高愛(ài)梅，楊松濤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176）

雙面對(duì)準(zhǔn)光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高愛(ài)梅，楊松濤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176）

針對(duì)激光劃片機(jī)中提出的雙面圖形加工要求，設(shè)計(jì)了雙面對(duì)準(zhǔn)光路系統(tǒng)，滿(mǎn)足圖形雙面識(shí)別和激光劃片的要求。介紹了正反面光路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、光源配置以及圖像識(shí)別算法的應(yīng)用，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。

激光劃片；雙面對(duì)準(zhǔn)；光路結(jié)構(gòu)；

激光加工技術(shù)作為一種靈活多樣、綠色可持續(xù)發(fā)展的加工技術(shù)，一經(jīng)推廣，便受到眾多行業(yè)的青睞。其發(fā)展速度之快、應(yīng)用范圍之廣，無(wú)疑不斷顛覆著人們的想象。尤其在半導(dǎo)體材料加工領(lǐng)域，激光加工正在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工手段，占據(jù)著舉足輕重的地位。被廣泛應(yīng)用于激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割、激光打孔、激光快速成型等領(lǐng)域。其中，高精密UV激光切割和鉆孔作為一種低損傷加工手段，已成功應(yīng)用于半導(dǎo)體、光子學(xué)、光電和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）領(lǐng)域，如LED襯底藍(lán)寶石晶圓的劃片，GaAs、GPP晶圓劃片，有機(jī)高分子材料劃切，精密陶瓷劃切等。而隨著元器件性能的提高和加工工藝的改進(jìn)，我們面臨這樣一個(gè)加工難題——晶圓雙面劃片，這就對(duì)晶圓的視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)提出了特殊的要求。本文就是針對(duì)激光劃片設(shè)備中，晶圓雙面劃片的需要，設(shè)計(jì)雙面對(duì)準(zhǔn)光路系統(tǒng)，滿(mǎn)足晶圓的雙面圖形對(duì)準(zhǔn)。

1 雙面劃片的工藝特點(diǎn)

1.1 加工精度要求

一種用于制作壓電器件的陶瓷基板，尺寸20 mm×30 mm，厚0.4 mm，雙面鍍銀層，需要在正反兩面劃線(xiàn)和刻盲槽，單面加工精度±5 μm，正反面相對(duì)偏差±25 μm。普通的激光劃片機(jī)只能進(jìn)行正面對(duì)準(zhǔn)和加工，要完成雙面加工，同時(shí)保證正反面劃線(xiàn)的相對(duì)位置精度，必須在工作臺(tái)底部再增加一套光學(xué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。考慮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)誤差，分配給視覺(jué)系統(tǒng)的誤差為：?jiǎn)蚊鎸?duì)準(zhǔn)精度±3 μm，雙面對(duì)準(zhǔn)精度±20 μm。

圖1 雙面加工圖形示意

1.2 工藝流程

從雙面加工的工藝流程分析（見(jiàn)圖2），需要三套圖像識(shí)別鏡頭：

大視場(chǎng)鏡頭識(shí)別陶瓷基板輪廓；

正面鏡頭識(shí)別基板正面的激光標(biāo)記點(diǎn)；

底部鏡頭識(shí)別基板正面的激光標(biāo)記點(diǎn)。

圖2 工藝流程圖

2 鏡頭設(shè)計(jì)

2.1 大視場(chǎng)鏡頭

選用一個(gè)CCTV鏡頭，焦距25 mm，CCD相機(jī)，圖像視場(chǎng)36 mm×48 mm，能夠完整的觀測(cè)到整個(gè)基板，采用基于灰度的邊緣識(shí)別算法，可以快速識(shí)別基板邊緣輪廓，從而定位基板當(dāng)前位置。見(jiàn)圖 3、圖 4。

圖3 大視場(chǎng)鏡頭

圖4 輪廓識(shí)別效果

2.2 正面對(duì)準(zhǔn)鏡頭

為實(shí)現(xiàn)劃槽的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，正面對(duì)準(zhǔn)鏡頭與激光光軸同軸設(shè)計(jì)，兩者共用一個(gè)激光聚焦鏡和分束鏡。為使得激光焦平面和對(duì)準(zhǔn)鏡頭焦平面重合，輔助物鏡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮色差帶來(lái)的影響。分束鏡能夠?qū)?55 nm激光波長(zhǎng)反射，同時(shí)對(duì)可見(jiàn)光透射。聚焦物鏡焦距100 mm，輔助物鏡焦距200 mm，正面對(duì)準(zhǔn)鏡頭放大倍率2倍。見(jiàn)圖5。

2.3 底部對(duì)準(zhǔn)鏡頭

底部對(duì)準(zhǔn)鏡頭與正面對(duì)準(zhǔn)鏡頭同軸設(shè)計(jì)，由于受結(jié)構(gòu)空間的限制，物鏡的工作距離必須大于140 mm，使得系統(tǒng)的光程較長(zhǎng)，因此采用了一個(gè)反射鏡進(jìn)行光路轉(zhuǎn)折。為保證正反面對(duì)準(zhǔn)精度的一致性，要求正反面對(duì)準(zhǔn)鏡頭的放大倍率和分辨率相同，因此，設(shè)計(jì)物鏡焦距140 mm，輔助物鏡焦距280 mm，放大倍率2倍。

圖5 雙面對(duì)準(zhǔn)鏡頭結(jié)構(gòu)框圖

3 光源配置

穩(wěn)定均勻的照明光源是獲得優(yōu)質(zhì)圖像效果的重要保障，對(duì)圖像處理系統(tǒng)起著非常重要的作用。LED光源以其壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、組裝方式靈活和優(yōu)異的單色性，被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化設(shè)備的視覺(jué)系統(tǒng)中。一般光源的選擇可遵循幾條原則：表面是白色的物體對(duì)光源顏色不敏感；表面有色彩就要根據(jù)表面的顏色選擇對(duì)比度大的光源顏色；應(yīng)盡可能選擇單色光避免色差；同軸光照明主要針對(duì)鏡面物體的表面缺陷和破損；平行光照明可以避免動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)由于物體位置的微動(dòng)而引起圖像大小的變化；環(huán)形光適合表面反光性較差材質(zhì)的識(shí)別和邊緣特征提取。

在本系統(tǒng)中，要識(shí)別的材料是表面鍍銀層的陶瓷基板，反光特性很差，采用同軸光照明時(shí)視場(chǎng)內(nèi)照度不足，對(duì)比度低，不利于標(biāo)記識(shí)別。最終通過(guò)試驗(yàn)確定，正面對(duì)準(zhǔn)鏡頭和底部對(duì)準(zhǔn)鏡頭均采用綠色環(huán)形光源照明，取得較理想的效果。見(jiàn)圖6。

4 坐標(biāo)標(biāo)定

圖6 陶瓷片識(shí)別效果

為了實(shí)現(xiàn)陶瓷片的自動(dòng)識(shí)別、對(duì)位和加工，需要對(duì)相機(jī)坐標(biāo)、工作臺(tái)坐標(biāo)和激光加工坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，定義其相對(duì)位置關(guān)系。首先標(biāo)定正面對(duì)準(zhǔn)鏡頭與激光加工坐標(biāo)的位置關(guān)系，方法是打開(kāi)激光在片子上打一個(gè)準(zhǔn)0.1 mm的小孔，記錄小孔圓心與屏幕十字線(xiàn)中心的相對(duì)位置坐標(biāo)，在程序中標(biāo)定。然后標(biāo)定正面相機(jī)與底部相機(jī)坐標(biāo)，方法是取一個(gè)輪廓清晰的直角形標(biāo)準(zhǔn)樣板，分別通過(guò)正面和底部鏡頭識(shí)別其直角頂點(diǎn)坐標(biāo)，記錄2個(gè)坐標(biāo)位置偏差。

5 標(biāo)記識(shí)別

用戶(hù)提供的是沒(méi)有圖形的白片，需要通過(guò)激光刻蝕標(biāo)記，作為后續(xù)工藝的對(duì)位標(biāo)記。標(biāo)記的尺寸和圖形以便于識(shí)別為準(zhǔn)則，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用基于灰度的二值化處理算法，對(duì)圓點(diǎn)形標(biāo)記識(shí)別更穩(wěn)定，精度更高。為減少背景噪聲干擾，我們又增加了標(biāo)記點(diǎn)面積篩選、圓度和長(zhǎng)寬的約束條件，取得更優(yōu)的識(shí)別效果。見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 實(shí)際劃切點(diǎn)

6 結(jié) 論

圖8 圖像二值化處理結(jié)果

本文針對(duì)一種壓電陶瓷片雙面劃線(xiàn)的加工要求，設(shè)計(jì)了用于激光劃片機(jī)上的雙面對(duì)準(zhǔn)光路系統(tǒng)。正面光路、底部光路和激光光路三光路同軸，配合綠色環(huán)形照明光源，采用改進(jìn)的二值化邊緣處理算法，得到了穩(wěn)定的圖像識(shí)別效果，對(duì)位精度滿(mǎn)足用戶(hù)工藝要求。此方法也可用于其它需要雙面對(duì)準(zhǔn)的自動(dòng)化設(shè)備中，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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[1]蕭澤新.工程光學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2]李士賢、李林.光學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1996.

楊松濤（1984--），男，工程師，現(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十五研究所從事激光加工工藝研究。

Double-face Aligning Optics System Design

GAO Aimei，YANG Songtao
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176,China）

Abstract:Be aim at the double-face graphics machining of the laser dicing equipment.Designing double-face aligning optics system,sufficing for double-face graphics distinguishing and laser dicing.This article introduces face and obverse optics structure designing、illumination light configurable 、as well as graphics distinguishing arithmetic.The technology is viable confirmed by experiment.

Keywords:Laser dicing；Double-face aligning；Optics structure

TN305

B

1004-4507（2013）11-0029-04

2013-07-29

高愛(ài)梅（1982--），女，工程師，現(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十五研究所從事光學(xué)設(shè)計(jì)。