ENYA貼片機(jī)提升產(chǎn)能的設(shè)備改造

孫啟偉 孟慶輝

摘要：

當(dāng)硅晶片（wafer）拋光機(jī)的產(chǎn)能大于貼片機(jī)產(chǎn)能時，如何提高貼片機(jī)的產(chǎn)能，使拋光機(jī)與貼片機(jī)兩者的產(chǎn)能達(dá)到平衡，是研究的方向。通過對貼片機(jī)的觀察、了解、測量等相關(guān)工作，確認(rèn)只有提升貼片機(jī)貼片部分的速度，才能提升貼片機(jī)的產(chǎn)能。貼片機(jī)的貼片部分，只有提高硅片上升/下降電機(jī)的速度，才能提升貼片部分的速度。為此更換脈沖發(fā)生器、上升/下降電機(jī)及控制器等相關(guān)的部件，并且編寫相關(guān)PLC控制程序，從而提高硅片升/降電機(jī)的速度。達(dá)到了拋光機(jī)產(chǎn)能與貼片機(jī)產(chǎn)能相匹配的預(yù)期目的：增加貼片機(jī)的產(chǎn)能51 840片/a。

關(guān)鍵詞：

貼片機(jī); PLC; 交流伺服電機(jī)

中圖分類號： TP 510.8060 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Equipment Modification of ENYA SMT Machine to Improve Production Capacity

SUN Qiwei， MENG Qinghui

（Wafer Works （Shanghai） Co.， Ltd.， Shanghai 201600， China）

Abstract：

When the capacity of silicon wafer polishing machine is greater than that of SMT machine.How to improve the capacity of SMT machine in order to reach the balance of them is the direction of this research.And through the observation，understanding，measurement and other related work with the SMT machine.Confirm that only enhance the SMT chip placement speed，so that we can enhance the capacity of SMT machine.The key is increasing the speed of the wafer rise/fall motor.For increasing the speed of the motor，we replace the pulse generator，lift/drop motor and controller and other related parts，and write the matched PLC control program.Thus，the speed of the wafer rise/fall motor is improved.Therefore，the idea of improving the capacity of SMT machine is the good way to improve the productivity of the polishing machine.The project achieve the intended purpose：increase the capacity of SMT machine by 51 840 /a.

Keywords：

SMT machine; PLC; AC servo motor

工廠在采購主設(shè)備時，雖然已經(jīng)按當(dāng)時的工藝、技術(shù)條件考慮配套設(shè)備的產(chǎn)能與主設(shè)備的產(chǎn)能匹配問題，但是，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和科技人員的努力，許多技術(shù)問題被攻破。使之相關(guān)的設(shè)備產(chǎn)能向前跨進(jìn)一大步，使主設(shè)備或配套設(shè)備的產(chǎn)能有所提高。但如何使對應(yīng)的設(shè)備的產(chǎn)能也提高到與之相匹配，使兩者產(chǎn)能同步提高，并且找出解決問題的方法，是這次改造的目的。

拋光機(jī)由于工藝參數(shù)及拋光漿的改進(jìn)，產(chǎn)能得到提高，但是配套的貼片機(jī)產(chǎn)能沒有提高，即總產(chǎn)能沒有得到提高。如何提高貼片機(jī)的產(chǎn)能？需要剖析貼片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，找出解決問題的關(guān)鍵部位，對癥下藥，所有問題才能迎刃而解。

1 問題描述

硅晶片（wafer）的拋光是其加工過程中的一道重要工序。拋光工藝分為有蠟拋光和無蠟拋光，其中，有蠟拋光代表了先進(jìn)的拋光工藝。圖1為有蠟拋光和無蠟拋光兩種工藝相關(guān)設(shè)備的圖片。有蠟拋光就是把硅晶片用貼片機(jī)黏接到陶瓷盤上，然后再放到拋光機(jī)上進(jìn)行拋光的工藝;無蠟拋光就是把硅晶片放到帶有模板的陶瓷盤上，然后再放到拋光機(jī)上進(jìn)行拋光的工藝。有蠟拋光與無蠟拋光相比，產(chǎn)品品質(zhì)得到提高，同時還降低了生產(chǎn)成本。目前，國際上大部分半導(dǎo)體材料生產(chǎn)廠家都采用有蠟拋光工藝。

考察一條Speed fam無蠟拋光生產(chǎn)線的產(chǎn)能時發(fā)現(xiàn)，拋光生產(chǎn)線（簡稱拋光線）產(chǎn)能不足。拋光線主要由拋光機(jī)和貼蠟機(jī)組成。正常情況下，拋光機(jī)與貼蠟機(jī)產(chǎn)能應(yīng)該同步進(jìn)行。產(chǎn)能不足主要是由以下原因引起的。

圖1 拋光設(shè)備照片

Fig.1 Photographs of polishing machine

理論設(shè)計拋光線產(chǎn)能：78 RUN/d（1 RUN=4個陶瓷盤，1個陶瓷盤上有6片晶圓）;實測拋光線產(chǎn)能：78 RUN/d。

理論設(shè)計拋光機(jī)產(chǎn)能：78 RUN/d;實測拋光機(jī)產(chǎn)能：84～87 RUN/d。

理論設(shè)計貼片機(jī)產(chǎn)能：78 RUN/d;實測貼片機(jī)產(chǎn)能：78 RUN/d。

該拋光線主要設(shè)備為：speed fam拋光機(jī);ENYA貼片機(jī)。

拋光線新的理論產(chǎn)能按拋光機(jī)計算應(yīng)為：84～87 RUN/d;實測產(chǎn)能為：78 RUN/d。

理論產(chǎn)能高于實測產(chǎn)能的原因分析如下。

拋光機(jī)產(chǎn)能的提高是由于改進(jìn)了工藝參數(shù)、改進(jìn)了加工工藝條件，從而達(dá)到84～87 RUN/d。

實測拋光機(jī)產(chǎn)能：84 RUN/d。

計算得到拋光機(jī)產(chǎn)能P=84×4×6=2 016片/d，60 480片/月（按30 d計）。

而配套使用的ENYA貼片機(jī)的實測產(chǎn)能：78 RUN/d。

計算得到的貼片機(jī)產(chǎn)能T：78×4×6=1 872片/d，56 160片/月（按30 d計）。

可以看出：P>T。

拋光線的理論產(chǎn)能是由拋光機(jī)的產(chǎn)能確定的，沒有考慮貼片機(jī)的產(chǎn)能，由此造成拋光線產(chǎn)能不足。從上述計算中可以看出，拋光機(jī)的產(chǎn)能大于貼片機(jī)的產(chǎn)能。所以拋光機(jī)產(chǎn)能過剩，貼片機(jī)產(chǎn)能不足。拋光機(jī)損失產(chǎn)能：60 480-56 160=4 320片/月;拋光線只能生產(chǎn)56 160片/月。

得出結(jié)論：拋光線產(chǎn)能不足不是因為拋光機(jī)產(chǎn)能不足，而是因為貼片機(jī)產(chǎn)能不足，使之不能同步生產(chǎn)。究其原因就是貼片機(jī)貼片的數(shù)量少，拋光機(jī)只有等待。

通過上述分析可知，影響拋光線產(chǎn)能不足的主要原因是貼片機(jī)的產(chǎn)能沒有跟上拋光機(jī)的產(chǎn)能。為了使貼片機(jī)的產(chǎn)能與拋光機(jī)的產(chǎn)能相匹配，盡量使貼片機(jī)的產(chǎn)能與拋光機(jī)的產(chǎn)能最大化同步。也就是貼片機(jī)每月需增加4 320片。如何在不影響貼片質(zhì)量的前提下，通過提高貼片速度來提高貼片機(jī)產(chǎn)能？

ENYA貼片機(jī)有5個大部分組成：陶瓷盤上料部分（Loader）、陶瓷盤清洗部分（Cleaner）、貼片部分（Mounter）、陶瓷盤冷卻部分（Clooer）和陶瓷盤下料部分（Unloader）。

假設(shè)ENYA貼片機(jī)5個大部分各部分的工作時間分別為：陶瓷盤上料時間T1，時間固定，沒有改善的空間;陶瓷盤清洗時間T2，時間依工藝制定，有改善的空間，會影響產(chǎn)品質(zhì)量;貼片時間T3，有改善的空間;陶瓷盤冷卻時間T4，時間依工藝制定，有改善的空間，會影響產(chǎn)品質(zhì)量;陶瓷盤上料時間T5，時間固定，沒有改善的空間。

經(jīng)過觀察、分析、測量、比較和判斷發(fā)現(xiàn)，T3遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于T1，T2，T4和T5，其他部分基本處于等待貼片部分完成才能進(jìn)行工作。由此確認(rèn)影響貼片機(jī)的貼片速度的主要原因在于貼片部分。所以T3是影響貼片機(jī)產(chǎn)能的關(guān)鍵。而找出影響貼片機(jī)的貼片時間在貼片部分的哪一部分是問題的關(guān)鍵。

貼片機(jī)的貼片部分共有5個部分組成：陶瓷盤（定位、貼片）、硅晶片上升/下降、硅晶片甩蠟、硅晶片定位和硅晶片上料。

貼片機(jī)的貼片部分的工作時間分別為：

陶瓷盤（定位、貼片）時間t1，時間固定，沒有改善空間;硅晶片上升/下降時間t2，硅晶片上升/下降是由步進(jìn)電機(jī)帶動，可以提高升/降速度，有改善空間;硅晶片甩蠟時間t3，時間依工藝制定，影響產(chǎn)品質(zhì)量，有改善空間;硅晶片定位時間t4，時間固定，沒有改善空間;硅晶片上料時間t5：時間固定，沒有改善空間。

經(jīng)過實際測量，t2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于t1，t3，t4和t5。其他部分基本處于等待硅晶片上升/下降部分的完成。所以，確認(rèn)影響貼片速度的是貼片部分的硅晶片上升/下降部分，有改善的空間。

從上述分析可知，硅晶片的上升/下降速度直接影響貼片速度。而影響硅晶片上升/下降速度的是硅片上升/下降步進(jìn)電機(jī)的速度，提高了進(jìn)電機(jī)的速度，也就提高了貼片的速度。改造之前的每片貼片平均速度為：30 s/片。

2 解決方案

改造之前，硅片上升/下降電機(jī)為東方步進(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)型號：PK 564AE-T3.6。

減速比：1/2（帶減速齒輪）（具有剎車功能）。

最大速度：1 000 mm/min。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器型號：RKD514L-A。

提高硅晶片上升/下降電機(jī)速度有兩種方法：

（1） 提高現(xiàn)有硅片上升/下降步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)脈沖速度。

提高上升/下降電機(jī)的速度，只有提高步進(jìn)脈沖速度，這樣就可以提高步進(jìn)電機(jī)的速度，這在理論上是可行的。但在實際工作中，由于該電機(jī)是帶有減速機(jī)構(gòu)（兼具剎車功能）的步進(jìn)電機(jī)。速度不可能再提高（經(jīng)實際測試），已達(dá)極限。因為提高電機(jī)的速度在輸出端會丟失部分脈沖（減速機(jī)輸出端），這是由于步進(jìn)電機(jī)會發(fā)生堵轉(zhuǎn)。所以，每次定位都會有累計誤差，因而達(dá)不到進(jìn)給量（定位不準(zhǔn)）。

（2） 改用不帶減速機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)替代步進(jìn)電機(jī)定位。

伺服電機(jī)可以不采用減速機(jī)構(gòu)，直接帶動負(fù)載。伺服電機(jī)的定位精度是靠編碼器決定的，速度調(diào)節(jié)靈活，不存在丟失脈沖現(xiàn)象。并且，可以選擇具有剎車功能的伺服電機(jī)。

最后決定采用交流伺服電機(jī)替代步進(jìn)電機(jī)的改造方案，提高硅片上升/下降速度，從而提高貼片速度，達(dá)到提高貼片機(jī)產(chǎn)能的目的，進(jìn)而提高了拋光機(jī)產(chǎn)能。

3 解決方案基本原理及方法

原控制系統(tǒng)見圖2，改造后的控制系統(tǒng)見圖3。改造前的控制系統(tǒng)采用陳舊的脈沖發(fā)生器UDC 26向步進(jìn)電機(jī)提供步進(jìn)脈沖?？刂坪驼{(diào)試都不方便。步進(jìn)電機(jī)無反饋信號，定位不精確。為了今后維修、維護(hù)方便，采用三菱PLC代替UDC 26提供脈沖輸出。采用松下伺服電機(jī)替代原有東方步進(jìn)電機(jī)，控制方便，有位置反饋信號，定位精確[1]。

圖2 原控制系統(tǒng)圖

Fig.2 Original control system

圖3 改造后控制系統(tǒng)

Fig.3 Retrofit control system

控制系統(tǒng)比較見表1。控制電路圖見圖4。

布線、接線、設(shè)置參數(shù)。 PLC 輸入/輸出表及各參數(shù)列

出PLC輸入/輸出接點見表2。與大PLC（OMRON）對應(yīng)，

并進(jìn)行相關(guān)的連線，PLC輸入表和PLC輸出表見

表3。

圖5為PLC的部分梯形圖[2-5]。

4 改造后效果分析

本次改造的目的是提高拋光機(jī)的產(chǎn)能，提高經(jīng)濟(jì)效益。從表5中可以看出，改造后貼片機(jī)產(chǎn)能

增加了8 640片/月。而拋光機(jī)的產(chǎn)能沒有改變，為

表1 控制系統(tǒng)比較

Tab.1 comparisons control system

圖4 控制電路

Fig.4 Control circuit

表2 內(nèi)部繼電器型號[2]

Tab.2 Internal relay type[2]

表3 改造前步進(jìn)電機(jī)用移動參數(shù)

Tab.3 Moving parameters for stepping motor before modification

表4 改造后伺服電機(jī)用移動參數(shù)[3]

Tab.4 Moving parameters for servo motor after modification[3]

圖5 PLC的部分梯形圖

Fig.5 Partial ladder diagram of PLC

表5 改造前后各項指標(biāo)

Tab.5 Various indicators before and after the modification

60 480片/月。因此，拋光機(jī)實際增加產(chǎn)能為4 320片/月。

5 結(jié) 論

（1） 通過改造，提高了貼片機(jī)的產(chǎn)能，即提高了拋光機(jī)貼片機(jī)的產(chǎn)能，也提高了多設(shè)備的利用率，達(dá)到了預(yù)期目的。每年可為拋光機(jī)提供拋光片51 840片。

（2） 隨著市場的需要，各工廠會在單位時間內(nèi)提高產(chǎn)能。提高產(chǎn)能的主攻方向就是提高設(shè)備的產(chǎn)能。而提高設(shè)備產(chǎn)能必然導(dǎo)致隨著技術(shù)革命的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)中。

從本例看：

UDC26是早期脈沖發(fā)生器，只有脈沖輸出，市場上很難買到，維修、控制不方便;而三菱PLC FX1N-60MT具有脈沖輸出、接收兩項功能。調(diào)試、編程、控制方便，市場采購方便。利于維修、維護(hù)，互換性好。

步進(jìn)電機(jī)控制方便，但是控制精度不高，沒有位置（編碼器）反饋信號，會有丟失脈沖的現(xiàn)象。特別是帶有減速機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)，由于減速齒輪的限制，即使電機(jī)達(dá)到最高速度，實際輸出速度也無法提升;而伺服電機(jī)控制系統(tǒng)靠編碼器反饋機(jī)械位置，控制精度高，如果功率有效，不需減速機(jī)構(gòu)，輸出速度可以達(dá)到最大值。

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