自動切割機刀具破損檢測方法

孫 敏，楊云龍

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

自動切割機即針對為劃切對象的自動砂輪劃片設備。砂輪劃片機是以強力磨削為劃切原理，空氣靜壓電主軸為執行元件，以30000～60000 r/min的轉速磨削晶圓的劃切區域，同時承載著晶圓的工作臺以一定的速度沿刀具與晶圓接觸點的劃切線方向呈直線運動，將每一個具有獨立電氣的芯片分裂出來。工作原理如圖1所示。

方形扁平無引腳封裝 (Quad Flat No-Lead Package)是一種焊盤尺寸小、體積小、以塑料作為密封材料的新興的表面貼裝芯片封裝技術。正是因為劃切對象特殊性，使得自動切割機和傳統的砂輪劃片機有一些不同。基板為塑料材質，本身在制作過程中就對通道平行度控制的不是很高，并且在劃切過程中劃切通道可能會變形。因此傳統的對準模式不適合切割機，需要頻繁對準導致速度慢，準確度不高。本項目針對這些特點為劃切定制出一臺針對性強的劃片設備。

圖1 原理示意圖

對于自動切割機來說，刀具破損檢測功能是必不可少的。首先芯片底部為延展性強的金屬，使得刀片磨損量過大。其次切割對效率要求很高，人為監控必定降低切割效率，達不到自動切割的要求。這些特點就使得刀具破損檢測在自動切割機中成為必要功能之一。

1 光纖檢測原理與方法

BBD（Blade Breakage Detection）即刀具破損檢測。本文闡述的BBD方法采用通過檢測光量變化并轉化為電壓變化的辦法來實現，所以又叫做光電檢測方法。其原理具體是在刀具兩邊分別放置光纖發生和接收裝置，當刀具產生磨損或者破損時，通過刀具光量的變化即發生變化，把光量的變化通過光電轉換為電壓的變化，并且采集分析處理電壓變化數據，來識別刀具破損程度。其原理示意圖如圖2所示，圖示方向為刀具側視圖。

圖2 BBD光電檢測原理示意圖

本檢測系統主要由4個部分構成為：光纖發射及接收裝置、光纖傳感器、A/D轉換器、工控機、警報裝置。其中光纖傳感器將光量信號轉換為電壓信號，A/D傳感器將電壓的模擬量信號轉化為數字信號傳送給工控機，工控機再將接收到的一組一組的離散信號按照一定的算法進行分析處理，并且做出判斷，由警報器發出警報。其結構組成如圖3所示。

圖3 BBD檢測系統

2 數據分析

采集到的數據為離散的電壓值，我們將數據分組。在這先要明確以下兩種概念的不同：刀具磨損和刀具破損。刀具磨損是指刀具直徑均勻的變小，在可以允許的情況下，通過改變劃切參數，刀具還可以正常使用；刀具破損是指刀具邊緣出現豁口或者裂縫，使得劃切效果大大下降，此種情況應該立刻修整刀具或者停止使用。

對于采集到的數據進行如下分析：

(1)在短時間內的數據不會以一定的規律循環出現。

(2)在光纖傳感器輸出區間[0,5]之外的值可能由各種干擾或誤差造成，無實際意義，可忽略不計，在算法中濾去。

(3)在完整無缺口的刀片試驗中，電壓值也會達到突變，其余值會圍繞著初始電壓值上下小幅波動。

(4)根據前面所述的檢測原理，理論上破損刀片的檢測值應該有一部分的數據會超出初始值，超出的大小由破損刀口的面積大小決定。但是因為刀具在軸上做每秒幾萬次的轉動，破損缺口通過傳感器位置所用時間將是亞毫秒級的。并且對于這樣的弱電信號，周圍環境肯定和設備會帶來很多的干擾因素。針對少量的數據我們無法快速準確做出判斷，所以我們引入數據統計的幾個基本統計量概念：

3 標準差，變異系數，均方遞差，偏度和峰度

3.1 標準差

標準差能反映一個數據集的離散程度。標準差是一組數值自平均值分散開來的程度的一種測量觀念。一個較大的標準差，代表大部分的數值和其平均值之間差異較大；一個較小的標準差，代表這些數值較接近平均值。

當刀具出現破損，采集的數據將有部分數據大幅度偏離平均值，而且隨著破損面積的增大，偏離的程度也會大大增加。所以sd值能反映出破損的出現以及程度的變化。

3.2 變異系數

變異系數是標準差與平均值的比率。反映單位平均值上的離散程度，常用在兩個總體均值不等的離散程度的比較上，用Cv表示。變異系數，其中α表示標準差，x表示樣本平均值。

若兩個總體的均值相等，則比較標準差系數與比較標準差是等價的。

由此可見，對于不同初始光量的情況下，通過變異系數才能更好的發現破損變化。并且使用變異系數可以屏蔽正常情況下的刀具磨損，更好的突出刀具破損情況。

3.3 均方遞差

刀具缺口相對整個刀具面積是小的，且刀具高速旋轉；這些特性對于突變程度是很好判斷的。當刀具出現破損時，均方遞差能明顯表示出變化，它對于一些比較小的刀具裂縫有很好的判斷作用。

3.4 峰度

當破損引起的數據和干擾值在數量上疊加時，數據曲線的尖平程度將能很好地判斷出破損與正常的區別。所以峰度值能很好地克服干擾帶來的各種數值的突變。

3.5 偏度

當使用者把初始光量沒有設置為0時，僅僅把低于0值的信號屏蔽對于干擾的處理效果不是很好，所以我們使用偏度判斷，就能很好地過濾低于刀具完整狀態下光量平均值的干擾值。

4 算法設計

根據檢測原理以及我們對采集數據的分析，設計算法流程圖如圖4所示。

圖4 算法流程圖

過濾超出放大器輸出信號[0,5]區間的數值。然后將已處理過的數據先經過偏差區域判斷，即將大于判斷值的數據個數和數值分別累加，這是最簡單粗略也最直接的一個判斷。接著將標準差與變異系數做并的處理，峰度和偏度做并的處理。再將標準差并變異系數，均方遞差，峰度并偏度做一個順尋判斷。

5 結論

自動切割機的刀具破損檢測方法設計得到了很好的驗證，只要反復論證和計算各個環節的判斷值，此種方法可以將檢測精度控制在亞毫米級，并且檢測時間可以控制在5 s內，很好地解決了自動切割機對刀具破損檢測的要求。