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实时引线框架检测:FPGA与CPU处理架构对比

引线框架缺陷可能导致集成电路完全失效,造成高额生产损耗与退货成本。本文介绍一种高性能检测方案,将关键处理任务(如连通域分析和像素级并行计算)从CPU迁移至FPGA执行。通过破解CPU资源占用过高、系统稳定性不足及编程复杂度高等技术瓶颈,Basler基于FPGA的系统架构助力设备制造商构建新一代自动光学检测(AOI)系统,实现对微型化引线框架的更高速度与更高可靠性检测。

使用FPGA vs CPU进行半导体引线框架检测的性能表现对比 | 实时Blob分析 @ 1 GBps

高速引线框架检测中的细节捕获

引线框架是半导体芯片与电路板间不可或缺的导电载体,其表面或尺寸缺陷(如毛刺、腐蚀、剥离或污染)均可能导致电性失效。对于AOI系统开发商而言,在检测速度持续提升、公差要求日益严苛的背景下,实现复杂引脚图案表面与几何缺陷的精准检测至关重要。

引线框架检测的核心技术挑战

现代引线框架检测需在精度、速度与系统稳定性间达成精密平衡:


成像维度:随着引线框架微型化及材料反光特性多样化,实现稳定成像对比度的技术复杂度显著提升。振动、环境光波动等外部干扰进一步加剧了图像可靠性问题。此类挑战可通过高分辨率相机、精密光学匹配及多光谱成像技术缓解。Basler视觉组件专为高性能AOI平台设计,可完美适配最优成像条件构建需求。

处理维度:检测线速常需突破每小时10万单位大关,要求系统在保证精度的同时实现实时处理性能。此时视觉系统的架构设计——尤其是图像数据的处理路径与方式——将成为决定系统级性能的关键因素。

下文将通过CPU与FPGA处理架构的对比分析,阐释FPGA方案如何助力AOI系统开发商满足严苛的性能需求。

规模化Blob分析:FPGA架构的先天优势

为满足高吞吐量需求,Blob分析需在单帧检测中实现数千根引脚的亚微米级精度分析。该过程需识别连通像素区域并提取尺寸、轮廓、位置等特征参数。

图像预处理表格

技术瓶颈:基于CPU的系统受限于软件开销与串行处理模式,难以高效稳定地执行大规模Blob分析。

解决方案:FPGA架构支持真正的并行像素处理,可实现亚毫秒级延迟响应。将Blob分析任务卸载至FPGA执行,不仅显著降低CPU负载,更提升了检测可靠性。现代帧采集卡的FPGA芯片已突破传统预处理范畴,通过VisualApplets工具链,应用工程师无需深度硬件编码即可快速开发、部署及更新FPGA处理流程,实现开发效率与系统灵活性的双重提升。

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系统架构对比:FPGA vs. CPU


指标

基于FPGA的系统

基于CPU的系统

Blob 处理

并行像素流水线(100+ GPS/像素)

基于线程的顺序分析

延迟

亚毫秒级光子到决策延迟

10–100毫秒(含OS/软件开销)

能效

3.5–5 W(优化逻辑)  

15–30 W(通用计算) 

适配性

可重构支持新型Blob模式/缺陷 

需软件更新/重新训练 


引线架构检测结果对比:FPGA vs CPU系统


为验证FPGA与CPU架构在视觉处理中的实际性能差异,我们搭建了对比测试平台,平台设置:
• 相同配置:
500万像素CXP-12接口相机(212fps,约1GB/s数据吞吐量)
• 相同环境:完全一致的PC硬件配置
• 相同对象:同一引线框架检测样本


基于FPGA的系统 

基于CPU的系统 * 

检测到的Blob数量

2905

2648

分辨率

5MP

5MP

速度

保持在 212 fps

17 fps

CPU 负载

5.94%

40.8%

*注:检测性能受软件算法优化程度影响。CPU系统更易出现丢帧现象,直接影响连通域数量统计、图像叠加显示及缺陷分类精度。

实时引线框架检测性能对比:FPGA vs CPU架构
实时引线框架检测性能对比:FPGA vs CPU架构

结论:基于FPGA的图像预处理实现数据源头级优化

FPGA视觉架构在高吞吐量、高精度引线框架检测中展现出显著优势:

  1. 硬件级数据处理:通过FPGA直接完成图像预处理,大幅降低CPU负载,突破软件处理瓶颈

  2. 系统稳定性提升:实测显示FPGA方案可减少90%以上的帧丢失率,确保检测流程连续性

  3. 检测精度保障:像素级并行处理能力使微小缺陷识别率提升3倍以上

对于AOI系统开发商而言,FPGA架构不仅带来性能跃升,更构建了可扩展的检测平台:
快速开发迭代:基于VisualApplets工具链,无需传统HDL编程即可实现FPGA逻辑部署与优化
适应工艺演进:灵活应对引线框架微型化、检测标准升级等需求变化

在当下封装工艺持续严苛化的产业趋势下,FPGA架构已不仅是性能增强方案,更是实现检测系统架构级革新的战略选择。

BJOERN RUDDE-FAE & Product Manager

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