前言
一般討論運(yùn)動控制的文章都比較偏重于工具機(jī)的范疇，它牽涉到比較多的運(yùn)動軌跡規(guī)劃及控制理論，但由于近年來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)及光電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備的需求也日趨增加。 傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備大多歸類在工廠自動化(FA)的范圍，大多使用PLC控制器來控制生產(chǎn)的流程，然而這些應(yīng)用多半不符合現(xiàn)今要求高產(chǎn)能且高復(fù)雜度的半導(dǎo)體設(shè)備及光電產(chǎn)業(yè)設(shè)備，因?yàn)檩S數(shù)的增加以及控制方式日益復(fù)雜化，設(shè)備所要求的動作不再是簡單的開關(guān)控制或是過程控制，通常用到數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)連結(jié)以及影像檢測系統(tǒng)，而且每次的動作都是根據(jù)外在變量來規(guī)劃，又必須做精確的定位及高速的動作，這些復(fù)雜的功能還必須架構(gòu)在多執(zhí)行緒的程序中執(zhí)行，以往的PLC 的控制器不夠使用。 因此機(jī)器自動化(MA)領(lǐng)域也就日漸抬頭。設(shè)備業(yè)中的軟件工程師工作量日趨繁重，不再只是偏重于機(jī)構(gòu)或是電控，而這些原本的PLC系統(tǒng)也漸漸被軟硬件越來越成熟的PC based 所取代。本文將通過SSCNET系統(tǒng)來討論幾個半導(dǎo)體設(shè)備及光電設(shè)備業(yè)常用的功能，期望通過本文能對正在為兩兆雙星產(chǎn)業(yè)設(shè)備而努力的工程師們有所幫助。

SSCNET的控制架構(gòu)
SSCNET是一個專為運(yùn)動控制所制定的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，它是由三菱電機(jī)名古屋制作所于90年代初期發(fā)展的新一代運(yùn)動控制架構(gòu)，最新的一代(SSCNET III)采用光纖系統(tǒng)，并配合更高性能的伺服驅(qū)動器(J3B)。光是一二代在市場上應(yīng)用已超過兩百萬軸，所以是一個很成功的串行運(yùn)動控制技術(shù)。它的原理并不復(fù)雜，要使用它必須分成四層來說明，如圖一：以SSCNET的規(guī)格來說，每個T代表0.888ms，可以控制6軸。但市面上已有 ADLINK SSCNET motion card 可在0.888ms 控制 12 軸而且是在同一個時鐘周期上，也就是說可以做12軸同動。



1. 馬達(dá)控制層 - 建構(gòu)在三菱的B-type伺服驅(qū)動器中，保留原本三菱的伺服控制技術(shù)并外加了通訊接口，固定時鐘接收伺服指令及傳回伺服狀態(tài)，并控制馬達(dá)的位置、速度及扭力，可用Station ID switch 指定軸號，不受配線順序影響。

2. 網(wǎng)絡(luò)通訊層 - 主要的技術(shù)是在同一條網(wǎng)絡(luò)上的所有軸都依循一個固定的控制周期來運(yùn)作，也就是控制上具有多軸等時性的特性。因此能達(dá)到運(yùn)動控制上的多軸絕對同步，通信上則是以Master/Slave的架構(gòu)來進(jìn)行．ｍａｓｔｅｒIC一般都是在主控計算機(jī)端，Slave IC 則是內(nèi)嵌于伺服驅(qū)動器．ｍａｓｔｅｒIC 負(fù)責(zé)在控制周期內(nèi)將指令傳送至各軸，并接收從各軸Slave IC傳來的信息，其同步時鐘為0.888ms。

3. 運(yùn)動控制層 - 必須有一個同步于SSCNET的運(yùn)動控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將這些指令放到SSCNET．ｍａｓｔｅｒIC 并且將各軸信息．ｍａｓｔｅｒIC 取回。這個控制系統(tǒng)在PC based上有兩種作法：第一種是利用一顆微處理器接．ｍａｓｔｅｒIC 的控制周期中斷，并于固定的時間內(nèi)將該周期的運(yùn)動命令計算出來并送．ｍａｓｔｅｒIC。當(dāng)然同時間也必須讀．ｍａｓｔｅｒIC上的信息，這顆微處理器是獨(dú)立于PC之外，通常會設(shè)計在外圍控制卡上，以凌華的 PCI-8372而言，是采用TI的浮點(diǎn)運(yùn)算DSP。另外一種是利用PC上的CPU接．ｍａｓｔｅｒIC 的控制周期中斷，同樣的，必須于固定的時間內(nèi)將該周期的運(yùn)動命令計算出來并送．ｍａｓｔｅｒIC，以工研院機(jī)械所開發(fā)的SSCNET-N601而言，是采用VenturCom的RTX開發(fā)環(huán)境，前者的好處是穩(wěn)定且方便機(jī)臺設(shè)計者使用，后者的好處是機(jī)臺設(shè)計者可以直接控制SSCNET，但必須考慮同步問題。

4. 使用者接口層 - 這一層是純軟件，通常會與運(yùn)動控制層緊密配合，由于最終的使用者(設(shè)備制造商)還是必須通過運(yùn)動控制卡所附的接口函式或是圖控組件來設(shè)計機(jī)臺的生產(chǎn)程序，所以這一層對于商品化的SSCNET控制卡格外重要。業(yè)界大部分的設(shè)備軟件開發(fā)者都希望有個友善的使用者接口，少部分的使用者則喜歡由運(yùn)動控制層做起。半導(dǎo)體設(shè)備及光電產(chǎn)業(yè)的設(shè)備特性是少量多樣，所以適用于前者，工具機(jī)及產(chǎn)業(yè)機(jī)械的特性是多量少樣，適用于后者。由運(yùn)動控制層做起的使用者多半具有學(xué)術(shù)理論背景，或本來就具有這樣的技術(shù)，所以會希望由控制層作起，如此一來運(yùn)動控制卡就只是一張適配卡。由使用者接口層做起的使用者多半握有設(shè)備生產(chǎn)方式的核心技術(shù)，只要利用廠商開發(fā)出之泛用或?qū)Ｓ煤剑涂梢暂p易的將設(shè)備的功能設(shè)計出來，他們所需要的只是產(chǎn)品的可靠性，并不需要知道太多的運(yùn)動控制理論。如圖一的使用者接口層，使用者的命令是不需要跟SSCNET的通訊周期同步，因此可以降低設(shè)備開發(fā)者的困擾。本文接下來要通過凌華科技(ADLINK) 所開發(fā)的 PCI-8372 SSCNET 12軸運(yùn)動控制卡(如圖二) 來介紹現(xiàn)今半導(dǎo)體業(yè)以及光電產(chǎn)業(yè)常用的功能。



半導(dǎo)體設(shè)備及光電產(chǎn)業(yè)設(shè)備常用的功能
1.load/unload system
上下料裝置是最常見的半導(dǎo)體設(shè)備功能，使用來取代人工上下加工件的動作，通常需要一個單軸運(yùn)動指令來實(shí)現(xiàn)，若機(jī)臺中有多處使用上下料功能，也可以同時呼叫單軸運(yùn)動指令或是一個全軸同動指令來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計者可以根據(jù)所要的位置及速度下命令，并等待到位訊號即可. 這部分要求的是穩(wěn)定以及簡便。

2.Pick & place system
這是組件取放動作，可以是已封裝完成的芯片或是封裝前的晶粒，一般都是靠真空吸嘴以及一個兩軸機(jī)構(gòu)來完成，分為取-提高-平移-降低-放五個步驟，這過程中間也許會夾雜一些影像檢測的動作，或是輸入點(diǎn)檢查動作，或是位置比較動作，利用 ADLINK SSCNET的功能可以讓這五個步驟間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)更平滑，降低震動，增加穩(wěn)定度，又因?yàn)槭荄SP在處理整個動作，所以更可以讓中間插入的額外動作實(shí)時性更好，這部份講求的是周期速度，一般來說越快越好。瓶頸點(diǎn)在于影像檢測快慢跟運(yùn)動之平順度。

3.Die bonding system


Die bonding 過程中需要一個多段式的連續(xù)速度profile，也是一個往返運(yùn)動，中途包含了 bonding時間的調(diào)整，這過程中還必須根據(jù)影像檢測結(jié)果來校正晶粒角度，以及其它 I/O點(diǎn)的配合等等，較低階的機(jī)器無法作移動中的角度校正，往往需要在 bonding 之前停下來校正完畢后再bond，ADLINK SSCNET可以在移動中根據(jù)影像數(shù)據(jù)來校正角度，達(dá)到bonding連續(xù)性的效果，這部份講求的是周期速度，當(dāng)然也是越快越好，除了Motion動作的平順性之外，廠商對bonding的know-how也是關(guān)鍵之一。如圖三是一臺Die Bond Machine，主要動作是把在右邊晶圓上的晶粒取出，并放到左邊的導(dǎo)線架上。若是Flip Chip Bonder 也是可以用連續(xù)速度profile方式實(shí)現(xiàn)。如下圖四便是利用內(nèi)建功能所實(shí)現(xiàn)的 bonding 速度圖，并含有動態(tài)位置校正的部份，因坐標(biāo)軸信息是機(jī)密所沒有顯示出。




4.Wire bonding system


Wire bond 過程比die bond 復(fù)雜一些,，因?yàn)樗倪\(yùn)動方式超過2軸，是一個三度空間運(yùn)動，過程中也需要一個多段式的連續(xù)速度profile，最后一段通常會有一個壓合跟拉斷的動作，wire bond 出來的結(jié)果如圖五所示。ADLINK SSCNET 可以在運(yùn)動中切換到速度及扭力模式，以配合精密的wire bond動作，中途通常沒有影像檢測的校正，只需專注于wire bond之起點(diǎn)跟終點(diǎn)還有路徑及速度即可，利用SSCNET奈米級的高精度 (馬達(dá)一轉(zhuǎn)131,072分辨率)，可以輕易控制wire bond準(zhǔn)確的動作。這部分所要求的motion control是速度，精度以及wire 形狀要一致。

5.Laser repair for TFT-LCD system


TFT-LCD 設(shè)備中的 Laser Repair 同樣也是要求高精度的運(yùn)動控制，每個需要修補(bǔ)的地方被規(guī)劃為幾個的直線片段，修補(bǔ)上需依賴?yán)咨漕^的移動精度以及速度，利用ADLINK SSCNET的高精度定位以及控制命令同步功能，可以修補(bǔ)出精準(zhǔn)的線段，如圖六是一個修補(bǔ)機(jī)臺使用 SSCNET 的測試結(jié)果。

6.IC Inspection by continuously on the fly camera trigger
QFP，BGA等包裝之IC生產(chǎn)出來大多放在 Tray上，要檢查其外觀通常需要一個影像系統(tǒng)配合運(yùn)動控制系統(tǒng)來完成，ADLINK SSCNET 提供動態(tài)位置比較同時輸出觸發(fā)訊號給影像采集卡，如此可以做到動態(tài)影像檢測，提高產(chǎn)能。這樣的應(yīng)用也可以用在 AOI系統(tǒng)。在影像掃描的過程中也可以動態(tài)調(diào)整與受測組件的距離。此應(yīng)用重點(diǎn)在于高速同步觸發(fā)以及實(shí)時位置上。

7.Common working area crash prevention by Interlock function
常常會有雙控制系統(tǒng)需要在同一區(qū)域工作，或者說會同時經(jīng)過一個區(qū)域，此功能類似交通號志，可以避免在同一工作區(qū)域的兩軸相互碰撞，以往可能要由設(shè)計者自行控制，結(jié)果往往是降低生產(chǎn)效能或是因?yàn)榉磻?yīng)不及而導(dǎo)致碰撞。ADLINK SSCNET 提供單一指令設(shè)定這個共同工作區(qū)域的防撞機(jī)制，可以讓后到的軸自動減速，直到區(qū)域凈空才能通過。

8.TFT-LCD carrying by gantry mode
若要搬動重物，比如說是大型LCD Panel，可以利用Gantry Mode功能來完成，此模式對ADLINK SSCNET來說相當(dāng)容易，因?yàn)楦鬏S可以同步控制而且給的是絕對位置指令，所以原理上只是將主軸的指令同時也送給另外一軸，這兩軸的位置就會同步在每個周期之下。在實(shí)際使用上只要指定兩軸為 Gantry Mode 關(guān)系并指定主軸即可。

后記
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