（控制理论与控制工程专业论文）晶圆划切机控制及远程客户服务系统研究与开发.pdf

查些垄堂婴主笙圭 一! 壅墨 晶圆划切机控制及远程客户服务系统研究与开发 摘要 晶圆划切机是半导体材料加工的重要设备之一，其主要功能是把硅棒、石墨、陶瓷、 玻璃、矿石和金属等材料切成厚度相等的薄片或划出一定深度的槽。 本文设计了p c 控制的上、下位机分立结构的晶圆划片切割控制系统，给出了硬件 和软件系统的设计方案。在硬件方面，采用一片a t 8 9 c 5 1 单片机作为控制器的c p u ， 实现对x 轴、y 轴、z 轴三个步进电机的同时控制，并利用单片机内部时钟的精确计时 实现对电机运动速度的控制，加工出的晶片厚度误差不大于士o 0 1 r a m ；上位机软件采用 b o d a n d 公司的r a d 开发工具c + + b u i l d e r 6 。0 编写，应用m o x a 公司的p c o m m 控件实 现与下位机的串行通讯，可运行在任何w i n d o w s 平台上，安装简便，图形化界面一目了 然，并且能够实现图形的切割显示与下位机的加工过程基本完全同步，完整的中英文帮 助文件和智能向导功能便于用户的操作和使用，人机交互的友好和快捷充分提高了加工 效率；采用标准的r s - 2 3 2 串行通讯，高速、稳定的数据传输保证了系统的高可靠性运 行。 此外，针对国内控制软件的单机化、自诊断和分析性能差等缺点，本文还提出了基 于i n t e r a c t 的远程客户服务系统的结构模型，介绍了其六大主要功能模块：故障诊断、 多媒体培训、版本升级、企业网站、客户管理和工程支持及其实现的关键技术。在故障 诊断数据库搜索方面提出了基于向量模型的条目匹配搜索算法，该模型已部分应用到了 实际的晶圆划片切割系统中进行了检验，取得了比较好的效果。 关键词划片切割单片机c + + b u i l d e r 6 0 串行通信p c o m m 控件 1 i 查! ! 垄兰堡主垒查 垒! ! ! 竺! c r y s t a l l o i dd i c i n gs a w c o n t r o la n dt h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to fr e m o t ec u s t o m e rse r v i c e s y s t e m a b s t r a c t c r y s t a l l o i dd i c i n gs a wi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q i l i p m e m si nm a c h i n i n g s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s i t sm a i nf u n c t i o ni sc h o p p i n gs i l i c o ns t i c k ，g r a p h i t e ，p o r c e l a i n ，g l a s s ， o r e ，m e t a la n de t c i n t oe q u i v a l c mt h i c k n e s ss l i c e sa n dl i n i n go u ts o m ed e e p n e s st r o u g h t h et h e m ed e s i g n e das l i c e s - c u t t i n gc o n t r o ls y s t e mw h i c hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s e p a r a t e l y i nh a r d w a r ea s p e c t s ，a d o p t e dac h i po fa t 8 9 c 5 1m c ua sc p ua c h i e v i n g s i m u l t a n e i t yc o n t r o lo fxa x i s ，ya x i sa n dz a x i sa n dw o r k i n gi nd r i v i n gc i r c u i tw i t hs t e p p e d e l e c t r o m o t o r s t h em a c h i n i n go u ts l i c e st h i c k n e s se r r o rl e s st h a n 士0 0 1 r a m s o , w a r e c o m p i l e db yr a dd e v e l o p i n gt o o l c + + b u i l d e r6 0o fb o r l a n de n t e r p r i s e r e a l i m n gs e r i a l c o m m u n i c a t i o nb yp c o m mc o n t r o lo fm o x ac o r p o r a t i o n i tc a nr u no na n yv e r s i o n w i n d o w so s t h ek i n d n e s sa n dq u i c k n e s so f h u m a n m a c h i n ee x c h a n g ei n t e r f a c ei se f f i c i e n c y i t ss t a n d a r dr s 一2 3 2s e r i a lp o r te n s u r e dt h es t a b i l i t y f u t h e r m o r eb a s e do nn a t i o nc o n t r o ls o f t w a r es t a n d - a l o n e 1 e s s s e l f - d i a g n o s i sa n d a n a l y s i s ，t h et h e m eb r i n g su pt h em o d u l eo f r e m o t ec u s t o m e rs e r v i c es y s t e mb a s e do i li n t e m e t a n di ti n t r o d u c e s6f u n c t i o nm o d u l e s ：f a u l td i a g n o s i s ，m u l t i m e d i at r a i n i n g ，e d i t i o nu p d a t e ， e n t e r p r i s ew e b ，c u s t o m e r sm a n a g e m e n ta n dp r o j e c ts u p p o r t i n g a l s oi ti n 订o d u c e st h ek e y t e c h n i q u eo nr e a l i z i n g o nt h ef a u l td i a g n o s i sd a t a b a s es e a r c h i n ga s p e c t s ，t h et h e m ep u t s f o r w a r daa r i t h m e t i co fe n t r ym a t c h i n gb a s eo nv e c t o rm o d e l t h ea r i t h m e t i cg e t sag o o d e f f e c ti np r a c t i c e k e yw o r d s ：d i c i n gs a w , m c u ，c + + b u i l d e r 6 0 ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，p c o m mc o m p o n e n t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名：傍莎鸟 签字日期：沏) 7 r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：签字日期： 查韭叁堂堕主堕查 整二兰! 茎鱼 1 1 引言 第一章绪论 电子技术的发展及各种电器的普及使集成电路( i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的应用越来 越广，大到飞入太空的“神州六号”，小到身边的电子手表都有不同种类的集成电路。 在集成电路的加工过程中，需要首先把普通硅沙拉制提炼成大块的硅晶体，再将头部和 尾部切掉，然后用机械对其进行修整至合适直径，得到有一定长度和直径的“硅棒”， 再把这种“硅棒”切成厚度相等的薄片。晶圆划片切割机就是加工这种“硅棒”及硅片 的重要半导体设备。此外，它还广泛用于加工陶瓷、玻璃、矿石、金属等材料。 晶圆划切机的发展大致经历了如下三个阶段： 1 金刚石划切 这是最早出现的划切方法，是目前用得最少的方法，与划玻璃的原理相同。使用锋 利的金刚石尖端，以5 0 克左右的固定载荷划切出小的分割线，再加上弯曲力矩使之分 成小片。一般来说，金刚石划切时线条宽度为6 8 a z n 、深度为5 a n ，硅表面发生塑性 变形，线条周围有微裂纹等。如果划片时出现切屑，掰片时就可能裂开，小片的边缘又 不整齐，分片就不能顺利进行。金剐石尖有圆锥形( 1 点式) 、四方锥形( 4 点式) 等。 圆锥形的金剐石尖是采用其十二面体晶格上的( 1 1 1 ) 轴，并将尖端加工成半径2 5 9 r n 的球面。划切的成品率在很大程度上取决于金刚石尖端的加工精度及其锋利性的保持情 况1 ，”。 2 激光划切 第二代划切的方法是激光划切，现在国内许多生产厂还在使用。激光划切就是将激 光呈脉冲状照射在硅片表面上，被光照的那一部分硅就会因吸收激光而被加热到1 0 0 0 0 【3 】的高温，并在一瞬间即气化或熔化了，使硅片留下沟槽，然后再沿沟槽进行分开的 方法( 例如：采用日本电予公司s l - 4 1 2 型激光划切机，对单模强m 0 0 激光用2 0 k h ：的 q 开关、平均输出功率6 w 、加工速度每秒1 5 0 m m 时，可得到深度为7 0 9 n 、宽度为 2 5 a n 的切缝) 。激光划切时，硅粉会粘在硅片表面上，所以还必须对硅片上的灰尘进行 必要的处理。该方法划切硅片比金刚石划切的成品率高，所以曾经在一个时期内替代了 金刚石划切。 但激光划切对工艺条件十分敏感。激光功率、划切速度、焦点位置、气流压力等参 数的波动或变化都会影响划切的质量1 4 , 5 1 ，致使划切深度尺寸不均匀，导致分片时容易 碎片，降低成品率，增加了成本。加之激光划切时，高热对热影响区内材料的金相组织 有影响，如果应用予太阳能电池，则会降低太阳能电池的转换效率，使得激光划切存在 着诸多弊端，急需改进。 1 。 东北大学硕士论文 第一章绪论 3 金刚石砂轮片锯划切 金刚石砂轮片锯划切是第三代划切方法。它是把金刚石粉埋在直径约5 0 m m 、厚 2 0 - - 2 5 a m 的镍制轮片的周围( 或在树脂系基片中加进金刚石制成圆锯片) ，使它以每分 钟1 8 0 0 5 0 0 0 0 转的速度旋转，轮片沿硅片的分割线切进，切削液大多数使用水。由于 锯切时微细的硅粉会粘在硅片表面上，就要设法防止其粘附或进行适当的处理。由于该 方法划切准确，所以具有成品率高的优点，目前应用最广。 表1 1 各种期切法的比较 t a b l e1 1d i v e r s i f i e dc u t t i n gm e t h o dc o m p a r i n g 1 2 晶圆划切机的应用现状 半导体材料j j n t 设备作为i c 生产线材料制备的关键设备，一直被国内外研究、生 产厂家所重视，特别随着集成电路产量逐年递增、光刻线条越来越细、芯片越来越薄， 对加工晶片除几何精度等要求外，对晶圆的切割残余应力、表面微观质量、亚深层及深 层机械损伤层等高技术要求被列到了首位。其次，生产率也越来越引起了人们的重视。 1 2 1 国外 国外划切技术于七十年代末已经发展成熟，八十年代中期，大部分划切机都可加工 1 2 5 m m ( 5 英寸) 以上大直径单晶。像瑞士的迈尔布格耶公司的卧式内圆划切机， 切割棒料直径最大可达3 0 4 8 m m ( 1 2 英寸) 。在八十年代中期以后的一、二年，划切技 术发展到鼎盛时期，相当的多功能全自动划切机相继产品化1 6 1 。 进入九十年代后，就划切机的功能而吉，已经相当齐全，而且复合化，划切方式也 多种多样。八十年代所说的梳状划切已不再新颖，并已被边切片单井边旋转、带有端面 研磨的切片、采用气垫消除刀片弯曲变形的划切等形式所取代【7 1 。具有自动修整刀片的 2 东北大学硕士论文 第一章绪论 功能：划切的同时棒料自动滚磨以减少单晶弯曲度等等，不乏其有。近几年来，日本东 京精密株式会社开发生产了片予组合加工系统，把单并装卡、切片、传片、拆除石墨支 承片、倒角、擦洗、检查、分选、储存等多道工序集成，把多台多种设备、装置按工艺 流程连接起来。实现了片子加工过程全线自动化。 世界生产划切机的著名厂家为数不多，主要有瑞士m e y e r - b u r g e ra g 公司的t s 系列 机，日本t o k y os e m i t s u 株式会社的t s k ( 若干) 系列机，日本d i s c o 株式会社的d a d 系 列机，日本o k a m o t om a c h i n e 株式会社的a s m 系列机，德国g n 公司的i d s 系列机，美国 k a y e x 公司的d s 系列机，美国s t c 公司的s t c 系列机( 该公司于八十年代末被拍卖给日 本东京精密，已不复存在) f 8 ) 。实质上，世界的划切机生产厂商基本形成两大强劲阵容， 即西欧的t s 系列和东亚的t s k ( 若千) 系列，各领风骚。它们在世界半导体设备划切领 域中，堪称首届一指，不分高低。 1 2 2 国内 我国的划切技术较国外相比起步较晚，成熟的产品也不是很多。但在九十年代中后 期也逐渐涌现出了一些功能非常实用、价格便宜的中小型产品。为了促进i c 封装设备的 国产化，我国的科技人员展开了艰苦卓绝的研究工作，特别是中电科技集团第四十五研 究所，在其推出的1 5 0 m m 翅j 切机中，已将控制平台提升到国际上普遍采用的通用计算 机操作系统，有效缩短了与国际水平的差距，该所研制的h p 6 0 2 精密自动划切机，其主 要性能指标已接近或达到国际同类机型先进水平，在此基础上研制的i - i p 8 0 1 精密自动划 切机是国内第一台妒2 0 0 m m 自动划切机1 9 】，目前已进入最后装调阶段，年内可望上线使 用。 虽然目前我国的半导体封装设备( 如划片机、粘片机、金丝球焊机等) 还主要从美 国、日本、新加坡引进，但国内有许多科研机构，像中国电子科技集团公司第四十五研 究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所和国家固体激光工程技术研究中心 ( 电子部第十一研究所) 1 1 0 1 都在该领域取得了一定的成就。虽然，相对于国外设备在我 国的销售额，国产设备所占的份额还是很小，但1 刍2 0 0 0 年以来，国产设备的销售额逐年 递增，平均增长率在2 5 以上l l ”。随着国产设备的可靠性、适用性的逐步提高，越来越 引起下游生产厂家的注意，国产设备以其方便快捷的服务逐步为下游生产厂家所注重 1 2 l 。 技术的进步和发展推动着设备行业更快的发展，国内对设备的强劲需求会吸引更多 的企业加入设备生产行列，同行业的激烈竞争会加速设备生产企业的技术提升，同时也 会进一步提高国产设备的技术水平，可为客户提供更高性价比的国产设备，从而吸引更 多的客户购买国产设备，进而推动整个设备制造业的快速发展，可以说国产设备的明天 一片光明。 3 东北大学硕士论文 第一章许论 功能；划切的同时棒料自动滚磨以减少单晶弯曲度等等，不乏其有。近几年来，日本东 京精密株式会社开发生产了片子组台加工系统，把单井装卡、切片、传片、拆除石墨支 承片、倒角、擦洗、检查、分选、储存等多道工序集成，把多台多种设备、装置按工艺 流程连接起来，实现了片子加工过程全线自动化。 世界生产划切机的著名厂家为数不多，主要有瑞i m e y e r - b u r g e ra g 公司的t s 系列 机，日本t o k y os e m i t s u 株式会社的t s k ( 若干) 系列机，日本d i s c o 株式会社的d a d 系 列机，日本o k a m o t om a c h i n e 株式会杜的a s m 系列机，德国g n 公司的i d s 系列机，美国 k a y e x 公司的d s 系列机。美国s t c 公司的$ t c 系列机( 该公司于八十年代末被拍卖给日 本东京精密，已不复存在) 口l 。实质上，世界的划切机生产厂商基本形成两大强劲阵容 即西欧的t s 系列和东亚的t s k ( 若干) 系列，各领风骚。它们在世界半导体设备划切领 域中，堪称首届一指，不分高低。 1 2 2 国内 我国的划切技术较国外相比起步较晚，成熟的产品也不是很多。但在九十年代中后 期也逐渐涌现出了一些功能非常实用、价格便宜的中小型产品。为了促进i c 封装设备的 国产化，我国的科技人员展开了艰苦卓绝的研究工作，特别是中电科技集团第四十五研 究所，在其推出的1 5 0 m m 划切机中，已将控制平台提升到国际上普遍采用的通用计算 机操作系统，有效缩短了与国际水平的差距，该所研制的h p 6 0 2 精密自动划切机，其主 要性能指标已接近或达到国际同类机型先进水平，在此基础上研制的h p 8 0 1 精密自动划 切机是国内第一台2 0 0 m m 自动划切机p 1 ，目前已进入最后装调阶段，年内可望上线使 用。 虽然目前我国的半导体封装设备( 如划片机、粘片机、金丝球焊机等) 还主要从美 国、日本、新加坡引进，但国内有许多科研机构，像中国电子科技集团公司第四十五研 究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所和国家固体激光工程技术研究中心 ( 电子部第十一研究所) i l o l 都在该领域取得了一定的成就。虽然，相对于国外设备在我 国的销售额，国产设备所占的份额还是很小，但自2 0 0 0 年以来，国产设备的销售额逐年 递增，平均增长率在2 5 以上f 1 i i 。随着国产设备的可靠性、适用性的逐步提高，越来越 引起下游生产厂家的注意，国产设备以其方便快捷的服务逐步为下游生产厂家所注重 1 1 2 1 。 技术的进步和发展推动着设备行业更快的发震，国内对设备的强劲需求会吸引更多 的企业加入设备生产行列，同行业的激烈竞争会加速设备生产企业的技术提升，同时也 会进一步提高国产设备的技术水平，可为客户提供更高性价比的国产设备从而吸引更 多的客户购买国产设备，进而推动整个设备制造业的快速发展，可以说国产设备的明天 多的客户购买国产设备，进而推动整个设备制造业的快速发展，可以说国产设各的明天 一片光明。 。3 东北大学硕士论文第一章绪论 1 3 课题背景及研究意义 通过对比我国晶圆划切技术与国外的差距，可以得出这样的结论：目前，大规模、 大尺寸的晶圆划切加工设备在很大程度上还是要依赖进口，但在中小型晶圆划切领域， 由于国内的产品功能实用、价格低廉还是有非常好的市场前景的。 加大中小型晶圆划切设备的开发力度，不仅会增加国内产品在中小型生产企业、实 验室等领域的市场份额，还能够推动对大尺寸晶圆划切设备的研发呻】。现有的国内产品 有很多在机械设计环节已经可以与国外同类产品媲美，但由于自动化程度非常低，而导 致很难进一步提高产品的档次和水平。 本课题主要研究的就是中小型晶圆划切设备的自动化，此课题的试制成功为所有国 内的同类产品自动化开辟了一个良好的解决方案，不仅减轻了操作人员的劳动强度，还 能够大大提高生产效率，为企业创造了可观的经济效益。国内自主研发和生产的晶圆划 切机精度可以达到o o l m m ，基本相当于国外同类设备的中档水平，而其价格却是国 外同档次设备的五十分之一【l “。 1 4 课题的主要研究内容 本课题主要完成对沈阳科晶设备制造有限公司原有的e c 4 0 0 型划切机自动控制系 统部分进行较为完善的设计和改造。 e c - 4 0 0 型划切机是根据美国制造的精密化铣磨机床设计而成的。主要适用于实验室 和小型生产企业对各种晶体、陶瓷、玻璃、矿石和金属等材料的划片和切割，划切精度 可达o o l m m 。它是由上位机软件、控制器和机械执行机构三部分组成，其外观如图 1 1 所示，划切加工近景如图1 2 所示，机械执行机构大体结构如图1 3 所示，主要技术 指标如表1 2 。 图1 1 设备外观图 f i g 1 1e q u i p m e n t a p p e a r a n c ef i g u r e 4 东北大学硕士论文第一章绪论 图1 2 设备划切加工近景图 f i g 1 2e q u i p m e n tm a c h i n i n gc l o s es h o t 围1 3 结构简圈 f i g 1 3f r a m e w o r ks k e t c h 其中：l 为机座，2 为x 轴滑板，3 为y 轴步进电机，4 为y 轴手轮，5 为工作台，6 为 5 东北大学硕士论文 第一章绪论 z 轴滑板，7 为z 轴导轨，8 为z 轴步进电机，9 为手轮，l o 为主电机，1 1 为控制面板， 1 2 为动力头，1 3 为防水罩，1 4 为y 轴滑板，1 5 为x 轴步迸电机，1 6 为x 轴手轮，1 7 为底盘，1 8 为二位三通阀。 e c - 4 0 0 型划切机的上位机软件是完成对加工过程中用到的诸如被加工物体形状( 圆 形或方形) 、样品尺寸、片宽、剃刀高度、切割深度、刀片厚度及划切速度和移动速度 等参数的设定。原有软件虽然能够完成对以上各参数的简单设定，但没有图形化界面的 动态显示，操作人员在使用时不能通过上位机的软件界面直观的看到下位机所处的状 态，因此也不能对下位机的运行状况进行监视和控制；而且该软件无法在w i n d o w s x p 的操作系统上运行，极大的影响了产品的销量。该机的控制器部分仅由一些简单的三极 管、电阻、电容等电子元件组成，没有中央处理器和存储器，因此也就无法对上位机软 件下发的数据进行保存和处理，形成了对上位机的完全依赖，造成的直接后果就是一旦 切断了上下位机之间的连接线( 或无意碰掉) ，机械执行机构立即停止，且永远无法从 原位置继续加工，操作人员势必要重新开始手工对刀、参数设定等工作，不可避免的造 成物料的浪费和生产效率低下，如果物料属贵重原料，则会提高生产成本，降低市场竞 争力。此外，上位机与控制器之间的连接采用单一的并口通讯，也不利于系统的可扩展 性。 表1 2e c - 4 0 0 主要技术指标 t a b l e1 2e c 一4 0 0t e c h n i c a lg u i d e l i n e 针对上述问题，本课题制定了以下三方面的改进方案。 首先，硬件系统中加入一片a t 8 9 c 5 1 作为c p u ，对其编制相应的程序；根据步进 电机的原理和特性及系统要求的技术指标，设计出合理的单片机控制驱动电路；实现对 6 。 东北大学硕士论文第一章绪论 空间三个坐标轴的同时控制。 其次，由于软件系统无法在w i n d o w s x p 操作系统下运行，必须进行重新开发：为 了兼顾与底层的直接对话和界面开发的快速与高效，采用b o r l a n d 公司面向对象c + + 语 言的最终版本r a d 开发平台c + + b u i l d e r 6 0 ，来实现全部的软件功能。 最后，上下位机之间采用标准的r s 一2 3 2 串口进行通讯，利用拨码开关将控制信息 分为两路：上位机既可以通过并口将控制信息直接下发到受控对象；也可以通过串口将 一些必要的参数以字节数据的形式下发给单片机。这样就实现了串、并两种方式的通讯。 除了实现以上三方面的设计之外，本文还设计了基于i n t e r n e t 的远程客户服务系统 的结构、主要功能和实现的关键技术，在故障诊断方面提出了基于向量空间模型的条目 匹配度搜索算法，为未来软件实现远程客户服务提供了一个良好的解决方案参考。 东北大学硕士论文第二章晶圆划切机的总体设计 第二章晶圆划切机的总体设计 2 1 工作原理 晶圆划切机属精密切割与划片专用设备。被切割的工件通常是圆形或正方形的薄、 脆、硬硅片，切割前大片的尺寸最小是直径为5 0 m m 的圆形片，最大是边长为2 0 0 m m 的正方形片，切割后小粒子的尺寸最小是边长为o 2 m m 的正方形。切割后小粒子的形 状有正方形、长方形和正六边形。 人们将硅片切割成四方形或正六边形小片的工艺称做划片或切片，这种加工是磨料 加工的一种形式。晶圆划切机利用小于8 0 0 ”的微细颗粒金刚石粉末制成的厚度最小为 0 0 2 n n ，直径为妒5 0 8 m m 的薄片砂轮刀，在大于8 0 m s 的切割线速度下，砂轮刀片沿 被切件的分割线切进。有只切进硅片厚度的一半，然后再掰开的方法，也有切透整个硅 片厚度的方法。在微机控制下的x 、y 、z 、口四个方向步进电机的精密驱动下，通过x 、 y 、z 向的往复运动以及口向的转动，按照预设的尺寸将大片磨开，如图2 1 所示。 舟割缎太硅砖小枉寻 谢一么 a ) 切利前的硅片b ) 切割后妇硅片 图2 1 硅片分割示意图 f i g 2 1s i l i c o ns l i c e sd i v i s i o ns k e t c hm a p 这种方法具有切断余量少、加工变质层薄的优点。该方法中每个磨粒所造成的裂纹 长度都非常小，因而可以巧妙地控制脆性材料的破坏过程，成为一种可使加工单位变得 很微小的加工技术。 切割过程中需要有冷却液带走砂轮和工件间接触区的摩擦热，清理砂轮，冲走磨屑 和润滑磨削部位。 9 东北大学硕士论文第二章晶圆划切机的总体设计 2 2 基本功能与系统构成 从划切的基本要求出发，晶圆划切机应具备以下些功能和装置。 1 机械执行机构。 ( 1 ) 具有能进行精确平行线切割的机构，所以砂轮刀片或承载工件的承片台应能 做x y 运动。 ( 2 ) 为了切割不同深度的工件和让刀的需要，应具有能进行高度调整的机构，所 以砂轮刀片或承片台应能做z 运动。 ( 3 ) 为了固定薄脆工件，应具有合适的夹紧装置。 ( 4 ) 上、下冷却水装置，提供充足的冷却液。 2 计算机控制系统。 ( 1 ) 控制器硬件系统。为整个控制系统提供良好的硬件支撑，包括微处理器、存 储器和驱动电路等。 ( 2 ) 基于p c 的图形化控制软件。提供与用户的高效交互，设定关键参数、图形实 时跟踪显示与监控、响应用户的即时操作及系统的完整帮助信息与向导服务。 ( 3 ) 控制器与p c 的通讯。实现控制器与p c 之间的连接，保证传输的高效、可靠。 2 3 硬件系统的选型 目前世界上集成电路生产厂商几乎都有自己的微控制器系列产品。不同厂商微控制 器的指令不同，开发装置也不兼容。但是从近年来的发展来看，8 0 5 1 系列可能最终形成 微控制器的工业标准。这是因为i n t e l 公司向不同厂家转让8 0 5 1 微控制器的生产权。目 前，8 0 5 1 系列有百余种派生芯片。他们既保留8 0 5 1 核心结构又增加了各个厂商的专用 功能或在原来功能基础上给予补充。这样，速度有所提高，芯片低功耗，封装尺寸又有 很大改进，从而形成广泛的系列。同时，大部分用户已习惯使用它，市场上又向用户提 供了软件包和硬件接口。 2 0 世纪9 0 年代以后逐步开发了1 6 位微控制器8 0 c 2 5 1 和8 0 c 5 1 x a ，与8 0 5 1 指令兼 容。这样就可以重复使用和推广以前开发的程序库。 微控制器8 0 5 1 系列的c 编译器经过多年使用已日趋成熟，可达到专业化水平的c 编译器也被广大用户所认可。另外，只有8 0 5 1 系列被多家公司成功研制出实时多任务 操作系统( r t o s ) ，r t o s 对用户有效管理应用程序的运行、合理分配c p u 时间和资源 都带来了极大的方便，为用户开发复杂应用系统、实现软件产业化带来了好处。开发8 0 5 1 系列的公司很多，目前芯片价格很低，因此可选择性也就最强。 1 6 位微控制器m c s 一8 0 9 6 在2 0 世纪8 0 年代中期制造出来，世界著名微控制器生产 商i n t e l 和p h i l i p s 分别予2 0 世纪9 0 年代初推出1 6 位机8 0 c 2 5 1 和8 0 c 5 1 x a 两个系列。 1 0 东北大学硕士论文 第二章晶圆划切机的总体设计 i n t e l 公司又把原来8 0 9 6 进一步改造，产生了8 0 c 1 9 6 2 9 6 的新产品。s i e m e n s 公司生 产了r i s c 系列的s a b l 6 7 和面向工业控制的c 1 6 6 系列。 嵌入式微控制器在处理速度、寻址能力、兼容性、支持多任务等方面都有很大进步。 在速度上已达到2 0 m h z 以上。这主要是由于在结构上采用流水线设计。一般可以同时 执行几条指令，单周期执行也缩短到1 0 0 n s ，中断响应不超过4 0 0 n s ，有的c p u 还增加了 d s p t ”1 处理器。在寻址能力上，各公司都达到2 4 位线性空间寻址。寻址方式支持间接、 扩展和相对位寻址。微控制器一般都提供两个地址空间，即程序空间和数据空间。芯片 的资源越来越丰富，有f l a s hr o m 、r a m 、a d 、p w m 、c a n 等专用功能模块。o t p e p r o m 也得到了广泛使用。r a m 空间可达1 k 到几k 。有的芯片有两个双工u a r t 。 芯片的电源管理越来越合理，功耗越来越低。f l a s h r o m 一般写1 0 0 0 次没有什么问题。 工作电压具有灵活性，一般2 7 v 5 v 都可以工作叫】。为了适应移动通信相关的低电平， 芯片开始采用电源智能化管理技术。微控制器性能大幅度的提高，也带来了单片机开发 水平的提高。 为将控制功能下放，采用a t 8 9 0 5 1 单片机作为控制器( 下位机系统) 的核心。嵌 入式微控制器( e m b e d d e dm i e r o e o n t r o l l e r s ) 往往是在一硅片上集成c p u 、a d 、d a 、 p w m 口、c a n 网络口等，我国称其为单片机系统n ”。国内这种叫法主要是侧重于其功 能。因为构成计算机的三要素：c p u 、存储器、外设位于个芯片之中，所以称为单片 计算机。它追求的方向是整体化、小型化和廉价。 本文中用c 5 1 对单片机进行程序编制k e i l c 5 1 标准c 编译器为8 0 5 1 微控制器 的软件开发提供了c 语言环境，同时保留了汇编代码高效、快速的特点。c 5 1 编译器的 功能不断增强，可以更加贴近c p u 本身，及其它的衍生产品。c 5 1 已被完全集成到 u v i s i o n 2 的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统， 项目管理器，调试器。u v i s i o a 2i d e 可为它们提供单一而灵活的开发环境。u v i s i o n 2 包 含一个器件数据库( d e v i c ed a t a b a s e ) ，可以自动设置汇编器、编译器、连接定位器及调试 器选项，来满足用户充分利用特定微控制器的要求。u v i s i o n 2 的强大功能有助于用户按 期完工：集成源极浏览器利用符号数据库使用户可以快速浏览源文件，用详细的符号信 息来优化用户变数存储器；在特定文件中执行全局文件搜索；允许在v 2 集成开发环境 下启动用户功能；提供对版本控制系统的入口；对应用程序代码进行深层语法分析：集 成块集代码产生；协助用户的c p u 和外部程序。 c 语言是一个通用的编程语言，它提供高效的代码结构化的编程和丰富的操作符， 不是为任何特殊应用领域而设计。它一般来说限制较少，可以为各种软件任务提供方便 和有效的编程许多应用，用c 比其他语言编程更方便和有效。优化的c x 51c 编译器完 整的实现了a n s i 的c 语言标准。对8 0 5 1 系列来说c x 5 1 不是一个通用的c 编译器， 它首先的目标是生成针对8 0 5 1 的最快和最紧凑的代码c x 5 l ，具有c 编程的弹性和高效 的代码和汇编语言的速度。c 语言不能执行的操作，如输入和输出需要操作系统的支持， 。1 1 。 东北大学硕士论文 第二章晶圆划切机的总体设计 这些操作作为标准库的一部分提供。因为这些函数和语言本身无关，所以c 特别适合对 多平台提供代码。既然c x 5 1 是一个交叉编译器，c 语言的某些方面和标准库就有了改 变或增强以适应一个嵌套的目标处理器的特性。 采用串行和并行通信两种方式实现p c 与控制器的通信。利用r s 2 3 2 实现串行通信 现在，串行通信端口( r s 2 3 2 ) 是计算机上的标准配置，是每台计算机上的必要配 备，通常有c o m l 与c o m 2 两个端口。而在工业应用领域中，r s - 2 3 2 串行通信端口的 使用比一般计算机更普遍。原有系统采用的是并行通信，为了保留与原有系统的兼容， 利用拨码开关实现对串行通信和并行通信的切换。 2 4 软件系统的开发平台 软件产业是个发展迅猛的行业，仅仅十年左右的时间，就实现了四代编程语言的跨 越。从第一代的机器语言到第二代的汇编，再到以f o r t r a n 和c o b o l 语言为代表的第 三代高级语言，直至现在的第四代面向对象的开发，书写了一段开发工兵更新的光 辉历程。从现在的主流开发语言看来，无非有以下几类： m i c r o s o f t 公司的v i s u a ls t u d i o 及其n e t 系列。微软公司由于垄断了操作系统占有 率百分之九十以上的w i n d o w s 操作系统的开发，因此，v i s u a l 系列的开发平台，对 于在w i n 3 2 下的开发有很好的支持。不过，由于其f r a m e w o r k 是m f c ，m f c 因其不 支持p r o p e r t y 及死板的a p p w i z a r d ，在程序开发的初期会大大降低界面开发的效率； 另外，如果程序员需要使用或扩展类库的功能还要熟悉类库的源代码，对于开发非 单一文档类程序来说不是首选。 b o r l a n d 公司的d e l p h i 、c + + b u i l d e r 及c 群系列。b o r l a n d 公司的产品与m i c r o s o f t 公司的产品最大的不同在于所使用的a p p l i c a t i o n f r a m e w o r k 都是o w l ，o w l 是以物 件导向的角度对界面进行开发，因而开发人员不必花费大量的精力在界面的开发 上，可以集中精力在系统的内核及功能完善上下功夫。 s u n 公司的j a v a 系列。由于2 0 世纪9 0 年代互联网的迅速崛起，网络开发的需求大 幅上扬。j a v a 以其良好的跨平台性赢得了网络开发巨大的市场份额。 p o w e r b u i l d e r 是美国p o w e r s o f i 公司于9 0 年代初推出的基于客户朋艮务器体系结构 的面向对象的数据库开发工具，对快速的开发数据库支持的程序是一个高效、快捷 的工具。 综合以上分析，本课题所要开发的应用软件既有串行通信编程，又有图形的实时显 示与跟踪，还要兼顾用户的及时操作响应，由于是实际的工程项目对工期和软件界面的 交互友好程度也有要求，对数据库和网络方面的开发没有特殊要求，所以选择b o r l a n d 公司的c + + b u i l d e r 作为软件的开发平台，串行通信的采用第三方控件m o x a 公司的 p c o m m 控件来实现。p c o m m 是一种用于处理多进程多线程的串口通信软件开发工具， 1 2 东北大学硕士论文第二章晶圆划切机的总体设计 它提供了许多基于a p i 函数的命令集来处理串口通信，可以在v i s u a ls t u d i o 、c + + b u i l d e r 、 d e l p h i 等多种开发平台下使用，且具有传输速度快、使用灵活方便等特点，能够满足复 杂情况下的串口通信要求。 1 3 第三章硬件系统设计 3 1 总体电路设计 现用单片机系统将步进电机的驱动和控制功能下放，上位机只负责人机对话、下传 必要的数据( 如最大速度、手动调整精度、样品长度、切割深度、提刀高度、进刀和撤 刀、x y z 轴的步进电机相应的速度、需要切割钓片数等) 。数据通过r s - 2 3 2 送给9 9 c 5 1 系统，单片机对数据进行必要的处理后，以一定顺序驱动三轴的步进电机合理地运转。 以a t 8 9 c 5 1 作为单片机系统的核心，用c 5 l 对其编制相应程序；针对步进电机特性及 原理，设计出合理的单片机控制驱动电路；以r s 2 3 2 为媒介，制定通信协议；以c + + b u i l d e r 作为软件开发平台，制作上位机的通信界面。系统结构如图3 1 所示。 上位机软件 并行通信广f 。：。： 驱动电路单片杪系统 0 i ii i 与0 图3 1 系统结构图 f i g 3 1s y s t e ma r c h i t e c t u r e 在此系统中，通过串口进行上下位机间的通信，通过并口进行上位机同电机的直接 通信。利用拨码开关将控制信息分为两路：上位机可通过并口将控制信息直接下放到受 控对象：上位机还可通过串口将一些必要的参数以字节数据的形式下发给单片机，8 9 c 5 1 接收到这些数据后将之存于内部存储器中( 编程时以数组的形式出现) ，用c 5 1 编制程 序该程序能完成下述功能； 1 、接受上位机下发数据并能判断之，能上传“接收成功”信号； 2 、在成功接收数据后，能够“脱离上位机”自动处理数据，并将之转化成为步进电 1 5 东北大学硕士论文 第三章硬件系统设计 机所需要的相应的p w m 脉冲信号； 3 、能成功完成“手动”和“自动”的切换； 4 、保证定位精度可达o o l m m 和电机能实现最高转速1 0 0 转分( 这部分须经由设 置8 9 c 5 1 的定时器0 的初值方可实现) ： 5 、实现跟上位机的良好协调，以保证人机界面的真实准确性； 6 、在电机启动、成功接收数据、每完成次切割及切割完成提刀返回原点等标志 性时刻上传给上位机以约定的标志。其中当然包括电机驱动电路的设计。单片机的主要 任务有二：一是与上位机之间的通信，二是对步进电机的控制。这也是单片机的编程思 想。 在k e i l 软件编程环境下，用c 5 1 对8 9 ( 2 5 1 编制程序，后用w a v e 6 0 0 0 软件将c 程 序编译成b i n 格式，使用s u p e r 2 8 0 将其烧入8 9 c 5 1 中。上位机同下位机之间的数据 传输利用r s 2 3 2 实现，在电路板单片机前放置m a x 2 3 2 作为r s 2 3 2 逻辑电平和t t l 电平转换机制。三个步进电机的驱动电路的原理图及印刷电路板图均通过p r o t e l9 9 s e 绘出。上位机以c + + b u i l d e r 为编程环境，实现程序与下位机的通信。由于在进行上、 下位机都有的系统开发时，需要先调试成功一端再进行通信测试，因此在设计好硬件以 后，可以借助串口调试工具进行硬件的调试和修改，待硬件部分没有问题后，再与软件 部分连通。 系统的实现需要硬件和软件双方的协调：驱动电路的设计和8 9 c 5 1 的编程。本文将 系统的调试分成两部分：将用于存储串行数据的数组各个元素予以赋值，进行电机的自 主性试验；用串口调试工具进行串口的实时性通信与监测。 3 2 驱动电路设计 图3 2 、图3 3 和图3 4 分别为驱动电路的原理图、p c b 图和焊好硬件的快照。现分 部分对设计的驱动电路进行解析。基本思想为： ( 1 ) 若由上位机直接控制，则控制信息通过并口来到拨码开关前。拨码开关 2 】的 低4 位和拨码开关【3 】处于“o n ”的状态以保证信号到达与非门，拨码开关【1 】和拨码开关 【2 】的高4 位处于“o f f ”状态以保证单片机的信号进不来，以免发生信号混淆。控制信号 通过驱动电路来控制电机定子绕组中电流的通断，来产生期望的旋转磁场，以带动转子 在不同的速度下运转。 ( 2 ) 若由单片机来发控制脉冲信号，则基本参数由上位机给定， 串1 2 与8 9 c 5 1 之间放置m a x 2 3 2 把i t s - 2 3 2 逻辑电平转换为单片机的t t l 电平。8 9 c 5 1 将下传的数据合理的转化后变为步进电机的具有一定时序的定予脉冲发到2 4 4 ，再到拨 码开关，此时拨码开关【2 】的低4 位和拨码开关 3 】处于 o f f ”的状态以保证并口信号进不 来以免信号混淆，拨码开关【l