自动切割机刀具破损检测方法

孙 敏，杨云龙

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 101601)

自动切割机即针对为划切对象的自动砂轮划片设备。砂轮划片机是以强力磨削为划切原理，空气静压电主轴为执行元件，以30000～60000 r/min的转速磨削晶圆的划切区域，同时承载着晶圆的工作台以一定的速度沿刀具与晶圆接触点的划切线方向呈直线运动，将每一个具有独立电气的芯片分裂出来。工作原理如图1所示。

方形扁平无引脚封装 (Quad Flat No-Lead Package)是一种焊盘尺寸小、体积小、以塑料作为密封材料的新兴的表面贴装芯片封装技术。正是因为划切对象特殊性，使得自动切割机和传统的砂轮划片机有一些不同。基板为塑料材质，本身在制作过程中就对通道平行度控制的不是很高，并且在划切过程中划切通道可能会变形。因此传统的对准模式不适合切割机，需要频繁对准导致速度慢，准确度不高。本项目针对这些特点为划切定制出一台针对性强的划片设备。

图1 原理示意图

对于自动切割机来说，刀具破损检测功能是必不可少的。首先芯片底部为延展性强的金属，使得刀片磨损量过大。其次切割对效率要求很高，人为监控必定降低切割效率，达不到自动切割的要求。这些特点就使得刀具破损检测在自动切割机中成为必要功能之一。

1 光纤检测原理与方法

BBD（Blade Breakage Detection）即刀具破损检测。本文阐述的BBD方法采用通过检测光量变化并转化为电压变化的办法来实现，所以又叫做光电检测方法。其原理具体是在刀具两边分别放置光纤发生和接收装置，当刀具产生磨损或者破损时，通过刀具光量的变化即发生变化，把光量的变化通过光电转换为电压的变化，并且采集分析处理电压变化数据，来识别刀具破损程度。其原理示意图如图2所示，图示方向为刀具侧视图。

图2 BBD光电检测原理示意图

本检测系统主要由4个部分构成为：光纤发射及接收装置、光纤传感器、A/D转换器、工控机、警报装置。其中光纤传感器将光量信号转换为电压信号，A/D传感器将电压的模拟量信号转化为数字信号传送给工控机，工控机再将接收到的一组一组的离散信号按照一定的算法进行分析处理，并且做出判断，由警报器发出警报。其结构组成如图3所示。

图3 BBD检测系统

2 数据分析

采集到的数据为离散的电压值，我们将数据分组。在这先要明确以下两种概念的不同：刀具磨损和刀具破损。刀具磨损是指刀具直径均匀的变小，在可以允许的情况下，通过改变划切参数，刀具还可以正常使用；刀具破损是指刀具边缘出现豁口或者裂缝，使得划切效果大大下降，此种情况应该立刻修整刀具或者停止使用。

对于采集到的数据进行如下分析：

(1)在短时间内的数据不会以一定的规律循环出现。

(2)在光纤传感器输出区间[0,5]之外的值可能由各种干扰或误差造成，无实际意义，可忽略不计，在算法中滤去。

(3)在完整无缺口的刀片试验中，电压值也会达到突变，其余值会围绕着初始电压值上下小幅波动。

(4)根据前面所述的检测原理，理论上破损刀片的检测值应该有一部分的数据会超出初始值，超出的大小由破损刀口的面积大小决定。但是因为刀具在轴上做每秒几万次的转动，破损缺口通过传感器位置所用时间将是亚毫秒级的。并且对于这样的弱电信号，周围环境肯定和设备会带来很多的干扰因素。针对少量的数据我们无法快速准确做出判断，所以我们引入数据统计的几个基本统计量概念：

3 标准差，变异系数，均方递差，偏度和峰度

3.1 标准差

标准差能反映一个数据集的离散程度。标准差是一组数值自平均值分散开来的程度的一种测量观念。一个较大的标准差，代表大部分的数值和其平均值之间差异较大；一个较小的标准差，代表这些数值较接近平均值。

当刀具出现破损，采集的数据将有部分数据大幅度偏离平均值，而且随着破损面积的增大，偏离的程度也会大大增加。所以sd值能反映出破损的出现以及程度的变化。

3.2 变异系数

变异系数是标准差与平均值的比率。反映单位平均值上的离散程度，常用在两个总体均值不等的离散程度的比较上，用Cv表示。变异系数，其中α表示标准差，x表示样本平均值。

若两个总体的均值相等，则比较标准差系数与比较标准差是等价的。

由此可见，对于不同初始光量的情况下，通过变异系数才能更好的发现破损变化。并且使用变异系数可以屏蔽正常情况下的刀具磨损，更好的突出刀具破损情况。

3.3 均方递差

刀具缺口相对整个刀具面积是小的，且刀具高速旋转；这些特性对于突变程度是很好判断的。当刀具出现破损时，均方递差能明显表示出变化，它对于一些比较小的刀具裂缝有很好的判断作用。

3.4 峰度

当破损引起的数据和干扰值在数量上叠加时，数据曲线的尖平程度将能很好地判断出破损与正常的区别。所以峰度值能很好地克服干扰带来的各种数值的突变。

3.5 偏度

当使用者把初始光量没有设置为0时，仅仅把低于0值的信号屏蔽对于干扰的处理效果不是很好，所以我们使用偏度判断，就能很好地过滤低于刀具完整状态下光量平均值的干扰值。

4 算法设计

根据检测原理以及我们对采集数据的分析，设计算法流程图如图4所示。

图4 算法流程图

过滤超出放大器输出信号[0,5]区间的数值。然后将已处理过的数据先经过偏差区域判断，即将大于判断值的数据个数和数值分别累加，这是最简单粗略也最直接的一个判断。接着将标准差与变异系数做并的处理，峰度和偏度做并的处理。再将标准差并变异系数，均方递差，峰度并偏度做一个顺寻判断。

5 结论

自动切割机的刀具破损检测方法设计得到了很好的验证，只要反复论证和计算各个环节的判断值，此种方法可以将检测精度控制在亚毫米级，并且检测时间可以控制在5 s内，很好地解决了自动切割机对刀具破损检测的要求。