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晶圆划片——精准与可靠,保障良率

时间:2022-06-18 16:48:52来源:贝加莱工业自动化(中国)有限公司

导语:​自 2019 年开始,贝加莱逐渐开始拓展渠道伙伴计划,以增强用户服务便捷与即时响应能力。目前,已经有 30+ 的渠道伙伴,他们正在成为贝加莱解决方案的新力量,本文将为大家分享来自半导体制造渠道伙伴的应用案例。

  1 引言

  在半导体后道封装中,通常会经过多个工序,晶圆经过减薄、划片、键合互连、切筋成型等工序形成可被后道应用的成品,而良品率对整个半导体来说是最核心的诉求,整个后道封装过程如图1所示。随着手机、可穿戴设备等市场的快速发展,芯片的尺寸规格变得越来越小、引脚变得更多、先进封装工艺如倒装FC、晶圆级封装WLP、系统级封装SiP等也越来越多被引入,这些使得对于整个流程上下游设备的精度和稳定性要求变得越来越高。

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图 1 芯片封装工艺段流程及设备

晶圆在经过前道减薄工序后,即进入划片阶段,划片机就是其关键设备。划片机的基本流程是将晶圆固定在蓝膜(Mylar)上,使得切开不会散落,然后送料至工作台,通过砂轮刀片沿着X,Y方向将整个晶片精准地被划分为一个个独立的芯片, 并进行视觉在线检测调整机台, 切割后通过下料机构下料,以便后续工序的使用,如图2 所示。

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图 2 晶圆切片

  目前划片机传统上仍依赖进口,系统往往比较老—— 这也是半导体行业的一个显著特点,不会轻易地进行系统切换,以避免潜在的风险。国内某微电子装备企业很早即布局该划片机的开发,通过不懈努力,在该领域率先突破并开启了国产化的进程。

    2 算法与数据处理能力的需求

  晶圆制程工艺非常复杂,历经千辛万苦的晶圆来到这里进行封装,如果在这里出现缺陷而导致废片,这就意味着巨大的成本浪费,因此,划片必须精准、稳定,良品率是核心诉求,而要保障这一点,就必须在视觉检测和运动控制之间实现高速同步功能,以便偏差随时可以被纠正。

     在这个划片的过程中,包含了上片、自动测量(高度、厚度等)、机器视觉定位、计算刀路、生成轨迹文件,然后根据轨迹文件控制裁切刀连续的裁切,最后下片。

      通常为了更高的精度,其中裁切砂轮运行在空气轴承支撑的电机控制下,可以达到60000 RPM速度,这就使得划片本身对检测精度、响应要求极高,并且通过视觉检测数据要实时传输并控制,还要存储起来用于品质改善分析之用。

总之,对于实时性、数据处理能力,是划片机及半导体类设备比较常规性的高要求。

  3 传统解决方案及存在问题

  半导体行业由于算法设计的复杂性以及图形图像处理方面的要求,因此,传统上通常会采用Windows系统的工业PC来进行编程和任务的处理,一般会通过PCI的板卡来扩展I/O和其它设备。其常见架构如图3 所示。但是, Windows系统经常会出现软件崩溃、“死机”等问题, 这会导致正在切割的过程可能会因此中断,也会造成一些晶圆的损坏——这给他们造成很大的被动,要知道,半导体产业良品率和效率是其生命线。

       除了这个原因外,采用PCI的I/O扩展方式与PLC通用的分布式I/O架构相比,并不易于扩展,毕竟可用的PCI 槽位数是有限的。

传统采用 PC+PCI 卡的控制系统.png

图 3 传统采用 PC+PCI 卡的控制系统

  但是,机器却需要更多的检测和控制的需求,这就使得原有的架构不能很好地满足要求。因此,对于用户来说,改变是一种必然的选择——但是,改变也意味着风险,因此,他们需要非常谨慎的评价合作伙伴。

  4 灵活的合作

  在这个时候,来自贝加莱的伙伴——亿德同创与该客户建立了联系,并推荐了整套方案,但是,半导体行业必须谨慎,大家达成一致后,决定分为两步走,先把机器的稳定和扩展性这个问题解决,这是基础,关乎到基本的品质问题。

  最初,亿德同创认为可以直接基于APC或Panel PC 系列来替换整个原来的系统, 但是, 考虑到原有的软件也花费了较长的时间开发,采用的是PCI卡的架构来处理——这种软件和硬件的耦合关系也存在潜在迁徙的难度, 主要是划片的轨迹文件需要处理,以及图形图像任务。但是,为了解决稳定性问题,采用PLC来对这个轨迹文件存取和处理功能,已然解决了当前最大的问题,因为,即使上位的PC死机了,它也不会影响PLC的程序稳定运行。而且,这个PLC还可以代替原有的PCI板卡,来控制变频器、伺服和I/O。  

  亿德同创推荐了贝加莱的X20CP1382,这是一款被称为“网红PLC”的紧凑型PLC,如图4所示,它仅有手掌大,但是自身就配置了POWERLINK实时以太网,以及1个标准以太网、CAN接口、RS232、USB2.0接口,并且自带32 点IO(包括1 路PT1000 温度和2 路模拟量), 比较经济。

  在原有的PC上会生成一个划片轨迹文件,这个文件被保存到指定的共享目录, 通过通讯发送读取命令给X20CP 1382,该P LC即通过共享文件方式读取轨迹文件,保存在内存中,然后通过程序结构指针来访问内存中的文件,并解析然后发送给运动控制及I/O来执行任务。

  其次,在另一方面,图像处理和PLC之间的任务交互也是一个问题,必须能够及时看到切片的情况,才能去调整机台的坐标控制伺服轴的精度,对于两个不同的系统来说,处理这样的事情还是比较麻烦的,不过,对于亿德同创的工程师而言,倒也不是难事,他们写了TCP/IP交互程序,能够达到10mS数量级的调整,就把这个动态的交互问题解决了。

  5 更高性能的Hypervisor技术

  在前期的愉快合作后,用户也开始信任来自亿德同创和贝加莱的产品与技术,他们也认为采用新的PC架构可以直接实现更为集成的架构,并且更为稳定可靠-—— 而程序的移植也并不存在问题。基于Hyper visor技术的PC,可以为不同任务寻求无缝连接的方案,如图5 。今天,像Intel Core i系列或Apollo Lake级的芯片,采用多核技术, 并且擅长图形图像与数据处理的芯片, 加载Windows/Linux这样的通用操作系统,来实现复杂的图形图像、算法任务。而另外的核则用于运行Automation Runtime这样的RTOS,以保障实时任务处理能力。

  这就很好地解决了原有商用PC的各种问题,工业级的PC无风扇设计、更为稳定、抗震动。无论是原有的Windows任务,还是之前的X20CP1382的PLC程序,都可以被轻松移植到新的工业PC上,整体稳定且可靠,同时存储能力、数据处理能力、实时性等性能都在整体上迈上一个新台阶。

  半导体行业需要一个稳定的硬件架构、软件架构来支撑其长期的创新设计,因此,像贝加莱这样的平台架构非常能够满足行业的需求。

 

X20CP1382 一个“网红”的 PLC.png

图 4 X20CP1382 一个“网红”的 PLC

  

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    图 5 贝加莱 Hypervisor 技术

  5 亿德同创,专业伙伴

  作为贝加莱的合作伙伴,亿德同创拥有非常了解客户需求的专家,并且,他们可以根据客户的需求,基于贝加莱的控制系统,来实现不同的任务需求。在硬件组合方面,根据任务的性能与功能需求,亿德同创具备基于贝加莱全方案、基于POWERLINK、CANopen连接的第三方驱动技术;并且,在软件支持方面,拥有非常专业的工程力量。

  自2017年与贝加莱合作至今,亿德同创在包装、制药、电子与半导体领域开启深度的用户合作,他们保持着贝加莱的解决方案能力, 也能充分发挥贝加莱系统的潜能,因此,获得了客户的高度信任,并且公司业务保持持续增长。

  正如亿德同创的技术总监陈巍说道:“贝加莱系统最大的特点在于灵活性,这对于像我们这种以行业解决方案为主的伙伴来说至关重要,因为,我们总是面对各种变化的需求。半导体设备具有非常高的算法、数据处理能力, 贝加莱的Automation Studio平台以及Hypervisor控制器特别适合这一行业的应用需求。”


标签: PLC半导体

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