摘要：文章提出了一种基于机器视觉的bga器件焊球质量检测方法。该方法在同一视点下，用相同光源分别以两种不同入射方向角照射被测bga连接器焊球，获得两幅图像，然后得到bga 连接器焊球在x方向的曲面信息，以此计算出被测焊球的主要质量参数。最后给出了bga连接器焊球检测的主要算法。
关键词：bga 连接器焊球检测 机器视觉 检测算法
1 引 言
bga(ball crid array)是近几年发展起来的一种电子器件封装技术，非常适用于大规模集成电路的封装，其发展十分迅速。bga连接器和bga封装器件现已被广泛应用，几乎所有的计算机、移动电话等电子产品中都能找到bga封装器件。图1 是bga连接器的bga焊接面。
bga连接器以焊球作为与印刷电路板连接的引脚。安装时，加热bga连接器，使焊球直接熔接在印刷电路板上，就可完成bga连接器的安装过程。与其他类型的连接器相比，bga连接器具有安装方便，工作可靠，封装密度高，易于装配，体积小，自感和互感小等优点。它特别适用于计算机cpu等超大规模集成电路芯片封装或用作ic器件的连接插座。图2是bga连接器安装后的侧视图。
由图2可知，bga连接器的制造精度要求很高，尤其是对bga焊球的机械尺寸精度要求非常高。bga连接器上的焊球高度差应小于0.2毫米，否则就会造成bga 连接器上的某个或某些焊球无法与电路板正常熔接，从而使得整个电路产品报废。图3 是bga焊球高度不一致造成的电路连接故障的示意图。
为了避免bga连接器的连接故障，通常要在生产流水线上逐一对bga连接器焊球质量进行检测(主要检测参数为焊球的直径、高度)。若采用传统的接触式测量方法，不但测量周期较长，而且无法满足在生产线现场对连接器上每一个焊球在线检测的要求。
将机器视觉应于bga连接器焊球的质量检测，则可实现无损非接触在线检测。由于机器视觉采用图像采集和图像处理的方法，可在一次采样过程中获取被测bga连接器的整个图像，因此它的整个检测周期非常短，并且能将bga连接器上的所有焊球一次检测完成。显然，它是一种较为理想的bga连接器质量检测方法。
2 检测原理
采用机器视觉方法检测bga连接器焊球的直径、高度等参数，先由图像采集装置获取bga连接器焊球端面的图像，该图像如图( 所示。然后设法从该图像提取bga连接器焊球的曲面信息，最后由曲面信息求得被测焊球的直径、高度等参数。
焊球图像生成过程如图4所示。光源照射到焊球表面点s，其反射光经透镜中心投射在图像面的点s'上。当光源为平行光，反射光呈均匀散乱分布，且焊球的投影为近似平面投影时，图像面点s'的灰度值i与照明方向角(α，β)和焊球表面点s的状态有关。其函数关系可表示为：
i(x,y,α，β)=a*ρ(x,y)*g(p,q,α，β)i(x,y,α，β)是与点s对应的图像面上点s'的灰度值，可从图像采集装置直接得到；同时，它也是以光投影方向角(α，β)为参数的关于物体表面点s(x，y)的函数。a为常数。ρ(x，y) 为点s(x，y)处的表面反射率，它与点s(x，y)的表面性质有关，如表面有污点或有花纹等都会影响反射率，且不同的位置有不同的ρ(x，y)。g为入射光在物体表面的密度，当光投影方向角(α，β)确定后，它与点s(x，y)的表面斜率有关。
由上述分析可知：在图像面生成的图像带有被侧物体的三维信息p、ρ。检测到点s的灰度值后，只要根据点s的坐标x、y值和入射光方向角(α，β)，设法从式(1)或式(2)提取p、ρ，就可得到焊球表面的斜率，然后由点s的斜率计算出被测焊球的直径、高度。但是，式(1)中的表面反射率ρ(x，y)较为复杂，不同的物体有不同的表面反射率，同一物体的不同位置的表面反射率也不尽相同，而且在连续工业生产环境下，不可能得到准确的被测物体表面反射率ρ(x，y)。因此，直接应用式(1)无法由灰度值i计算出点s的斜率。
表面反射率ρ(x，y)虽然复杂，但是它仅与点s的表面性质有关，而与照明条件无关。这里利用表面反射率ρ(x，y)的这一特性，在同一视点下，用同一光源分别以两种不同入射方向角，照射bga连接器的焊球，用图像采集装置在图像面的点s'处获得相应的两个灰度值i1和i2。由于i1和i2是图像面上点s'在不同照明条件下的灰度值，对应于bga连接器焊球上的同一点s，具有相同的平面坐标x、y和表面反射率ρ(x，y)。求解下列联立方程：
