激光加工中自動旋轉校位切割的研究

張文斌，孟憲俊，孟凡輝，楊松濤

(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展以及自動控制技術的不斷提升，對激光的切割效率及自動化功能實現的要求越來越高，單純的手動控制模式已經難以滿足客戶和市場的需求，對此，本文介紹了基于圖像識別技術的自動晶片切割道校位、自動晶片輪廓提取以及自動設置切割街區的功能實現方法，使激光這一新型加工技術更加完善地融入到現代工業生產之中。

1 軟件主體控制時序

該型激光加工平臺是應用紫外激光束，經激光聚焦導光系統產生聚焦光斑，并通過圖像視覺模塊完成Al2O3晶片的橫向/縱向切割街區的校位之后，然后控制工作臺運動，對Al2O3圓晶進行直線切割。

本軟件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θ向電機以及z向電機運動；激光器控制模塊用來控制激光器重復頻率、功率百分比以及電流大小的設定，3個模塊共同配合來完成Al2O3晶圓的切割。

在整個軟件系統中的機器視覺模塊、運動控制模塊和激光器模塊分別初始化完成之后，需要將工作臺移動至上片位，把貼好膜的Al2O3晶片放置于工作臺中心，完成上片之后，需要根據Al2O3晶片的規格參數來編輯并設置激光加工參數（這些參數主要包括：Al2O3晶片的直徑、橫向/縱向切割道的間距以及橫向/縱向街區的寬度等）。

以上操作完成之后，點擊“自動校位切割晶圓”，如圖1所示，軟件開始執行自動校位切割Al2O3晶片的模塊。

圖1 控制界面示意圖

2 自動校位切割功能的設計與實現

自動校位切割功能模塊主要包括：晶片輪廓的識別、晶片翹曲狀況的識別、晶片切割街區的校位識別以及切割街區的設定，然后開始晶片的自動切割，最終實現自動校位切割。如圖2所示。

2.1 識別晶片輪廓

用來獲取Al2O3晶片的半徑以及圓心坐標，主要通過圖像對比處理技術得到。該功能需要提前保存一幅沒有晶片的工作臺背景圖作為對照，如圖3所示。

圖2 自動校位切割功能的設計

圖3 工作臺背景圖

在自動校位切割功能啟動之后，再獲取一幅帶有晶片的工作臺背景圖，如圖4所示，然后通過圖像對比技術獲取晶片圓心和半徑大小，并通過數學轉換，得到相應的物理數據。

2.2 識別晶片翹曲狀況

用來獲取晶片表面的翹曲數據，以實現變焦切割。該功能通過接觸式高度識別傳感器提取晶片表面的6個不同點的高度值作為參照，擬合出整個晶片的翹曲狀況，為切割數據的形成提供參數來源。

圖4 上片后的工作臺示意圖

2.3 識別切割街區并校位

由于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5所示。

圖5 晶片角度校正前示意圖

通過圖像自動對比識別技術來提取數據，實現的校位功能就是用來消除這個偏差。整個校位過程在初步設計中，主要分為兩次粗調和一次精調，但在實際實驗中發現橫向切割道與縱向切割道并不完全垂直，于是在原有調節的基礎上，又在橫向切割道上加了一次精調，才達到切割要求，如圖6所示。

2.4 設定橫向/縱向切割街區

在獲取到晶片的半徑以及圓心坐標之后，只是得到了晶片的主體數據，但其切割道所在位置并沒有得到，在晶片完成校位之后，就可以設定晶片的橫向/縱向切割街區所在位置了。考慮到提高切割效率的需要，將設定切割街區所在位置合并到切割街區的校位過程中完成。

圖6 晶片角度校正后示意圖

2.5 自動切割

以上步驟完成之后，就可以計算得到晶片每一條切割道的數據，從而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。

3 效率驗證

通過上述設計并編程實現，上機調試完成之后，在相同的切割速度和相同的晶片尺寸下，進行手動校位切割測試和自動校位切割測試，發現在保證原有切割精度的基礎上，自動校位功能的實際運行時間縮短為270 s左右，與原有手動運行效率對比見表1。

表1 校位切割效率運行對比

對于表1中手動校位切割、自動校位切割分別按照下面公式求取平均值:

得出的結果分別為320.5 s、259.8 s。

然后在校位切割所需時間的平均值基礎上，加上手工上下片所需的30 s，再利用每小時3 600 s，計算得出每小時本設備可完成加工的片數，計算公式如下：

得出的結果分別為10片/h、12片/h。

4 結束語

自動校位切割功能的實現是通過圖像識別技術來提取三氧化二鋁晶片的數據，并在此基礎上，進行數據處理，得到所需結果的。今后我們將繼續改進設計并不斷優化軟件設計思想、邏輯流程，以保證設備的可靠性和穩定性，提高設備的生產效率，滿足客戶的自動化需求。

[1]張國順.現代激光制造技術[J].北京；化學工業出版社，2005.

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