IC封装设备切片机电控系统设计

IC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：B

Control system design of wafer incision device for IC encapsulation

SONG Jia-li

(Changchun College of Taxation, Changchun 130117, P. R. China)

Abstract: To incise apace and precisely semiconductor wafer, control system of wafer incision machine 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-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 θaxis, a DM1004B AC servo motor and a DrvMⅡ driver of American Parker Corporation are selected, and the electromagnetic interference of current supply system is 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 device

1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：

(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。

图3 切片机供电系统原理图

2.2.1 PLC（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。

2.2.3 X、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。

2.2.4 θ 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；