梁 若，熊 波，尹周平，李 敏

（華中科技大學(xué) 機(jī)械學(xué)院 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074）

0 引言

RFID射頻識別技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。由于RFID射頻識別技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等信息技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共享，未來市場需求巨大，對我國制造業(yè)的發(fā)展意義重大[1-3］。RFID封裝設(shè)備，一般由基板輸送、點膠、翻轉(zhuǎn)貼片、熱壓和檢測五個模塊組成，其中翻轉(zhuǎn)貼裝模塊是設(shè)備最主要部分。

在RFID倒裝設(shè)備的翻轉(zhuǎn)貼裝流程中，如何正確有效的從晶圓盤上拾取芯片，直接影響到封裝的效率和芯片的利用率，是設(shè)備關(guān)鍵流程。其主要動作流程如下：給定起始芯片，然后晶圓盤驅(qū)動單元進(jìn)給，將晶圓上的每一個好芯片按一定順序，自動的移動到翻轉(zhuǎn)頭拾取工作范圍，最后由翻轉(zhuǎn)頭完成芯片的拾取，該過程在本文稱為晶圓遍歷。晶圓遍歷主要解決以下問題[4］：

1）減少人為干預(yù)，自動拾取完整個晶圓盤芯片；

2）使拾取路徑連續(xù)，盡量縮短每次移動的距離，避免芯片零散遺漏；

3）芯片對位時盡量走最合理的路徑，當(dāng)暫時找不到芯片的時候能夠向有芯片的區(qū)域移動；

4）判斷路徑的時間應(yīng)該盡量短，提高效率。

晶圓遍歷算法從原理上一般可以分為兩類：1）基于Map文件的遍歷算法：通過讀取保存在Map文件的信息來確定當(dāng)前芯片的好壞狀態(tài)，按照map文件的形式完成芯片拾取的路徑規(guī)劃；2）基于視覺的遍歷算法：通過圖像視覺的方法，判斷當(dāng)前芯片的狀態(tài)和位置坐標(biāo)，再按一定的路徑規(guī)劃進(jìn)行移動翻取。一般基于MAP文件的遍歷較為穩(wěn)定，但MAP文件格式眾多，且不能適用于含有空洞的wafer盤，其適應(yīng)性較差。基于視覺的遍歷，適應(yīng)性好，但其依賴于視覺效果，效率和穩(wěn)定性較差；文獻(xiàn) [6]使用視覺的遍歷方式，采用逐行遍歷的路徑規(guī)劃，文獻(xiàn)[5]在此基礎(chǔ)上，通過好芯片、壞芯片和邊緣芯片三種狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分換行，文獻(xiàn)[4]則對十字直角路徑和斜上優(yōu)先兩種路徑規(guī)劃進(jìn)行了優(yōu)化。

本文針對以前map遍歷算法和視覺遍歷算法的不足，根據(jù)設(shè)備的實際需求，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提出了一種新的算法：基于視覺的有向九宮格遍歷算法。該算法已成功應(yīng)用在RFID倒裝設(shè)備上，其適應(yīng)性和穩(wěn)定性更好，滿足生產(chǎn)要求。

1 基于視覺的有向九宮格遍歷算法

根據(jù)前面的分析，為了克服現(xiàn)有算法的不足，本文提出了一種新的基于有向九宮格的遍歷算法。新算法以視覺遍歷為基礎(chǔ)，有效解決了map遍歷適應(yīng)性差的問題；同時參考map遍歷直接跳過壞芯片，效率高的特點，采用九宮格視野擴(kuò)大遍歷范圍，九顆芯片只需一次圖像處理，并且只對好芯片處理，從而解決了現(xiàn)有的視覺遍歷算法對每一個芯片的狀態(tài)單獨處理，效率低下的問題；九宮格內(nèi)采用貪心算法搜索策略，實現(xiàn)九宮格內(nèi)路徑綜合最優(yōu)，保證效率；同時提出基于距離的換行標(biāo)準(zhǔn)，大大提高算法穩(wěn)定性，對算法實際應(yīng)用很大的促進(jìn)作用。下面將對算法的原理進(jìn)行詳細(xì)的敘述。

1.1 有向九宮格遍歷算法原理

有向九宮格采用方形的定位視野，視野中分為九個方格，如圖1所示。新算法以九宮格為基本遍歷單元，先把當(dāng)前九宮格內(nèi)所有好芯片拾取完成后，驅(qū)動機(jī)構(gòu)自動進(jìn)給到下一個九宮格繼續(xù)遍歷。每一個九宮格，只通過一次圖像定位，就可對所有好芯片的狀態(tài)定位，進(jìn)行遍歷；以貪心算法為搜索策略，使得九宮格內(nèi)搜索總路徑綜合最短。算法主要有以下幾個特點。

1.1.1 基于貪心算法的九宮格路徑搜索策略

九宮格內(nèi)拾取芯片時，必須要將好芯片移動到視野正中心方可拾取，因此，九宮格內(nèi)部芯片拾取的路徑規(guī)劃的目的：以最短的搜索路徑拾取完所有好芯片。這是一個典型的路徑規(guī)劃問題，如圖3所示。拾取芯片時，通過對好芯片進(jìn)行圖像匹配處理，可以獲取視野內(nèi)好芯片的具體位置，但是由于九宮格內(nèi)部芯片狀態(tài)并不固定，每個位置的芯片都存在好芯片或是壞芯片狀態(tài)的可能，不同芯片狀態(tài)下遍歷路徑也不盡相同。

遍歷的整體效率，是遍歷路徑的總長度和搜索算法時間復(fù)雜度兩者的綜合評價。實際工況中，芯片尺寸距離很小，較優(yōu)解與最優(yōu)解相差不大，效率影響較??；而貪心算法由局部最優(yōu)代替全局最優(yōu)，時間復(fù)雜度很低，可以快速獲得最優(yōu)解或較優(yōu)解，既能滿足路徑優(yōu)化，又能實現(xiàn)算法優(yōu)化。綜合考慮兩者關(guān)系，本文采用貪心算法搜索策略。

針對九宮格路徑規(guī)劃問題，建立了圖2的數(shù)學(xué)模型，以連通圖表示表示整個路徑規(guī)劃的集合，好芯片以圓圈節(jié)點表示，距離以權(quán)值表示，視覺匹配處理計算完成后，即可獲得九宮格對應(yīng)的連通圖。通過選擇當(dāng)前節(jié)點的最優(yōu)解代替全局最優(yōu)來實現(xiàn)九宮格內(nèi)所有好芯片的拾取路徑遍歷，圖3是貪心算法主要流程圖。

1.1.2 基于距離的換行準(zhǔn)則

基于視覺遍歷的傳統(tǒng)算法中，以芯片狀態(tài)作為換行的準(zhǔn)則，其換行依賴于芯片本身的狀態(tài)和分布，運(yùn)行并不穩(wěn)定。針對這種情況本文提出了一種新的換行準(zhǔn)則：根據(jù)九宮格當(dāng)前窗口坐標(biāo)和wafer圓心半徑的關(guān)系，判定是否需要換行。該準(zhǔn)則不依賴于晶圓盤上芯片的分布情況，對晶圓盤孔洞和缺角情況都能適應(yīng)，穩(wěn)定可靠。該準(zhǔn)則的基本原理如下：

1）圓心和半徑：學(xué)習(xí)晶圓盤邊緣處四個點的坐標(biāo)，通過四點擬合出wafer圓心和半徑值；

2）換行和進(jìn)給：每到一個新的九宮格位置，判斷當(dāng)前視野中心點與先前計算出的圓心之間的距離，并與半徑作差，事先設(shè)置一個閾值，當(dāng)差值大于該閾值時則進(jìn)行換行動作，否則按照正常的算法流程進(jìn)行；

3）晶圓盤遍歷結(jié)束：當(dāng)視野中心點與圓心的距離大于半徑，并且在遍歷的垂直方向上的距離也大于半徑，則判斷晶圓盤遍歷結(jié)束。

本文采用最小二乘法，求解wafer盤圓心和半徑，半徑為R，圓心（A，B）的圓標(biāo)準(zhǔn)曲線為：

由上可知，三點即可以確定一個圓，所取點數(shù)越多，精度越高，由于芯片尺寸小，晶圓盤的半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于芯片半徑，故對精度要求不高，本文中通過采樣四點坐標(biāo)擬合一個圓。由四點坐標(biāo)：（x1,y1）， （x2,y2），（x3,y3），（x4,y4），代入方程即可求解得到a，b，c，從而得到wafer盤的圓心（A, B）和半徑R。

1.1.3 有向九宮格遍歷

遍歷開始時，指定一個初始遍歷方向，如從左到右遍歷，加工結(jié)束后，自動保存當(dāng)前的遍歷方向和結(jié)束位置，下次開啟后可直接遍歷，其操作簡單，且大大提高了遍歷的連續(xù)性和適應(yīng)性；使用九宮格，擴(kuò)大視野范圍，一次性對九個芯片處理，減少匹配次數(shù)，對好壞芯片的狀態(tài)，都是一次處理，提高了效率。

1.2 算法的實現(xiàn)

根據(jù)前面的介紹，該算法的主要步驟如下：

1）選取起始遍歷芯片：根據(jù)實際情況，選擇開始遍歷的起始點；

2）指定遍歷方向：根據(jù)起始點狀態(tài)和晶圓盤整體情況，確定遍歷方向；

3）圓心半徑確定：確定wafer盤4個邊緣點坐標(biāo)，由最小二乘法擬合出wafer盤的半徑和圓心；

4）開始遍歷：通過視覺圖像定位，得到當(dāng)前九宮格內(nèi)好芯片坐標(biāo)，由貪心算法遍歷拾取完九宮格內(nèi)所有好芯片；

5）每到一個新的九宮格位置時，先判斷是否已達(dá)到換行標(biāo)準(zhǔn)；如果達(dá)到則換行并反向遍歷，否則重復(fù)步驟4；

6）判斷是否已遍歷完整個晶圓盤，如果是則進(jìn)行換料操作，否則按照算法流程，重復(fù)步驟4進(jìn)行。

算法的流程圖具體如下：遍歷前的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備流程，如圖4所示；加工時的流程，如圖5所示。其中遍歷前的學(xué)習(xí)流程，為離線操作，并不影響設(shè)備的運(yùn)行效率，一般更換基材后只需要學(xué)習(xí)一次；加工流程，為自動加工時的在線操作，直接影響設(shè)備生產(chǎn)效率。

2 實驗結(jié)果

該算法在實際RFID設(shè)備中進(jìn)行實驗，實驗中，將設(shè)備頂針頂起的高度，由正常工作高度改為0，既可以完全模擬實際工況又不浪費芯片，同時為了保證采圖的質(zhì)量和翻轉(zhuǎn)的效果，在實際過程中，加入了一定延時模擬。

圖6（a）為RFID設(shè)備中測試時所用到的wafer盤倒裝翻轉(zhuǎn)拾取機(jī)構(gòu)。測試中使用了完整晶圓盤和部分已經(jīng)加工過的晶圓盤兩種。wafer盤1為完整晶圓盤，芯片總數(shù)23936，好芯片總數(shù)22577，合格率為94.322%；wafer盤2是部分加工過的晶圓盤，前60行已經(jīng)被拾取，剩余wafer盤芯片總數(shù)17707，好芯片總數(shù)16799，合格率為94.87%。在原理上，不管是在效率、穩(wěn)定性、性能上，九宮格遍歷肯定要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于視覺逐行遍歷算法，因此實驗中，主要與MAP遍歷做了比較，表1是實驗的部分結(jié)果。

上述測試效果表明，九宮格視覺遍歷拾取率與MAP遍歷相比基本無變化，但是其效率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MAP遍歷。同時，通過視覺觀察到實驗中未拾取的芯片，有部分的外觀確實存在破損或者變臟，這可能是晶圓盤在轉(zhuǎn)移的過程中導(dǎo)致了芯片的損壞，這也是為什么MAP遍歷拾取率沒有100%的原因，所以實際拾取率會比實驗結(jié)果略高。實驗中都是一次性遍歷完成，中間并無停頓，穩(wěn)定性很好。

另外，本次實驗還使用了另外兩種有空缺的wafer盤：圖6（a）為單方向含孔洞晶圓盤；圖6（b）為垂直方向含雙孔洞晶圓盤。實驗結(jié)果表明，對以上兩種晶圓盤，九宮格遍歷，并無影響，遍歷時間、穩(wěn)定性和拾取率和上面基本無差別。但對于MAP遍歷而言，單方向含有孔洞晶圓盤，遍歷過程中，需要停頓一次進(jìn)行重新學(xué)習(xí)調(diào)整（停頓次數(shù)一般為孔洞個數(shù)）；對于圖6（b）晶圓盤，則直接失效，不能遍歷。另外，由于MAP遍歷中，MAP文件格式太多，有時候會出現(xiàn)格式不兼容情況，而視覺遍歷都能適用。

實驗表明，不管是對何種晶圓盤，該算法能在效率、穩(wěn)定性和拾取率上能達(dá)到綜合較優(yōu)，智能性和適應(yīng)性上都有了一定的提高，目前該算法已成功應(yīng)用到實際RFID設(shè)備中。

實際測試中，該算法也存在一定的不足：1）由于其是基于視覺定位的，芯片狀態(tài)的確定依賴于視覺系統(tǒng)處理效果；2）對空缺的晶圓盤，不需要停機(jī)保證了連續(xù)性，但是仍然會遍歷晶圓盤空缺的地方，效率有所降低。對于這些不足，特別是視覺圖像的處理效果，是后面需要進(jìn)一步完善的地方。

3 結(jié)論

本文的最大貢獻(xiàn)之處在于提出了一種有向九宮格遍歷算法，有效克服了map文件遍歷算法中適應(yīng)性差、效率低，視覺遍歷算法中效率低、穩(wěn)定性差等問題。通過采用視覺遍歷，解決MAP遍歷適應(yīng)性低的問題；以九宮格為基本單元，引入貪心算法、有向遍歷和距離換行準(zhǔn)則，大大提高其效率和穩(wěn)定性。該算法已成功應(yīng)用在RFID封裝設(shè)備中，應(yīng)用結(jié)果表明，其適應(yīng)性、穩(wěn)定性和效率都有一定的提高，能夠滿足工業(yè)實際生產(chǎn)應(yīng)用要求。

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