IC封裝設(shè)備切片機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、IC封裝設(shè)備切片機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)宋佳麗(長(zhǎng)春稅務(wù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系 吉林 長(zhǎng)春 130117摘要:為了高速、高精度切割半導(dǎo)體晶片,切片機(jī)的電控系統(tǒng)要求具備高精度及高穩(wěn)定度。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)和可編程控制器(PLC的特點(diǎn),選用日本OMRON公司的CS1G型PLC構(gòu)成主控系統(tǒng),FC10/400型高速電機(jī)及其配套變頻器構(gòu)成高速主軸系統(tǒng),Y、Z軸則用PD-0535M型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成開環(huán)控制系統(tǒng),X軸采用交流伺服電機(jī)及增量式編碼器構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng),軸選用美國(guó)Parker公司DM1004B 型轉(zhuǎn)臺(tái)交流伺服電機(jī)及DrvM型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,供電系統(tǒng)采用隔離變壓器等方法來(lái)屏蔽電磁干擾。通過多模塊運(yùn)動(dòng)控制軟件協(xié)調(diào)

2、控制,該系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞:運(yùn)動(dòng)控制;可編程序控制器;集成電路封裝;切片機(jī)中圖分類號(hào):TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BControl system design of wafer incision device for IC encapsulationSONG Jia-li(Changchun College of Taxation, Changchun 130117, P. R. ChinaAbstract: To incise apace and precisely semiconductor wafer, control system of wafer incision ma

3、chine must be also high-accuracy and high-stability. Based on design demand and characteristic of programmable logic controller (PLC, a CS1G PLC of OMRON Corporation is selected for main system. A FC10/400 high speed motor and its frequency-converter is selected for high speed rotation system, a PD-

4、0535M stepper motor driver is selected for Y and Z axis, and a AC servo motor is half closed looped by an incremental encoder for X axis. For axis, a DM1004B AC servo motor and a DrvM driver of American Parker Corporation are selected, and the electromagnetic interference of current supply system is

5、 shielded by a separate voltage changer. The system kinetic control software is design by means of multiple modular programming. So the system attained design demand quite.Key words: Kinetic control; PLC; IC encapsulation; wafer incision device1引 言IC封裝是半導(dǎo)體三大產(chǎn)業(yè)之一,其后封裝工序主要包括:切片、粘片、金絲球焊、塑封、檢測(cè)及包裝1。切片IC后

6、封裝中的第一道工序,其加工質(zhì)量將直接影響整個(gè)生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量。作為半導(dǎo)體后封裝線上的第一道關(guān)鍵設(shè)備,切片機(jī)的作用是把制作好的晶片(矩形或棱形切割成獨(dú)立單元器件,為下一步單元晶片粘接作好準(zhǔn)備23。為了完成對(duì)36英寸的晶片的切割,切片機(jī)要高速、高精度完成一系列運(yùn)動(dòng)步驟,將整個(gè)晶片切割成許多的矩形或多邊形單元晶片。因此,切片機(jī)的電控系統(tǒng)必須是一套高精度、高穩(wěn)定度電控系統(tǒng)。2電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1總體結(jié)構(gòu)及功能要求切片機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,工件臺(tái)采用真空吸附方式固定晶片,與軸一體安放在X軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌臺(tái)上,X軸導(dǎo)軌帶動(dòng)工件臺(tái)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)劃片刀高速旋轉(zhuǎn)的氣浮主軸安放在Y導(dǎo)軌上,依單元晶片的尺寸大小隨同Y導(dǎo)軌

7、做進(jìn)給切割運(yùn)動(dòng)。Z軸座在Y軸導(dǎo)軌上,隨同Y軸運(yùn)動(dòng),Z軸以杠桿結(jié)構(gòu)方式帶動(dòng)高速主軸上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)劃片過程中的抬刀落刀功能,杠桿的一端為高速主軸,另一端為Z軸系統(tǒng)。根據(jù)晶片加工質(zhì)量要求,切片機(jī)必須實(shí)現(xiàn)下列主要指標(biāo)及功能:(1 主軸轉(zhuǎn)速:大于30000rpm;(2 Y 軸、Z 軸直線進(jìn)給位置精度:3m,位移分辨力:2m;(3 軸(轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度:180,旋轉(zhuǎn)分辨力:5.43秒;(4 X 軸直線進(jìn)給速度:0-300mm/sec;(5 最大行程:X 軸:263mm,Y 軸:162mm ,Z 軸:30mm;(6 高度基準(zhǔn)設(shè)定;(7 對(duì)刀線及切割紋路瞄準(zhǔn);(8 資料輸入,數(shù)據(jù)及狀態(tài)顯示;(9 全自動(dòng)及半自動(dòng)切割

8、方式。 2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)切片機(jī)電控系統(tǒng)主要由PLC 可編程序控制系統(tǒng)、高速主軸旋轉(zhuǎn)及X,Y,Z, 軸控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等部分組成,其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖3 切片機(jī)供電系統(tǒng)原理圖 2.2.1 PLC(可編程控制器選擇PLC靈活通用、安全可靠、環(huán)境適應(yīng)性好,使用方便,維護(hù)簡(jiǎn)單,將成為今后工業(yè)自動(dòng)化的主要手段4。本系統(tǒng)中選用的CS1G型PLC是日本OMRON(立石公司的SYSMAC系列中的一種機(jī)型,為組合式結(jié)構(gòu),由基板及模塊組成,有四種基板,80余種模塊可供選擇?？筛鶕?jù)需要構(gòu)成不同的系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由以下單元組成:PLC控制器, PLC底板,PLC電源,DC輸入單元,晶體管輸出單元,繼電器輸出單

9、元,可編程終端,串行通信板,位置控制單元。2.2.2高速主軸旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由FC10/400型高速電機(jī)及其配套變頻器,測(cè)速表,溫控儀等組成。單相2 20V電壓經(jīng)過FN2070電源濾波器濾波后送入變頻器輸入端,經(jīng)變頻器調(diào)制成三相PWM調(diào)制頻率為20KHZ的信號(hào),驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。用外接10K電位器調(diào)整變頻器模擬輸入電壓使轉(zhuǎn)數(shù)固定在30000rpm。高速電機(jī)中安裝有霍耳元件傳感器,使其連接到測(cè)速表組成測(cè)速單元。在電機(jī)外壁安裝一個(gè)熱電阻連接到溫控儀,組成溫控單元。2.2.3 X、Y、Z軸控制系統(tǒng)Y、Z軸電控系統(tǒng)主要由PD-0535M步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,24V開關(guān)電源,Y、Z軸步進(jìn)電機(jī)組成。它們接收P

10、LC位控單元NC-413的控制構(gòu)成開環(huán)控制系統(tǒng)。X軸電控系統(tǒng)由MSD013A1A 型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,MSMAO12A1C型交流伺服電機(jī)、2500P/r增量式編碼器組成,接收NC-413的控制,構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。2.2.4 軸(轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)控制系統(tǒng)選用美國(guó)Parker公司DM1004B型轉(zhuǎn)臺(tái)交流伺服電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器選用美國(guó)Parker公司的DrvM型,這是一種將運(yùn)動(dòng)控制器與伺服放大器合為一體、以微處理器為核心的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。作為PLC主機(jī)的外設(shè)通過RS232C串行口與主機(jī)通信。由于串行通信的數(shù)據(jù)傳送協(xié)議隨著廠商和設(shè)備變化而變化,即使電氣標(biāo)準(zhǔn)相同,但由于協(xié)議不同,使得各廠商之間設(shè)備互相通信很困難。OM

11、RON的“協(xié)議寵”功能解決了這一問題,“協(xié)議寵”能讓你同任何使用RS-232C、RS-422或R5458端口通信設(shè)備之間進(jìn)行通信,而不必編寫任何特別通信程序。2.2.5 供電系統(tǒng)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)可靠性。本系統(tǒng)中的FC10/400變頻器,伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等工作時(shí)能產(chǎn)生很大的電磁輻射干擾和傳導(dǎo)干擾,電磁輻射干擾采用電磁屏蔽的方法來(lái)解決5,解決傳導(dǎo)干擾的方法是使各系統(tǒng)相互隔離,尤其應(yīng)該使PLC系統(tǒng)與變頻器系統(tǒng)相互隔離。因此,本設(shè)計(jì)使用隔離變壓器的供電系統(tǒng)(如圖3,PLC控制器和其它設(shè)備分別由各自的隔離變壓器供電,并與主回路電源分開。另外,各系統(tǒng)之間的控制信號(hào)全部采用光電隔離技術(shù),這樣可以有

12、效地?cái)M制傳導(dǎo)干擾。2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.3.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制(1晶片切割位置瞄準(zhǔn)aZ軸上升到最高位置;b軸歸零,Y軸移到原點(diǎn)位置,X軸載晶片移到CCD顯微鏡下方;cY軸“微進(jìn)”使對(duì)應(yīng)于左物鏡的晶片切割道移到視野中央;d軸順時(shí)針或逆時(shí)針“微進(jìn)”旋轉(zhuǎn),把顯微鏡兩邊視野圖案切割道對(duì)到一條直線;eX軸左右移動(dòng),反復(fù)做上面a-d項(xiàng)調(diào)整,直到監(jiān)視器上圖案對(duì)準(zhǔn)為止;fY軸后跳一格,后跳間隔應(yīng)與單元晶片尺寸一致,做上面c-e項(xiàng)調(diào)整,直到監(jiān)視器上圖案對(duì)準(zhǔn)為止;g軸旋轉(zhuǎn)90,開始對(duì)垂直方向瞄準(zhǔn)。(2晶片切割aZ軸上升到最高位置;bY軸載刀具前移到開始切割位置,X軸載晶片移到準(zhǔn)備切割位置;cZ軸下降到切割位置;dX軸

13、左移進(jìn)行切割;e切割完一行后,Z軸抬起,Y軸后退一步;fX軸載晶片右移,準(zhǔn)備切割第二行,如此周而復(fù)始, 直到按設(shè)定間距切割完一面;g軸載轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)90,開始垂直位置切割。2.3.2系統(tǒng)軟件編制切片機(jī)總體控制軟件設(shè)計(jì)的基本原則是采用模塊化設(shè)計(jì),基本程序?qū)崿F(xiàn)功能化并具有較強(qiáng)的可修改性和安全可靠性。主要程序采用PLC梯形圖語(yǔ)言,對(duì)軸運(yùn)動(dòng)控制部分可采用PLC梯形圖語(yǔ)言與運(yùn)動(dòng)控制代碼微命令進(jìn)行混合編程。主要程序模塊包括:系統(tǒng)初始化、管理、處理程序;主控制程序;運(yùn)動(dòng)控制程序;限位、狀態(tài)處理程序;故障處理與檢測(cè)程序;鍵盤輸入程序;終端顯示程序;高度基準(zhǔn)設(shè)定程序。3檢測(cè)結(jié)果采用測(cè)速表及HP5528A等檢測(cè)儀器,

14、對(duì)該切片機(jī)的最終性能進(jìn)行了檢驗(yàn),結(jié)果如下:(1主軸轉(zhuǎn)速36000rpm;(2X軸有效行程192mm,劃片速度0-300mm/s;(3Y軸有效行程162mm,最小位移分辨率1.8m,步進(jìn)精度3m,全程累積誤差3.5m/160mm;(4Z軸最大行程30mm,重復(fù)定位精度小于1m;(5轉(zhuǎn)臺(tái):轉(zhuǎn)角100度,轉(zhuǎn)角最小分辨率5.3角秒;(6采用反射式光學(xué)顯微鏡檢測(cè)晶片切槽,得到溝槽寬度25-30m(金剛石刀片厚度20m。晶片全部切透,晶片下保持膜未劃透。4 結(jié) 論切片機(jī)是IC后封裝第一道工序的關(guān)鍵工藝設(shè)備,為了保證晶片切割的完整性及產(chǎn)品的成品率,對(duì)設(shè)備精度及可靠性的要求較高。同時(shí),切片運(yùn)動(dòng)涉及五軸聯(lián)動(dòng)的協(xié)

15、調(diào)問題,對(duì)設(shè)備電控系統(tǒng)的要求也較高。從設(shè)計(jì)指標(biāo)要求出發(fā),本文提出了切片機(jī)電控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案,并詳細(xì)介紹了每個(gè)分系統(tǒng)的器件選擇及一些考慮。雖然文章思路是針對(duì)具體設(shè)備而言,但可以看出:對(duì)于類似的高速、高精度及高穩(wěn)定度電控系統(tǒng),本文是有很大參考價(jià)值的。參考文獻(xiàn):1 王延風(fēng),何惠陽(yáng),孫寶玉等. 全自動(dòng)金絲球焊機(jī)的CAD/CAE設(shè)計(jì)研究J. 光學(xué)精密工程,2002,10(5:466-470.2 馮曉國(guó). 劃片機(jī)雙真空吸附功能的實(shí)現(xiàn). 液壓與氣動(dòng),2003,(7:24-25.3 黃偉,聶東,陳英俊等. 直線電機(jī)在劃片機(jī)中的應(yīng)用. 航空精密制造技術(shù),2001,37(6:8-10.4 綦希林,曲非非. PL

16、C的發(fā)展. 微計(jì)算機(jī)信息,2002,(9:1-2.5 劉昊明,劉正平. 電磁屏蔽技術(shù)的分析研究. 微計(jì)算機(jī)信息,2005,35:156-157,36.作者簡(jiǎn)介:宋佳麗(1975.3-,女,漢族,吉林長(zhǎng)春人,碩士,長(zhǎng)春稅務(wù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系講師。現(xiàn)主要研究方向:計(jì)算機(jī)控制與網(wǎng)絡(luò)安全。SONG Jia-li was born in Changchun, Jilin, China, in 1975. She received a MS in computer from Changchun University of Technology. Now, as a instructor, she is working at computer control and network at Changchun College of Taxation.作者聯(lián)系方式:郵編:130117通訊地址:長(zhǎng)春旅游經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū) 凈月大街3699號(hào)長(zhǎng)春稅務(wù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系E-mai