工厂在采购主设备时, 虽然已经按当时的工艺、技术条件考虑配套设备的产能与主设备的产能匹配问题, 但是, 随着科学技术的进步和科技人员的努力, 许多技术问题被攻破。使之相关的设备产能向前跨进一大步, 使主设备或配套设备的产能有所提高。但如何使对应的设备的产能也提高到与之相匹配, 使两者产能同步提高, 并且找出解决问题的方法, 是这次改造的目的。

抛光机由于工艺参数及抛光浆的改进, 产能得到提高, 但是配套的贴片机产能没有提高, 即总产能没有得到提高。如何提高贴片机的产能?需要剖析贴片机的内部结构, 找出解决问题的关键部位, 对症下药, 所有问题才能迎刃而解。

1 问题描述

硅晶片(wafer)的抛光是其加工过程中的一道重要工序。抛光工艺分为有蜡抛光和无蜡抛光, 其中, 有蜡抛光代表了先进的抛光工艺。图 1为有蜡抛光和无蜡抛光两种工艺相关设备的图片。有蜡抛光就是把硅晶片用贴片机黏接到陶瓷盘上, 然后再放到抛光机上进行抛光的工艺; 无蜡抛光就是把硅晶片放到带有模板的陶瓷盘上, 然后再放到抛光机上进行抛光的工艺。有蜡抛光与无蜡抛光相比, 产品品质得到提高, 同时还降低了生产成本。目前, 国际上大部分半导体材料生产厂家都采用有蜡抛光工艺。

考察一条Speed fam无蜡抛光生产线的产能时发现, 抛光生产线(简称抛光线)产能不足。抛光线主要由抛光机和贴蜡机组成。正常情况下, 抛光机与贴蜡机产能应该同步进行。产能不足主要是由以下原因引起的。

理论设计抛光线产能:78 RUN/d(1 RUN=4个陶瓷盘, 1个陶瓷盘上有6片晶圆); 实测抛光线产能:78 RUN/d。

理论设计抛光机产能:78 RUN/d; 实测抛光机产能:84~87 RUN/d。

理论设计贴片机产能:78 RUN/d; 实测贴片机产能:78 RUN/d。

该抛光线主要设备为:speed fam抛光机; ENYA贴片机。

抛光线新的理论产能按抛光机计算应为:84~87 RUN/d; 实测产能为:78 RUN/d。

理论产能高于实测产能的原因分析如下。

抛光机产能的提高是由于改进了工艺参数、改进了加工工艺条件, 从而达到84~87 RUN/d。

实测抛光机产能:84 RUN/d。

计算得到抛光机产能P=84×4×6=2 016片/d, 60 480片/月(按30 d计)。

而配套使用的ENYA贴片机的实测产能:78 RUN/d。

计算得到的贴片机产能T:78×4×6=1 872片/d, 56 160片/月(按30 d计)。

可以看出:P＞T。

抛光线的理论产能是由抛光机的产能确定的, 没有考虑贴片机的产能, 由此造成抛光线产能不足。从上述计算中可以看出, 抛光机的产能大于贴片机的产能。所以抛光机产能过剩, 贴片机产能不足。抛光机损失产能:60 480-56 160=4 320片/月; 抛光线只能生产56 160片/月。

得出结论:抛光线产能不足不是因为抛光机产能不足, 而是因为贴片机产能不足, 使之不能同步生产。究其原因就是贴片机贴片的数量少, 抛光机只有等待。

通过上述分析可知, 影响抛光线产能不足的主要原因是贴片机的产能没有跟上抛光机的产能。为了使贴片机的产能与抛光机的产能相匹配, 尽量使贴片机的产能与抛光机的产能最大化同步。也就是贴片机每月需增加4 320片。如何在不影响贴片质量的前提下, 通过提高贴片速度来提高贴片机产能?

ENYA贴片机有5个大部分组成:陶瓷盘上料部分(Loader)、陶瓷盘清洗部分(Cleaner)、贴片部分(Mounter)、陶瓷盘冷却部分(Clooer)和陶瓷盘下料部分(Unloader)。

假设ENYA贴片机5个大部分各部分的工作时间分别为:陶瓷盘上料时间T₁, 时间固定, 没有改善的空间; 陶瓷盘清洗时间T₂, 时间依工艺制定, 有改善的空间, 会影响产品质量; 贴片时间T₃, 有改善的空间; 陶瓷盘冷却时间T₄, 时间依工艺制定, 有改善的空间, 会影响产品质量; 陶瓷盘上料时间T₅, 时间固定, 没有改善的空间。

经过观察、分析、测量、比较和判断发现, T₃远远大于T₁, T₂, T₄和T₅, 其他部分基本处于等待贴片部分完成才能进行工作。由此确认影响贴片机的贴片速度的主要原因在于贴片部分。所以T₃是影响贴片机产能的关键。而找出影响贴片机的贴片时间在贴片部分的哪一部分是问题的关键。

贴片机的贴片部分共有5个部分组成:陶瓷盘(定位、贴片)、硅晶片上升/下降、硅晶片甩蜡、硅晶片定位和硅晶片上料。

贴片机的贴片部分的工作时间分别为:陶瓷盘(定位、贴片)时间t₁, 时间固定, 没有改善空间; 硅晶片上升/下降时间t₂, 硅晶片上升/下降是由步进电机带动, 可以提高升/降速度, 有改善空间; 硅晶片甩蜡时间t₃, 时间依工艺制定, 影响产品质量, 有改善空间; 硅晶片定位时间t₄, 时间固定, 没有改善空间; 硅晶片上料时间t₅:时间固定, 没有改善空间。

经过实际测量, t₂远远大于t₁, t₃, t₄和t₅。其他部分基本处于等待硅晶片上升/下降部分的完成。所以, 确认影响贴片速度的是贴片部分的硅晶片上升/下降部分, 有改善的空间。

从上述分析可知, 硅晶片的上升/下降速度直接影响贴片速度。而影响硅晶片上升/下降速度的是硅片上升/下降步进电机的速度, 提高了进电机的速度, 也就提高了贴片的速度。改造之前的每片贴片平均速度为:30 s/片。

2 解决方案

改造之前, 硅片上升/下降电机为东方步进电机。

步进电机型号:PK 564AE-T3.6。

减速比:1/2(带减速齿轮)(具有刹车功能)。

最大速度:1 000 mm/min。

步进电机驱动器型号:RKD514L-A。

提高硅晶片上升/下降电机速度有两种方法:

(1) 提高现有硅片上升/下降步进电机的步进脉冲速度。提高上升/下降电机的速度, 只有提高步进脉冲速度, 这样就可以提高步进电机的速度, 这在理论上是可行的。但在实际工作中, 由于该电机是带有减速机构(兼具刹车功能)的步进电机。速度不可能再提高(经实际测试), 已达极限。因为提高电机的速度在输出端会丢失部分脉冲(减速机输出端), 这是由于步进电机会发生堵转。所以, 每次定位都会有累计误差, 因而达不到进给量(定位不准)。

(2) 改用不带减速机构的伺服电机替代步进电机定位。伺服电机可以不采用减速机构, 直接带动负载。伺服电机的定位精度是靠编码器决定的, 速度调节灵活, 不存在丢失脉冲现象。并且, 可以选择具有刹车功能的伺服电机。

最后决定采用交流伺服电机替代步进电机的改造方案, 提高硅片上升/下降速度, 从而提高贴片速度, 达到提高贴片机产能的目的, 进而提高了抛光机产能。

3 解决方案基本原理及方法

原控制系统见图 2, 改造后的控制系统见图 3。改造前的控制系统采用陈旧的脉冲发生器UDC 26向步进电机提供步进脉冲。控制和调试都不方便。步进电机无反馈信号, 定位不精确。为了今后维修、维护方便, 采用三菱PLC代替UDC 26提供脉冲输出。采用松下伺服电机替代原有东方步进电机, 控制方便, 有位置反馈信号, 定位精确^[1]。

控制系统比较见表 1。控制电路图见图 4。

布线、接线、设置参数。PLC输入/输出表及各参数列出PLC输入/输出接点见表 2。与大PLC(OMRON)对应, 并进行相关的连线, PLC输入表和PLC输出表见表 3。

图 5为PLC的部分梯形图^[2-5]。

4 改造后效果分析

本次改造的目的是提高抛光机的产能, 提高经济效益。从表 5中可以看出, 改造后贴片机产能增加了8 640片/月。而抛光机的产能没有改变, 为60 480片/月。因此, 抛光机实际增加产能为4 320片/月。

5 结论

(1) 通过改造, 提高了贴片机的产能, 即提高了抛光机贴片机的产能, 也提高了多设备的利用率, 达到了预期目的。每年可为抛光机提供抛光片51 840片。

(2) 随着市场的需要, 各工厂会在单位时间内提高产能。提高产能的主攻方向就是提高设备的产能。而提高设备产能必然导致随着技术革命的发展, 越来越多的新技术应用到生产中。

从本例看:

UDC26是早期脉冲发生器, 只有脉冲输出, 市场上很难买到, 维修、控制不方便; 而三菱PLC FX1N-60MT具有脉冲输出、接收两项功能。调试、编程、控制方便, 市场采购方便。利于维修、维护, 互换性好。

步进电机控制方便, 但是控制精度不高, 没有位置(编码器)反馈信号, 会有丢失脉冲的现象。特别是带有减速机构的步进电机, 由于减速齿轮的限制, 即使电机达到最高速度, 实际输出速度也无法提升; 而伺服电机控制系统靠编码器反馈机械位置, 控制精度高, 如果功率有效, 不需减速机构, 输出速度可以达到最大值。