Case Study

晶圆键合系统

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晶圆键合系统简介

晶圆键合通过永久连接两个对齐的晶圆在半导体器件制造中起着至关重要的作用。它支持关键应用，例如晶圆级封装、3D 堆叠和 SOI 等特殊基板的制造。精确执行需要仔细控制力、热量和真空度等参数。

制造晶圆键合系统的 OEM 面临着常见的自动化挑战：用于晶圆处理和校准的多个运动轴、用于真空和安全的大量 I/O 信号以及对高精度的需求。本案例研究详细介绍了我们的客户如何使用RMP EtherCAT主机和运动控制器应对这些挑战。

晶圆键合机中的多轴运动

我们的客户有不同的机器设计，但典型的晶圆键合系统是多轴机器。一种代表性的设计包括大约六个运动轴：一个 X—Y 载物台加一个用于校准的旋转 β 轴，一个用于在受力作用下将晶圆聚合在一起的 Z 轴，以及一个用于晶圆处理的轴（例如，用于装载/卸载晶圆的机械臂或线性滑块）。一些工具为多个粘合站或输送机添加了更多轴。

在对齐过程中，X、Y 和 β 轴以协调方式移动，以达到微米级精度。然后，Z 轴将晶圆平稳地驱动在一起，以避免偏差。该过程需要紧密同步的多轴运动和高级轨迹控制。

Solution

I/O 要求：传感器、阀门和安全联锁

我们的客户需要集成数十到数百个数字和模拟 I/O 点。其中包括：

用于启动真空阀和真空泵的数字输出
用于监控压力传感器的模拟输入，以确认真空度
加热元件的温度控制器输入
用于高压粘合触发器和紫外线灯激活的数字 I/O
联锁门和光幕的安全输入

紧急停止和扭矩关闭联锁等安全信号通常通过以下方式集成 EtherCAT 安全 (FSoE) 符合 SIL 安全标准。OEM 要求在 I/O 和运动之间确定时序，例如在卡盘接触晶圆时精确激活真空或捕获有关运动事件的传感器数据，可从使用中受益 RTTasks。

为什么 OEM 选择基于 PC 的 EtherCAT 运动控制器

OEM 已经评估了传统的 PLC，但最终选择了基于 PC 的解决方案： RMP EtherCAT 主站和运动控制器。主要好处包括：

统一控制器和 HMI: RMP 固件在专用的实时操作系统核心上运行（Windows + InTime RTOS 或 Linux + PREEMPT_RT），而 GUI 和分析则在其他内核上运行。此设置允许在熟悉的软件环境中进行实时控制。
EtherCAT 和模块化 I/O：内置的 EtherCAT 主设备支持与所有驱动器和 I/O 模块的直接计算机通信。OEM 受益于简化的布线和广泛的设备兼容性 (100 多台支持的 EtherCAT 设备）。
可扩展性: RMP 支持多达 128 个协调轴和超过 10,000 个 I/O 点。OEM 无需更换控制器即可轻松扩展其系统。
实时性能：伺服回路以 1 kHz 或更高的频率运行，抖动为微秒级。OEM 确认可重复的运动和 I/O 定时对于粘合精度至关重要。
集成灵活性: RMP 支持 C++、C#、Python 和 gRPC API。OEM 无需专有脚本即可轻松集成视觉库、数据记录和高级功能。

OEM 使用的运动控制功能

OEM 利用多种 RMP 运动功能来满足粘合要求：

协调的多轴移动：对 X、Y、β 进行分组以进行对齐和同步运动。
轨迹直播 （PT、PVT、PVTAJ）：适用于 Z 轴进近和平滑晶圆接触的自定义配置文件。
修改飞行轨迹：根据实时传感器或视觉输入调整对齐方式。
位置捕获：锁定触摸传感器的编码器位置，以保持粘合力的一致性。
龙门架 和 电子齿轮传动：保持双 Y 轴龙门架的垂直度并同步辅助轴。
虚拟（幻影）轴：在硬件可用之前对多轴运动序列进行仿真和测试。

OEM 使用的 I/O 和 EtherCAT 功能

OEM 依赖 RMP 的 I/O 和 EtherCAT 功能：

确定性 I/O 触发：输出信号与精确的运动位置或周期计数相关。
集成的数字/模拟 I/O：对限制、联锁、温度和真空度进行统一 I/O 处理。
高 I/O 数量和 EtherCAT 扩展：跨供应商无缝集成新传感器和模块。
EtherCAT 安全 (FSoE)：可在软件中实现安全的扭矩关闭和急停处理。
高速数据记录：在开发过程中捕获位置、力和 I/O 轨迹。

未来创新：视觉和人工智能

基于 PC 的控制为 OEM 提供了集成机器视觉和人工智能工具的优势。示例包括：

OpenCV 集成：视觉引导的校准程序实时调整动作。
机器学习：粘合力和压力数据用于训练模型以进行过程优化。
ROS 2 兼容性：基于 PC 的控制器可以与 ROS 接口进行仿真和更高级别的编排。

RMP 支持标准 API、实时 Linux（使用 PREEMPT_RT）和 Windows（使用 InTime）以及现代开发环境，支持预测性维护、可视伺服和自主调整回路等高级用例。

结论

构建晶圆键合系统的 OEM 越来越多地采用 RMP EtherCAT 运动控制器因为其性能、可扩展性和集成能力。它为运动、I/O、安全和软件应用提供了基于 PC 的单一平台，可实现快速开发和高精度控制。RMP 支持高级运动功能、确定性 I/O 以及与 AI 和视觉工具的无缝集成，是面向下一代半导体设备的面向未来的解决方案。