双面对准光路系统设计

高爱梅，杨松涛

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176）

双面对准光路系统设计

高爱梅，杨松涛

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176）

针对激光划片机中提出的双面图形加工要求，设计了双面对准光路系统，满足图形双面识别和激光划片的要求。介绍了正反面光路结构的设计、光源配置以及图像识别算法的应用，通过试验验证了该技术的可行性。

激光划片；双面对准；光路结构；

激光加工技术作为一种灵活多样、绿色可持续发展的加工技术，一经推广，便受到众多行业的青睐。其发展速度之快、应用范围之广，无疑不断颠覆着人们的想象。尤其在半导体材料加工领域，激光加工正在逐渐代替传统加工手段，占据着举足轻重的地位。被广泛应用于激光打标、激光焊接、激光切割、激光打孔、激光快速成型等领域。其中，高精密UV激光切割和钻孔作为一种低损伤加工手段，已成功应用于半导体、光子学、光电和微机电系统（MEMS）领域，如LED衬底蓝宝石晶圆的划片，GaAs、GPP晶圆划片，有机高分子材料划切，精密陶瓷划切等。而随着元器件性能的提高和加工工艺的改进，我们面临这样一个加工难题——晶圆双面划片，这就对晶圆的视觉对准系统提出了特殊的要求。本文就是针对激光划片设备中，晶圆双面划片的需要，设计双面对准光路系统，满足晶圆的双面图形对准。

1 双面划片的工艺特点

1.1 加工精度要求

一种用于制作压电器件的陶瓷基板，尺寸20 mm×30 mm，厚0.4 mm，双面镀银层，需要在正反两面划线和刻盲槽，单面加工精度±5 μm，正反面相对偏差±25 μm。普通的激光划片机只能进行正面对准和加工，要完成双面加工，同时保证正反面划线的相对位置精度，必须在工作台底部再增加一套光学对准系统。考虑运动系统误差，分配给视觉系统的误差为：单面对准精度±3 μm，双面对准精度±20 μm。

图1 双面加工图形示意

1.2 工艺流程

从双面加工的工艺流程分析（见图2），需要三套图像识别镜头：

大视场镜头识别陶瓷基板轮廓；

正面镜头识别基板正面的激光标记点；

底部镜头识别基板正面的激光标记点。

图2 工艺流程图

2 镜头设计

2.1 大视场镜头

选用一个CCTV镜头，焦距25 mm，CCD相机，图像视场36 mm×48 mm，能够完整的观测到整个基板，采用基于灰度的边缘识别算法，可以快速识别基板边缘轮廓，从而定位基板当前位置。见图 3、图 4。

图3 大视场镜头

图4 轮廓识别效果

2.2 正面对准镜头

为实现划槽的实时监测，正面对准镜头与激光光轴同轴设计，两者共用一个激光聚焦镜和分束镜。为使得激光焦平面和对准镜头焦平面重合，辅助物镜设计时应该重点考虑色差带来的影响。分束镜能够对355 nm激光波长反射，同时对可见光透射。聚焦物镜焦距100 mm，辅助物镜焦距200 mm，正面对准镜头放大倍率2倍。见图5。

2.3 底部对准镜头

底部对准镜头与正面对准镜头同轴设计，由于受结构空间的限制，物镜的工作距离必须大于140 mm，使得系统的光程较长，因此采用了一个反射镜进行光路转折。为保证正反面对准精度的一致性，要求正反面对准镜头的放大倍率和分辨率相同，因此，设计物镜焦距140 mm，辅助物镜焦距280 mm，放大倍率2倍。

图5 双面对准镜头结构框图

3 光源配置

稳定均匀的照明光源是获得优质图像效果的重要保障，对图像处理系统起着非常重要的作用。LED光源以其寿命长、发光效率高、组装方式灵活和优异的单色性，被广泛应用在自动化设备的视觉系统中。一般光源的选择可遵循几条原则：表面是白色的物体对光源颜色不敏感；表面有色彩就要根据表面的颜色选择对比度大的光源颜色；应尽可能选择单色光避免色差；同轴光照明主要针对镜面物体的表面缺陷和破损；平行光照明可以避免动态测量时由于物体位置的微动而引起图像大小的变化；环形光适合表面反光性较差材质的识别和边缘特征提取。

在本系统中，要识别的材料是表面镀银层的陶瓷基板，反光特性很差，采用同轴光照明时视场内照度不足，对比度低，不利于标记识别。最终通过试验确定，正面对准镜头和底部对准镜头均采用绿色环形光源照明，取得较理想的效果。见图6。

4 坐标标定

图6 陶瓷片识别效果

为了实现陶瓷片的自动识别、对位和加工，需要对相机坐标、工作台坐标和激光加工坐标进行标定，定义其相对位置关系。首先标定正面对准镜头与激光加工坐标的位置关系，方法是打开激光在片子上打一个准0.1 mm的小孔，记录小孔圆心与屏幕十字线中心的相对位置坐标，在程序中标定。然后标定正面相机与底部相机坐标，方法是取一个轮廓清晰的直角形标准样板，分别通过正面和底部镜头识别其直角顶点坐标，记录2个坐标位置偏差。

5 标记识别

用户提供的是没有图形的白片，需要通过激光刻蚀标记，作为后续工艺的对位标记。标记的尺寸和图形以便于识别为准则，试验发现，采用基于灰度的二值化处理算法，对圆点形标记识别更稳定，精度更高。为减少背景噪声干扰，我们又增加了标记点面积筛选、圆度和长宽的约束条件，取得更优的识别效果。见图7、图8。

图7 实际划切点

6 结 论

图8 图像二值化处理结果

本文针对一种压电陶瓷片双面划线的加工要求，设计了用于激光划片机上的双面对准光路系统。正面光路、底部光路和激光光路三光路同轴，配合绿色环形照明光源，采用改进的二值化边缘处理算法，得到了稳定的图像识别效果，对位精度满足用户工艺要求。此方法也可用于其它需要双面对准的自动化设备中，具有一定的推广应用价值。

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[1]萧泽新.工程光学设计[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2]李士贤、李林.光学设计手册[M].北京：北京理工大学出版社，1996.

杨松涛（1984--），男，工程师，现在中国电子科技集团第四十五研究所从事激光加工工艺研究。

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

高爱梅（1982--），女，工程师，现在中国电子科技集团第四十五研究所从事光学设计。