孫 敏，楊云龍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

自動(dòng)切割機(jī)即針對(duì)為劃切對(duì)象的自動(dòng)砂輪劃片設(shè)備。砂輪劃片機(jī)是以強(qiáng)力磨削為劃切原理，空氣靜壓電主軸為執(zhí)行元件，以30000～60000 r/min的轉(zhuǎn)速磨削晶圓的劃切區(qū)域，同時(shí)承載著晶圓的工作臺(tái)以一定的速度沿刀具與晶圓接觸點(diǎn)的劃切線方向呈直線運(yùn)動(dòng)，將每一個(gè)具有獨(dú)立電氣的芯片分裂出來(lái)。工作原理如圖1所示。

方形扁平無(wú)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(shù)。正是因?yàn)閯澢袑?duì)象特殊性，使得自動(dòng)切割機(jī)和傳統(tǒng)的砂輪劃片機(jī)有一些不同?；鍨樗芰喜馁|(zhì)，本身在制作過(guò)程中就對(duì)通道平行度控制的不是很高，并且在劃切過(guò)程中劃切通道可能會(huì)變形。因此傳統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)模式不適合切割機(jī)，需要頻繁對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)致速度慢，準(zhǔn)確度不高。本項(xiàng)目針對(duì)這些特點(diǎn)為劃切定制出一臺(tái)針對(duì)性強(qiáng)的劃片設(shè)備。

圖1 原理示意圖

對(duì)于自動(dòng)切割機(jī)來(lái)說(shuō)，刀具破損檢測(cè)功能是必不可少的。首先芯片底部為延展性強(qiáng)的金屬，使得刀片磨損量過(guò)大。其次切割對(duì)效率要求很高，人為監(jiān)控必定降低切割效率，達(dá)不到自動(dòng)切割的要求。這些特點(diǎn)就使得刀具破損檢測(cè)在自動(dòng)切割機(jī)中成為必要功能之一。

1 光纖檢測(cè)原理與方法

BBD（Blade Breakage Detection）即刀具破損檢測(cè)。本文闡述的BBD方法采用通過(guò)檢測(cè)光量變化并轉(zhuǎn)化為電壓變化的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以又叫做光電檢測(cè)方法。其原理具體是在刀具兩邊分別放置光纖發(fā)生和接收裝置，當(dāng)?shù)毒弋a(chǎn)生磨損或者破損時(shí)，通過(guò)刀具光量的變化即發(fā)生變化，把光量的變化通過(guò)光電轉(zhuǎn)換為電壓的變化，并且采集分析處理電壓變化數(shù)據(jù)，來(lái)識(shí)別刀具破損程度。其原理示意圖如圖2所示，圖示方向?yàn)榈毒邆?cè)視圖。

圖2 BBD光電檢測(cè)原理示意圖

本檢測(cè)系統(tǒng)主要由4個(gè)部分構(gòu)成為：光纖發(fā)射及接收裝置、光纖傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、工控機(jī)、警報(bào)裝置。其中光纖傳感器將光量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，A/D傳感器將電壓的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳送給工控機(jī)，工控機(jī)再將接收到的一組一組的離散信號(hào)按照一定的算法進(jìn)行分析處理，并且做出判斷，由警報(bào)器發(fā)出警報(bào)。其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 BBD檢測(cè)系統(tǒng)

2 數(shù)據(jù)分析

采集到的數(shù)據(jù)為離散的電壓值，我們將數(shù)據(jù)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(guò)改變劃切參數(shù)，刀具還可以正常使用；刀具破損是指刀具邊緣出現(xiàn)豁口或者裂縫，使得劃切效果大大下降，此種情況應(yīng)該立刻修整刀具或者停止使用。

對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行如下分析：

(1)在短時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)不會(huì)以一定的規(guī)律循環(huán)出現(xiàn)。

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

(3)在完整無(wú)缺口的刀片試驗(yàn)中，電壓值也會(huì)達(dá)到突變，其余值會(huì)圍繞著初始電壓值上下小幅波動(dòng)。

(4)根據(jù)前面所述的檢測(cè)原理，理論上破損刀片的檢測(cè)值應(yīng)該有一部分的數(shù)據(jù)會(huì)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?yàn)榈毒咴谳S上做每秒幾萬(wàn)次的轉(zhuǎn)動(dòng)，破損缺口通過(guò)傳感器位置所用時(shí)間將是亞毫秒級(jí)的。并且對(duì)于這樣的弱電信號(hào)，周圍環(huán)境肯定和設(shè)備會(huì)帶來(lái)很多的干擾因素。針對(duì)少量的數(shù)據(jù)我們無(wú)法快速準(zhǔn)確做出判斷，所以我們引入數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的幾個(gè)基本統(tǒng)計(jì)量概念：

3 標(biāo)準(zhǔn)差，變異系數(shù)，均方遞差，偏度和峰度

3.1 標(biāo)準(zhǔn)差

標(biāo)準(zhǔn)差能反映一個(gè)數(shù)據(jù)集的離散程度。標(biāo)準(zhǔn)差是一組數(shù)值自平均值分散開(kāi)來(lái)的程度的一種測(cè)量觀念。一個(gè)較大的標(biāo)準(zhǔn)差，代表大部分的數(shù)值和其平均值之間差異較大；一個(gè)較小的標(biāo)準(zhǔn)差，代表這些數(shù)值較接近平均值。

當(dāng)?shù)毒叱霈F(xiàn)破損，采集的數(shù)據(jù)將有部分?jǐn)?shù)據(jù)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(huì)大大增加。所以sd值能反映出破損的出現(xiàn)以及程度的變化。

3.2 變異系數(shù)

變異系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)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(gè)總體均值不等的離散程度的比較上，用Cv表示。變異系數(shù)，其中α表示標(biāo)準(zhǔn)差，x表示樣本平均值。

若兩個(gè)總體的均值相等，則比較標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與比較標(biāo)準(zhǔn)差是等價(jià)的。

由此可見(jiàn)，對(duì)于不同初始光量的情況下，通過(guò)變異系數(shù)才能更好的發(fā)現(xiàn)破損變化。并且使用變異系數(shù)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(duì)整個(gè)刀具面積是小的，且刀具高速旋轉(zhuǎn)；這些特性對(duì)于突變程度是很好判斷的。當(dāng)?shù)毒叱霈F(xiàn)破損時(shí)，均方遞差能明顯表示出變化，它對(duì)于一些比較小的刀具裂縫有很好的判斷作用。

3.4 峰度

當(dāng)破損引起的數(shù)據(jù)和干擾值在數(shù)量上疊加時(shí)，數(shù)據(jù)曲線的尖平程度將能很好地判斷出破損與正常的區(qū)別。所以峰度值能很好地克服干擾帶來(lái)的各種數(shù)值的突變。

3.5 偏度

當(dāng)使用者把初始光量沒(méi)有設(shè)置為0時(shí)，僅僅把低于0值的信號(hào)屏蔽對(duì)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(guò)濾低于刀具完整狀態(tài)下光量平均值的干擾值。

4 算法設(shè)計(jì)

根據(jù)檢測(cè)原理以及我們對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析，設(shè)計(jì)算法流程圖如圖4所示。

圖4 算法流程圖

過(guò)濾超出放大器輸出信號(hào)[0,5]區(qū)間的數(shù)值。然后將已處理過(guò)的數(shù)據(jù)先經(jīng)過(guò)偏差區(qū)域判斷，即將大于判斷值的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和數(shù)值分別累加，這是最簡(jiǎn)單粗略也最直接的一個(gè)判斷。接著將標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)做并的處理，峰度和偏度做并的處理。再將標(biāo)準(zhǔn)差并變異系數(shù)，均方遞差，峰度并偏度做一個(gè)順尋判斷。

5 結(jié)論

自動(dòng)切割機(jī)的刀具破損檢測(cè)方法設(shè)計(jì)得到了很好的驗(yàn)證，只要反復(fù)論證和計(jì)算各個(gè)環(huán)節(jié)的判斷值，此種方法可以將檢測(cè)精度控制在亞毫米級(jí)，并且檢測(cè)時(shí)間可以控制在5 s內(nèi)，很好地解決了自動(dòng)切割機(jī)對(duì)刀具破損檢測(cè)的要求。