ic封装设备切片机电控系统设计

1IC封装设备切片机电控系统设计宋佳丽（长春税务学院计算机系吉林长春130117）摘要：为了高速、高精度切割半导体晶片，切片机的电控系统要求具备高精度及高稳定度。根据系统设计指标和可编程控制器（PLC）的特点，选用日本OMRON公司的CS1G型PLC构成主控系统，FC10/400型高速电机及其配套变频器构成高速主轴系统，Y、Z轴则用PD-0535M型步进电机驱动器驱动步进电机构成开环控制系统，X轴采用交流伺服电机及增量式编码器构成半闭环系统，θ轴选用美国Parker公司DM1004B型转台交流伺服电机及DrvMⅡ型电机驱动器，供电系统采用隔离变压器等方法来屏蔽电磁干扰。通过多模块运动控制软件协调控制，该系统完全达到了设计要求。关键词：运动控制；可编程序控制器；集成电路封装；切片机中图分类号：TP273+.5文献标识码：BControlsystemdesignofwaferincisiondeviceforICencapsulationSONGJia-li(ChangchunCollegeofTaxation,Changchun130117,P.R.China)Abstract:Toinciseapaceandpreciselysemiconductorwafer,controlsystemofwaferincisionmachinemustbealsohigh-accuracyandhigh-stability.Basedondesigndemandandcharacteristicofprogrammablelogiccontroller(PLC),aCS1GPLCofOMRONCorporationisselectedformainsystem.AFC10/400highspeedmotoranditsfrequency-converterisselectedforhighspeedrotationsystem,aPD-0535MsteppermotordriverisselectedforYandZaxis,andaACservomotorishalfclosedloopedbyanincrementalencoderforXaxis.Forθaxis,aDM1004BACservomotorandaDrvMⅡdriverofAmericanParkerCorporationareselected,andtheelectromagneticinterferenceofcurrentsupplysystemisshieldedbyaseparatevoltagechanger.Thesystem’kineticcontrolsoftwareisdesignbymeansofmultiplemodularprogramming.Sothesystemattaineddesigndemandquite.Keywords:Kineticcontrol;PLC;ICencapsulation;waferincisiondevice1引言IC封装是半导体三大产业之一，其后封装工序主要包括：切片、粘片、金丝球焊、塑封、检测及包装[1]。切片IC后封装中的第一道工序，其加工质量将直接影响整个生产线的产品质量。作为半导体后封装线上的第一道关键设备，切片机的作用是把制作好的晶片（矩形或棱形）切割成独立单元器件，为下一步单元晶片粘接作好准备[2][3]。为了完成对3—6英寸的晶片的切割，切片机要高速、高精度完成一系列运动步骤，将整个晶片切割成许多的矩形或多边形单元晶片。因此，切片机的电控系统必须是一套高精度、高稳定度电控系统。2电控系统设计2.1总体结构及功能要求切片机总体结构如图1所示，工件台采用真空吸附方式固定晶片，与θ轴一体安放在X轴运动导轨台上，X轴导轨带动工件台做往复运动。带动划片刀高速旋转的气浮主轴安放在Y导轨上，依单元晶片的尺寸大小随同Y导轨做进给切割运动。Z轴座在Y轴导轨上，随同Y轴运动，Z轴以杠杆结构方式带动高速主轴上下运动实现划片过程中的抬刀落刀功能，杠杆的一端为高速主轴，另一端为Z轴系统。根据晶片加工质量要求，切片机必须实现下列主要指标及功能：2(1)主轴转速：大于30000rpm；(2)Y轴、Z轴直线进给位置精度：3μm，位移分辨力：2μm；(3)θ轴（转台）旋转角度：180°，旋转分辨力：5.43秒；(4)X轴直线进给速度：0-300mm/sec；(5)最大行程：X轴：263mm，Y轴：162mm，Z轴：30mm；(6)高度基准设定；(7)对刀线及切割纹路瞄准；(8)资料输入，数据及状态显示；(9)全自动及半自动切割方式。2.2系统硬件设计切片机电控系统主要由PLC可编程序控制系统、高速主轴旋转及Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ轴控制系统、供电系统等部分组成，其总体结构如图2所示。高速主轴及划片刀杠杆支点Z轴系统Y导轨θ轴X导轨图1切片机总体结构示意图光学成像系统ＰＬＣ电源220VAC1:1300w变频器1:12000wCCD照明灯电源1:1200wY轴，Z轴开关电源X轴电机驱动器交流稳压器SKJ-5KVA图3切片机供电系统原理图转台电机驱动器OC222OD212OD212ID212ID212ID212ID212NC413位控CS1GCPUPLC电源转速表温控仪键盘MPT002液晶显示终端声光报警气路电磁阀控制系统水路电磁阀控制系统电源系统交流稳压器SKJ-5KVAFC10/400变频器MSDA011A1APD035M步进电机PD035M步进电机驱动DRVMII伺服电机高速电机XZYθ编码器编码器220VAC图2切片机电控系统总体结构框图32.2.1PLC（可编程控制器）选择PLC灵活通用、安全可靠、环境适应性好，使用方便，维护简单，将成为今后工业自动化的主要手段[4]。本系统中选用的CS1G型ＰＬＣ是日本OMRON（立石）公司的SYSMAC系列中的一种机型，为组合式结构，由基板及模块组成，有四种基板，80余种模块可供选择。可根据需要构成不同的系统。本系统主要由以下单元组成：ＰＬＣ控制器，ＰＬＣ底板，ＰＬＣ电源，DC输入单元，晶体管输出单元，继电器输出单元，可编程终端，串行通信板，位置控制单元。2.2.2高速主轴旋转控制系统该系统主要由FC10/400型高速电机及其配套变频器，测速表，温控仪等组成。单相２２０Ｖ电压经过ＦＮ２０７０电源滤波器滤波后送入变频器输入端，经变频器调制成三相ＰＷＭ调制频率为２０ＫＨＺ的信号，驱动电机转动。用外接１０Ｋ电位器调整变频器模拟输入电压使转数固定在30000rpm。高速电机中安装有霍耳元件传感器，使其连接到测速表组成测速单元。在电机外壁安装一个热电阻连接到温控仪，组成温控单元。2.2.3X、Ｙ、Ｚ轴控制系统Y、Z轴电控系统主要由PD-0535M步进电机驱动器，24V开关电源，Y、Z轴步进电机组成。它们接收PLC位控单元NC-413的控制构成开环控制系统。X轴电控系统由MSD013A1A型伺服电机驱动器，MSMAO12A1C型交流伺服电机、2500P/r增量式编码器组成，接收NC-413的控制，构成半闭环控制系统。2.2.4θ轴（转台）电机控制系统选用美国Parker公司DM1004B型转台交流伺服电机。驱动器选用美国Parker公司的DrvMⅡ型，这是一种将运动控制器与伺服放大器合为一体、以微处理器为核心的伺服电机驱动器。作为PLC主机的外设通过RS232C串行口与主机通信。由于串行通信的数据传送协议随着厂商和设备变化而变化，即使电气标准相同，但由于协议不同，使得各厂商之间设备互相通信很困难。OMRON的“协议宠”功能解决了这一问题，“协议宠”能让你同任何使用RS-232C、RS-422或R5458端口通信设备之间进行通信，而不必编写任何特别通信程序。2.2.5供电系统供电系统的设计直接影响到系统可靠性。本系统中的FC10/400变频器，伺服电机驱动器等工作时能产生很大的电磁辐射干扰和传导干扰，电磁辐射干扰采用电磁屏蔽的方法来解决[5]，解决传导干扰的方法是使各系统相互隔离，尤其应该使ＰＬＣ系统与变频器系统相互隔离。因此，本设计使用隔离变压器的供电系统（如图3），PLC控制器和其它设备分别由各自的隔离变压器供电，并与主回路电源分开。另外，各系统之间的控制信号全部采用光电隔离技术，这样可以有效地拟制传导干扰。2.3系统软件设计2.3.1系统运动控制(1)晶片切割位置瞄准a)Z轴上升到最高位置；b)θ轴归零，Y轴移到原点位置，X轴载晶片移到CCD显微镜下方；c)Ｙ轴“微进”使对应于左物镜的晶片切割道移到视野中央；d)θ轴顺时针或逆时针“微进”旋转，把显微镜两边视野图案切割道对到一条直线；e)X轴左右移动，反复做上面a)---d)项调整，直到监视器上图案对准为止；f)Y轴后跳一格，后跳间隔应与单元晶片尺寸一致，做上面c)---e)项调整，直到监视器上图案对准为止；g)θ轴旋转90°，开始对垂直方向瞄准。(2)晶片切割a)Z轴上升到最高位置；b)Y轴载刀具前移到开始切割位置，X轴载晶片移到准备切割位置；c)Z轴下降到切割位置；d)X轴左移进行切割；e)切割完一行后，Z轴抬起，Y轴后退一步；f)X轴载晶片右移，准备切割第二行，如此周而复始,直到按设定间距切割完一面；4g)θ轴载转台旋转90°，开始垂直位置切割。2.3.2系统软件编制切片机总体控制软件设计的基本原则是采用模块化设计，基本程序实现功能化并具有较强的可修改性和安全可靠性。主要程序采用PLC梯形图语言，对θ轴运动控制部分可采用PLC梯形图语言与运动控制代码微命令进行混合编程。主要程序模块包括：系统初始化、管理、处理程序；主控制程序；运动控制程序；限位、状态处理程序；故障处理与检测程序；键盘输入程序；终端显示程序；高度基准设定程序。3检测结果采用测速表及HP5528A等检测仪器，对该切片机的最终性能进行了检验，结果如下：(1)主轴转速36000rpm；(2)X轴有效行程192mm，划片速度0-300mm/s；(3)Y轴有效行程162mm，最小位移分辨率1.8μm，步进精度3µm，全程累积误差3.5µm/160mm；(4)Z轴最大行程30mm，重复定位精度小于1µm；(5)θ转台：转角±100°度，转角最小分辨率5.3角秒；(6)采用反射式光学显微镜检测晶片切槽，得到沟槽宽度25-30μm（金刚石刀片厚度20μm）。晶片全部切透，晶片下保持膜未划透。4结论切片机是IC后封装第一道工序的关键工艺设备，为了保证晶片切割的完整性及产品的成品率，对设备精度及可靠性的要求较高。同时，切片运动涉及五轴联动的协调问题，对设备电控系统的要求也较高。从设计指标要求出发，本文提出了切片机电控系统总体设计方案，并详细介绍了每个分系统的器件选择及一些考虑。虽然文章思路是针对具体设备而言，但可以看出：对于类似的高速、高精度及高稳定度电控系统，本文是有很大参考价值的。参考文献：[1]王延风,何惠阳,孙宝玉等.全自动金丝球焊机的CAD/CAE设计研究[J].光学精密工程,2002,10（5）：466-470.[2]冯晓国.划片机双真空吸附功能的实现.液压与气动,2003,（7）：24-25.[3]黄伟,聂东,陈英俊等.直线电机在划片机中的应用.航空精密制造技术,2001,37（6）：8-10.[4]綦希林，曲非非.PLC的发展.微计算机信息,2002,(9):1-2.[5]刘昊明,刘正平.电磁屏蔽技术的分析研究.微计算机信息,2005,35：156-157，36.作者简介：宋佳丽（1975.3-），女，汉族，吉林长春人，硕士，长春税务学院计算机系讲师。现主要研究方向：计算机控制与网络安全。SONGJia-liwasborninChangchun,Jilin,China,in1975.ShereceivedaMSincomputerfromChangchunUniversityofTechnology.Now,asainstructor,sheisworkingatcom