优化半导体晶圆处理中的高精度切割

全球对电子元件的需求要求制造设备在保持严格质量标准的同时实现高吞吐量。在半导体后道工序中，划片机必须将硅、铌酸锂、陶瓷、玻璃和石英等高价值材料切割成单个芯片，且不能损坏脆弱的结构。

针对其LAD5100单轴半自动划片机和LFD7100双轴全自动划片机，乐度科技需要一个能够同时管理高速主轴旋转与微米级定位的自动化平台。主要挑战在于缩短加工循环时间并减少振动，以防止产生切割缺陷，这些缺陷会直接影响6英寸、8英寸及12英寸晶圆的最终成品率。



具有切割过程和机器参数可视化的HMI

开放式控制架构与实时同步
为了满足这些操作需求，该公司采用了倍福基于PC和EtherCAT的通用控制平台。硬件核心由一台配备英特尔酷睿i5处理器的C6030超紧凑型工业PC组成。该控制器可实现50 μs的最小任务循环时间，并提供四个独立的千兆以太网接口，在支持EtherCAT实时通信的同时，还兼容Modbus TCP和TCP/IP等标准协议。

机器控制逻辑在Windows 10 IoT Enterprise操作系统上运行，而人机界面（HMI）则采用C#语言开发。这种基于PC的架构将控制任务整合到单个平台中，减少了硬件组件并降低了设备整体成本。

选用EtherCAT总线系统实现了机器节点间纳秒级的同步。这种快速响应时间消除了连续加工步骤之间的等待延迟。在数据采集方面，该系统采用了多种EtherCAT端子模块，包括具有超采样功能的EL3702模拟量输入端子模块。该模块允许对测量范围进行高分辨率扫描，从而确保来自切割区域的精确反馈。



配备EtherCAT端子的紧凑型I/O电平节省了机器集成控制柜的空间。

用于运动与状态监测的多任务软件
软件集成通过TwinCAT 3进行管理，该软件将PLC和运动控制功能整合到一个统一的开发和运行环境中。该软件允许将不同的任务循环分配给特定的CPU核心，并为实时多任务处理提供灵活的任务优先级设置。

这种处理能力对于切割轴和主轴驱动器的协调运动控制至关重要。设备的数字控制（NC）循环时间达到200 μs，支持以下技术参数：

为了保持设备的可用性，特定的软件库被用于诊断和预防性维护。TwinCAT 3 Eventlogger用于记录定制化的报警信息，而TwinCAT 3 Scope Server则自动采集并存储实时数据以供分析。此外，TwinCAT 3 Condition Monitoring在切割过程中分析振动测量数据，使系统能够在机械不稳定影响切割质量之前进行补偿。

可衡量的效率与成品率提升
基于PC的控制和EtherCAT架构的实施使切割精度达到±1.5 μm。在生产环境中，这种高精度使加工高价值半导体材料的成品率可以超过99.9%，减少了原材料浪费。

从维护的角度来看，软件集成的诊断功能通过加速错误定位简化了调试和故障排查。此外，工业PC的紧凑外形和模块化I/O端子减少了控制柜内的所需空间，从而最大程度地缩小了设备在昂贵的洁净室生产环境中的整体占地面积。

由Evgeny Churilov编辑，Induportals媒体-由AI改编。

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