使用PLC系統控制光刻膠泵精度方法探索

施強，苗濤

（沈陽芯源微電子設備股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

在芯片制造復雜工藝過程中，離不開涂膠工藝，這其中光刻膠泵的吐膠精度與穩定性直接影響涂膠的膜厚均勻性，進而影響后續工藝。因此，保證每次打膠量和打膠速度的一致性顯得尤為重要，對電機控制與通斷閥的打開時都影響打膠精度，由于PLC可以定周期執行程序，采用PLC對膠泵電機和通斷閥進行精確控制可以保證每次打膠的一致性與穩定性。

1 膠泵控制系統架構

膠泵PLC控制系統包括富士PLC(NA0PA40T 包括24個輸入點與16個輸出點、Ethernet通訊接口、支持ST編程語言、8Kstep程序存儲空間)，如圖1，東方發達步進電機控制器（SD5107P3 五項步進電機驅動器，支持驅動電流調整與空閑狀態的電流調整以及過流報警），自制脈沖轉換模塊（采用AM26LS32作為主芯片，將差分編碼器信號轉換為5V電壓信號，并通過NPN三極管轉換為集電極輸出形式）以及指示燈。

圖1 PLC 配置圖

系統架構圖如圖3所示，富士PLC通過脈沖方向控制東方馬達步進電機控制器，進而控制膠泵五相步進電機運動。這里使用了富士PLC的定位功能塊，該功能塊可以設定電機的加速度減速度，并可對電機進行S型加速以及梯型加速。不同的加速特性可以保證膠泵的平穩運行。

步進電機尾部的增量式編碼器采用5V供電，電機轉動一圈2000脈沖輸出，與電機軸相連將膠泵的運動位置以正交信號發送到信號轉接板，經過AM26C32芯片將差分信號轉換為TTL信號，經過S8050三極管轉換為集電極開路信號傳送到PLC的編碼器接口（高速脈沖接口），24V通斷閥直接通過導線連接到PLC晶體管輸出點。PLC可以直接控制電磁閥的動作，PLC與上位機接口采用網口，TCP IP協議通訊，PLC為TCP IP 從站，主動連接工控機服務器。采用富士自帶的通訊協議將膠泵的工作狀態實時傳送到上位機。

圖2 系統架構圖

2 控制過程

如圖3膠泵工作流程圖。

2．1 初始化

PLC上電對系統進行自檢（首先執行系統內部的自診斷程序，檢查PLC各部件操作是否正常。自診斷的內容為I/O部分是否有損壞、存儲器是否存在讀寫失敗、CPU等），并與上位機進行通訊建立TCP連接，當收到上位機初始化命令后，PLC開始發出反向動作脈沖，控制膠泵電機向原點方向移動，在電機到達原點后，PLC控制電機正方向移動直到離開原點傳感器，這樣做由于是檢測傳感器的下降沿，可以確保每次回零點的準確性。這樣膠泵回零完成，并將PLC記錄的編碼器位置清零，膠泵進入就緒狀態，膠泵具備打膠條件。如果以上過程出問題，PLC會有報警提示，并將報警信息發送到上位機。

2．2 打膠與回填

（1）打膠。完成初始化后，上位機開始下載配方到PLC（參數包括膠量、打膠速度、打膠延時、開閥延時、關閥延遲），PLC收到打膠命令后，首先檢查配方的正確性（包含數據是否越界、速度是否為零、開閥延時是否過大導致膠泵損壞等），并檢測溫度開關，判斷膠泵溫度是否正常，之后開始打膠動作，使用PLC的定時器功能精準延時后打開通斷閥門，PLC開始控制電機向前運動，已知目標位置，按照關閥延時計算出在關閥位置，并在該位置關閉電磁閥，泵體到位后檢查編碼器反饋位置是否達到預期，否者將輸出報警。

（2）打膠延時。完成打膠后需要有延時，確保液路的穩定，再進行回填操作，這里使用PLC的定時器完成準確延時，單位可以精確到毫秒。

（3）回填。回填主要是完成將光刻膠從膠瓶吸入膠泵。完成延時后膠泵將進行回填操作，與打膠相反，電機將反向運動，由于不同需求回填速度可以在配方內配置，運動到位后將編碼器位置與脈沖數比對，如果對比一致，膠泵完成所有動作，膠泵狀態變為就緒狀態，同時，上傳膠泵狀態。

圖3 流程圖

2．3 連續打膠模式

連續打膠模式為滿足特定打膠需求，主要用于不同速度連續多次打膠，該功能在原有功能基礎上增加不間斷打膠功能，實現按照預定配方多次連續打膠，最多支持連續寫入10個配方，實現10次不間斷打膠動作。

3 性能指標

該系統需要滿足膠泵的工藝指標，如表1所示。

表1 膠泵性能指標

經過實測打膠量與運動行程不完全成線性關系，測量打膠精度是±0.2ml，所以不能直接換算，需要進行數學處理，這里采用多項式進行數據擬合（y=ax4+bx3+cx2+dx+e），系數由C語言擬合函數實現如圖4所示，為部分代碼。

圖4 部分擬合代碼

如圖5，經過不同擬合階數測試，最終選定使用一元三次方程，擬合換算前后打膠量與實際膠量關系對比圖，可以看出，擬合后曲線更加線性，如圖6，打膠精度達到了±0.02ml。精度明顯提高，達到了目標要求。

圖5 多項式擬合前后

表2 多項式擬合后實測數據

以上通過PLC的定位功能與高速計數功能完成了PLC膠泵控制器的研發，用ST編程方法實現數據擬合，提高了膠泵精度，達到了預期精度標準。

4 結語

本文提出用富士PLC控制膠泵的控制方案與實測效果，并滿足了工藝指標。