張文斌，連軍莉，譚立杰，雒曉文

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

激光加工技術是隨著激光技術發(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了一些其它加工方法所不具備的特性：可控性強、能量穩(wěn)定集中、光束方向性好、光束細等，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)展以及自動化控制技術的不斷提升，對激光加工設備的切割效率及提高設備自動化程度的要求越來越高，單純的手動控制模式已經(jīng)越來越難以滿足客戶和市場的需求，對此，本文針對近年來不斷興起的GPP 材料的激光加工切割，深入研究了一種基于圖像識別技術的自動晶片切割道校位以及自動設置切割街區(qū)功能的實現(xiàn)方法，使激光加工這一新型加工技術更加完善地融入到現(xiàn)代工業(yè)生產之中。

1 軟件主體控制時序

該型激光加工平臺是應用紅外激光束，經(jīng)激光導光聚焦系統(tǒng)產生聚焦光斑，并通過圖像視覺模塊完成晶片的橫向/ 縱向切割街區(qū)的校位之后，然后控制工作臺運動，對晶片進行直線切割。

本軟件控制系統(tǒng)主要由機器視覺模塊、運動控制模塊和激光器控制模塊組成。機器視覺模塊用來處理CMOS 攝像頭的工作臺圖像；運動控制模塊用來控制工作臺X、Y 軸、旋轉向電機運動；激光器控制模塊用來控制激光器重復頻率、功率百分比的設定，3 個模塊共同配合來完成晶片的自動切割。

圖1 控制界面示意圖

在整個軟件系統(tǒng)中的機器視覺模塊、運動控制模塊分別初始化完成之后，先將工作臺移出加工位，把晶片放置于工作臺中心，完成上片之后，需要根據(jù)晶片的規(guī)格參數(shù)來編輯并設置激光加工參數(shù)（這些參數(shù)主要包括：晶片的直徑、橫向/ 縱向切割道的間距等）。

以上操作完成之后，點擊“自動校位切割晶圓”，如圖1 所示，軟件開始執(zhí)行自動旋轉校位切割晶片的模塊。

2 自動旋轉校位切割功能的設計與實現(xiàn)

自動校位切割功能模塊主要包括：晶片切割街區(qū)的校位識別以及切割街區(qū)的設定，然后開始晶片的自動切割，最終實現(xiàn)自動校位切割，見圖2 所示。

圖2 自動校位切割功能的設計

2.1 識別切割街區(qū)并旋轉校位

晶片自動旋轉校位的實現(xiàn)，主要通過圖像對比技術進行處理，因此，在自動對準的主控制流程開始之前，需要手工對準并截取一幅晶片街區(qū)與工作臺直線切割方向一致的識別模板原圖，如圖3 所示。

圖3 晶片角度校正模板示意圖

當晶片在手動放置到工作臺上之后，其切割道方向會與工作臺的直線切割方向存在一定的角度偏差，如圖4 所示。

圖4 晶片角度校正前示意圖

這時，將相機實時采集到的圖4 與之前保存的模板圖3 進行對比識別處理，可得到其街區(qū)與工作臺切割方向的大致偏轉角度，然后控制旋轉向電機運動，使晶片街區(qū)與工作臺切割方向趨于一致，這樣就完成了晶片的一次粗對位。

在整個校位過程中，主要分為一次粗調和三次精調。在粗調完成以后，晶片街區(qū)與工作臺切割方向已大致趨于一致，但仍然存在一定的微小角度偏差，以致達不到晶片的切割要求，這時，如果再使用晶片角度粗調的圖像處理方法已無法發(fā)現(xiàn)并消除該角度偏差，所以需要另外添加控制流程，來找到并消除該角度偏差。

正是基于這種控制需求，在原有一次晶片角度粗調的基礎上，添加并實現(xiàn)了三次晶片偏轉角度的精調。其原理為找到實時采集到的某一幅晶片圖像中某一個十字街區(qū)，通過圖像對比處理技術，與圖3 的晶片模板進行對比處理，進而得到該實時采集到的晶片圖像中十字街區(qū)的中心坐標，然后在相機位置不變的基礎上，移動工作臺，通過該技術再從該晶片的同一橫向或縱向街區(qū)的不同位置提取一個十字街區(qū)的中心坐標，然后通過得到的這兩個中心坐標計算晶片街區(qū)與工作臺劃切方向之間的角度偏差，并控制旋轉向電機運動，使晶片街區(qū)與工作臺劃切方向更趨于一致。再重復上述晶片角度精調步驟兩次后，如圖5 所示，晶片街區(qū)與工作臺劃切方向的角度偏差已經(jīng)可以減小到滿足晶片切割精度的水平，這時，進入下一操作步驟。

圖5 晶片角度校正后示意圖

2.2 設定橫向/縱向切割街區(qū)

在校正完晶片街區(qū)與工作臺切割方向的角度偏差之后，只是使晶片旋轉位置滿足了工作臺的切割精度要求，但其晶片角度偏差校正完成之后的晶片切割道所在位置并沒有得到，這時，需要分別設定晶片的橫向/縱向切割道所在位置。

使用相機采集一幅該晶片的某十字切割道的圖像，如圖6 所示，通過圖像對比處理技術，處理后結果如圖7 所示，與圖3 模板示意圖進行比較處理，進而計算得到晶片橫向/ 縱向切割道的所在位置，結合劃切參數(shù)設置中設定的晶片規(guī)格參數(shù)，分別通過軟件控制程序計算得到晶片的整體雙向切割數(shù)據(jù)并保存，然后進入下一操作步驟。

圖6 十字切割道圖像

2.3 自動切割

以上步驟完成之后，通過計算得到的晶片每一條切割道的位置數(shù)據(jù)，就可以開始晶片的自動切割。在加工過程中，軟件自動判斷切割是否全部結束，如果切割完成，則退出自動校位切割功能模塊。

圖7 圖像處理效果圖

3 實驗數(shù)據(jù)驗證

通過上述算法設計并編程實現(xiàn)，上機調試完成之后，在同一晶片初始位置及初始切割道偏轉角度相同的情況下，進行晶片自動旋轉校位切割測試，分別記錄了十次測試結果，實驗數(shù)據(jù)分別記錄。

3.1 偏轉角度粗調數(shù)據(jù)

進行十次自動旋轉校位切割測試，其偏轉角度粗調的自動識別結果，其數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

對于表1 中十次旋轉校位粗調角度按照下面公式(1)求取平均值：

得出的結果為6.6674°。

表1 旋轉校位粗調角度角度大小/(°)

3.2 三次精調實驗數(shù)據(jù)

進行十次自動旋轉校位切割測試，其三次精調的自動識別位置信息及計算得到的偏轉角度結果記錄，分別如表2、3、4 所示。

根據(jù)表2 中十次旋轉校位精調的兩個位置信息，按照下面公式(2)求取其偏轉角度：

再根據(jù)其偏轉角度，按照公式(1)計算其平均值為-0.0579°，按照公式(3)計算其晶片半徑為50 mm 時，其平均旋轉誤差為-0.051 mm，超出誤差允許范圍，需再次進行精調：

根據(jù)表3 中十次旋轉校位精調的兩個位置信息，按照公式(2)求取其偏轉角度。

再根據(jù)其偏轉角度，按照公式(1)計算其平均值為0.008°，按照公式(3)計算其晶片半徑為50 mm時，其平均旋轉誤差為0.007 mm，滿足誤差要求，但其最大偏轉角度為0.024°，根據(jù)公式(4)計算其最大旋轉誤差為0.021 mm，超出誤差允許范圍，仍需再次進行精調：

表2 第一次精調位置記錄及計算得到的偏轉角度

表3 第二次精調位置記錄及計算得到的偏轉角度

根據(jù)表4 中十次旋轉校位精調的兩個位置信息，按照公式(2)求取其偏轉角度。

表4 第三次精調位置記錄及計算得到的偏轉角度

再根據(jù)其偏轉角度，按照公式(1)計算其平均值為0.0025°，按照公式(3)計算其晶片半徑為50 mm 時，其平均旋轉誤差為0.002 mm，滿足誤差要求，其最大偏轉角度為0.006°，根據(jù)公式(4)計算其最大旋轉誤差為0.005 mm，滿足誤差要求，無需再次進行精調。

4 結束語

自動校位切割功能的實現(xiàn)是通過圖像對比識別技術來GPP 晶片的表面數(shù)據(jù)，并在此基礎上，進行數(shù)據(jù)處理，得到所需結果的。今后我們將繼續(xù)改進設計并不斷優(yōu)化軟件設計思想、邏輯流程，以保證設備的可靠性和穩(wěn)定性，提高設備的生產效率，滿足客戶的自動化需求。

[1] 殷人昆. 數(shù)據(jù)結構：用面向對象方法與C++描述[M].北京：清華大學出版社，2002.

[2] 張國順. 現(xiàn)代激光制造技術[M]. 北京；化學工業(yè)出版社，2005.

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