雙面對準光路系統(tǒng)設計

高愛梅，楊松濤

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176）

雙面對準光路系統(tǒng)設計

高愛梅，楊松濤

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176）

針對激光劃片機中提出的雙面圖形加工要求，設計了雙面對準光路系統(tǒng)，滿足圖形雙面識別和激光劃片的要求。介紹了正反面光路結構的設計、光源配置以及圖像識別算法的應用，通過試驗驗證了該技術的可行性。

激光劃片；雙面對準；光路結構；

激光加工技術作為一種靈活多樣、綠色可持續(xù)發(fā)展的加工技術，一經(jīng)推廣，便受到眾多行業(yè)的青睞。其發(fā)展速度之快、應用范圍之廣，無疑不斷顛覆著人們的想象。尤其在半導體材料加工領域，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。被廣泛應用于激光打標、激光焊接、激光切割、激光打孔、激光快速成型等領域。其中，高精密UV激光切割和鉆孔作為一種低損傷加工手段，已成功應用于半導體、光子學、光電和微機電系統(tǒng)（MEMS）領域，如LED襯底藍寶石晶圓的劃片，GaAs、GPP晶圓劃片，有機高分子材料劃切，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，我們面臨這樣一個加工難題——晶圓雙面劃片，這就對晶圓的視覺對準系統(tǒng)提出了特殊的要求。本文就是針對激光劃片設備中，晶圓雙面劃片的需要，設計雙面對準光路系統(tǒng)，滿足晶圓的雙面圖形對準。

1 雙面劃片的工藝特點

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和刻盲槽，單面加工精度±5 μm，正反面相對偏差±25 μm。普通的激光劃片機只能進行正面對準和加工，要完成雙面加工，同時保證正反面劃線的相對位置精度，必須在工作臺底部再增加一套光學對準系統(tǒng)?？紤]運動系統(tǒng)誤差，分配給視覺系統(tǒng)的誤差為：單面對準精度±3 μm，雙面對準精度±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（見圖2），需要三套圖像識別鏡頭：

大視場鏡頭識別陶瓷基板輪廓；

正面鏡頭識別基板正面的激光標記點；

底部鏡頭識別基板正面的激光標記點。

圖2 工藝流程圖

2 鏡頭設計

2.1 大視場鏡頭

選用一個CCTV鏡頭，焦距25 mm，CCD相機，圖像視場36 mm×48 mm，能夠完整的觀測到整個基板，采用基于灰度的邊緣識別算法，可以快速識別基板邊緣輪廓，從而定位基板當前位置。見圖 3、圖 4。

圖3 大視場鏡頭

圖4 輪廓識別效果

2.2 正面對準鏡頭

為實現(xiàn)劃槽的實時監(jiān)測，正面對準鏡頭與激光光軸同軸設計，兩者共用一個激光聚焦鏡和分束鏡。為使得激光焦平面和對準鏡頭焦平面重合，輔助物鏡設計時應該重點考慮色差帶來的影響。分束鏡能夠?qū)?55 nm激光波長反射，同時對可見光透射。聚焦物鏡焦距100 mm，輔助物鏡焦距200 mm，正面對準鏡頭放大倍率2倍。見圖5。

2.3 底部對準鏡頭

底部對準鏡頭與正面對準鏡頭同軸設計，由于受結構空間的限制，物鏡的工作距離必須大于140 mm，使得系統(tǒng)的光程較長，因此采用了一個反射鏡進行光路轉(zhuǎn)折。為保證正反面對準精度的一致性，要求正反面對準鏡頭的放大倍率和分辨率相同，因此，設計物鏡焦距140 mm，輔助物鏡焦距280 mm，放大倍率2倍。

圖5 雙面對準鏡頭結構框圖

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，對圖像處理系統(tǒng)起著非常重要的作用。LED光源以其壽命長、發(fā)光效率高、組裝方式靈活和優(yōu)異的單色性，被廣泛應用在自動化設備的視覺系統(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)表面的顏色選擇對比度大的光源顏色；應盡可能選擇單色光避免色差；同軸光照明主要針對鏡面物體的表面缺陷和破損；平行光照明可以避免動態(tài)測量時由于物體位置的微動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)的識別和邊緣特征提取。

在本系統(tǒng)中，要識別的材料是表面鍍銀層的陶瓷基板，反光特性很差，采用同軸光照明時視場內(nèi)照度不足，對比度低，不利于標記識別。最終通過試驗確定，正面對準鏡頭和底部對準鏡頭均采用綠色環(huán)形光源照明，取得較理想的效果。見圖6。

4 坐標標定

圖6 陶瓷片識別效果

為了實現(xiàn)陶瓷片的自動識別、對位和加工，需要對相機坐標、工作臺坐標和激光加工坐標進行標定，定義其相對位置關系。首先標定正面對準鏡頭與激光加工坐標的位置關系，方法是打開激光在片子上打一個準0.1 mm的小孔，記錄小孔圓心與屏幕十字線中心的相對位置坐標，在程序中標定。然后標定正面相機與底部相機坐標，方法是取一個輪廓清晰的直角形標準樣板，分別通過正面和底部鏡頭識別其直角頂點坐標，記錄2個坐標位置偏差。

5 標記識別

用戶提供的是沒有圖形的白片，需要通過激光刻蝕標記，作為后續(xù)工藝的對位標記。標記的尺寸和圖形以便于識別為準則，試驗發(fā)現(xiàn)，采用基于灰度的二值化處理算法，對圓點形標記識別更穩(wěn)定，精度更高。為減少背景噪聲干擾，我們又增加了標記點面積篩選、圓度和長寬的約束條件，取得更優(yōu)的識別效果。見圖7、圖8。

圖7 實際劃切點

6 結 論

圖8 圖像二值化處理結果

本文針對一種壓電陶瓷片雙面劃線的加工要求，設計了用于激光劃片機上的雙面對準光路系統(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，采用改進的二值化邊緣處理算法，得到了穩(wěn)定的圖像識別效果，對位精度滿足用戶工藝要求。此方法也可用于其它需要雙面對準的自動化設備中，具有一定的推廣應用價值。

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[1]蕭澤新.工程光學設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2]李士賢、李林.光學設計手冊[M].北京：北京理工大學出版社，1996.

楊松濤（1984--），男，工程師，現(xiàn)在中國電子科技集團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

高愛梅（1982--），女，工程師，現(xiàn)在中國電子科技集團第四十五研究所從事光學設計。