高精度激光切割運動控制系統的設計

鄭佳晶，張金鳳，雒曉文

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176）

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高精度激光切割運動控制系統的設計

鄭佳晶，張金鳳，雒曉文

（中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176）

介紹了激光切割運動控制系統的構成及原理；設計基于GALIL運動控制卡的運動控制系統，采用全閉環的運動控制方式，使系統的精度和加工質量都得到提高；經過工藝實驗及測試，可滿足當前切割工藝對設備精度的要求，并獲得客戶的認可。

激光切割；GALIL運動控制卡；全閉環運動控制；伺服電機

隨著激光技術的不斷發展以及激光技術深入半導體行業，激光已經在半導體領域多道工序取得成功應用。廣為熟知的激光打標，使得精細的半導體芯片標識不再是個難題。激光切割半導體晶圓，一改傳統接觸式刀輪切割弊端，解決了諸如刀輪切割易崩邊、切割慢、易破壞表面結構等諸多問題。近年來光電產業的快速發展，高集成度和高性能的半導體晶圓需求不斷增長，硅、碳化硅、藍寶石、玻璃以及磷化銦等材料作為襯底材料被廣泛應用于半導體晶圓領域。隨著晶圓集成度大幅提高，晶圓趨向于輕薄化及晶粒密集度的顯著增加，對激光加工設備的精度性能提出了更高的要求。本文主要對激光切割設備的運動控制系統進行設計，采用全閉環的控制方式，實現穩定高精度的運動平臺，經客戶使用和測試，可以滿足目前激光切割對工作臺精度的要求。

1　激光切割設備結構簡介

如圖1所示，應用于半導體行業的激光切割設備是精細微加工設備的一種，它是一臺集光纖激光器、工控機、伺服運動控制、電氣控制、檢測技術等于一體的自動化設備，從外觀上來說，主要有兩大部分組成：機械部分和電氣控制部分。機械部分主要包括加工平臺、大理石平臺（主要用于保證加工平臺的穩定性和精度要求）、氣動結構、設備整體機架、光纖激光器等。電氣控制部分主要包括工控機操作界面、伺服運動控制、電氣控制、檢測傳感器、CCD影像處理系統等。整個設備采用全封閉安全設計，加工時僅有前推拉門安全窗口觀察設備內部的加工情況，安全窗口激光透過率僅僅是10-5，保證操作人員的安全。設備的每個可拆卸門板處安裝有傳感器，當激光出射過程中任何一處傳感觸點未感應則設備發生報警且激光出光中斷。設備主要應用于GPP切割，藍寶石切割及碳化硅切割等。

產品優點：定位精準，加工精度高（xy軸定位精度：±3 μm，分辨率為0.1 μm，移動速度≤150 mm/s，最小切割線寬10 μm）、加工效率高，滿足批量生產。

2　激光切割設備電氣控制系統

2.2.1電氣控制總體結構圖

圖1　設備外觀圖

如圖2所示，整個設備采用xyzw四軸聯動運動控制系統。xy軸采用 COPLEY驅動器和AKRIBIS直線電機，直線電機優點：定位精度高、反應速度快、結構簡單、工作安全可靠、壽命長、機械摩擦損耗幾乎為零。xy平臺相互垂直疊加用于精確移動工件位置，x軸平臺安裝于大理石基臺實現x方向的精確位置驅動，y軸垂直安裝于x軸之上實現y方向的精確位置驅動。z軸安裝于大理石龍門架上，實現激光焦點的精確定位，Z軸采用松下A5系列伺服電機和驅動器，采用位置閉環控制系統。其重復精度為4 μm，移動速度≤25 mm/s，分辨率為0.1 μm。w軸采用安川DD電動機，構成旋轉承片臺，實現承片臺的旋轉功能，運動工作臺如圖3所示。

圖2　電氣控制總體結構圖

整個伺服運動系統通過GALIL運動控制卡進行精確控制，GALIL運動控制卡通過改變發出脈沖的頻率來改變電機的運動速度，同時改變發出脈沖的個數來改變電機的運動位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式，脈沖計數可用于編碼器的位置反饋，構成位置閉環控制系統，來檢測機器運動的準確位置，時時糾正電機運動過程中產生的誤差。同時，GALIL運動控制卡與工控機通過以太網進行通信，以便用上位機界面可以精確、方便地控制電機的運行，從而更好地進行工件的精細切割。

圖3　工作臺結構

2.2.2GALIL卡運動控制模塊

如圖4所示，GALIL卡運動控制模塊主要包括各個軸的正、負、原點限位信號、GALIL運動控制核心、電機和驅動器執行部件。在一般的運動控制設備中，設備上安裝的限位開關都是機械開關或者光電開關，這兩種開關都有一定的缺陷。機械開關有一定的彈性變化范圍，用的時間稍長后，其彈性系數會發生變化，同時也會有一定的機械磨損，這些都會帶來位置偏差，而光電開關本身具有一定的感應范圍，電機運動的速度和方向不同時，都會帶來一定的偏差，而本文設計的x、y、z軸的限位信號采用的是光柵尺自帶的標刻限位，比一般的光電限位更加精確。在這里限位信號的主要作用是：（1）防止電機出現過沖現象。當電機運行到正負限位時，就自動停止運動，防止對設備造成破壞。（2）起到坐標定位的作用。設備第一次上電時，電機會自動運行，進行尋向操作，尋找到設備的正負限位及原點。具體過程如下：上電后，x、y、z軸電機依次向規定的正向運動，到正限位后，向相反的方向移動，尋找到第一個原點作為坐標原點，繼續向負限位移動，當找到負限位后，電機向正向移動，到達原點后，停止運動，然后y軸電機開始重復這樣的操作，直到所有的電機完成此項操作，整個設備伺服系統的尋向過程才算完成。GALIL運動控制卡通過發送脈沖信號和方向信號給驅動器來控制電機的精確運動，同時，光柵尺或者編碼器把信號反饋到驅動器，經過驅動器處理后再反饋給GALIL卡，GALIL卡接收到反饋的信號后時時調整發送的脈沖信號，這個就構成了一個完整的伺服運動控制系統。

2.2.3全閉環電機伺服系統

圖4　運動控制模塊圖

全閉環伺服系統原理如下圖5所示，檢測裝置直接對整個工作臺的實際位置進行檢測，轉變為電參量后反饋到輸入端與輸入信號相比較，把得到的差值經過放大和變換，最后驅動電機向減少誤差的方向移動，直到差值等于零。常見的位置檢測器有編碼器、光柵尺、磁柵等。全閉環伺服系統將位置檢測器安裝在整個工作臺上，從而獲得整個工作臺精確的實際位置，其精度主要取決于工作臺上位置檢測器反饋數據的精度，其定位精度甚至可以達到亞微米量級，主要應用于高精密的自動化設備。

圖5　全閉環伺服系統

本文設計的切割設備主要用于精細微加工切割，因此需要使用全閉環伺服系統，使用雷尼紹的光柵尺作為位置檢測器，用于整個加工臺面的位置檢測，然后反饋到驅動器，最后反饋到控制卡，其最高精度可達±3 μm，很好地滿足了設備加工的要求。

3　運動參數設定及測試

運動調試軟件主要包括GALIL TOOLS及COPLEY驅動器調試軟件CME2。GALIL運動控制卡采用脈沖、方向的控制方式，在驅動器里實現電流環，速度環和位置環的PID參數的設定。電流環的調試采用自動調試方式，速度環和位置環則采用人工手動調試。調整位置比例因子Pp以減小跟隨誤差；將速度前饋因子和加速度前饋因子設為0；速度前饋因子Vff會產生跟隨誤差。在恒速運動過程中，通常設為16384（100%），在加速或減速過程中加速度前饋因子會產生跟隨誤差，位置比例因子過大會引起震蕩。圖6為位置環調試運動曲線。

圖6　位置環調試運動曲線

控制系統調試后，對每個軸進行了累計誤差和重復精度的測試，表1為測試結果。從測試結果可以看出，系統的定位精度和重復精度都較高，可以進行樣品切割實驗。

在實際測試過程中，進行了樣品的切割，運行速度控制在150 mm/s，樣品如圖7所示，達到了客戶提出的技術要求。

表1　各軸累計誤差與重復精度記錄表

圖7　切割樣品圖

4　結　論

本文主要論述了高精度切割設備在半導體領域的成熟應用。并結合實際生產需要設計了較高精度的的運動控制系統。經過反復調試及劃切實驗，達到了期望的運行速度和精度。

本系統的實際作用在于提高了激光切割機的品質，使加工的工件表面精度與質量都得到大幅度的提高，整機的柔性與穩定性也得到很大的改進，使激光切割機的故障率降低，自動化水平和工作效率得到提高。

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Design of High Precision Motion Control System for Laser Cutting

ZHENG Jiajing，ZHANG Jinfeng，LUO Xiaowen
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China）

The structure and principle of the laser cutting motion control system are introduced in this paper.The motion control system is designed based on GALIL motion control card.The motion control method with full closed loop is used to improve the precision and machining quality of the system.By the process experiment and testing，the system can meet the current cutting process on the accuracy of the requirements of the equipment，and get customer acceptance and praise.

Laser cutting；GALIL motion control card；Full closed loop control；Servo motor

TN305

B

1004-4507（2016）09-0003-05

鄭佳晶（1986-），女，畢業于東北大學，研究生學歷，現在主要從事激光加工專用設備研究工作。

2016-08-01