如何利用基于視覺的邊緣設(shè)備優(yōu)化晶圓制造

工業(yè)4.0、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或智能工廠—無論使用哪個術(shù)語，都指向相同的目標(biāo)：提高工廠車間的效率、可靠性和信息安全和功能安全。恩智浦不僅設(shè)計和生產(chǎn)下一代工業(yè)4.0應(yīng)用核心的創(chuàng)新芯片，而且還集成了工業(yè)4.0概念，旨在進(jìn)一步提高工廠效率。這篇博文將向您展示恩智浦如何將自身技術(shù)與Basler公司先進(jìn)的嵌入式視覺技術(shù)相結(jié)合，為我們的工廠打造全新的目視檢查概念。

用例

恩智浦在全球范圍內(nèi)擁有多家晶圓工廠。每家工廠的質(zhì)量和效率都處于極高水平。但是，我們一直在尋求方法來滿足和超越日益嚴(yán)苛的半導(dǎo)體市場需求。在典型的硅晶圓制造流程中, 最后一步是在出廠前對晶圓進(jìn)行精細(xì)包裝并放入運(yùn)輸箱(wafer box晶圓盒)。

在封閉運(yùn)輸箱(wafer box晶圓盒)后并進(jìn)行包裝(充入氮?dú)?前，操作員將進(jìn)行目視檢查。這項檢查旨在確保運(yùn)輸箱(wafer box晶圓盒)中的晶圓處于正確位置(槽位)。這一檢查非常重要，可以避免因為晶圓在運(yùn)輸過程中擺放不當(dāng)而影響供應(yīng)鏈下游。

在裝箱(盒)過程中的出錯概率非常低。因而，操作員很少會遇到錯誤。在如此低的出錯率下，人類行為會導(dǎo)致較高的疏忽概率，即人工檢查也無法發(fā)現(xiàn)這種罕見錯誤。作為我們持續(xù)改進(jìn)活動的一部分，硅晶圓廠正在測試一種用于自動完成目視檢查的新概念。這種自動化功能有望提高效率，并在運(yùn)輸箱(wafer box晶圓盒)出廠之前提供狀態(tài)證明。

技術(shù)細(xì)節(jié)

為實現(xiàn)這一計劃，我們與全球領(lǐng)先的計算機(jī)視覺應(yīng)用制造商Basler AG展開了正式合作。我們進(jìn)行了密切協(xié)作來開發(fā)基于視覺的邊緣設(shè)備，并成功利用兩個公司之間強(qiáng)大的協(xié)同效應(yīng)。Basler在工廠自動化和嵌入式視覺解決方案方面擁有豐富的專業(yè)知識，并因此得到業(yè)界廣泛認(rèn)可，有能力打造完整的視覺應(yīng)用。除了提供經(jīng)濟(jì)高效且功能強(qiáng)大的視覺系統(tǒng)外，Basler還提供完整的應(yīng)用軟件，對我們的實際用例形成了很好的補(bǔ)充。恩智浦強(qiáng)大的工業(yè)級i.MX 8系列應(yīng)用處理器確保實時算法高效運(yùn)行所需的高性能。

在這個特定用例中，我們采用了Basler附加攝像頭套件daA2500-60mci-IMX8-EVK，該套件提供5百萬像素的dart系列相機(jī)模塊、線纜、鏡頭以及BCON for MIPI到Mini SAS轉(zhuǎn)接器，支持高達(dá)750 MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速度。此外，Basler還優(yōu)化了驅(qū)動程序，可輕松與各種i.MX 8M評估板進(jìn)行集成。

我們選擇了恩智浦i.MX 8M Mini評估板8MMINILPD4-EVK作為處理平臺。這款評估板配備工業(yè)級 i.MX 8M Mini Quad應(yīng)用處理器，其中以4個Arm? Cortex?-A53@1.6 GHz內(nèi)核作為主CPU平臺，并以1個Arm Cortex -M4@400 MHz內(nèi)核作為低功耗/安全CPU，因此是高效計算圖像處理的理想之選。此外，i.MX 8M Mini評估板提供了合適的外設(shè)，可滿足本概念驗證的需求。它不僅支持MIPI-CSI攝像頭迷你SAS接頭，還帶有一個1Gbit以太網(wǎng)端口，允許與工廠的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)直接進(jìn)行通信。它是一個節(jié)能板，并有足夠多的數(shù)字IO信號，能夠與車間的其他設(shè)備進(jìn)行交互。

概念驗證

i.MX 8M Mini評估板以及Basler附加攝像頭套件安裝在進(jìn)行目視檢查的站點(diǎn)。?應(yīng)用處理器已經(jīng)運(yùn)行了一個圖像處理算法，由Basler根據(jù)潔凈室的特定照明條件進(jìn)行了調(diào)整。該算法使用“經(jīng)典”的圖像處理方法，如分割和BLOB分析。為了通過以太網(wǎng)與MES后端通信，應(yīng)用向MQTT代理發(fā)送/接收J(rèn)SON消息。

要開始自動目視檢查，將帶有晶圓的運(yùn)輸箱放置在工業(yè)級背光平臺的頂部。Basler攝像頭位于運(yùn)輸箱上方約一米處，并連接至i.MX 8M迷你板。一旦應(yīng)用處理器接收到來自MES后端MQTT代理的消息，或者當(dāng)操作員手動激活連接到評估板的數(shù)字輸入時，它就會啟動檢查流程。

一旦圖像被Basler攝像頭捕獲并進(jìn)行了預(yù)處理，實際圖像處理算法就會搜索圖像中的盒子，并將其對齊，執(zhí)行后續(xù)步驟(以防盒子傾斜)。

在以下處理步驟中，該算法查找空插槽以及傾斜的晶圓盤或未完全插入插槽的磁盤。此外，對盒中的磁盤數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。作為該圖像處理例程的結(jié)果，i.MX 8M Mini板向MES發(fā)送MQTT消息，檢查結(jié)論如下：

如果晶圓未在錯誤位置，則顯示OK消息；如果至少有一個晶圓在錯誤的位置，則顯示NOK消息。如顯示NOK消息，將拍攝一張新照片，再次檢查第一個結(jié)果。

帶有傳輸盒內(nèi)晶圓數(shù)的消息。

包含標(biāo)識哪些晶圓位置錯誤的索引的消息。

最后，分析晶圓的16位圖像被傳送到MES，并儲存起來，供工廠處理追蹤。

結(jié)論

嵌入式視覺技術(shù)在工廠自動化領(lǐng)域的應(yīng)用呈不斷上升趨勢，其好處顯而易見。由于外形尺寸不斷變小，功耗越來越低，處理性能日益提高，用嵌入式技術(shù)替代大型基于PC的視覺系統(tǒng)變得越來越容易，從而確保打造精簡且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

我們與合作伙伴緊密合作，為工廠自動化帶來創(chuàng)新的機(jī)器視覺解決方案。這種自動化視覺檢測系統(tǒng)只是恩智浦和Basler技術(shù)的強(qiáng)大協(xié)同作用解決工廠自動化領(lǐng)域問題的一個示例。

審核編輯：郭婷