如何利用基于视觉的边缘设备优化晶圆制造

工业4.0、工业物联网或智能工厂—无论使用哪个术语，都指向相同的目标：提高工厂车间的效率、可靠性和信息安全和功能安全。恩智浦不仅设计和生产下一代工业4.0应用核心的创新芯片，而且还集成了工业4.0概念，旨在进一步提高工厂效率。这篇博文将向您展示恩智浦如何将自身技术与Basler公司先进的嵌入式视觉技术相结合，为我们的工厂打造全新的目视检查概念。

用例

恩智浦在全球范围内拥有多家晶圆工厂。每家工厂的质量和效率都处于极高水平。但是，我们一直在寻求方法来满足和超越日益严苛的半导体市场需求。在典型的硅晶圆制造流程中, 最后一步是在出厂前对晶圆进行精细包装并放入运输箱(wafer box晶圆盒)。

在封闭运输箱(wafer box晶圆盒)后并进行包装(充入氮气)前，操作员将进行目视检查。这项检查旨在确保运输箱(wafer box晶圆盒)中的晶圆处于正确位置(槽位)。这一检查非常重要，可以避免因为晶圆在运输过程中摆放不当而影响供应链下游。

在装箱(盒)过程中的出错概率非常低。因而，操作员很少会遇到错误。在如此低的出错率下，人类行为会导致较高的疏忽概率，即人工检查也无法发现这种罕见错误。作为我们持续改进活动的一部分，硅晶圆厂正在测试一种用于自动完成目视检查的新概念。这种自动化功能有望提高效率，并在运输箱(wafer box晶圆盒)出厂之前提供状态证明。

技术细节

为实现这一计划，我们与全球领先的计算机视觉应用制造商Basler AG展开了正式合作。我们进行了密切协作来开发基于视觉的边缘设备，并成功利用两个公司之间强大的协同效应。Basler在工厂自动化和嵌入式视觉解决方案方面拥有丰富的专业知识，并因此得到业界广泛认可，有能力打造完整的视觉应用。除了提供经济高效且功能强大的视觉系统外，Basler还提供完整的应用软件，对我们的实际用例形成了很好的补充。恩智浦强大的工业级i.MX 8系列应用处理器确保实时算法高效运行所需的高性能。

在这个特定用例中，我们采用了Basler附加摄像头套件daA2500-60mci-IMX8-EVK，该套件提供5百万像素的dart系列相机模块、线缆、镜头以及BCON for MIPI到Mini SAS转接器，支持高达750 MB/s的数据传输速度。此外，Basler还优化了驱动程序，可轻松与各种i.MX 8M评估板进行集成。

我们选择了恩智浦i.MX 8M Mini评估板8MMINILPD4-EVK作为处理平台。这款评估板配备工业级 i.MX 8M Mini Quad应用处理器，其中以4个Arm® Cortex®-A53@1.6 GHz内核作为主CPU平台，并以1个Arm Cortex -M4@400 MHz内核作为低功耗/安全CPU，因此是高效计算图像处理的理想之选。此外，i.MX 8M Mini评估板提供了合适的外设，可满足本概念验证的需求。它不仅支持MIPI-CSI摄像头迷你SAS接头，还带有一个1Gbit以太网端口，允许与工厂的制造执行系统(MES)直接进行通信。它是一个节能板，并有足够多的数字IO信号，能够与车间的其他设备进行交互。

概念验证

i.MX 8M Mini评估板以及Basler附加摄像头套件安装在进行目视检查的站点。应用处理器已经运行了一个图像处理算法，由Basler根据洁净室的特定照明条件进行了调整。该算法使用“经典”的图像处理方法，如分割和BLOB分析。为了通过以太网与MES后端通信，应用向MQTT代理发送/接收JSON消息。

要开始自动目视检查，将带有晶圆的运输箱放置在工业级背光平台的顶部。Basler摄像头位于运输箱上方约一米处，并连接至i.MX 8M迷你板。一旦应用处理器接收到来自MES后端MQTT代理的消息，或者当操作员手动激活连接到评估板的数字输入时，它就会启动检查流程。

一旦图像被Basler摄像头捕获并进行了预处理，实际图像处理算法就会搜索图像中的盒子，并将其对齐，执行后续步骤(以防盒子倾斜)。

在以下处理步骤中，该算法查找空插槽以及倾斜的晶圆盘或未完全插入插槽的磁盘。此外，对盒中的磁盘数进行统计。作为该图像处理例程的结果，i.MX 8M Mini板向MES发送MQTT消息，检查结论如下：

如果晶圆未在错误位置，则显示OK消息；如果至少有一个晶圆在错误的位置，则显示NOK消息。如显示NOK消息，将拍摄一张新照片，再次检查第一个结果。

带有传输盒内晶圆数的消息。

包含标识哪些晶圆位置错误的索引的消息。

最后，分析晶圆的16位图像被传送到MES，并储存起来，供工厂处理追踪。

结论

嵌入式视觉技术在工厂自动化领域的应用呈不断上升趋势，其好处显而易见。由于外形尺寸不断变小，功耗越来越低，处理性能日益提高，用嵌入式技术替代大型基于PC的视觉系统变得越来越容易，从而确保打造精简且经济高效的解决方案。

我们与合作伙伴紧密合作，为工厂自动化带来创新的机器视觉解决方案。这种自动化视觉检测系统只是恩智浦和Basler技术的强大协同作用解决工厂自动化领域问题的一个示例。

审核编辑：郭婷