全自動晶圓劃片機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉婷婷，趙志偉，李戰(zhàn)偉，閆啟亮

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

全自動晶圓劃片機(jī)是集成電路半導(dǎo)體加工后封裝工藝中的重要組成部分，利用金剛石薄片砂輪在高速旋轉(zhuǎn)時的切削能力，對硅片、鈮酸鋰、石英等脆硬材料進(jìn)行開槽劃片加工，也可用于劃片和切割各種陶瓷、玻璃、金屬等。

我國在全自動劃片機(jī)這一領(lǐng)域，目前主要依賴于進(jìn)口，如DISCO，TSK等設(shè)備，且操作界面不是全中文界面，這樣對普通操作人員的文化程度要求較高。

1 設(shè)備介紹

全自動晶圓劃片機(jī)是集自動上下料，自動圖像對準(zhǔn)，自動劃切和自動清洗等工序為一體的設(shè)備，不僅滿足劃切工藝的要求，更節(jié)省了劃切過程中操作工人多次手動放料、對準(zhǔn)，以及拿料、清洗等工序的時間，從而有效提高了劃切效率。全自動晶圓劃片機(jī)主體結(jié)構(gòu)可分為主機(jī)部件、預(yù)對準(zhǔn)部件、自動上下片部件和自動清洗部件4個單元，其核心部分是主機(jī)部件。主機(jī)部件通過驅(qū)動X，Y，Z，θ四個軸，及主軸、其它相關(guān)閥等實現(xiàn)自動劃切、自動圖像對準(zhǔn)等功能。自動上下片部件通過驅(qū)動晶片盒，上、下機(jī)械臂，X軸，θ軸、預(yù)對準(zhǔn)來實現(xiàn)自動上下料功能。自動清洗部件實現(xiàn)自動清洗功能。如圖1所示。

圖1 設(shè)備外觀圖

2 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 二次封裝

按照物理結(jié)構(gòu)可分為三部分：上位機(jī)、下位機(jī)、執(zhí)行部件。如圖2。操作人員通過人機(jī)交互界面下達(dá)指令，由can總線控制卡來驅(qū)動多個機(jī)械模塊運(yùn)動，并通過總線IO控制來獲得各個閥及傳感器的狀態(tài)。根據(jù)用戶在實際操作過程中使用的功能和便于維護(hù)，界面設(shè)置模塊如圖3所示。

圖2 物理結(jié)構(gòu)圖

圖3 設(shè)備主界面圖

在以往的設(shè)計理念中，程序員會直接調(diào)用控制卡商家提供的函數(shù)，如圖4。忽略了在設(shè)備硬件前期設(shè)計過程中，一些IO口甚至卡的采用可能發(fā)生變更，一旦更換了控制卡則程序代碼要作大量的修改，且如果運(yùn)動控制模塊封裝的不好，人機(jī)交互界面的代碼也要隨之發(fā)生改動，不便于維護(hù)，因此在系統(tǒng)設(shè)計中引入了“二次封裝”這一概念。

圖4 舊層次圖

“二次封裝”是把與硬件相關(guān)的函數(shù)進(jìn)行封裝，這個封裝并不是把控制卡廠商提供的函數(shù)進(jìn)行簡單的封裝，而是根據(jù)需求分析作出需要用到控制卡的哪些功能，將這些功能逐一封裝在動態(tài)庫中，這一層的封裝與硬件是息息相關(guān)的。如圖5。運(yùn)動控制模塊完全脫離硬件部分實現(xiàn)全自動晶圓劃片機(jī)工作過程中動作，當(dāng)需要更換硬件時只需要修改卡功能封裝層代碼，并且調(diào)通即可，不需要更改實現(xiàn)層和應(yīng)用層代碼。

圖5 新層次圖

2.2 多線程設(shè)計

系統(tǒng)執(zhí)行全自動晶圓劃切過程如圖6，開始執(zhí)行全自動晶圓劃切過程，檢測設(shè)備狀態(tài)，掃描晶片盒，晶片盒中有片，則取片到劃切工作臺，執(zhí)行自動對準(zhǔn)、自動劃切動作，自動劃切完成，取片到清洗工作臺，自動清洗完成，下片到晶片盒。從流程圖可以看出，在全自動劃切過程中，當(dāng)機(jī)械臂把工件放置到劃切工作臺上，在自動對準(zhǔn)和自動劃切過程中機(jī)械臂是空閑的，此時再執(zhí)行晶片盒掃描，機(jī)械臂取片，同時清洗工作臺也可以執(zhí)行自動清洗動作。為了提高設(shè)備工作效率，并有良好的交互性，程序中大量使用多線程設(shè)計，使得多個工序同時進(jìn)行。

圖6 全自動流程圖

2.3 界面脫離運(yùn)動邏輯

全自動晶圓劃片機(jī)動作復(fù)雜，一個功能的實現(xiàn)需要幾個軸的聯(lián)動配合，且存在多個工序同時工作，當(dāng)操作員熟悉設(shè)備后，他可能會快速地點擊界面上的按鈕，而不去理會上個動作是否執(zhí)行完成，況且操作員也不會去考慮運(yùn)動到位及各個軸的安全位置。因此程序員需要考慮當(dāng)前動作是否可以執(zhí)行。以前的劃片機(jī)設(shè)計是把運(yùn)動功能的實現(xiàn)和運(yùn)動邏輯判斷都放在界面上，無疑加重了界面的負(fù)擔(dān)，模塊劃分不明確，且后期維護(hù)困難。因此把邏輯功能分為兩類：界面邏輯和運(yùn)動邏輯。界面邏輯判斷文件是否完整，參數(shù)是否合理，運(yùn)動邏輯則判斷運(yùn)動功能是否正確、安全，以及功能是否可以執(zhí)行等。此時的運(yùn)動和界面的聯(lián)系不是太過于密切，如果設(shè)備需要改進(jìn)，由于運(yùn)動庫和界面庫各具有邏輯功能，它們是相對獨立的，如果覺得界面不符合要求需要重新設(shè)計那么運(yùn)動庫即應(yīng)用層是不需要更改的，同樣，如果覺得運(yùn)動庫不符合要求，重新設(shè)計應(yīng)用層即可。

3 軟件控制系統(tǒng)實現(xiàn)

如圖3，全自動晶圓劃片機(jī)控制系統(tǒng)主要由7個功能模塊組成。其中，自動劃切功能、手動劃切功能、劃切參數(shù)功能、刀片維護(hù)功能、操作員維護(hù)功能對操作員開放；裝置維護(hù)功能對普通維護(hù)人員開放；工程維護(hù)功能開放給設(shè)備生產(chǎn)商，部分開放給設(shè)備維護(hù)人員。

（1）自動劃切功能模塊實現(xiàn)全自動劃切功能。

（2）手動劃切功能模塊將全自動劃切功能分解，增加半自動劃切功能如圖7所示。

（3）劃切參數(shù)設(shè)置模塊包括劃切參數(shù)、對準(zhǔn)參數(shù)、清洗參數(shù)。負(fù)責(zé)對與劃切、對準(zhǔn)、清洗功能相關(guān)文件的設(shè)置、修改、刪除、拷貝、復(fù)制、重命名、移動、文件選定功能。

（4）刀片維護(hù)功能模塊執(zhí)行換刀、測高、NCS傳感器清掃、傳感器校正、基準(zhǔn)線調(diào)整、刀破檢測裝置調(diào)節(jié)以及這些功能相關(guān)文件的存儲、查看、設(shè)置等功能。

（5）操作員維護(hù)功能模塊進(jìn)行預(yù)劃切文件設(shè)置、拷貝、刪除功能實現(xiàn)，測量功能實現(xiàn)，功能參數(shù)文件設(shè)置。

（6）裝置維護(hù)功能模塊進(jìn)行回轉(zhuǎn)軸中心位置獲取并設(shè)置、像素尺寸測量、顯微鏡偏差獲取設(shè)置，以及模擬傳感器參數(shù)設(shè)置，上下料部件功能檢查。

（7）工程維護(hù)功能模塊開放給設(shè)備生產(chǎn)商進(jìn)行各個部件的檢測和調(diào)試，以及設(shè)備出廠參數(shù)的設(shè)置。

圖7 手動劃切功能

4 小 結(jié)

系統(tǒng)設(shè)計中采用動態(tài)庫和模塊化設(shè)計使得程序設(shè)計思路清晰，調(diào)試過程中容易發(fā)現(xiàn)問題。引入“二次封裝”的概念使得項目在開始代碼編寫的過程中可以脫離硬件，且后期設(shè)備改進(jìn)和維護(hù)過程中更換硬件后方便程序修改。人機(jī)交互界面脫離運(yùn)動邏輯功能更方便了軟件的靈活性。

[1]謝新華.軟件架構(gòu)設(shè)計的思想與模式[DB/OL].http://www.TCICT.cn.2012-2-3/2012-05-06.

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