前景光明 – ECKELMANN

随着能源价格的持续上涨，人们对可再生能源的呼声越来越高。一些新兴行业因此步入飞速发展阶段，其中之一便是光伏发电，又称太阳能发电。日新月异的技术让太阳能热系统的价格变得愈加亲民，极大地推动了此类系统的广泛应用。德国“100,000 Roofs（覆盖 100,000 个屋顶）”计划等政府资助项目的推出更是进一步提升了太阳能市场的热度。效率因素是衡量太阳能模块性能的一项关键指标。晶圆则是太阳能电池中不可或缺的组件，它需要达到极高的质量要求，以确保实现最大功率输出。为克服这一挑战，德国公司 ECKELMANN AG 特别开发了一套晶圆检查系统。该系统由两大核心组件构成：IDS 的高分辨率千兆以太网相机和强大的图像处理应用。

当太阳照射地球表面时，其能量高达每平方米 1,000 瓦。以整个地球表面积计算，这种能源相当于全球每年天然能源总需求量的 10,000 多倍。而摆在我们面前的真正挑战是，如何才能尽可能充分地利用这种潜在能源。太阳能电池通常由多晶硅制成，其制造工艺非常复杂，导致成本也十分高昂。而说到效率，即太阳能转化为电能的量，则应该是越高越好。然而，即使在实验室条件下，也远未达到 30% 的理论最大值。这意味着，在制造厚度约为 0.2 毫米的原始硅晶圆时，需要确保达到极高的纯度，并尽量避免缺陷的产生。如果制造过程中频繁出现缺陷，包括晶圆中的碎裂、裂纹和破边，会极大削弱太阳能模块的性能。实践证明，利用高分辨率相机进行数字图像处理是确保及早发现这些缺陷的唯一可行方法。人工质量保证操作的可行性基本为零，因为晶圆易碎，处理难度极高，在高吞吐率要求下更是如此。

ECKELMANN 图像处理和内部物流部门目前正在着手为希望在其多条晶圆生产线中部署该系统的客户开发新的测试和检查站。生产线的吞吐量为每小时 3,600 片晶圆。因此，工站只有大约一秒钟的处理时间，期间不仅要检查晶圆有无裂纹、碎裂和边缘缺陷，还要测量晶圆的表面积和每个倒角的角度。当测试和检查站完成时，超过两名开发人员的数年努力最终凝聚成卓越的相机控制和图像处理功能。负责该项目的软件开发人员之一 Jan Helmerichs 总结道：“最棘手的问题是，我们必须在如此高的吞吐率下实现必要的精准度。”努力最终得到了回报：凭借大视野、出色的测量精准度和 0.8 秒的超短吞吐时间，这家德国公司预计已拥有足以傲视群雄的强大实力。

系统需要达到 50 µm 的测量精准度。为确保能够以要求的分辨率捕获标准晶圆（尺寸约为 150 mm x 150 mm）的图像，开发人员选择了带有 5 MP 传感器的相机。项目经理 Johannes Stelter 说明了几项关键指标：“高分辨率、快捷简便的图像传输和彩色效果。”凭借在 IDS 相机集成、产品质量、服务和支持方面的丰富经验，他最终从 IDS 的 uEye 系列中挑选了一款最为合意的产品。UI-5480-C 搭载 2560 x 1920 像素高速 CMOS 彩色传感器，具备感兴趣区域 (AOI) 功能，能够将视野限制为方形部分图像。相机的千兆以太网端口支持图像数据高速传输，可在全分辨率下达到每秒 15 帧的帧速率。连接电缆长达 100 m，因此在远离主机的位置亦能够灵活安装相机。在新的晶圆检查站中，相机安装在底部敞开的金属外壳中，并且带有内置光源。在生产过程中，旋转台会将锯切后的硅晶圆定位于相机下方，以进行在线检查。相机连续拍摄两张图像，每张图像通过不同光源进行照明。

首先，在红色 LED 背光下检查晶圆，以此找出贯通裂纹。在相机拍摄第二张图像的同时，基于 MVTec HALCON 的分析软件已开始利用灰度算子分割第一张图像。由于采用的是图像捕获和分析同步进行的方式，因此该解决方案能够为您省出大量的宝贵时间。第二张图像在白光照射下拍摄。表面杂质和缺陷以及非贯通裂纹在漫射 LED 光源下会清晰地凸显出来。此图像还可用于测量晶圆尺寸和拐角处的倒角。测量系统支持两种操作模式：本地操作，或者通过 ECKELMANN 开发的图形用户界面 E.SEE-Waferinspect 进行远程操作。模块化系统能够根据客户要求通过添加更多测量功能（例如，晶圆厚度和晶粒尺寸测量）实现扩展。公司力求能够根据每个客户的独特需求对标准组件进行灵活的自定义。因此，相机不仅要符合技术规格，还要满足另一个基本要求：易于集成和扩展。与相机一并提供的软件开发工具包 (SDK) 正是 uEye 的不同凡响之处。uEye SDK 为晶圆检查系统中使用的 HALCON 软件库提供了一个随时可用的接口。这极大地方便了相机与分析程序的集成，并且能确保所有重要功能的可用性。除了 ActiveX、DirectShow 和各种库接口外，uEye SDK 还提供了一个直接编程接口 (API)，可用于访问 C++、C# 和 VB 等驱动程序。另有超过 20 个示例应用，均带有源代码，且随时可用，能够帮助您轻松解锁相机编程功能。uEye 系列的另一个显著优势是，所有相机均使用相同的 SDK，无论所基于的是 USB 还是 GigE。因此，用户无需编程即可随时改用不同的相机。这对于光伏等面向未来的技术来说非常重要，能够帮助其更好地满足未来不可预知的任何需求。

作者：Daniel Seiler，IDS Imaging Development Systems GmbH ECKELMANN AG 是 MVTec 的认证集合商。

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