刀體破損檢測(cè)技術(shù)在劃片機(jī)中的應(yīng)用

孫 彬，郎小虎，王宏智，王兵鋒，樊 兵，季 崢

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

劃片機(jī)是半導(dǎo)體后封裝關(guān)鍵設(shè)備之一，其工作機(jī)理是強(qiáng)力磨削，而刀片是強(qiáng)力磨削的執(zhí)行部件。劃片機(jī)刀片為環(huán)行結(jié)構(gòu)，安裝于主軸電機(jī)上，工作時(shí)，在主軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行劃切動(dòng)作，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到60000 r/min。

由于刀片特殊的工作性質(zhì)，在劃切生產(chǎn)過(guò)程中往往出現(xiàn)刀片破損的情況，此時(shí)刀片如果繼續(xù)劃切，就會(huì)影響劃切質(zhì)量甚至損壞切割件。為了保證切割件的劃切質(zhì)量，預(yù)防切割件被損壞，要求刀片在切割過(guò)程中出現(xiàn)破損情況時(shí)及時(shí)停止劃切。因此，需要對(duì)刀片進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，予以及時(shí)發(fā)現(xiàn)刀片破損情況，停止繼續(xù)劃切并進(jìn)行刀體更換。

1 刀體破損檢測(cè)原理

刀體破損檢測(cè)原理如圖1所示，首先將發(fā)光光纖頭和接收光纖頭通過(guò)機(jī)械裝置固定于刀片外圓邊緣兩側(cè)。刀片外徑在劃切過(guò)程中不斷變小，當(dāng)?shù)镀趽醪坏焦饩€時(shí)，就需要調(diào)節(jié)位置旋鈕使刀片外圓邊緣擋住一定比例的光線，調(diào)節(jié)完成后，繼續(xù)進(jìn)行劃切。在劃片機(jī)工作時(shí)，刀片高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行劃切，光纖傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)[1]光接收部的光信號(hào)。

圖1 光纖傳感器安裝位置圖

信號(hào)采集和處理流程如圖2所示，首先光纖傳感器將接收光纖的光信號(hào)通過(guò)放大器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[2]，接著由數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到上位機(jī)，然后由上位機(jī)進(jìn)行算法處理，最后判斷刀片是否破損，如果破損，即刻停機(jī)并報(bào)警，提示更換刀片；否則，刀片繼續(xù)工作，而檢測(cè)程序則回到數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)采集和處理。

圖2 刀體破損檢測(cè)流程示意圖

2 刀體檢測(cè)理論分析

2.1 傳感器的響應(yīng)時(shí)間

由劃片機(jī)[3]既定參數(shù)可知：全自動(dòng)劃片機(jī)主軸最大轉(zhuǎn)速為1000 r/s，則其旋轉(zhuǎn)頻率為1 KHz。因此要求光纖傳感器的響應(yīng)時(shí)間小于1 ms，由圖3可以看出，如果傳感器的響應(yīng)時(shí)間大于缺口出現(xiàn)的周期，那么傳感器就無(wú)法精確地探測(cè)到周期性的變化信號(hào)，也就無(wú)法把缺口處的透光度反映在輸出的電信號(hào)中。由此可知光纖傳感器的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)為：Ton≤T=1/N（N為刀體一秒鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù)）。本文采用松下模擬型光纖傳感器。

圖3 傳感器響應(yīng)時(shí)間示意圖

2.2 A/D轉(zhuǎn)換分析

在光纖放大器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，需要對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采集和處理，其中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是模數(shù)轉(zhuǎn)換，在此對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行量化分析。選用的光纖傳感器輸出光的直徑大小為1 mm，輸出電壓為0～5 V。首先假設(shè)能夠檢測(cè)的最小缺口直徑為30 μm；光束在沒(méi)有遮擋的情況下，輸出電壓為5 V。那么此時(shí)缺口處透光量占接收光總能量的百分比為：

1/（1 mm/30 μm）2×100%=0.09%

而缺口處的透光量轉(zhuǎn)換到電壓上的值為：

5×0.09%=4.5 mV

由此可以得出此A/D轉(zhuǎn)換電路的量化誤差必須小于4.5 mV，A/D轉(zhuǎn)換電路的位數(shù)必須大于10位（5V/4.5 mV=1111.11≈210）才能滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度要求。因此刀體破損檢測(cè)采用12位A/D轉(zhuǎn)換。

2.3 濾波器的選取

一般在檢測(cè)系統(tǒng)中可以選用硬件濾波和軟件濾波。硬件濾波，就是采用一定規(guī)格的電阻、電容組成RC濾波器或采用電感、電容組成LC濾波器等模擬濾波器進(jìn)行濾波；而軟件濾波器也稱數(shù)字濾波，就是通過(guò)一定計(jì)算和判斷減小或消除信號(hào)噪聲的影響。數(shù)字濾波器具有可靠性高、穩(wěn)定性好、靈活、方便、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)?？紤]到全自動(dòng)劃片機(jī)刀體破損檢測(cè)環(huán)境的惡劣，噪聲復(fù)雜的情況，本文采用數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)。根據(jù)其信號(hào)特點(diǎn)，采用改進(jìn)型限幅濾波器，判斷連續(xù)兩次采樣X(jué)i和Xi-1偏差值，如果此偏差值大于某一設(shè)定值A(chǔ)，則本次采樣有效，如果在此有效值占總采樣數(shù)的百分比大于某一設(shè)定值B，那么可以判斷此刀片已經(jīng)破損。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)以全自動(dòng)劃片機(jī)為平臺(tái)，采用DISCO 25 mm刀片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，主軸的旋轉(zhuǎn)速度為50 000 r/min，當(dāng)?shù)镀旰脮r(shí)，其輸出波形圖如圖4所示，圖5則顯示的是缺口直徑小于1 mm的破損刀片光纖放大器的輸出波形圖，尖峰波形周期為4.5 ms。

圖4 完好刀片正常工作輸出信號(hào)

圖5 破損刀片運(yùn)行時(shí)輸出信號(hào)

將光纖放大器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)如圖6所示，將數(shù)據(jù)送入上位機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，根據(jù)數(shù)字濾波器算法和刀破數(shù)據(jù)規(guī)律，在10個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)中，連續(xù)出現(xiàn)正1后又連續(xù)出現(xiàn)負(fù)1的一組數(shù)據(jù)為真正的刀破信息，只出現(xiàn)正1或只出現(xiàn)負(fù)1為干擾信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后的波形如圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集原始波形

圖7 經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后的波形

4 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)全自動(dòng)劃片機(jī)進(jìn)行大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果分析，并對(duì)數(shù)字濾波器進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證，劃片機(jī)刀破處理算法能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出刀破信息，有效地保證劃切質(zhì)量和良品率，提高劃片機(jī)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

[1]吳瓊，吳善波，劉勇，袁長(zhǎng)迎.新型光纖傳感器的設(shè)計(jì)及其特性研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007(11)：5-6.

[2]李文植.光纖傳感器的發(fā)展及其應(yīng)用綜述[J].科技創(chuàng)新月刊，2005(7)：153-154.

[3]張偉，賈月明.晶圓劃切工藝與優(yōu)化[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2012，41(4)：7-8.