基于ACS運動控制的LED晶片分選系統(tǒng)設計

(中國石油大學(華東) 海洋與空間信息學院，山東 青島 266580)

0 引言

隨著半導體技術的飛速發(fā)展，全球的LED行業(yè)已經(jīng)進入一個新時代，LED以其省電、壽命長、響應速度快等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于信號燈、顯示屏、舞臺燈等領域。隨著LED市場的迅速發(fā)展，LED檢測和分選設備的需求量越來越大，對設備分選速度和精度的要求也越來越高[1]。國際方面，臺灣威控自動化、荷蘭ASM等公司在LED分選機技術研發(fā)上比較先進，但是公司已經(jīng)將設備模塊化，在軟硬件方面有嚴格的保密制度，使得技術很難被復制[2]。國內(nèi)方面，廣東志成華科光電有限公司、常州譜微光電有限公司等也正在研發(fā)分選機設備[3]，但是在速度和精度方面和國外先進設備還是有一定差距。因此目前國內(nèi)使用的LED分選機全部依賴進口。

LED分選設備的核心技術主要包括機器視覺技術和運動控制技術。目前國際上運動控制系統(tǒng)種類繁多，應用于高精度控制的主要有美國的PMAC、英國的Trio、以色列的ACS等，價格都比較昂貴[4]。國內(nèi)研發(fā)的LED分選設備大多采用IPC+PMAC運動控制卡的運動控制方案，其中工控機作為上位機，PMAC運動控制卡作為下位機，二者通過PCI總線通訊，在PEWIN32軟件中設置電機的相關參數(shù)[5]。近年來ACS運動控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，基于ACS控制器的雙驅(qū)龍門平臺定位精度可達1微米，強大的ServoBoost算法極大地提高了定位精度并縮短了定位時間。此外，運動控制卡SPiiPlus SC可以嵌入在Windows操作系統(tǒng)的一個內(nèi)核中[6]，無需復雜的硬件連線。因此ACS運動控制方案已經(jīng)被廣泛應用于如晶圓切割、晶片檢測等半導體行業(yè)[7]。

在現(xiàn)有硬件條件下，分選動作時序的配合對分選的速度有重要作用。分選動作主要包括工作臺定位，機械臂旋轉(zhuǎn)和晶片拾取三步，前兩步的速度和精度主要由電機性能決定，晶片拾取方案對分選的周期和準確度有重要作用。晶片拾取(又叫晶片剝離)過程主要依靠頂針上頂和吸嘴真空吸附協(xié)同完成，根據(jù)頂針和吸嘴的動作邏輯不同，又分為接觸式和非接觸式剝離[8]。非接觸式剝離對真空轉(zhuǎn)換裝置以及對拾取時電機的位置參數(shù)要求較高，用戶校準參數(shù)時難度較大，并且容易造成分選晶片歪斜。本文設計了頂起和真空剝離相結(jié)合的接觸式剝離方案。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

LED分選機主要包括視覺系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)兩部分，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用IPC+ACS的運動控制方案，IPC工控機一路連接視覺系統(tǒng)(CCD相機和圖像采集卡)，另一路連接運動控制系統(tǒng)(運動控制卡和電機驅(qū)動器)。運動控制卡SPiiPlus SC嵌入在多核CPU的一個內(nèi)核中，通過共享TCP/IP以及虛擬內(nèi)存的方式和主機通訊。主機通過Ethernet網(wǎng)口級聯(lián)包含多個電機驅(qū)動器的EtherCAT串行運動網(wǎng)絡。整個系統(tǒng)有6個驅(qū)動器以及15個電機，其中直線電機、音圈電機和直驅(qū)電機精度較高，用于分選過程；步進電機、直流電機和伺服電機精度較低，用于裝卸載盤片。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2 實驗平臺介紹

ZKMY-P10型號的LED分選機分選平臺的模型圖如圖2所示。實驗平臺包含兩路CCD相機和8個電機，其中兩個CCD相機分別位于Wafer臺和Bin臺正上方，負責待分選晶片的掃描和定位以及擺放晶片位置的檢測[9]；Wafer臺和Bin臺(4個直線電機)、擺臂(直驅(qū)電機)以及吸嘴和推頂器(3個音圈電機)負責晶片分選。其中CCD相機幀頻為120幀/s， SPiiPlus運動控制卡的伺服周期為500 μs，直線電機和音圈電機的光柵數(shù)字編碼器精度為2 μm，直驅(qū)電機的Sin-Cos模擬量編碼器精度為萬分之一度，硬件實驗平臺的保證了晶片分選的速度和精度。

圖2 ZKMY-P10分選機分選平臺

3 LED晶片分選方案設計

3.1 晶片分選流程

生產(chǎn)不同特性參數(shù)和不同功率的晶片，切割晶片的尺寸也會有所不同[10]，LED 晶片的尺寸范圍大約為 6 mil*7 mil到160 mil*160 mil。通常一片硅圓片上包含多個等級的LED晶片，數(shù)量多達幾千至數(shù)萬個LED晶片。分選機分選晶片的實質(zhì)是將晶片供給區(qū)(稱為Wafer區(qū)域)中相同等級的晶片按照一定順序分選至晶片擺放區(qū)[11](稱為Bin區(qū)域)，如圖3所示。

圖3 晶片分選示意圖

LED晶片分選過程主要包括工作臺定位、擺臂電機旋轉(zhuǎn)、晶片拾取和擺放三部分，分選流程主要包括四步，如圖4所示。

1)擺臂旋轉(zhuǎn)到分揀位置并且吸嘴下落，吸嘴1分揀，吸嘴2 擺放；

2)吸嘴抬起，吸嘴1吸附晶片，吸嘴2空，工作臺移動；

3)擺臂旋轉(zhuǎn)到擺放位置并且吸嘴下落，吸嘴2分揀，吸嘴1擺放；

4)吸嘴抬起，吸嘴2吸附晶片，吸嘴1空，工作臺移動。

3.2 晶片拾取方案設計

分選過程吸嘴和頂針的位置以及拾取動作如圖5所示。頂針的初始高度位于晶片正下方約1.5 mm；緊貼晶片下表面頂起晶片的位置是預備高度；使晶片脫離藍膜的位置是刺破高度。擺臂移動過程中吸嘴所在的位置是吸嘴的初始位置，距離晶片約2～3 mm；吸嘴壓緊晶片的位置是分揀位置，初始位置下方約1 mm是吸嘴的預備位置。

圖4 晶片分選流程

圖5 晶片拾取動作

晶片拾取過程主要分為4個步驟:

1)吸嘴和頂針到達初始位；

2)吸嘴下降至分揀位置，頂針上升到預備高度，吸嘴和頂針夾緊晶片；

3)吸嘴頂針同時上升(頂針刺破藍膜)；

4)吸嘴上升，頂針下降。

根據(jù)3.1小節(jié)分選流程可知，晶片分選是在頂針和吸嘴的協(xié)同作用下完成的，吸嘴、頂針夾緊晶片同時上升使晶片脫離藍膜是拾取成功關鍵。系統(tǒng)設定頂針的加速度大于吸嘴，這樣能保證二者同時上升拾取晶片時吸嘴和晶片不發(fā)生滑落和位移[12]，進而能準確拾取。

將拾取過程利用ACSPL+語言編寫電機動作邏輯，并調(diào)試好電機的性能，觀察吸嘴和頂針的反饋速度和位置曲線，如圖6所示。圖(a)中實線和虛線曲線分別代表吸嘴(BondHead)和頂針(Ejector)的反饋位置，圖(b)中實線和虛線曲線分別代表吸嘴和頂針的反饋速度，兩圖中A-E階段分別對應不同的運動過程：A-B段吸嘴運動到分揀位置，頂針運動到預備高度，吸嘴和頂針夾緊晶片；B-C段二者到位，誤差整定；C-D段二者同時上升，頂針到刺破高度；D-E段頂針下落吸嘴上升；E-F段吸嘴吸附晶片，吸嘴和頂針分別運動到初始位置。

3.3 晶片分選周期分析

LED晶片分選機的分選周期主要是由直線電機、擺臂電機、音圈電機的定位時間以及真空氣壓轉(zhuǎn)換時間四部分決定。其中真空氣壓轉(zhuǎn)換時間是由真空氣壓轉(zhuǎn)換裝置的性能決定的，電機高頻運動的定位精度和定位時間[13]是由運動控制系統(tǒng)的性能和分選方案決定的。電機的定位時間包括運動時間和整定時間[14]兩部分。本系統(tǒng)設計的分選過程8個電機聯(lián)動的運動邏輯時序圖如圖7所示，從上到下分別為定位工作臺(WorkTable)、擺臂電機(Arm)、吸嘴2(BH2)、吸嘴1(BH1)、頂針(Ejector)。

圖6 吸嘴頂針的速度和位置環(huán)

設單片分選的周期為TTotal，電機高頻運動時間為TMove，分許輔助時間包括氣路轉(zhuǎn)換以及其他動作時間為TOther，三者滿足公式(1)：

TTotal=TMove+TOther

(1)

圖7 電機運動時序圖

(2)

(3)

(4)

由于兩個工作臺可以同時運動，所以TWs和TBs之中的最大值即為高頻運動系統(tǒng)工作臺部分的運行時間，設為TTable_Move，則滿足公式(5)。 設3個音圈電機的動作時間為TVc，頂針上升和下降的定位時間分別為TEjUp和TEjDown，吸嘴上升和下降的定位時間為TBHUp和TBHDown。由于頂針上升和吸嘴下降同時進行，頂針下落和吸嘴上升同時進行，音圈電機動作時間TVc滿足公式(6), 所以整個運動系統(tǒng)的運動時間滿足公式(7)。

TTable_Move=max(TWs,TBs)

(5)

TVc=max(TEjUp,TBHDown)+max(TEjDown,TBHUp)

(6)

TMove=max(TBs,TWs,TAs)

(7)

綜上分分析，LED晶片分選機分選晶片的周期主要由電機的定位時間決定。

4 電機性能調(diào)試

分選過程涉及到3種類型8個電機，本節(jié)以擺臂電機為例，給出電機性能的調(diào)試過程，主要包括電機的3環(huán)(電流環(huán)、位置環(huán)、速度環(huán))控制以及開環(huán)FRF頻域穩(wěn)定性驗證，結(jié)果如下。

1)電流環(huán)：

根據(jù)控制系統(tǒng)的3環(huán)控制原理，電流環(huán)的響應速度是最快的，因此首先調(diào)整電流環(huán)。電流環(huán)能保證電機以較快的速度響應參考速度，又不至于產(chǎn)生過流現(xiàn)象對設備造成損壞[15]。調(diào)節(jié)電流環(huán)積分增益(SLIKI)和電流環(huán)比例增益(SLIKP)使得實際電流響應曲線無限逼近于參考曲線，調(diào)試結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，實際響應曲線未超調(diào)且逼近于參考曲線。

圖8 擺臂電機的電流環(huán)

2)速度環(huán)和位置環(huán)：

速度環(huán)和位置環(huán)是電機速度控制和定位誤差準確性的重要體現(xiàn)。設定好電機運動模型參數(shù)，在Scope圖中追蹤PE(Position Error，位置誤差)、Feedback Velocity(反饋速度)、Feedback Position(反饋位置)和MST(電機到位)4個變量。不斷調(diào)節(jié)SLPKP(位置增益)、 SLVKP(速度增益)、SLVKI(積分增益)、SLSOF(低通濾波器)、SLAFF(加速度前饋)使反饋速度不出現(xiàn)很大震蕩，穩(wěn)態(tài)位置誤差不超過設置的允許誤差。

最終調(diào)試的電機的反饋位置-誤差曲線如圖9所示。從圖9(a)中得出，反饋位置H-F段電機運動時間為71 ms，而MST曲線顯示D-E段的實際定位時間為84 ms，二者的差值13 ms為整定時間。反饋位置曲線G-H段電機停留時間為125 ms，而實際檢測到的到位停留時間C-D為段85 ms，這說明電機在加速運動以及減速停止時有較大的誤差。

圖9 擺臂電機的速度環(huán)和位置環(huán)

電機的反饋速度-位置誤差曲線如圖9(b)所示，從圖中可以看出電機的運動模型為三角形模型，反饋速度曲線較為平滑且沒有很明顯的震蕩，速度最大值F點5 450 deg/s。MST曲線上B-C段和D-E段定位時間均為85 ms左右。C-D段電機定位完成，有穩(wěn)態(tài)誤差，C-D段電機定位完成后的誤差曲線局部放大如圖9(c)所示，K點穩(wěn)態(tài)誤差最大為27角秒(1°=3 600角秒)，并在10 ms后誤差趨于穩(wěn)定并維持在10角秒以內(nèi)。

3)FRF頻域穩(wěn)定性驗證：

系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖如圖10所示，上圖是幅頻特性曲線，下圖是相頻特性曲線。從圖中可得，在0 dB穿越點(A點)的相位裕度為32.1°，在-180°穿越點(B點)的幅值裕度15.6 dB。在截止頻率為98.7 Hz時，相位裕度大于30°。從相位圖中可以看出在0～30 Hz的低頻段內(nèi)擺臂電機有較高的增益，因此擺臂電機的參數(shù)滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖10 擺臂電機的FRF頻域Bode圖

以上以擺臂電機為例給出了電機3環(huán)調(diào)試以及頻域穩(wěn)定性驗證的過程，其它7個電機的調(diào)試過程和上述過程類似，在此不再贅述，最終調(diào)試結(jié)果如表3所示。

表1 電機的運動時間和定位誤差調(diào)試結(jié)果

經(jīng)測試ZKMY-P10型號LED分揀機設備的真空氣壓轉(zhuǎn)換時間大約為10 ms，根據(jù)3.3小節(jié)運動時序分析的公式(1)和公式(7)以及表1中電機運動時間的調(diào)試結(jié)果計算出單片分揀的周期在125～130 ms左右。

5 連續(xù)分選測試結(jié)果

系統(tǒng)設計了兩組實驗，分別對17*34 mil和10*20 mil兩種不同大小的晶片進行7組連續(xù)分選測試。實驗選取了大約13 000片晶片進行連續(xù)分選測試，在實驗過程中利用軟件系統(tǒng)統(tǒng)計平均分選時間，并通過擺放盤的晶片擺放情況統(tǒng)計晶片漏檢數(shù)量，最終的測試結(jié)果如表2所示。

從表格中數(shù)據(jù)可得，測試不同數(shù)量分選的平均時間維持在130 ms以內(nèi)，分選的漏檢率維持在為1‰左右。在同一片硅圓片上相同等級的晶片物理位置基本是連續(xù)的，當測試數(shù)量較少時，硅片工作臺單次移動的距離基本都是相鄰晶片的間隔，此時工作臺移動時間小于擺臂運動時間，因此平均分選時間??；當測試數(shù)量較多時，硅片工作臺單次移動的距離變大，當工作臺移動時間大于擺臂時間時，單次分選時間邊長，因此平均分選時間會比測試數(shù)量少的時候略長，維持在130 ms之內(nèi)。

表2 連續(xù)分選測試結(jié)果

國內(nèi)使用較多的LED分選機的速度和定位精度如表3所示[16]。ASM的MS100plus型號分選機在速度方面還是有顯著的優(yōu)勢，跟國內(nèi)的現(xiàn)有的設備相比，ZKMY-P10分選機的平均分選速度略低但是有更高的定位精度，這對未來分選尺寸更小的Mini LED晶片更有優(yōu)勢。

表3 不同型號LED分選機的指標

6 結(jié)束語

本文介紹了ZKMY-P10型號分選機的結(jié)構(gòu)和分選實驗平臺，分析了晶片分選流程，結(jié)合現(xiàn)有硬件條件設計了分選過程各部分的運動時間和運動時序并在SPiiPlus MMI軟件中調(diào)試電機的性能參數(shù)。設計了吸嘴和頂針接觸式剝離拾取晶片的方案并利用ACSPL+語言編寫8個電機聯(lián)動的運動邏輯代碼。在基于ZKMY-P10型號的分選機實驗平臺下進行兩種不同規(guī)格大小晶片的連續(xù)分選實驗測試。

實驗結(jié)果表明，ZKMY-P10型號分選機的分選速度和定位精度和國內(nèi)現(xiàn)有的設備基本持平，雖然比國際上現(xiàn)有主流的ASM分選機的分選速度低，但是在定位精度上更有優(yōu)勢。 因此，ZKMY-P10型號分選機進一步的研發(fā)對目前國內(nèi)半導體分揀設備研發(fā)和工業(yè)化具有重要意義。