雙面對準光路系統設計

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，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、綠色可持續發展的加工技術，一經推廣，便受到眾多行業的青睞。其發展速度之快、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傳統加工手段，占據著舉足輕重的地位。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（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，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。考慮運動系統誤差，分配給視覺系統的誤差為：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

為實現劃槽的實時監測，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。分束鏡能夠對355 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，使得系統的光程較長，因此采用了一個反射鏡進行光路轉折。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

穩定均勻的照明光源是獲得優質圖像效果的重要保障，對圖像處理系統起著非常重要的作用。LED光源以其壽命長、發光效率高、組裝方式靈活和優異的單色性，被廣泛應用在自動化設備的視覺系統中。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測量時由于物體位置的微動而引起圖像大小的變化；環形光適合表面反光性較差材質的識別和邊緣特征提取。

在本系統中，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，試驗發現，采用基于灰度的二值化處理算法，對圓點形標記識別更穩定，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。正面光路、底部光路和激光光路三光路同軸，配合綠色環形照明光源，采用改進的二值化邊緣處理算法，得到了穩定的圖像識別效果，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。

：

[1]蕭澤新.工程光學設計[M].北京：電子工業出版社，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，現在中國電子科技集團第四十五研究所從事光學設計。