全自動(dòng)晶圓劃片機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(dòng)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(shí)的切削能力，對(duì)硅片、鈮酸鋰、石英等脆硬材料進(jìn)行開(kāi)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(guó)在全自動(dòng)劃片機(jī)這一領(lǐng)域，目前主要依賴(lài)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(duì)普通操作人員的文化程度要求較高。

1 設(shè)備介紹

全自動(dòng)晶圓劃片機(jī)是集自動(dòng)上下料，自動(dòng)圖像對(duì)準(zhǔn)，自動(dòng)劃切和自動(dòng)清洗等工序?yàn)橐惑w的設(shè)備，不僅滿(mǎn)足劃切工藝的要求，更節(jié)省了劃切過(guò)程中操作工人多次手動(dòng)放料、對(duì)準(zhǔn)，以及拿料、清洗等工序的時(shí)間，從而有效提高了劃切效率。全自動(dòng)晶圓劃片機(jī)主體結(jié)構(gòu)可分為主機(jī)部件、預(yù)對(duì)準(zhǔn)部件、自動(dòng)上下片部件和自動(dòng)清洗部件4個(gè)單元，其核心部分是主機(jī)部件。主機(jī)部件通過(guò)驅(qū)動(dòng)X，Y，Z，θ四個(gè)軸，及主軸、其它相關(guān)閥等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)劃切、自動(dòng)圖像對(duì)準(zhǔn)等功能。自動(dòng)上下片部件通過(guò)驅(qū)動(dòng)晶片盒，上、下機(jī)械臂，X軸，θ軸、預(yù)對(duì)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料功能。自動(dòng)清洗部件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗功能。如圖1所示。

圖1 設(shè)備外觀(guān)圖

2 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(guò)人機(jī)交互界面下達(dá)指令，由can總線(xiàn)控制卡來(lái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)機(jī)械模塊運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)總線(xiàn)IO控制來(lái)獲得各個(gè)閥及傳感器的狀態(tài)。根據(jù)用戶(hù)在實(shí)際操作過(guò)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(jì)理念中，程序員會(huì)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(jì)過(guò)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(dòng)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(dòng)，不便于維護(hù)，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)封裝并不是把控制卡廠(chǎng)商提供的函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)庫(kù)中，這一層的封裝與硬件是息息相關(guān)的。如圖5。運(yùn)動(dòng)控制模塊完全脫離硬件部分實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)晶圓劃片機(jī)工作過(guò)程中動(dòng)作，當(dāng)需要更換硬件時(shí)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(shí)現(xiàn)層和應(yīng)用層代碼。

圖5 新層次圖

2.2 多線(xiàn)程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)執(zhí)行全自動(dòng)晶圓劃切過(guò)程如圖6，開(kāi)始執(zhí)行全自動(dòng)晶圓劃切過(guò)程，檢測(cè)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(tái)，執(zhí)行自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、自動(dòng)劃切動(dòng)作，自動(dòng)劃切完成，取片到清洗工作臺(tái)，自動(dòng)清洗完成，下片到晶片盒。從流程圖可以看出，在全自動(dòng)劃切過(guò)程中，當(dāng)機(jī)械臂把工件放置到劃切工作臺(tái)上，在自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)和自動(dòng)劃切過(guò)程中機(jī)械臂是空閑的，此時(shí)再執(zhí)行晶片盒掃描，機(jī)械臂取片，同時(shí)清洗工作臺(tái)也可以執(zhí)行自動(dòng)清洗動(dòng)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(xiàn)程設(shè)計(jì)，使得多個(gè)工序同時(shí)進(jìn)行。

圖6 全自動(dòng)流程圖

2.3 界面脫離運(yùn)動(dòng)邏輯

全自動(dòng)晶圓劃片機(jī)動(dòng)作復(fù)雜，一個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)需要幾個(gè)軸的聯(lián)動(dòng)配合，且存在多個(gè)工序同時(shí)工作，當(dāng)操作員熟悉設(shè)備后，他可能會(huì)快速地點(diǎn)擊界面上的按鈕，而不去理會(huì)上個(gè)動(dòng)作是否執(zhí)行完成，況且操作員也不會(huì)去考慮運(yùn)動(dòng)到位及各個(gè)軸的安全位置。因此程序員需要考慮當(dāng)前動(dòng)作是否可以執(zhí)行。以前的劃片機(jī)設(shè)計(jì)是把運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)邏輯判斷都放在界面上，無(wú)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(lèi)：界面邏輯和運(yùn)動(dòng)邏輯。界面邏輯判斷文件是否完整，參數(shù)是否合理，運(yùn)動(dòng)邏輯則判斷運(yùn)動(dòng)功能是否正確、安全，以及功能是否可以執(zhí)行等。此時(shí)的運(yùn)動(dòng)和界面的聯(lián)系不是太過(guò)于密切，如果設(shè)備需要改進(jìn)，由于運(yùn)動(dòng)庫(kù)和界面庫(kù)各具有邏輯功能，它們是相對(duì)獨(dú)立的，如果覺(jué)得界面不符合要求需要重新設(shè)計(jì)那么運(yùn)動(dòng)庫(kù)即應(yīng)用層是不需要更改的，同樣，如果覺(jué)得運(yùn)動(dòng)庫(kù)不符合要求，重新設(shè)計(jì)應(yīng)用層即可。

3 軟件控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

如圖3，全自動(dòng)晶圓劃片機(jī)控制系統(tǒng)主要由7個(gè)功能模塊組成。其中，自動(dòng)劃切功能、手動(dòng)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(duì)操作員開(kāi)放；裝置維護(hù)功能對(duì)普通維護(hù)人員開(kāi)放；工程維護(hù)功能開(kāi)放給設(shè)備生產(chǎn)商，部分開(kāi)放給設(shè)備維護(hù)人員。

（1）自動(dòng)劃切功能模塊實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)劃切功能。

（2）手動(dòng)劃切功能模塊將全自動(dòng)劃切功能分解，增加半自動(dòng)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(duì)準(zhǔn)參數(shù)、清洗參數(shù)。負(fù)責(zé)對(duì)與劃切、對(duì)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(dòng)、文件選定功能。

（4）刀片維護(hù)功能模塊執(zhí)行換刀、測(cè)高、NCS傳感器清掃、傳感器校正、基準(zhǔn)線(xiàn)調(diào)整、刀破檢測(cè)裝置調(diào)節(jié)以及這些功能相關(guān)文件的存儲(chǔ)、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(shí)現(xiàn)，測(cè)量功能實(shí)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(cè)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(kāi)放給設(shè)備生產(chǎn)商進(jìn)行各個(gè)部件的檢測(cè)和調(diào)試，以及設(shè)備出廠(chǎng)參數(shù)的設(shè)置。

圖7 手動(dòng)劃切功能

4 小 結(jié)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)庫(kù)和模塊化設(shè)計(jì)使得程序設(shè)計(jì)思路清晰，調(diào)試過(guò)程中容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。引入“二次封裝”的概念使得項(xiàng)目在開(kāi)始代碼編寫(xiě)的過(guò)程中可以脫離硬件，且后期設(shè)備改進(jìn)和維護(hù)過(guò)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(dòng)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(jì)的思想與模式[DB/OL].http://www.TCICT.cn.2012-2-3/2012-05-06.

[2]齊舒創(chuàng)作室.VisualC++6.0用戶(hù)界面制作技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.

[3]駱斌，費(fèi)翔林.多線(xiàn)程技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2000(4)：407-412.

[4]吳劍強(qiáng)，榮岡.先進(jìn)控制軟件集成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)的分析與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004，21（12）：53-55.