激光加工中自動(dòng)旋轉(zhuǎn)校位切割的研究

張文斌，孟憲俊，孟凡輝，楊松濤

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601)

激光加工技術(shù)是隨著激光技術(shù)發(fā)展而興起的一種新型加工工藝。由于激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性四大特性，因此激光加工就帶來(lái)了一些其它加工方法所不具備的特性：可控性強(qiáng)、能量穩(wěn)定集中、光束方向性好、光束細(xì)等，是新型陶瓷切割處理的理想工具[1]。但隨著激光加工工藝的發(fā)展以及自動(dòng)控制技術(shù)的不斷提升，對(duì)激光的切割效率及自動(dòng)化功能實(shí)現(xiàn)的要求越來(lái)越高，單純的手動(dòng)控制模式已經(jīng)難以滿足客戶和市場(chǎng)的需求，對(duì)此，本文介紹了基于圖像識(shí)別技術(shù)的自動(dòng)晶片切割道校位、自動(dòng)晶片輪廓提取以及自動(dòng)設(shè)置切割街區(qū)的功能實(shí)現(xiàn)方法，使激光這一新型加工技術(shù)更加完善地融入到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)之中。

1 軟件主體控制時(shí)序

該型激光加工平臺(tái)是應(yīng)用紫外激光束，經(jīng)激光聚焦導(dǎo)光系統(tǒng)產(chǎn)生聚焦光斑，并通過(guò)圖像視覺(jué)模塊完成Al2O3晶片的橫向/縱向切割街區(qū)的校位之后，然后控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，對(duì)Al2O3圓晶進(jìn)行直線切割。

本軟件主要由機(jī)器視覺(jué)模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊和激光器控制模塊組成。機(jī)器視覺(jué)模塊用來(lái)處理CMOS攝像頭的工作臺(tái)圖像；運(yùn)動(dòng)控制模塊用來(lái)控制工作臺(tái)x、y軸、旋轉(zhuǎn)向θ向電機(jī)以及z向電機(jī)運(yùn)動(dòng)；激光器控制模塊用來(lái)控制激光器重復(fù)頻率、功率百分比以及電流大小的設(shè)定，3個(gè)模塊共同配合來(lái)完成Al2O3晶圓的切割。

在整個(gè)軟件系統(tǒng)中的機(jī)器視覺(jué)模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊和激光器模塊分別初始化完成之后，需要將工作臺(tái)移動(dòng)至上片位，把貼好膜的Al2O3晶片放置于工作臺(tái)中心，完成上片之后，需要根據(jù)Al2O3晶片的規(guī)格參數(shù)來(lái)編輯并設(shè)置激光加工參數(shù)（這些參數(shù)主要包括：Al2O3晶片的直徑、橫向/縱向切割道的間距以及橫向/縱向街區(qū)的寬度等）。

以上操作完成之后，點(diǎn)擊“自動(dòng)校位切割晶圓”，如圖1所示，軟件開(kāi)始執(zhí)行自動(dòng)校位切割A(yù)l2O3晶片的模塊。

圖1 控制界面示意圖

2 自動(dòng)校位切割功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)校位切割功能模塊主要包括：晶片輪廓的識(shí)別、晶片翹曲狀況的識(shí)別、晶片切割街區(qū)的校位識(shí)別以及切割街區(qū)的設(shè)定，然后開(kāi)始晶片的自動(dòng)切割，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校位切割。如圖2所示。

2.1 識(shí)別晶片輪廓

用來(lái)獲取Al2O3晶片的半徑以及圓心坐標(biāo)，主要通過(guò)圖像對(duì)比處理技術(shù)得到。該功能需要提前保存一幅沒(méi)有晶片的工作臺(tái)背景圖作為對(duì)照，如圖3所示。

圖2 自動(dòng)校位切割功能的設(shè)計(jì)

圖3 工作臺(tái)背景圖

在自動(dòng)校位切割功能啟動(dòng)之后，再獲取一幅帶有晶片的工作臺(tái)背景圖，如圖4所示，然后通過(guò)圖像對(duì)比技術(shù)獲取晶片圓心和半徑大小，并通過(guò)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的物理數(shù)據(jù)。

2.2 識(shí)別晶片翹曲狀況

用來(lái)獲取晶片表面的翹曲數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)變焦切割。該功能通過(guò)接觸式高度識(shí)別傳感器提取晶片表面的6個(gè)不同點(diǎn)的高度值作為參照，擬合出整個(gè)晶片的翹曲狀況，為切割數(shù)據(jù)的形成提供參數(shù)來(lái)源。

圖4 上片后的工作臺(tái)示意圖

2.3 識(shí)別切割街區(qū)并校位

由于晶片在手動(dòng)放置到工作臺(tái)上之后，其切割道方向會(huì)與工作臺(tái)的直線切割方向存在一定的角度偏差，如圖5所示。

圖5 晶片角度校正前示意圖

通過(guò)圖像自動(dòng)對(duì)比識(shí)別技術(shù)來(lái)提取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)的校位功能就是用來(lái)消除這個(gè)偏差。整個(gè)校位過(guò)程在初步設(shè)計(jì)中，主要分為兩次粗調(diào)和一次精調(diào)，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)橫向切割道與縱向切割道并不完全垂直，于是在原有調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，又在橫向切割道上加了一次精調(diào)，才達(dá)到切割要求，如圖6所示。

2.4 設(shè)定橫向/縱向切割街區(qū)

在獲取到晶片的半徑以及圓心坐標(biāo)之后，只是得到了晶片的主體數(shù)據(jù)，但其切割道所在位置并沒(méi)有得到，在晶片完成校位之后，就可以設(shè)定晶片的橫向/縱向切割街區(qū)所在位置了?？紤]到提高切割效率的需要，將設(shè)定切割街區(qū)所在位置合并到切割街區(qū)的校位過(guò)程中完成。

圖6 晶片角度校正后示意圖

2.5 自動(dòng)切割

以上步驟完成之后，就可以計(jì)算得到晶片每一條切割道的數(shù)據(jù)，從而開(kāi)始晶片的自動(dòng)切割。在加工過(guò)程中，軟件自動(dòng)判斷切割是否全部結(jié)束，如果切割完成，則退出自動(dòng)校位切割功能模塊。

3 效率驗(yàn)證

通過(guò)上述設(shè)計(jì)并編程實(shí)現(xiàn)，上機(jī)調(diào)試完成之后，在相同的切割速度和相同的晶片尺寸下，進(jìn)行手動(dòng)校位切割測(cè)試和自動(dòng)校位切割測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在保證原有切割精度的基礎(chǔ)上，自動(dòng)校位功能的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間縮短為270 s左右，與原有手動(dòng)運(yùn)行效率對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 校位切割效率運(yùn)行對(duì)比

對(duì)于表1中手動(dòng)校位切割、自動(dòng)校位切割分別按照下面公式求取平均值:

得出的結(jié)果分別為320.5 s、259.8 s。

然后在校位切割所需時(shí)間的平均值基礎(chǔ)上，加上手工上下片所需的30 s，再利用每小時(shí)3 600 s，計(jì)算得出每小時(shí)本設(shè)備可完成加工的片數(shù)，計(jì)算公式如下：

得出的結(jié)果分別為10片/h、12片/h。

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)校位切割功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)來(lái)提取三氧化二鋁晶片的數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到所需結(jié)果的。今后我們將繼續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)并不斷優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)思想、邏輯流程，以保證設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，滿足客戶的自動(dòng)化需求。

[1]張國(guó)順.現(xiàn)代激光制造技術(shù)[J].北京；化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]楊松濤，韓微微等.355nm激光新型陶瓷加工研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2011(2):8-11.