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SSCNET 在半导体及光电产业设备的应用

[前言]


      一般讨论运动控制的文章都比较偏重于工具机的范畴,它牵涉到比较多的运动轨迹规划及控制理论,但由于近年来半导体产业及光电产业的蓬勃发展,生产设备的需求也日趋增加。 传统的生产设备大多归类在工厂自动化(FA)的范围,大多使用PLC控制器来控制生产的流程,然而这些应用多半不符合现今要求高产能且高复杂度的半导体设备及光电产业设备,因为轴数的增加以及控制方式日益复杂化,设备所要求的动作不再是简单的开关控制或是过程控制,通常用到数据库、网络连结以及影像检测系统,而且每次的动作都是根据外在变量来规划,又必须做精确的定位及高速的动作,这些复杂的功能还必须架构在多执行绪的程序中执行,以往的PLC 的控制器不够使用。 因此机器自动化(MA)领域也就日渐抬头。设备业中的软件工程师工作量日趋繁重,不再只是偏重于机构或是电控,而这些原本的PLC系统也渐渐被软硬件越来越成熟的PC based 所取代。本文将通过SSCNET系统来讨论几个半导体设备及光电设备业常用的功能,期望通过本文能对正在为两兆双星产业设备而努力的工程师们有所帮助。


SSCNET的控制架构


      SSCNET是一个专为运动控制所制定的网络通讯协议,它是由三菱电机名古屋制作所于90年代初期发展的新一代运动控制架构,最新的一代(SSCNET III)采用光纤系统,并配合更高性能的伺服驱动器(J3B)。光是一二代在市场上应用已超过两百万轴,所以是一个很成功的串行运动控制技术。它的原理并不复杂,要使用它必须分成四层来说明,如图一:以SSCNET的规格来说,每个T代表0.888ms,可以控制6轴。但市面上已有 ADLINK SSCNET motion card 可在0.888ms 控制 12 轴而且是在同一个时钟周期上,也就是说可以做12轴同动。

 

 

      1. 马达控制层 - 建构在三菱的B-type伺服驱动器中,保留原本三菱的伺服控制技术并外加了通讯接口,固定时钟接收伺服指令及传回伺服状态,并控制马达的位置、速度及扭力,可用Station ID switch 指定轴号,不受配线顺序影响。


      2. 网络通讯层 - 主要的技术是在同一条网络上的所有轴都依循一个固定的控制周期来运作,也就是控制上具有多轴等时性的特性。因此能达到运动控制上的多轴绝对同步,通信上则是以Master/Slave的架构来进行。Master IC一般都是在主控计算机端,Slave IC 则是内嵌于伺服驱动器。Master IC 负责在控制周期内将指令传送至各轴,并接收从各轴Slave IC传来的信息,其同步时钟为0.888ms。


      3. 运动控制层 - 必须有一个同步于SSCNET的运动控制系统,负责将这些指令放到SSCNET的Master IC 并且将各轴信息由Master IC 取回。这个控制系统在PC based上有两种作法:第一种是利用一颗微处理器接收Master IC 的控制周期中断,并于固定的时间内将该周期的运动命令计算出来并送给Master IC。当然同时间也必须读回Master IC上的信息,这颗微处理器是独立于PC之外,通常会设计在外围控制卡上,以凌华的 PCI-8372而言,是采用TI的浮点运算DSP。另外一种是利用PC上的CPU接收Master IC 的控制周期中断,同样的,必须于固定的时间内将该周期的运动命令计算出来并送给Master IC,以工研院机械所开发的SSCNET-N601而言,是采用VenturCom的RTX开发环境,前者的好处是稳定且方便机台设计者使用,后者的好处是机台设计者可以直接控制SSCNET,但必须考虑同步问题。


      4. 使用者接口层 - 这一层是纯软件,通常会与运动控制层紧密配合,由于最终的使用者(设备制造商)还是必须通过运动控制卡所附的接口函式或是图控组件来设计机台的生产程序,所以这一层对于商品化的SSCNET控制卡格外重要。业界大部分的设备软件开发者都希望有个友善的使用者接口,少部分的使用者则喜欢由运动控制层做起。半导体设备及光电产业的设备特性是少量多样,所以适用于前者,工具机及产业机械的特性是多量少样,适用于后者。由运动控制层做起的使用者多半具有学术理论背景,或本来就具有这样的技术,所以会希望由控制层作起,如此一来运动控制卡就只是一张适配卡。由使用者接口层做起的使用者多半握有设备生产方式的核心技术,只要利用厂商开发出之泛用或专用函式,就可以轻易的将设备的功能设计出来,他们所需要的只是产品的可靠性,并不需要知道太多的运动控制理论。如图一的使用者接口层,使用者的命令是不需要跟SSCNET的通讯周期同步,因此可以降低设备开发者的困扰。本文接下来要通过凌华科技(ADLINK) 所开发的 PCI-8372 SSCNET 12轴运动控制卡(如图二) 来介绍现今半导体业以及光电产业常用的功能。

 

 

半导体设备及光电产业设备常用的功能


1. load/unload system


      上下料装置是最常见的半导体设备功能,使用来取代人工上下加工件的动作,通常需要一个单轴运动指令来实现,若机台中有多处使用上下料功能,也可以同时呼叫单轴运动指令或是一个全轴同动指令来实现,设计者可以根据所要的位置及速度下命令,并等待到位讯号即可. 这部分要求的是稳定以及简便。


2. Pick & place system


      这是组件取放动作,可以是已封装完成的芯片或是封装前的晶粒,一般都是靠真空吸嘴以及一个两轴机构来完成,分为取-提高-平移-降低-放五个步骤,这过程中间也许会夹杂一些影像检测的动作,或是输入点检查动作,或是位置比较动作,利用 ADLINK SSCNET的功能可以让这五个步骤间的转折点更平滑,降低震动,增加稳定度,又因为是DSP在处理整个动作,所以更可以让中间插入的额外动作实时性更好,这部份讲求的是周期速度,一般来说越快越好。瓶颈点在于影像检测快慢跟运动之平顺度。


3. Die bonding system

 

 


      Die bonding 过程中需要一个多段式的连续速度profile,也是一个往返运动,中途包含了 bonding时间的调整,这过程中还必须根据影像检测结果来校正晶粒角度,以及其它 I/O点的配合等等,较低阶的机器无法作移动中的角度校正,往往需要在 bonding 之前停下来校正完毕后再bond,ADLINK SSCNET可以在移动中根据影像数据来校正角度,达到bonding连续性的效果,这部份讲求的是周期速度,当然也是越快越好,除了Motion动作的平顺性之外,厂商对bonding的know-how也是关键之一。如图三是一台Die Bond Machine,主要动作是把在右边晶圆上的晶粒取出,并放到左边的导线架上。若是Flip Chip Bonder 也是可以用连续速度profile方式实现。如下图四便是利用内建功能所实现的 bonding 速度图,并含有动态位置校正的部份,因坐标轴信息是机密所没有显示出。

 

 

4. Wire bonding system

 

 


      Wire bond 过程比die bond 复杂一些,,因为它的运动方式超过2轴,是一个三度空间运动,过程中也需要一个多段式的连续速度profile,最后一段通常会有一个压合跟拉断的动作,wire bond 出来的结果如图五所示。ADLINK SSCNET 可以在运动中切换到速度及扭力模式,以配合精密的wire bond动作,中途通常没有影像检测的校正,只需专注于wire bond之起点跟终点还有路径及速度即可,利用SSCNET奈米级的高精度 (马达一转131,072分辨率),可以轻易控制wire bond准确的动作。这部分所要求的motion control是速度,精度以及wire 形状要一致。


 

5. Laser repair for TFT-LCD system

 

 


      TFT-LCD 设备中的 Laser Repair 同样也是要求高精度的运动控制,每个需要修补的地方被规划为几个的直线片段,修补上需依赖雷射头的移动精度以及速度,利用ADLINK SSCNET的高精度定位以及控制命令同步功能,可以修补出精准的线段,如图六是一个修补机台使用 SSCNET 的测试结果。


6. IC Inspection by continuously on the fly camera trigger


      QFP,BGA等包装之IC生产出来大多放在 Tray上,要检查其外观通常需要一个影像系统配合运动控制系统来完成,ADLINK SSCNET 提供动态位置比较同时输出触发讯号给影像采集卡,如此可以做到动态影像检测,提高产能。这样的应用也可以用在 AOI系统。在影像扫描的过程中也可以动态调整与受测组件的距离。此应用重点在于高速同步触发以及实时位置上。


7. Common working area crash prevention by Interlock function


      常常会有双控制系统需要在同一区域工作,或者说会同时经过一个区域,此功能类似交通号志,可以避免在同一工作区域的两轴相互碰撞,以往可能要由设计者自行控制,结果往往是降低生产效能或是因为反应不及而导致碰撞。ADLINK SSCNET 提供单一指令设定这个共同工作区域的防撞机制,可以让后到的轴自动减速,直到区域净空才能通过。


8. TFT-LCD carrying by gantry mode


      若要搬动重物,比如说是大型LCD Panel,可以利用Gantry Mode功能来完成,此模式对ADLINK SSCNET来说相当容易,因为各轴可以同步控制而且给的是绝对位置指令,所以原理上只是将主轴的指令同时也送给另外一轴,这两轴的位置就会同步在每个周期之下。在实际使用上只要指定两轴为 Gantry Mode 关系并指定主轴即可。


[后记]


      SSCNET是新一代的运动控制技术,拥有传统运动控制所没有的优点,但设备开发者常受限于时间的压力以及自行设计的门坎过高而无缘体会其奥妙,相信这问题可以通过专业的运动控制卡厂商,通过适当的使用者接口层设计,让设备开发者体验到SSCNET的精华之处。


参考文献


      [1] 黄怡暾,“PC-Based SSCNET 运动控制系统与发展趋势”,机械工业杂志,pp. 247-253页,二零零三年九月


      [2] 郑中纬,杨信生,曾介亭,曾文鹏,“PC-Based 运动控制网络控制器之研究”,机械工业杂志,pp。173-185页,二零零五年二月
 

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