CN103111753A - 一种基于视觉的全自动晶圆划片机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于视觉的全自动晶圆划片机控制系统，其与机床设备、激光器和显微相机配合，硬件包括计算机、运动控制卡和显示器，计算机分别与控制卡、显示器、激光器和显微相机连接，控制卡分别通过各轴运动平台和旋转装置对应的驱动器连接各个电机，XY轴运动平台和直驱电机上分别设有光栅传感器，光栅传感器通过编码器连接至计算机；计算机采用Windows系统基于VC++进行模块化设计，其包括数据处理模块、运动控制模块、控制系统初始化模块、视觉检测定位模块、显示界面模块和激光切割控制模块；采用以上技术方案，实现整个控制系统软硬件配合的稳定运行，与机床设备有机的结合一体，自动化控制程度高，划片效率较以往的划片系统提高了20%左右。

Description

一种基于视觉的全自动晶圆划片机控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于视觉的全自动晶圆划片机控制系统。

背景技术

随着信息化时代的到来，我国电子信息、通讯和半导体继承电路等行业迅猛发展，我国已经成为世界二极管晶圆、可控硅晶圆等集成电路各种半导体晶圆制造大国。传统的旋转砂轮式晶圆切割技术在实际生产中收到工艺极限的影响，晶圆加工存在机械应力、崩裂、加工效率低、成品率低的情况，极大的限制了晶圆制造水平的发展。传统晶圆切割手段已经无法满足晶圆产品高效率、高精度生产需求。因此，旋转砂轮式切割工艺所伴随的问题是无法通过工艺本身的优化来完全解决的，亟需采取新的加工方式解决晶圆切割划片的瓶颈；现有划片机自动化程度及功能都很难满足电子器件生产的可靠性和技术性能要求，但是长期以来作为后封装环节关键设备的晶圆划片机一直由国外厂家垄断，特别是智能化高精度的划片机，晶圆划片技术受国外垄断以及划片机设备成本太高，开发和研制出具有自主知识产权的划片机设备及高度自动化控制系统具有实践意义。

发明内容

本发明的目的在于提供将视觉定位与划片的有效结合的一种基于视觉的全自动晶圆划片机控制系统。

本发明采用以下技术方案，基于视觉的全自动晶圆划片机控制系统分别与机床设备平台、激光器、工业显微相机连接，所述的机床设备平台包括机床底座，所述机床底座上方设有XY轴运动平台，XY轴运动平台上设有直驱电机，直驱电机上方设有吸附装置，晶圆固定在吸附装置上；所述的XY轴运动平台的上方还设有Z轴运动平台，所述的激光器和工业显微相机分别固定在Z轴运动平台上；各轴运动平台均由对应的电机带动；所述的控制系统的装置包括计算机、运动控制卡和显示器，所述的计算机分别与运动控制卡、显示器、激光器和工业显微相机连接，所述的运动控制卡分别通过驱动器连接至各个电机；所述的XY轴运动平台和直驱电机上分别设有光栅传感器，所述的光栅传感器通过编码器连接至计算机；所述的计算机还包括以下模块：

数据处理模块，其通过建立Access数据库，并基于ADO方式访问Access数据库进行参数之间的数据交互处理；所述的Access数据库包括晶圆工艺参数、激光器参数、工业显微相机参数和设备运行参数，所述的晶圆工艺参数包括晶圆直径、晶格大小、晶圆间距；所述的激光器参数包括激光束的直径、激光的扫描速度、激光的功率；所述的工业显微相机参数包括相机的颜色、亮度、分辨率、帧速和灵敏度；所述的设备运行参数包括各个电机的脉冲当量、转动速度及加速度的参数、XY坐标轴运动平台的运动起点坐标及终点坐标、晶圆定位在XY轴机床坐标系中的坐标点、晶圆模板待加工区域的起始点坐标及终点坐标；

运动控制模块，其通过提取Access数据库的设备运行参数并通过数据处理模块的处理传输至运动控制卡，同时基于运动控制卡函数库控制XY轴运动平台的电机的进行复位、回零、暂停、急停、点动、角度校正和晶圆自动划片运动的动作；同时控制Z轴运动平台的电机和直驱电机的进行复位、回零、调节运动和停止的动作；

控制系统初始化模块，其包括变量初始化、XY轴机床坐标系确定、工业显微相机和激光器的参数初始化；所述的变量初始化包括设备运行参数和运动控制卡函数库的初始化；通过运动控制模块对XY轴运动平台的电机归为零位点，并将归为零位点的X轴向、Y轴向运动平台交点确定为机床坐标系原点，并建立XY轴机床坐标系；

视觉检测定位模块，其通过控制工业显微相机执行打开或关闭动作，并结合运动控制模块调节Z轴运动平台上下运动，起到调节工业显微相机和激光器与晶圆之间的距离以便进行焦距调节；由镜头对准晶圆进行图像采集，将采集的图像传输至视觉检测定位模块依次进行灰度化、二值化、平滑边缘检测的处理；视觉检测定位模块基于OpenCV视觉库通过Hough变换测量晶圆的中心位置，确定晶圆形状特征以及特征直线；视觉检测定位模块通过Hough变换确定的特征直线与X轴向运动平台、Y轴向运动平台的方向形成的夹角与模板进行比对，计算调整夹角至与晶圆模板匹配的设备运行参数，通过运动控制卡调节直驱电机转动吸附装置上的晶圆在XY轴机床坐标系的位置，并再次通过工业显微相机采集，将采集定位后的晶圆图像传输至视觉检测定位模块，由数据处理模块提取对应的晶圆工艺参数进行处理后，并对晶圆表面切道的规划位置进行线性划分；

激光切割控制模块，其负责对激光器执行打开或关系动作；并将预加工的激光器参数设置进激光切割控制模块中，激光切割控制模块通过提取Access数据库中对应的激光器参数和设备运行参数对激光器的位置和参数进行调节；运动控制模块根据晶圆表面切道的规划位置数据发送设备运行参数至运动控制卡，通过运动控制卡控制XY轴运动平台带动晶圆由激光器的激光束进行切割动作；

显示界面模块，其通过显示器负责对包括设备运行参数、工业显微相机参数、激光器参数、晶圆图像、参数设置操作界面、工具栏、各轴运动平台在XY轴机床坐标系中的设定的规划位置和对应各个电机的运动速度、加速度、以及通过光栅传感器反馈的各轴运动平台在XY轴机床坐标系中的实际位置和对应各个电机的实际速度、实际加速度的状态信息显示。

本发明中，所述的计算机还包括运动补偿模块，其包括坐标点对应补偿误差值的数据库和XY轴运动平台的对应控制；所述的Z轴运动平台还设有激光干涉仪，通过激光干涉仪测量XY轴运动平台在XY轴机床坐标系的运动轨迹，计算得出一个以上的坐标点的误差值，根据拉格朗日插值法求出插补坐标点的误差值，将所述插补坐标点的误差值在补偿到实际运动中的规划位置上。

本发明中，所述的XY轴运动平台和Z轴运动平台的两端分别设有限位开关，所述的控制系统硬件装置上还设有报警器，所述的限位开关和报警器分别与计算机连接；所述的计算机还包括自动诊断报警模块，当自动诊断报警模块检测硬件装置之间、机床设备平台的通讯连接出错，各轴运动平台的电机未执行回零动作、激光切割控制模块进行晶圆划片动作时，检测XY轴运动平台在运动过程中触发限位开关，均会通过自动诊断报警模块传输信号至计算机，所述的计算机对当前状态下的各轴运动平台执行停止运动操作，并返回重新执行控制系统初始化模块的动作。

本发明采用以上技术方案，全自动晶圆划片机控制系统由六大模块共同组成的一个整体，通过各个模块的协调运作，实现整个控制系统软硬件配合的稳定运行；利用Hough变换实现划片机的自动检测定位过程；X、Y轴向平台的闭环控制精度高，经补偿之后定位精度可达到1微米，其划片速度不低于160mm/s；视觉检测处理算法经优化之后能精确定位晶圆位置和划片区，可靠性高，促进了晶圆划片技术自动化智能化；控制系统功能完备，具有友好的人机界面，各轴运动平台有效结合，实现了从视觉图像捕获到晶圆自动划片的全过程，以及程序后台数据的处理和参数的优化，具有一定的稳定性和可靠性，实现了视觉定位与划片的有效结合，将划片机设备及高度自动化控制系统的有机结合于一体，从开始捕获图像到划片完成都不需要人的参与，结合视觉检测技术，运动控制技术和激光切割技术，具有高精度，智能化，可靠性和实时性，能够有效提高晶圆划片效率较以往的划片系统提高了20%左右。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明晶圆划片机床的外观结构示意图；

图2为本发明一种基于视觉的全自动晶圆划片机控制系统的电路结构示意图。

具体实施方式

如图1或图2所示，本发明采用以下技术方案，基于视觉的全自动晶圆划片机控制系统1分别与机床设备平台2、激光器3、工业显微相机4连接，在本发明的具体实施例中由于对机床设备平台2的精度要求非常高，整个设备须在恒温室中，以消除温度变化对机床设备平台2精度的影响；所述的机床设备2平台包括机床底座21，所述机床底座21上方设有XY轴运动平台22，XY轴运动平台22上设有直驱电机23，直驱电机23上方设有吸附装置24，晶圆固定在吸附装置24上；所述的XY轴运动平台22的上方还设有Z轴运动平台25，所述的激光器3和工业显微相机4分别固定在Z轴运动平台25上；各轴运动平台均由对应的电机带动；所述的控制系统1的装置包括计算机11、运动控制卡12和显示器13，所述的运动控制卡12分别通过驱动器连接至各个电机；所述的驱动器包括X轴向运动平台驱动器26、Y轴向运动平台驱动器27、Z轴运动平台驱动器28和直驱电机驱动器29，所述的XY轴运动平台22和直驱电机23上分别设有光栅传感器，所述的光栅传感器通过编码器连接至计算机11；

在本发明的具体实施例中，所述的控制系统1硬件装置的驱动电机、驱动器均采用24V直流电源供电，24V直流开关电源由外接电220V电压接入，计算机11采用固高公司的四轴运动控制一体机，其是在工业计算机的基础上嵌入运动控制卡12，在其基础上进行程序开发实现四轴的运动控制机制，与以前的插卡式相比较，其集成度更高，具有更高的可靠性、稳定性、抗干扰能力和更好的性价比；工业显微相机4采用工业CCD通过同轴光放大镜实现显微放大相，CCD的型号为XDS-H0850C，在考虑传输速度和处理速度以及图像处理精度的情况下分辨率选用500w像素，其放大倍数可在100倍左右至1000倍左右调整，并附有专用光源系统使工业显微相机4捕获到的图像质量及光线效果更好；

本发明中，所述的计算机还包括以下模块：

数据处理模块，其通过建立Access数据库，并基于ADO方式访问Access数据库进行参数之间的数据交互处理；所述的Access数据库包括晶圆工艺参数、激光器3参数、工业显微相机4参数和设备运行参数，所述的晶圆工艺参数包括晶圆直径、晶格大小、晶圆间距；所述的激光器3参数包括激光束的直径、激光的扫描速度、激光的功率；所述的工业显微相机4参数包括相机的颜色、亮度、分辨率、帧速和灵敏度；所述的设备运行参数包括各个电机的脉冲当量、转动速度及加速度的参数、XY坐标轴运动平台22的运动起点坐标及终点坐标、晶圆定位在XY轴机床坐标系中的坐标点、晶圆模板待加工区域的起始点坐标及终点坐标；

运动控制模块，其通过提取Access数据库的设备运行参数并通过数据处理模块的处理传输至运动控制卡12，同时基于运动控制卡12函数库控制XY轴运动平台的电机的进行复位、回零、暂停、急停、点动、角度校正和晶圆自动划片运动的动作；同时控制Z轴运动平台25的电机和直驱电机23的进行复位、回零、调节运动和停止的动作；

控制系统初始化模块，其包括变量初始化、XY轴机床坐标系确定、工业显微相机4和激光器3的参数初始化；所述的变量初始化包括设备运行参数和运动控制卡12函数库的初始化；通过运动控制模块对XY轴运动平台22的电机归为零位点，并将归为零位点的X轴向、Y轴向运动平台交点确定为机床坐标系原点，并建立XY轴机床坐标系；

视觉检测定位模块，其通过控制工业显微相机4执行打开或关闭动作，并结合运动控制模块调节Z轴运动平台25上下运动，起到调节工业显微相机4和激光器3与晶圆之间的距离以便进行焦距调节；由镜头对准晶圆进行图像采集，将采集的图像传输至视觉检测定位模块依次进行灰度化、二值化、平滑边缘检测的处理；视觉检测定位模块基于OpenCV视觉库通过Hough变换测量晶圆的中心位置，确定晶圆形状特征以及特征直线；视觉检测定位模块通过Hough变换确定的特征直线与X轴向运动平台、Y轴向运动平台的方向形成的夹角与模板进行比对，计算调整夹角至与晶圆模板匹配的设备运行参数，通过运动控制卡12调节直驱电机23转动吸附装置24上的晶圆在XY轴机床坐标系的位置，并再次通过工业显微相机4采集，将采集定位后的晶圆图像传输至视觉检测定位模块，由数据处理模块提取对应的晶圆工艺参数进行处理后，并对晶圆表面切道的规划位置进行线性划分；

激光切割控制模块，其负责对激光器3执行打开或关系动作；并将预加工的激光器3参数设置进激光切割控制模块中，激光切割控制模块通过提取Access数据库中对应的激光器3参数和设备运行参数对激光器3的位置和参数进行调节；运动控制模块根据晶圆表面切道的规划位置数据发送设备运行参数至运动控制卡12，通过运动控制卡12控制XY轴运动平台22带动晶圆由激光器3的激光束进行切割动作；

显示界面模块，其通过显示器13负责对包括设备运行参数、工业显微相机4参数、激光器3参数、晶圆图像、参数设置操作界面、工具栏、各轴运动平台在XY轴机床坐标系中的设定的规划位置和对应各个电机的运动速度、加速度、以及通过光栅传感器反馈的各轴运动平台在XY轴机床坐标系中的实际位置和对应各个电机的实际速度、实际加速度的状态信息显示。

本发明中，所述的计算机11还包括运动补偿模块，其包括坐标点对应补偿误差值的数据库和XY轴运动平台22的对应控制；所述的Z轴运动平台25还设有激光干涉仪，通过激光干涉仪测量XY轴运动平台22在XY轴机床坐标系的运动轨迹，计算得出一个以上的坐标点的误差值，根据拉格朗日插值法求出插补坐标点的误差值，将所述插补坐标点的误差值在补偿到实际运动中的规划位置上。

本发明中，所述的XY轴运动平台22和Z轴运动平台25的两端分别设有限位开关，所述的控制系统1硬件装置上还设有报警器，所述的限位开关和报警器分别与计算机11连接；所述的计算机11还包括自动诊断报警模块，当自动诊断报警模块检测硬件装置之间、机床设备平台的通讯连接出错，各轴运动平台的电机未执行回零动作、激光切割控制模块进行晶圆划片动作时，检测XY轴运动平台22在运动过程中触发限位开关，均会通过自动诊断报警模块传输信号至计算机11，所述的计算机11对当前状态下的各轴运动平台执行停止运动操作，并返回重新执行控制系统初始化模块的动作。

Claims (3)

1.一种基于视觉的全自动晶圆划片机控制系统，其分别与机床设备平台、激光器、工业显微相机连接，所述的机床设备平台包括机床底座，所述机床底座上方设有XY轴运动平台，XY轴运动平台上设有直驱电机，直驱电机上方设有吸附装置，晶圆固定在吸附装置上；所述的XY轴运动平台的上方还设有Z轴运动平台，所述的激光器和工业显微相机分别固定在Z轴运动平台上；各轴运动平台均由对应的电机带动；其特征在于：所述的控制系统的装置包括计算机、运动控制卡和显示器，所述的计算机分别与运动控制卡、显示器、激光器和工业显微相机连接，所述的运动控制卡分别通过驱动器连接至各个电机；所述的XY轴运动平台和直驱电机上分别设有光栅传感器，所述的光栅传感器通过编码器连接至计算机；所述的计算机还包括以下模块：

数据处理模块，其通过建立Access数据库，并基于ADO方式访问Access数据库的进行参数之间的数据交互处理；所述的Access数据库包括晶圆工艺参数、激光器参数、工业显微相机参数和设备运行参数，所述的晶圆工艺参数包括晶圆直径、晶格大小、晶圆间距；所述的激光器参数包括激光束的直径、激光的扫描速度、激光的功率；所述的工业显微相机参数包括相机的颜色、亮度、分辨率、帧速和灵敏度；所述的设备运行参数包括各个电机的脉冲当量、转动速度及加速度的参数、XY坐标轴运动平台的运动起点坐标及终点坐标、晶圆定位在XY轴机床坐标系中的坐标点、晶圆模板待加工区域的起始点坐标及终点坐标；

运动控制模块，其通过提取Access数据库的设备运行参数并通过数据处理模块的处理传输至运动控制卡，同时基于运动控制卡函数库控制XY轴运动平台的电机的进行复位、回零、暂停、急停、点动、角度校正和晶圆自动划片运动的动作；同时控制Z轴运动平台的电机和直驱电机的进行复位、回零、调节运动和停止的动作；

控制系统初始化模块，其包括变量初始化、XY轴机床坐标系确定、工业显微相机和激光器的参数初始化；所述的变量初始化包括设备运行参数和运动控制卡函数库的初始化；通过运动控制模块对XY轴运动平台的电机归为零位点，并将归为零位点的X轴向、Y轴向运动平台交点确定为机床坐标系原点，并建立XY轴机床坐标系；

视觉检测定位模块，其通过控制工业显微相机执行打开或关闭动作，并结合运动控制模块调节Z轴运动平台上下运动，起到调节工业显微相机和激光器与晶圆之间的距离以便进行焦距调节；由镜头对准晶圆进行图像采集，将采集的图像传输至视觉检测定位模块依次进行灰度化、二值化、平滑边缘检测的处理；视觉检测定位模块基于OpenCV视觉库通过Hough变换测量晶圆的中心位置，确定晶圆形状特征以及特征直线；视觉检测定位模块通过Hough变换确定的特征直线与X轴向运动平台、Y轴向运动平台的方向形成的夹角与模板进行比对，计算调整夹角至与晶圆模板匹配的设备运行参数，通过运动控制卡调节直驱电机转动吸附装置上的晶圆在XY轴机床坐标系的位置，并再次通过工业显微相机采集，将采集定位后的晶圆图像传输至视觉检测定位模块，由数据处理模块提取对应的晶圆工艺参数进行处理后，并对晶圆表面切道的规划位置进行线性划分；

激光切割控制模块，其负责对激光器执行打开或关系动作；并将预加工的激光器参数设置进激光切割控制模块中，激光切割控制模块通过提取Access数据库中对应的激光器参数和设备运行参数对激光器的位置和参数进行调节；运动控制模块根据晶圆表面切道的规划位置数据发送设备运行参数至运动控制卡，通过运动控制卡控制XY轴运动平台带动晶圆由激光器的激光束进行切割动作；

显示界面模块，其通过显示器负责对包括设备运行参数、工业显微相机参数、激光器参数、晶圆图像、参数设置操作界面、工具栏、各轴运动平台在XY轴机床坐标系中的设定的规划位置和对应各个电机的运动速度、加速度、以及通过光栅传感器反馈的各轴运动平台在XY轴机床坐标系中的实际位置和对应各个电机的实际速度、实际加速度的状态信息显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉的全自动晶圆划片机控制系统，其特征在于：所述的计算机还包括运动补偿模块，其包括坐标点对应补偿误差值的数据库和XY轴运动平台的对应控制；所述的Z轴运动平台还设有激光干涉仪，通过激光干涉仪测量XY轴运动平台在XY轴机床坐标系的运动轨迹，计算得出一个以上的坐标点的误差值，根据拉格朗日插值法求出插补坐标点的误差值，将所述插补坐标点的误差值在补偿到实际运动中的规划位置上。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉的全自动晶圆划片机控制系统，其特征在于：所述的XY轴运动平台和Z轴运动平台的两端分别设有限位开关，所述的控制系统硬件装置上还设有报警器，所述的限位开关和报警器分别与计算机连接；所述的计算机包括自动诊断报警模块，当自动诊断报警模块检测硬件装置之间、机床设备平台的通讯连接出错，各轴运动平台的电机未执行回零动作、激光切割控制模块进行晶圆划片动作时，检测XY轴运动平台在运动过程中触发限位开关，均会通过自动诊断报警模块传输信号至计算机，所述的计算机对当前状态下的各轴运动平台执行停止运动操作，并返回重新执行控制系统初始化模块的动作。

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