国科大集成电路学院曹立强老师开设的微电子系统封装课程,是集成电路工程专业研究生的学科基础课,通过讲述微电子电路的封装设计、制造,以及与封装技术密切相关的设备和材料基本概念与知识,要求学生掌握包括电子封装设计原理、准则,基本制造原理和工艺流程,典型设备的原理和材料的性质与作用,以及封装制造过程中的相关问题及解决办法。具体包括电子封装定义、发展历史、封装分类、封装设计原理、分立器件封装、一般集成电路封装、超大规模集成电路封装、MEMS封装、光电器件封装、特种封装、晶圆级封装、三维封装、系统级封装、封装材料、制造原理与设备、可靠性等基础知识。


目录

一、封装简介

二、引线键合封装

三、倒装封装 Flip Chip

四、芯片尺寸封装WLCSP

五、晶圆级扇出封装 Fan out

六、TSV 2.5D/3D封装

七、电学设计与分析

八、热设计与分析

九、特色封装


一、封装简介

集成电路英文为Integrated Circuit,缩写为IC;是把一定数量的常用电子元件,如电阻、电容、晶体管等,以及这些元件之间的连线,通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。

KGD是什么的缩写:是英文Known good die(已知合格芯片)的缩写

KGD用于描述什么:用于描述准备用于封装(单芯片、多芯片)的集成电路

系统级封装(SiP的定义:将多种功能芯片(包括处理器、存储器等)集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能的一种封装方式

SoC(系统级单芯片)是将多个负责不同类型计算任务的计算单元,通过光刻的形式制作到同一块晶圆上

SiP与系统级芯片(SoC)的不同不同的是系统级封装是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式,而系统级芯片则是高度集成的芯片产品

封装的定义:封装是微电子产业链条的核心环节;微电子封装技术是将半导体(集成电路)芯片包封在某 一种标准组件中的方法、结构、工艺;通过这种包封,半导体芯片标准组件安装在PCB(系统)实现应用

封装的作用:封装是连接芯片与系统之间的桥梁;是芯片使用化的起点

封装的基本作用:电源分配、信号传输、支撑保护、散热、功能集成

封装密度越来越高指什么:单位封装体积的硅密度和单位面积/尺寸互连密度的大大提高

封装密度越来越高的具体体现:硅片的封装效率(芯片面积/封装面积=Sd/Sp)不断提高;封装的高度不断降低;互连线宽和节距不断缩小;三维封装技术成熟


二、引线键合封装

一级封装(芯片互连)工艺流程:Wafer--Back Grinding 磨片--Wafer Mount 晶圆安装--Wafer Saw 晶圆切割--Wafer Wash 晶圆清洗--光学检验--Die Attach 芯片粘接—Wire Bonding引线焊接—Molding 保护

芯片粘接的英文和定义:芯片在载体(引线框架/导线架、基板等)上的固定方法,即采用粘结或者焊接等技术实现芯片/管芯(Die/Chip)与底座(Carrier)的连接,常称为Die Bonding / Die Attach / 贴片等。

芯片粘接工艺考虑、性能指标:机械强度、化学性能稳定、导电性和导热性、热匹配特性、低固化温度和易操作性

芯片粘接的技术类型

  • 环氧树脂粘结技术:主要应用于芯片与底座要求相互绝缘的情况;组分含固化剂、固化促进剂、稀释剂、填充剂等;易加工、高粘合力、稳定、绝缘特性好;耐高温性稍差,收缩性较差;
  • 导电胶粘结技术 :工艺简单、成本低廉;典型固化温度:125~175°C;热稳定性稍差,机械强度高;既用于导热,又用于电学连接
  • DAF(die attach film)没有溢胶厚度可控导电导热适合叠层封(DAF粘接技术特点)
  • 共晶焊技术(eutectic)两种不同的金属,在远低于各自熔点温度下按一定的比例形成共熔合金,其熔化温度称共晶温度共晶温度定义)共晶温度与组分比例密切相关。共晶温度与什么密切相关)合金液体在共晶反应温度下冷却、凝固、结晶为两种或更多致密晶体混合物,称为共晶。共晶的定义)机械强度高、热阻小、稳定性和可靠性好。共晶焊技术的优点)
  • 纳米银(铜)烧结技术针对大功率器件芯片粘结开发;利用纳米银颗粒的尺寸效应(10nm-100nm),在辅助一定的压力下,低温下(300°C以下)烧结而成;烧结连接层为银,导电和导热性能均较好;可以在高温下服役,使用Ag成本高;流程较长,升温到一定温度后,需要保持一段时间;对芯片背面金属化有一定要求。

引线键合(Wire Bonding)的定义:指使用金属丝,利用热压或超声能源,完成微电子器件中固态电路内部互连接线的连接,即芯片与电路或引线框架之间的连接。

引线键合的方式:楔形焊(wedge-type bonding)(压力大打载体)球焊(ball bonding)(压力小打芯片)

引线键合的优点低成本,高可靠,高产量

引线键合的金属丝种类:Al,Au,Cu,Ag

热超声波法的优点:它结合了热压法和超声波法的优点。热超声波法将热、压力和超声波施加于毛细管劈刀,使其在最佳状态下进行连接。

Ball Bonding Process 一次键合:在芯片焊盘上的球引线键合(ball bonding)、二次键合:PCB焊盘上的针脚式键合(stitch bonding)

两种引线键合对比:


三、倒装封装 Flip Chip

芯片互连芯片与框架/基板/PCB等结构的电学连接;

IBM发明了可控崩塌芯片连接制程技术,代替引线键合,以及提出使用underfill提升可靠性;

倒装键合的定义:是有源面向下封装技术。

FC互连的优点:高密度;IO引脚数量多:薄外形;短传输路线;低的耦合电感;优良的噪音控制

WB和FC互连技术比较:

Bumping技术一般是指倒装LED芯片(flip chip)工艺中,在wafer晶圆表面做出的铜锡或金凸点。芯片倒过来贴到PCB板上后,bumping凸点与PCB上的导电焊盘连接,用于加电驱动LED

典型UBM结构各个层次名称,要求,作用,以及常用金属:

金属倒装凸点成型方法:蒸发➡溅射+电镀➡溅射+印刷➡化学镀+印刷

铜凸点工艺流程:溅射金属种子层➡厚胶光刻➡电镀➡去胶➡刻蚀种子层➡回流

(种子层刻蚀方法和光刻胶解析度决定copper pillar宽度;光刻胶厚度决定copper pillar能达到的高度)

倒装芯片凸点组装流程:

➡Flux清洗焊盘表面氧化物(使金属与焊盘可以充分润湿)

➡回流(芯片密度高时采用原位回流,solder ball较大时可用炉子直接加热)

➡清洗Flux(防止under fill时产生应力导致爆板或裂纹)

➡底部填充(Under fill)

➡固化(under fill cure)(一定温度和时长下产生一定的胶粘)

铜凸点工艺流程:

电镀金属种子层—光刻胶涂覆,曝光图形化—电镀铜—溅射焊球下金属层(UBM)—电镀焊锡—光刻胶去除、刻蚀UBM—焊料回流

金凸点工艺流程:

钝化层淀积——溅射焊球下金属层(UBM)—— 光刻胶涂覆,曝光图形化 ——电镀金—— 光刻胶去除、刻蚀UBM

焊料凸点工艺流程:

Al焊块晶圆结构(Al焊块和钝化层构成晶圆表面结构)——溅射焊球下金属层(UBM)——光刻胶涂覆,曝光图形化——电镀铜和焊锡——光刻胶去除、刻蚀UBM——焊料回流

焊料凸点组装流程:

涂覆助焊剂——贴片——焊料回流——清洗层间助焊剂——填充底部填充剂——加热、底部固化

底部填充(Under fill)的原因:芯片与基板之间存在热膨胀系数的不匹配,在组装及使用过程中将带来热应力,通过底部填充进行缓解。

底部填充材料:主要成分是环氧树脂和填充物

底部填充的作用:对芯片表面进行保护,避免微尘、 湿气等侵入由于机械应力和热应力产生的裂缝等危害。

底部填充的种类:CUP毛细管型底部填充、NCP非导电膏、NCF晶圆级贴膜

集成电路封装底填要求

组装工艺要求: 低粘度、可完全填充芯片下方;无孔洞;可调整的凝胶时间;没有或较少的挥发物

可靠性要求:优异的芯片和基板粘附性;热稳定性高;可靠性试验中无倒角裂纹、分层或其他失效形式;吸湿性低;辐射率低

倒装芯片散热方式:under fill+Lid有利于散热;exposed die有利于散热(高功耗采用exposed die+molded;低功耗采用over mold)


四、芯片尺寸封装WLCSP

芯片尺寸封装基本定义:封装的面积小于芯片面积的1.2倍

最接近于芯片尺度的封装工艺:圆片级芯片尺寸封装(WLCSP)

Fan-in WLP

集成电路芯片(IC)经过圆片级的工艺形成允许器件被测试和组装到PCB板上的窄节距I/O端的封装形式,如同窄节距BGA被测试和组装一样整个封装都采用前工序制造工艺;封装在PCB上所占的面积基本上等于芯片面积,即S基板/Sdie →1;采用焊球/柱等互连方式;

传统封装与WLCSP封装的流程及区别:

传统封装:圆片测试--划片--封装--成品

圆片级封装:在圆片上做封装工艺(比如做引出端的再分布或者凸点互连)—凸点 — 划片 —成品)

WLCSP与FC-BGA封装比较:去除了封装基板;低成本;轻、薄;工艺简单;优良电性

WLCSP所面临的挑战:面临芯片缩小,功能增加(引线端增加)以及系统级封装的挑战,没有足够的芯片面积进行信号端的扇出分布。


五、晶圆级扇出封装 Fan out

Fanout-WLP将已划片的芯片放进高分子的基体中,形成与原有wafer相似的尺寸,这个“重构”的wafer再经历与“真”wafer相同的圆片级封装工艺

Fanout-WLP与FC-BGA比较:低成本;薄外形;无封装基板;无圆片级凸点成型;无Flip Chip组装;无Flux清洗;无Underfill;优异电性能;易于实现SiP和三维封装

Fanout-WLP与Fan-in WLP比较:利用已知好芯片(KGD)/高良率;可埋入无源器件;高引线数;易于实现SiP和三维封

扇出型圆片级封装的工艺路线:Chip-First (Die face-down) 、Chip-First (Die face-up) 、Chip-Last (RDL-First)

Die face-down的具体工艺流程:

➡将KGD通过双面(热释放)胶层与临时金属晶圆/面板载体粘接

➡利用环氧化合物塑封

➡拆下载体和胶层(也可以通过激光拆键实现载片释放)

➡建立RDLs和安装焊锡球

➡将模制的晶圆片或面板切成单独的包装

Die face-up的具体工艺流程:

➡在晶圆上做好铜柱并测试KDGDs后切片

➡将KGD通过双面(热释放)胶层与临时金属晶圆/面板载体粘接

➡利用环氧化合物塑封

➡将晶圆减薄使铜柱露出

➡建立RDLs和安装焊锡球

➡拆下载体和胶层,将模制的晶圆片或面板切成单独的包装

RDL-First的具体工艺流程:

➡在晶圆上做好铜柱并测试KDGDs后切片

➡在临时载片上做好再布线

➡通过热压键合或回流的方式固定到焊盘上

➡底部填充并固化

➡利用环氧化合物塑封

➡在背部做减薄使KGDs背面暴露并进行金属增强

➡安装焊锡并切片

RDL-First优点比chip first的方案翘曲小,布线层数更高、线宽更小(要做copper pillar 成本高)


六、TSV 2.5D/3D封装

TSV是什么: Through-Silicon-Via,硅穿孔是一种穿透硅晶圆或芯片的垂直互连。

TSV的优势:高密度、高速、低功耗、互连短、寄生参数小

衡量TSV的指标:开口率:TSV总面积/晶圆面积

深宽比:高度/直径

硅转接板定义:TSV含有TSV以及其他互连结构的硅基板称为硅转接板

硅转接板种类:硅基无源转接板:转接板不含有电路功能器件

硅基有源转接板:转接板含有电路功能器件

硅无源转接板工艺流程

正面:TSV刻蚀——TSV侧壁绝缘层沉积——扩散阻挡层、种子层沉积——TSV电镀铜——正面CMP平坦化——正面RDL布线——正面UBM制作

反面:临时键合——衬底减薄,TSV露头——背面绝缘及开孔——背面RDL制作——背面制作焊球——拆键合及划片——模块组装

硅有源转接板工艺流程:FEOL工艺——TSV刻蚀——绝缘层、扩散阻挡层、种子层沉积——金属互连制作——临时键合工艺——TSV背面减薄及露头——绝缘层沉积——背面RDL制作

2.5D封装工艺流程的优点:抑制翘曲,可实现多芯片集成,3-4个光照区域的拼接以满足大的多芯片的集成,可做DTC来优化供电网络杂散的噪声,电源的特定阻抗

有源转接板工艺技术种类:正面Via last工艺、背面TSV Via last工艺、Via-Middle工艺

高端基板技术发展驱动力:高端基板受到电,热,尺寸,功能性以及周期成本的综合驱动,向着精细线路,高散热性,低厚度,高集成度,短制造周期方向发展。

基板先进制造工艺种类及流程:

MSAP和SAP优缺点对比:

Inter EMIB的优点:


七、电学设计与分析

电设计功能作用:信号输入输出,供电以及地连接

带宽如何计算:带宽 = I/O 速度 × 传输的位数

I/O 速度 = 单条数据线(单端/差分)速度( Mbps or Gbps)

传输的位数 = 总线宽度或数据通道

单端线和差分线的含义:

单端线:一根信号线与其参考的基准参考地(电源),一般用于并行总线;

差分线:用两条平行的、等长的走线传输相位差180度的同一信号),一般用于串行总线;

眼图的定义精确的分析信号的时间信息和幅度信息,每一个码元波形重叠在一起,从而形成眼图

电阻计算公式:

电容计算公式:平行板电容:

电容在封装中的作用:供电网络去耦,信号线通交隔直

电阻电感电容串联时的总电阻:

电感的计算公式:电感率磁通量与电流之比

信号高低频的路径:低频:信号沿着电阻最小的路径;高频:信号沿着电感最小的路径

(电感与电流路径所包围的面积成正比)

设计中减小电感的方法:减小回路面积、多个电感并联、电源和地的管脚尽量交叉均匀分布、

平面之间的互感有助于降低回路电感

阻抗

有损传输和无损传输特征阻抗的计算:

为什么要考虑阻抗匹配考虑阻抗匹配后信号的反射就没有了,所需要的功率可以从一端完整的传输到另一端,能保证信号眼图畸变最小

阻抗不连续的主要因素:传输路径不连续;回流路径不连续;键合线;焊盘;过孔、TSV;BGA、微bump

实现阻抗匹配的方法:

LGA阻抗和AC耦合电容阻抗优化:焊盘大(C大)➡改变参考路径,使回流路径与焊盘的距离增大

过孔阻抗优化:通过接地孔来改变过孔的数目和信号与过孔之间的间距来改变回流路径实现阻抗匹配

串扰的定义当两条传输线靠近:

•由于相邻或附近线路之间的电容性和电感性耦合而发生串扰。

•串扰是临近的信号改变状态时在信号线上产生的噪声

串扰引起的噪声:互容引入的容性耦合电流在受害线上将沿两个方向传播,互感引入的感性耦合电流在受害线上将沿着与攻击线上电流方向相反的方向传播。Inear、I far、ICm、ILm分别代表受害线上的近端电流、远端电流、容性耦合电流、感性耦合电流,近端电流与远端电流导致了受害线上的的近端串扰与远端串扰。Inear= ICm+Ilm  I far= ICm-Ilm

减小传输线串扰的方法

增加走线间距:在走线之间提供足够的间隔

  1. 减小并行走线的耦合长度:过长的并行走线增加串扰
  2. 采用正交布线:相邻信号层走线时,走线相互交叉或垂直,可减少信号线之间的电容耦合;
  3. 增大信号的上升或下降时间:在时序条件允许的情况下,可以减少高频信号所带来的影响
  4. 合理采用端接匹配技术:减弱甚至消耗信号的反射,从而减弱串扰强度
  5. 减小信号路径和信号返回路径的阻抗:可以降低信号的波动
  6. 传输线之间添加防护隔离线:防护隔离线两端短路接地
  7. 选择差分对布线:紧密耦合的差分布线消除了串扰,差分对抑制有助于减少串扰的共模噪声

趋肤效应(skin effect)的定义:

高频时,导体中出现交流或者交变电磁场。此时导体内部的电流分布发生变化,电流主要集中在导体外表的薄层。越靠近导体表面,电流密度越大,而导体内部的电流很小或甚至没有电流,结果导致导体的电阻增加,导体损耗也随之增加。

驱肤深度:

趋肤效应导致电流分布于导体表面的厚度称为趋肤深度δ(Skin depth)频率越大,驱肤深度越小,电流越集中于导体的表面。(式中σ是导体的电导率,μ是磁导率,ffreq是所承载信号的频率。)

导体损耗介质损耗

导体损耗:导线的电阻在交流情况下随频率变化,随频率升高,电流由于趋肤效应集中在导体表面,受到的阻抗增大,铜箔表面的粗糙度也会加剧导体损耗

介质损耗:由于介质极化,交流电场使介质中电偶极子极化方向不断变化,消耗能量

粗糙度带来的损耗:选择低粗糙度的铜箔有利于降低插入损耗

传输线的介质损耗:介质损耗角正切(Df)和传输线长度.相同线长,Df越大,损耗越大;相同Df,线长越长,损耗越大

损耗角正切定义:介电常数的虚部与实部之比

插入损耗、回波损耗定义:

插入损耗定义:输出端口所接收到的功率Pl与输入端口的源功率Pi之比,常用dB表示

回波损耗定义:输入端口反射的功率Pr与输入端口的源功率Pi之比,常用dB表示

传输线带宽的定义:互连线的带宽是指互连线的性能依然满足指标时的最高频率

(互连线的3 dB带宽指的是信号衰减小于3 dB(功率 <50%) 时的最高频率)

利用上升沿时间估算带宽BW=0.35/RT  (BW:带宽/GHz  RT:10%-90%上升时间/ns)

利用时钟频率估算带宽:带宽是时钟频率的5倍:BWclock=5×Fclock (BWclock:时钟带宽近似值/GHz  Fclock:时钟频率/GHz)

电源分配系统的定义:通常电源从电源调节模块出发经过电路板,芯片封装引脚以及芯片内部的互连传递给晶体管,我们称这个链路为电源分配系统(PDS/PDN)

目标阻抗Ztarget的定义:

(Ripple:芯片所允许的最大电压波动值与芯片正常供给电压值的比值   ΔIMAX:芯片最大瞬态电流变化量)为了使电源都满足芯片的阈值要求,PDS阻抗要小于目标阻抗Ztarget

降低阻抗的措施:核心是降低整个电源分配系统的回路电感,增大分布电容,

  • 减缓芯片内部的驱动电路,从而减小di/dt。
  • 使用完整的电源和地平面,并使二者尽量靠近,采用高介电常数的叠层材料。
  • 增加封装的电源和地引脚数目,并让引线尽量短且粗。
  • 电源和地的封装引脚尽量靠近,并且成对出现。
  • 在高速芯片附近增加低电感的去耦电容。
  • 芯片内部增加去耦电容

屏蔽效能(SE) 的定义:

入射到屏蔽层的电(磁)场幅度与穿透屏蔽层的电(磁)场幅度之比


八、热设计与分析

热设计功耗(TDP)定义:是当芯片达到最大负荷的时候热量释放的指标〔单位为瓦W)(TDP越大,表明CPU在工作时会产生的单位时间热量越大,对于散热系统来说,需要将TDP作为散热能力的最低设计标准)

温度的定义:表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度

热量传递过程的驱动力:温差

热阻:当有热量在物体上传输时,在物体两端温度差与热源的功率之间的比值

封装热设计的原则是:降低从芯片结到周围环境的总热阻(反映阻止热量传递能力

热量传递的三种基本模式:传导、对流和辐射

热阻的定义:   (P功率,热阻单位m^2 k/W)

热传导热阻:

q:过程中的转移量k:热导率 单位W/mk  Ac:垂直于热流方向的横截面积 )

接触热阻:两个名义上平的固体表面相互接触时,实际上接触仅发生在一些离散的接触面积上。当热量传过接触面时发生热流收缩的现象,从而产生接触热阻。

减小热阻的方法:增大表面光滑度 ;增大接触压力;接触表面之间加一层热导率较大、硬度较小的材料,如纯铜箔、银箔,或涂一层导热材料

对流换热的定义:流体流过一个温度不同的 物体表面时引起的热量传递,这种情况称为对流换热既有热对流(流体离开物体表面的部分)也有导热(流体紧贴物体表面的部分)。

发生对流换热的要求:必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动;也必须有温差。

对流换热电阻:Rh=1/(hA)[K/W]

对流系数h:h=Φ/(A(tw-t∞)) [W/(m2.K)]  表征对流换热过程强弱的物理量

应力与应变:应力: 应变:

杨氏模量 (应力/应变=比例常数E称为弹性模量,又称杨氏模量)

杨氏模量E、剪切模量G和体积模量K和泊松比μ的关系:E=2G(1+μ)=3K(1-2μ)


九、特色封装

光纤模场直径MFD定义:高斯分布的单模光纤,模场直径是光场幅度分布1/e处各点所围成圆的直径,也等于光功率分布1/e2处各点所围成圆的直径。

MEMS封装的功能:机械支撑、环境保护、电连接、散热

MEMS器件的特殊性:特殊的信号界面,立体结构,外壳要求,可靠性要求

MEMS封装与IC封装对比:

实现更高密度键合的方式:Cu-Cu/Si02-Si02混合键合技术

混合键合技术流程:平坦化,清洗➡氧化物室温键合-预键合➡退火,铜扩散结合

SoC(系统级单芯片)是将多个负责不同类型计算任务的计算单元,通过光刻的形式制作到同一块晶圆上。

Chiplet是将一块原本复杂的SoC芯片,从设计时就先按照不同的计算单元或功能单元对其进行分解,然后每个单元选择最适合的半导体制程工艺进行分别制造,再通过先进封装技术将各个单元彼此互联,最终集成封装为一个系统级芯片组。

Chiplet优势:

晶上系统的定义:是芯片通过晶圆异构集成而形成的超大系统级芯片

晶上系统的优势:在带宽,延迟,能效,体积等可获得数量级收益

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