统方案多采用滚珠丝杠等中间传动机构，其反向间隙问题难以从根本上消除，而采用步进电机驱动的方案在高速运动时易出现失步现象，难以满足微米级检测需求；相机拍摄的时序同步性不足，现有系统多采用软件触发或传感器触发方式，触发时序存在较大抖动，导致高速检测时图像产生运动拖影，降低缺陷识别的准确性；此外，现有系统缺乏对环境温度变化的动态补偿能力，检测系统在连续运行过程中，各部件会因自身发热和环境温度变化产生热胀冷缩位移，破坏出厂前一次性标定所建立的坐标系转换关系，导致标定精度随时间推移持续衰减。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于视觉识别的ic芯片生产智能检测系统，以解决现有技术中运动平台定位精度不足、相机拍摄时序抖动大、标定精度随温度漂移等技术问题。

2、本发明的技术方案如下所述：

3、一种基于视觉识别的ic芯片生产智能检测系统，包括：

4、运动平台子系统，包括直线驱动单元、光栅反馈单元和运动控制器，直线驱动单元采用直线电机直接驱动运动滑台，光栅反馈单元沿各运动轴布置以检测实际位移，运动控制器接收光栅反馈单元采集的实际位置并与规划好的指令位置比较构成全闭环位置控制回路；

5、视觉采集子系统，包括工业相机、远心镜头、同轴光源和时序控制单元，时序控制单元为独立于操作系统的纯硬件时序发生器，通过总线接收运动平台实时位置数据，并由内置高速数字比较器在判定接收到的当前位置与预设检测点坐标一致时生成触发脉冲至工业相机；

6、温度补偿子系统，包括温度传感器阵列、热变形建模单元和补偿运算单元，热变形建模单元基于材料热膨胀系数和温度传感器阵列中各温度传感器布置的空间坐标建立热变形补偿模型，补偿运算单元根据热变形补偿模型和温度传感器阵列的实时读数解算空间位置偏移量，并以空间位置偏移量动态修正运动控制器的位置环指令和视觉采集子系统的相机标定参数；

7、主控处理单元，与运动平台子系统、视觉采集子系统和温度补偿子系统通过标准化数据接口交互，执行图像处理算法和缺陷识别算法以输出缺陷判定结果。

8、优选的，所述时序控制单元通过实时工业总线与所述运动控制器连接以接收所述运动平台的实时位置数据；所述时序控制单元的内置高速数字比较器在判定接收到的当前位置与预设检测点坐标一致时，在硬件逻辑门延时时长内改变连接至所述工业相机外部触发接口的输出引脚电平以生成所述触发脉冲；

9、所述时序控制单元具备连续运动模式和停止拍照模式，在所述连续运动模式下，所述时序控制单元根据所述运动平台的实时速度动态调整采样间隔，在所述停止拍照模式下，所述运动控制器在每个检测点完成定位并稳定后向所述时序控制单元发送定位完成信号，所述时序控制单元在收到所述定位完成信号后才启动所述工业相机曝光。

10、优选的，所述运动控制器采用分布式控制架构，包括一个主控制器和多个轴控制器；

11、所述主控制器承担轨迹规划和插补运算任务，根据检测路径要求生成各轴的目标位置序列；

12、各所述轴控制器独立负责各所述轴控制器自身所对应运动轴的位置闭环控制，内置pid调节器和前馈补偿模块；

13、所述主控制器与各所述轴控制器之间通过实时以太网总线进行数据交换，并利用所述实时以太网总线自带的分布式时钟机制使各所述轴控制器保持时间同步。

14、优选的，所述轴控制器内置的pid调节器与前馈补偿模块采用复合控制策略，其中比例环节根据所述光栅反馈单元采集的实际位置与规划好的指令位置之间的位置偏差产生基本推力指令，积分环节用于消除长时间运行中出现的稳态位置偏差，微分环节对位置超调进行抑制，前馈补偿模块则根据预设的目标速度曲线提前计算出所需推力并施加到控制输出中。

15、优选的，所述热变形建模单元采用各向异性线性补偿模型，分别对x轴、y轴、z轴三个轴向建立独立的线性热膨胀关系，每个轴向的等效热膨胀系数为与所述每个轴向自身的温度梯度相关的修正值；

16、其中，x轴导轨的有效热膨胀系数由导轨材料的标称热膨胀系数与弯曲修正项叠加得到，所述弯曲修正项根据预先标定的弯曲修正系数和所述温度传感器阵列测得的导轨两端温差确定。

17、优选的，所述热变形建模单元采用分段线性插值模型，将所述温度补偿子系统的整个温度工作范围预先划分为若干个连续的温区，每个温区对应一组独立的热膨胀补偿系数；

18、所述补偿运算单元运行时读取所述温度传感器阵列采集的实时温度数据并判断所落入的温区，调用与所判断落入的温区绑定的热膨胀补偿系数进行位置偏移量计算。

19、优选的，还包括与所述温度补偿子系统耦合的自校验模块；

20、所述自校验模块在检测流程的间隙自动激活，激活后控制所述运动平台子系统的运动滑台将所述工业相机移动至位于视场内的基准标记点，所述视觉采集子系统对所述基准标记点进行成像，所述主控处理单元计算出所述基准标记点的实测图像坐标；

21、所述自校验模块将所述实测图像坐标与所述补偿运算单元基于所述温度传感器阵列采集的实时温度数据和所述热变形补偿模型预测的理论图像坐标进行比对并计算残差，根据所述残差与预设阈值的比较结果触发预警或报警。

22、优选的，所述远心镜头的入射光瞳位于无穷远，以在景深范围内保持成像放大倍率恒定；

23、所述同轴光源布置在所述远心镜头的光路中，所述同轴光源发出的光线经半透半反镜分光后与所述工业相机光路同轴投向被测物体表面。

24、优选的，所述主控处理单元包括预处理模块、特征提取模块和分类判定模块；

25、所述预处理模块对原始图像采用双边滤波算法进行去噪，采用自适应直方图均衡化进行对比度增强；

26、所述特征提取模块对增强后的图像根据图像整体灰度均值与局部灰度均值的加权平均自动确定分割阈值以进行缺陷区域分割，并对每个独立的缺陷区域同步提取形状特征、灰度分布特征和纹理特征，所述形状特征包括面积、周长、圆形度和矩形度，所述灰度分布特征包括平均灰度、灰度方差和灰度直方图，所述纹理特征包括灰度共生矩阵的对比度和能量参数，将提取的多维度特征拼接成特征向量；

27、所述分类判定模块内置基于支持向量机的缺陷分类模型，所述支持向量机采用径向基函数作为核函数，用于对输入的特征向量进行推理，输出缺陷类型标签和严重程度评分。

28、优选的，还包括标定参考件和自动标定模块；

29、所述标定参考件为布置于检测视场范围内的玻璃标定板；

30、所述自动标定模块在系统启动或定时触发时控制所述运动平台子系统的运动滑台带动所述工业相机对所述玻璃标定板进行多次成像，并从所述玻璃标定板图像中提取特征点的亚像素坐标，解算出所述工业相机的内参和外参；

31、在标定过程中，所述温度补偿子系统同步采集所述温度传感器阵列的实时温度数据，判断所述温度传感器阵列采集的实时温度数据所属的温区并调用对应的热膨胀补偿系数，将所述热膨胀补偿系数更新至所述运动控制器的位置环指令和所述主控处理单元的相机标定参数中。

32、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

33、1.本发明采用直线电机直接驱动运动滑台，从结构上消除传统滚珠丝杠机构固有的反向间隙，同时通过光栅反馈单元沿各运动轴实时检测实际位移，与运动控制器构成全闭环位置控制回路，使运动平台子系统的重复定位精度得到根本性提升，能够满足ic芯片微米级检测的定位需求，克服现有技术中因丝杠反向间隙和步进电机失步导致的定位精度受限缺陷。

34、2.本发明采用独立于操作系统的纯硬件时序发生器作为时序控制单元，通过总线接收运动平台实时位置数据，并由内置高速数字比较器在判定接收到的当前位置与预设检测点坐标一致时生成触发脉冲至工业相机，将触发时序的控制从软件层面转移至硬件逻辑层面，绕开了操作系统调度延迟和通信协议开销带来的不确定性，有效抑制高速检测中因触发不确定导致的运动拖影，使视觉采集子系统能够稳定获取清晰无拖影的ic芯片图像。

35、3.本发明通过温度传感器阵列实时采集系统关键结构点的温度数据，由热变形建模单元基于材料热膨胀系数和各温度传感器布置的空间坐标建立热变形补偿模型，并由补偿运算单元根据该热变形补偿模型和实时读数解算运动平台和视觉采集部件各自的空间位置偏移量，以该空间位置偏移量动态修正运动控制器的位置环指令和视觉采集子系统的相机标定参数，从而在系统连续运行过程中持续维持手眼标定关系的空间一致性，解决现有技术中出厂一次性标定后忽略温度变化影响、标定精度随时间推移持续衰减的问题，确保检测系统在长期运行条件下的检测精度和可靠性。