王兵鋒,于海波,王宏智,孫 彬,季 崢
(北京中電科電子裝備有限公司,北京101601)
傳統(tǒng)劃片機(jī)的劃切工藝注重切割冷卻水、氣壓、刀具選擇等,通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)還對(duì)上述三項(xiàng)建立了數(shù)據(jù)庫(kù),而電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)劃切工藝的影響往往被忽視;本文以劃片機(jī)各軸向電機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能為切入點(diǎn),從運(yùn)動(dòng)控制的角度論述了電機(jī)運(yùn)動(dòng)性能對(duì)劃切工藝的影響;在前人對(duì)劃切工藝研究的基礎(chǔ)上,突破傳統(tǒng)的劃切工藝范疇,特別針對(duì)Y 軸向步進(jìn)偏差、Z 軸向測(cè)高不穩(wěn)定以及測(cè)高打刀問(wèn)題提出了新的解決方案,并在整機(jī)設(shè)備上做了驗(yàn)證考核,結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的方案正確、可靠。
砂輪劃片機(jī)是以強(qiáng)力磨削為劃切原理,空氣主軸為執(zhí)行元件,以每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速劃切晶圓的劃切區(qū)域,同時(shí)承載著晶圓的工作臺(tái)以一定的速度沿刀片與晶圓接觸點(diǎn)的劃切線方向呈直線運(yùn)動(dòng),將晶圓上的每一個(gè)獨(dú)立的電氣芯片分離開(kāi)來(lái)[1]。在工作的時(shí)候除了空氣主軸在做高速旋轉(zhuǎn)之外,還有四個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng),分別是X 向(左右方向),Y 向(前后方向),Z 向(上下方向),T(工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向),如圖1 所示。
圖1 劃片機(jī)各軸向架構(gòu)
設(shè)備劃切的具體過(guò)程是:每一刀切割完成后,Z 向電機(jī)上升抬刀,X 向電機(jī)歸位,Y 向電機(jī)往前走一個(gè)步進(jìn),Z 向電機(jī)再下降落刀,X 向電機(jī)再給進(jìn),開(kāi)始新的一刀切割。第一通道切割完成后,T軸向電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度進(jìn)行下一通道的切割,如圖2 所示。
圖2 劃切示意圖
X 軸向又叫第一軸向,X 軸向電機(jī)是一個(gè)伺服電機(jī),高速時(shí)的運(yùn)行速度可達(dá)600 mm/s,低速時(shí)可放慢至0.1 mm/s,通過(guò)上位機(jī)界面可以設(shè)定電機(jī)的速度。高速的時(shí)候不能因慣性撞出行程,在劃切材料比較硬、比較厚的時(shí)候,要求X 向電機(jī)的給進(jìn)速度要低,對(duì)X 向電機(jī)要求運(yùn)行速度要平穩(wěn),在X 向低速劃切的過(guò)程中,劃切完的芯片有時(shí)會(huì)出現(xiàn)崩邊或者是有裂紋,為了消除這種現(xiàn)象,必須在刀具、主軸轉(zhuǎn)速、冷卻水流量等劃切工藝方面做大量的研究和實(shí)驗(yàn),但是X 向電機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能還是一個(gè)容易被忽略的因素,如果X 向電機(jī)在低速時(shí)出現(xiàn)了“爬行”,即伺服電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)速度一直在抖動(dòng),用示波器可觀測(cè)到抖動(dòng)情況,如圖3、圖5 所示,電機(jī)出現(xiàn)抖動(dòng)的情況不是由運(yùn)動(dòng)控制卡造成,往往是由于伺服系統(tǒng)的參數(shù)不合適造成。因此對(duì)伺服電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定調(diào)試,整定調(diào)試前、后的示意圖和效果對(duì)比圖如圖4、圖6所示。
圖3 低速爬行示意圖(綠色為命令速度,白色為實(shí)際速度,紫色為速度誤差)
圖4 低速爬行的劃切效果(崩邊較大)
圖4 與圖6 是在同樣條件下對(duì)同樣的切割材料進(jìn)行切割后的效果圖,通過(guò)圖4 與圖6 的比較可以看出:在電機(jī)抖動(dòng)的情況下劃切后的毛刺現(xiàn)象很嚴(yán)重,電機(jī)參數(shù)優(yōu)化后的切割效果很理想,崩邊較小,毛刺較少。
圖5 較理想的示意圖 (綠色為命令速度,白色為實(shí)際速度,紫色為速度誤差)
圖6 較理想的劃切效果(崩邊較小)
對(duì)于連續(xù)的PID 算法有:
其中:Kp為比例增益,TI為積分時(shí)間常數(shù),TD為微分時(shí)間常數(shù),e (t) 為PID 調(diào)節(jié)的輸入偏差,u(t)為PID 調(diào)節(jié)的輸出。對(duì)公式(1)離散化得到:
為了直觀,公式(2)可以化簡(jiǎn)為:
其中:KI為積分增益為微分增益,。
根據(jù)PID 算法原理可知三種增益對(duì)系統(tǒng)性能的影響:如果增大比例增益Kp,則系統(tǒng)動(dòng)作靈敏,響應(yīng)速度快,穩(wěn)態(tài)誤差變小,但是震蕩次數(shù)增多,調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng),大到一定程度系統(tǒng)會(huì)變的不穩(wěn)定,若此增益太小則系統(tǒng)響應(yīng)速度又會(huì)變慢;積分增益KI增大會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,變小則能降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差;微分增益KD能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,此增益變大則超調(diào)量會(huì)變大、調(diào)節(jié)時(shí)間短,變小則超調(diào)量小,調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)[2]。劃片機(jī)的Y 軸對(duì)實(shí)時(shí)性有一定的要求,所以,這里的PID 調(diào)節(jié)顯得很重要。
在大多數(shù)工程應(yīng)用中,PID 原理容易被理解,但是具體進(jìn)行調(diào)試的時(shí)候很是麻煩,需不斷的反復(fù)嘗試。因?yàn)樵O(shè)備是手工裝配,有些部件往往是靠裝配工人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成,每一臺(tái)設(shè)備在裝配的過(guò)程中都有不可控的機(jī)械裝配特性和強(qiáng)度,對(duì)于同一個(gè)電機(jī),裝在不同的設(shè)備上,其PID 參數(shù)也并非完全一樣。由于這個(gè)方向的電機(jī)是一個(gè)步進(jìn)電機(jī),在調(diào)試所需位置的跟隨誤差時(shí),所用的絲杠的導(dǎo)程是5 mm,電機(jī)的分辨率為5 000 脈沖/ 轉(zhuǎn),所以在進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)時(shí),導(dǎo)程與分辨率之間有如下關(guān)系:
即控制系統(tǒng)每發(fā)1 個(gè)脈沖,對(duì)應(yīng)的機(jī)械裝置的位移量為1 μm。
3、有關(guān)宏觀決策,廢水、廢氣、固體廢物、噪聲、區(qū)域生態(tài)、土壤環(huán)境等污染控制技術(shù)、清潔生產(chǎn)技術(shù)和工藝、環(huán)境監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)、環(huán)境經(jīng)濟(jì)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、環(huán)境管理等的最新研究成果的論文;
Y 向電機(jī)的調(diào)試完成后的跟隨誤差不能太大,要求小于3 μm,即PID 曲線的到位精度控制在3 個(gè)脈沖之內(nèi)。否則會(huì)影響電機(jī)走步進(jìn)的精度,導(dǎo)致劃切的刀痕與實(shí)際位置偏差過(guò)大,而且在實(shí)際工作中,Y 向電機(jī)不斷在走分度,最后的偏差是每一步的累加量。
圖7 是較為理想的PID 調(diào)試結(jié)果,圖8 是其對(duì)應(yīng)的劃切效果;
圖9 是不太理想的PID 調(diào)試結(jié)果,圖10 是其對(duì)應(yīng)的劃切效果。
對(duì)比圖8 和圖10 可以發(fā)現(xiàn):圖8的切割刀痕基本在切割刀的中間,而圖10 的切割刀痕明顯偏離了切割道。
圖7 Y 向電機(jī)正常PID 曲線
圖8 Y 向步進(jìn)電機(jī)正常的劃切效果
圖9 Y 向電機(jī)PID 曲線誤差較大
圖10 Y 向步進(jìn)電機(jī)誤差太大的劃切效果
在切割的過(guò)程中,Z 向電機(jī)帶動(dòng)空氣主軸進(jìn)行抬刀和落刀,在劃切之前要進(jìn)行測(cè)高,測(cè)高就是讓系統(tǒng)記錄工作臺(tái)的高度,并以這個(gè)高度為基準(zhǔn)制定切割深度和刀具補(bǔ)償?shù)牧慷龋?/p>
測(cè)高原理圖如圖11 所示,是一個(gè)由555 和輔助器件組成的觸發(fā)電路,當(dāng)測(cè)高時(shí)的刀體接觸到工作臺(tái)之后,觸發(fā)電路發(fā)出測(cè)高信號(hào),該信號(hào)被送到運(yùn)動(dòng)控制卡中,運(yùn)動(dòng)控制卡收到測(cè)高信號(hào)后,立即使Z 電機(jī)上升抬刀,控制系統(tǒng)記錄承片臺(tái)的水平高度,測(cè)高結(jié)束。在測(cè)高的過(guò)程中,有兩個(gè)變量比較重要,一是刀體與工作臺(tái)的接觸時(shí)間t,二是555 觸發(fā)器的觸發(fā)電平Ui。
圖11 測(cè)高單元電路原理圖
接觸時(shí)間t,時(shí)間t 不能太長(zhǎng),如果在測(cè)高的過(guò)程中旋轉(zhuǎn)的刀體已經(jīng)接觸到工作臺(tái),但是Z 向電機(jī)由于慣性并沒(méi)有及時(shí)抬刀,而此時(shí)空氣主軸一直在高速旋轉(zhuǎn),會(huì)使刀具的磨損較多,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)打刀,如圖12 所示。
根據(jù)555 電路的特性,t 的大小和圖中電阻R3、電容C4的大小有關(guān):
結(jié)合硬件電路的技術(shù)參數(shù)和實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn),設(shè)置R3和C4的大小,使t 的大小在幾十毫秒為最佳。
為了避免出現(xiàn)測(cè)高打刀的現(xiàn)象,同時(shí)也為了提高測(cè)高可靠性,在測(cè)高過(guò)程中我們?cè)O(shè)置了一個(gè)“低速點(diǎn)”,所謂的低速點(diǎn),就是在Z 向電機(jī)落刀的過(guò)程中,剛開(kāi)始會(huì)以相對(duì)較高的速度下落,當(dāng)主軸上的刀體快要接觸到工作臺(tái)的時(shí)候,Z 向電機(jī)下落的速度會(huì)降低,Z 向電機(jī)由高速下落變?yōu)榈退傧侣淠且稽c(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)就叫做低速點(diǎn)。這樣就會(huì)減輕刀具損耗或者避免打破刀具。
圖12 測(cè)高打刀示意圖
555 電路的輸入電平Ui,根據(jù)555 電路的原理,電平Ui的高低決定了555 電路的觸發(fā)與關(guān)閉。如圖13 所示,不測(cè)高時(shí),Ui為高電平,555 電路不觸發(fā),測(cè)高時(shí)需要Ui為低電平來(lái)觸發(fā)555 電路。但是在劃切的時(shí)候有兩種情況:(1)刀片的電阻是不固定的,有的刀片導(dǎo)電性非常好,阻值幾乎為零,而有的阻值可達(dá)幾萬(wàn)歐,阻值很大的刀片接觸到工作臺(tái)的時(shí)候并不能使Ui變?yōu)榈碗娖?,這種情況下空氣主軸一直下降,不僅會(huì)發(fā)生打刀現(xiàn)象,還會(huì)發(fā)生砸傷工作臺(tái)的極端情況;(2)測(cè)高時(shí)工作臺(tái)表面上有水氣,在遇到阻值很小的刀片時(shí),可能刀具接觸到水氣就與工作臺(tái)導(dǎo)通,而非真正接觸到工作臺(tái),這樣會(huì)造成誤測(cè)高。
針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題,本文采取如圖13 所示的方案。
電阻R1的阻值設(shè)置的足夠大,達(dá)到幾百千歐,R2采用可變電阻,量程在零致幾十千歐。當(dāng)遇到阻值較大的刀片時(shí),可降低R2的阻值,保證測(cè)高時(shí)Ui為低電平觸發(fā),不會(huì)出現(xiàn)打刀和砸傷工作臺(tái)的情況;當(dāng)遇到阻值很小的刀片的時(shí)候,增加R2的阻值,保證測(cè)高時(shí)不會(huì)因?yàn)楣ぷ髋_(tái)上水汽的存在而產(chǎn)生誤測(cè)高。
圖13 觸發(fā)電平示意圖
砂輪劃片機(jī)在國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域占有重要的地位,本文以150 mm 砂輪劃片機(jī)為研究對(duì)象,介紹了砂輪劃片機(jī)各軸向的運(yùn)動(dòng)特性,并且針對(duì)在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中遇到的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析和解決,經(jīng)過(guò)最后的整機(jī)考核,驗(yàn)證了劃片機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能更好,穩(wěn)定性更高,工藝適應(yīng)性更強(qiáng),設(shè)備的可靠性是設(shè)計(jì)過(guò)程中極其重要的一條原則[4]。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的不斷發(fā)展,砂輪劃片機(jī)設(shè)備將會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。
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