探針測試臺X-Y工作臺電機控制

周 豪

（1.中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176；2.三河建華高科有限責任公司，河北 燕郊065201）

據SEMI數據統計，2020年全球半導體測試設備市場規模達到52.2億美元，2021年將會達到56.1億美元。隨著國內多家晶圓廠及實驗室的建立，國內探針臺市場規模2019年約為10.25億元，2022年將增長到15.69億元。

半導體行業的迅速發展，使半導體產品的加工面積不斷縮小，復雜程度與日俱增，生產半導體產品所需的制造設備需要綜合運用機械、光學、物理、化學等學科技術，具有技術壁壘高、制造難度大及研發投入高等特點。探針臺屬于關鍵的半導體測試裝備，在整個半導體產業的多個環節起著重要作用，是晶圓廠和元器件封測企業的重要設備之一。隨著自動化技術的飛速發展，自動化探針臺搭配測試機能夠對出廠晶圓的電氣參數、光學參數進行測試，根據測試結果評定上一道工序的工藝質量，并指導下一道工序。

不論哪種類型的探針測試臺，X-Y工作臺都是其最核心的部件，工作臺步進精度的高低直接關乎設備測試晶圓的種類及應用場合，標志著設備控制技術的優劣。借助現代科技的飛速發展，X-Y工作臺控制技術也達到前所未有的水平，其中大尺寸晶圓300 mm（12英寸）探針臺X-Y工作臺X、Y軸定位精度及重復定位精度分別達到2μm和1.5μm確實令人振奮。本文主要介紹幾種常用探針臺X-Y工作臺的結構、特點及控制方法。

1 探針臺X-Y工作臺分類

探針臺X-Y工作臺結構主要是3種，以美國EG公司為代表的平面電機型X-Y工作臺（又叫磁性氣浮工作臺）、日本及歐洲國家及國內廠家生產的采用精密滾珠絲杠副和直線導軌結構的X-Y工作臺及直線電機X-Y工作臺。

2 絲杠導軌型X-Y工作臺

探針臺常用的X-Y工作臺，結構如圖1所示。

圖1 X-Y工作臺結構

該工作臺由上層（X向）和下層（Y向）兩部分組成，工作臺由2個步進（伺服）電機分別驅動X、Y向高剛性、高精密的導軌和絲桿副帶動工作臺運動，導向部分采用精密直線滾動導軌。運動部分全部采用滾動功能部件，具有傳動效率高、摩擦力矩小、使用壽命長等特點。工作臺底座采用鑄件為基準進行設計，使運動的穩定性得到提升，同時在隔震性能方面也得到提高。其運動控制系統目前多用運動控制卡與電機形成整個閉環的反饋檢測，以保證實現高精度運動系統。步進電機作為最常用的控制執行部件，是將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的步進角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。步進電機需要使用專用的步進電機驅動器驅動，驅動器由脈沖發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。功率驅動單元將脈沖發生控制單元生成的脈沖放大，與步進電機直接耦合，屬于步進電機與微控制器的功率接口。控制指令單元，接收脈沖與方向信號，對應的脈沖發生控制單元對應生成一組相應相數的脈沖，經過功率驅動單元后送到步進電機，步進電機在對應方向上轉過一個步距角。驅動器的脈沖給定方式決定了步進電機運行方式，一般來說步距角越小，則電機初始啟動頻率較高有利于電機加速性能的改善，所以運行方式中強調了細分驅動技術，該方式提高了步進電機的轉動力矩和分辨率，完全消除了電機的低頻振蕩。由于目前對X-Y工作臺的定位精度要求越來越高，而步進電機控制多為開環方式故無法滿足設計要求，而伺服電機控制的優勢彌補了步進電機控制的不足。

伺服電機與步進電機相比，伺服電機在控制精度、高低頻特性等方面具有較大優勢。比如步進電機在低速時易出現低頻振動現象，一般采用阻尼技術或細分技術來克服低頻振動現象，伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象；步進電機輸出力矩隨轉速的升高而下降，特別是高速時會急劇下降，伺服電機在額定轉速內為恒力矩輸出，在額定轉速時為恒功率輸出；過載能力方面，步進電機不具備過載能力，伺服電機有較強的過載能力；運行性能方面，步進電機的控制為開環控制，伺服驅動系統為閉環控制，伺服驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。由于伺服電機自帶的編碼器只是檢測電機輸入的脈沖數，而不是嚴格意義上工作臺實際運行的位移，故稱為半閉環，如果絲桿有間隙和誤差，編碼器是不能補償的，所以就需要光柵尺來作為直線位移的補償，這種系統稱為全閉環控制，控制系統框圖如圖2所示。由于光柵尺是直線運動的，它是隨著工作臺的運動而實現位移，并不存在反向間隙，實時的反饋數據給控制系統，系統根據誤差作出補償，這樣就能夠很精確地控制電機的轉動，從而實現精確地定位。另外在速度響應方面步進電機從靜止到加速至工作轉速需要上百毫秒，而交流伺服系統的加速性能較好，一般只需幾毫秒，更加適合快速啟停的控制場合。

圖2 控制系統框圖

該系統中要根據X-Y工作臺的定位精度要求經濟合理地選擇光柵尺的分辨率，做到經濟適用。

3 平面電機X-Y步進工作臺

平面電機由定子和動子組成，它與傳統的步進電機相比，其特殊性就是將定子展開，定子是基礎平臺，動子和定子間有一層氣墊，動子浮于氣墊上，所以又叫磁性氣浮工作臺。可編程承片臺則安裝在動子之上。這種結構的X-Y工作臺，由于動子和定子間無相對摩擦故無磨損，使用壽命長，運行平穩，不會有機械傳動發出的噪音，其結構如圖3所示。美國EG公司系列探針臺基本采用這種結構的X-Y工作臺，其經典機型EG2001X、EG4080、EG4090等在國內生產線廣泛使用。其驅動電路仍然是傳統的PC+I/O+驅動板+電機的模式，集成的驅動器非常少見。以EG2001X為例來介紹電機的驅動原理，其動子由機械部件和電氣控制部分組成，機械部分主要是鑄件加工的動子腔體及與定子X、Y向齒距匹配的齒槽組成，其控制部分由按一定規則排列的幾組線圈組成，將這些線圈按一定的頭尾順序連接后形成電機的ABCD四相繞組，然后和步進電機的控制原理一樣，采取A-AB-B-BC-C-CD-D-DA的順序給繞組依次通電實現平面電機的控制，只是由于平面電機特殊的加工工藝和結構特點，為保證其X-Y較好的定位精度需要做溫度補償和精度補償工作，這部分電路需要數模和模數電路的轉換和處理，就不在此贅述了。平面電機工作臺結構簡潔，維修保養方便，但由于動子氣浮在定子上帶載能力較弱，另外電機運行頻率高時易出現失步現象。

圖3 平面電機X-Y步進工作臺結構

4 直線電機x-y工作臺

直線電機是一種將電能直接轉直線運動機械能而無需通過中問任何轉換裝置的新穎電機，它具有系統結構簡單、磨損少、噪聲低、組合性強、維護方便等優點。采用直線電機組成的X-Y工作臺如圖4所示，其主要特點是由于系統中直接取消了絲杠等響應時間常數較大的機械傳動件，使整個系統閉環控制的動態響應速度大為提高，也避免了絲杠傳動的累計誤差。

圖4 直線電機X-Y工作臺

步進控制位移采用直線光柵尺反饋，全閉環控制，故定位精度高，穩定性好，特別是在大行程、高速度、高精度要求的場合優勢與傳統絲杠結構工作臺相比，優勢更加明顯。直線電機的控制方法已非常的成熟，其驅動原理與伺服電機的全閉環控制原理非常的相似，還有許多成熟的控制方案，如PC+運動控制卡+I/O+專用驅動器的方式。

5 結束語

本文對探針臺x-y工作臺常見的幾種結構進行了簡要介紹，指出了各自的結構特點及控制方式，對測試臺X-Y控制的方案確定及選擇具有一定的借鑒作用。