摘要：本文介紹了SSCNET的控制架構，并通過凌華科技(ADLINK) 所開發(fā)的PCI-8372 SSCNET 12軸運動控制卡來介紹現今
半導體業(yè)以及
光電產業(yè)常用的功能。
puf;"c6e' d\1:1ucV 前言
[T$$od[. dpc=yXg>"c 一般討論運動控制的文章都比較偏重于工具機的范疇，它牽涉到比較多的運動軌跡規(guī)劃及控制理論，但由于近年來半導體產業(yè)及光電產業(yè)的蓬勃發(fā)展，生產設備的需求也日趨增加。 傳統的生產設備大多歸類在工廠自動化(FA)的范圍，大多使用PLC控制器來控制生產的流程，然而這些應用多半不符合現今要求高產能且高復雜度的半導體設備及光電產業(yè)設備，因為軸數的增加以及控制方式日益復雜化，設備所要求的動作不再是簡單的開關控制或是過程控制，通常用到數據庫、網絡連結以及影像檢測系統，而且每次的動作都是根據外在變量來規(guī)劃，又必須做精確的定位及高速的動作，這些復雜的功能還必須架構在多執(zhí)行緒的程序中執(zhí)行，以往的PLC 的控制器不夠使用。 因此機器自動化(MA)領域也就日漸抬頭。設備業(yè)中的軟件工程師工作量日趨繁重，不再只是偏重于機構或是電控，而這些原本的PLC系統也漸漸被軟硬件越來越成熟的PC based 所取代。本文將通過SSCNET系統來討論幾個半導體設備及光電設備業(yè)常用的功能，期望通過本文能對正在為兩兆雙星產業(yè)設備而努力的工程師們有所幫助。
^>P@5gcoE( ByB0>G''. SSCNET的控制架構
,b2O^tJF# ?k T~)k SSCNET是一個專為運動控制所制定的網絡通訊協議，它是由三菱電機名古屋制作所于90年代初期發(fā)展的新一代運動控制架構，最新的一代(SSCNET III)采用
光纖系統，并配合更高性能的伺服驅動器(J3B)。光是一二代在市場上應用已超過兩百萬軸，所以是一個很成功的串行運動控制技術。它的原理并不復雜，要使用它必須分成四層來說明，如圖1：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。
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!0d9<SVC 圖1
:5q*46 n Z3u""oM/ 1. 馬達控制層
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K5 X*p :&=o 建構在三菱的B-type伺服驅動器中，保留原本三菱的伺服控制技術并外加了通訊接口，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。
K|I j71 nvUkbmZG# 2. 網絡通訊層
V, "AG 0SGcz gg 主要的技術是在同一條網絡上的所有軸都依循一個固定的控制周期來運作，也就是控制上具有多軸等時性的特性。因此能達到運動控制上的多軸絕對同步，通信上則是以Master/Slave的架構來進行。Master IC一般都是在主控計算機端，Slave IC 則是內嵌于伺服驅動器。Master IC 負責在控制周期內將指令傳送至各軸，并接收從各軸Slave IC傳來的信息，其同步時鐘為0.888ms。
RmCn&-i 7W >}7 3. 運動控制層
' /@!"IXz G`3vH, 必須有一個同步于SSCNET的運動控制系統，負責將這些指令放到SSCNET的Master IC 并且將各軸信息由Master IC 取回。這個控制系統在PC based上有兩種作法：第一種是利用一顆微處理器接收Master IC 的控制周期中斷，并于固定的時間內將該周期的運動命令計算出來并送給Master IC。當然同時間也必須讀回Master IC上的信息，這顆微處理器是獨立于PC之外，通常會設計在外圍控制卡上，以凌華的 PCI-8372而言，是采用TI的浮點運算DSP。另外一種是利用PC上的CPU接收Master IC 的控制周期中斷，同樣的，必須于固定的時間內將該周期的運動命令計算出來并送給Master IC，以工研院機械所開發(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)定且方便機臺設計者使用，后者的好處是機臺設計者可以直接控制SSCNET，但必須考慮同步問題。
iz,q8}/( Jn^ Wzn[q 4. 使用者接口層
i,U-H\p& SqT"/e]b' 這一層是純軟件，通常會與運動控制層緊密配合，由于最終的使用者(設備制造商)還是必須通過運動控制卡所附的接口函式或是圖控組件來設計機臺的生產程序，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動控制層做起。半導體設備及光電產業(yè)的設備特性是少量多樣，所以適用于前者，工具機及產業(yè)機械的特性是多量少樣，適用于后者。由運動控制層做起的使用者多半具有學術理論背景，或本來就具有這樣的技術，所以會希望由控制層作起，如此一來運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備生產方式的核心技術，只要利用廠商開發(fā)出之泛用或專用函式，就可以輕易的將設備的功能設計出來，他們所需要的只是產品的可靠性，并不需要知道太多的運動控制理論。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軸運動控制卡(如圖2) 來介紹現今半導體業(yè)以及光電產業(yè)常用的功能。
TF ([yZO' 圖2
1. load/unload system
c,u$ tnE) 上下料裝置是最常見的半導體設備功能，使用來取代人工上下加工件的動作，通常需要一個單軸運動指令來實現，若機臺中有多處使用上下料功能，也可以同時呼叫單軸運動指令或是一個全軸同動指令來實現，設計者可以根據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。
D$^7Xhk 2. Pick & place system
!&`7 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構來完成，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折點更平滑，降低震動，增加穩(wěn)定度，又因為是DSP在處理整個動作，所以更可以讓中間插入的額外動作實時性更好，這部份講求的是周期速度，一般來說越快越好。瓶頸點在于影像檢測快慢跟運動之平順度。
:h](;W> H 3. Die bonding system
L>R!A 3G1 Die bonding 過程中需要一個多段式的連續(xù)速度profile，也是一個往返運動，中途包含了 bonding時間的調整，這過程中還必須根據影像檢測結果來校正晶粒角度，以及其它 I/O點的配合等等，較低階的機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可以在移動中根據影像數據來校正角度，達到bonding連續(xù)性的效果，這部份講求的是周期速度，當然也是越快越好，除了Motion動作的平順性之外，廠商對bonding的know-how也是關鍵之一。如圖3是一臺Die Bond Machine，主要動作是把在右邊晶圓上的晶粒取出，并放到左邊的導線架上。若是Flip Chip Bonder 也是可以用連續(xù)速度profile方式實現。如下圖4便是利用內建功能所實現的 bonding 速度圖，并含有動態(tài)位置校正的部份，因坐標軸信息是機密所沒有顯示出。
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^PCL^]W 圖3
@_ tA"E 圖4
4. Wire bonding system
, K"2tb Wire bond 過程比die bond 復雜一些,，因為它的運動方式超過2軸，是一個三度空間運動，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 出來的結果如圖5所示。ADLINK SSCNET 可以在運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之起點跟終點還有路徑及速度即可，利用SSCNET奈米級的高精度 (馬達一轉131,072分辨率)，可以輕易控制wire bond準確的動作。這部分所要求的motion control是速度，精度以及wire 形狀要一致。
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KG./ < "c 圖5
5. Laser repair for TFT-LCD system
b^=8%~?%4 TFT-LCD 設備中的 Laser Repair 同樣也是要求高精度的運動控制，每個需要修補的地方被規(guī)劃為幾個的直線片段，修補上需依賴雷射頭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，可以修補出精準的線段，如圖6是一個修補機臺使用 SSCNET 的測試結果。
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4j=@}!TBt 圖6
6. IC Inspection by continuously on the fly camera trigger
X|QX1dl QFP，BGA等包裝之IC生產出來大多放在 Tray上，要檢查其外觀通常需要一個影像系統配合運動控制系統來完成，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，提高產能。這樣的應用也可以用在 AOI系統。在影像掃描的過程中也可以動態(tài)調整與受測組件的距離。此應用重點在于高速同步觸發(fā)以及實時位置上。
oq m{<g?2 7. Common working area crash prevention by Interlock function
B'#gs' fl 常常會有雙控制系統需要在同一區(qū)域工作，或者說會同時經過一個區(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，以往可能要由設計者自行控制，結果往往是降低生產效能或是因為反應不及而導致碰撞。ADLINK SSCNET 提供單一指令設定這個共同工作區(qū)域的防撞機制，可以讓后到的軸自動減速，直到區(qū)域凈空才能通過。
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$ 8. TFT-LCD carrying by gantry mode
m`4j|5 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來說相當容易，因為各軸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。在實際使用上只要指定兩軸為 Gantry Mode 關系并指定主軸即可。
^/RM;`h0 后記 a0v1L T6 SSCNET是新一代的運動控制技術，擁有傳統運動控制所沒有的優(yōu)點，但設備開發(fā)者常受限于時間的壓力以及自行設計的門坎過高而無緣體會其奧妙，相信這問題可以通過專業(yè)的運動控制卡廠商，通過適當的使用者接口層設計，讓設備開發(fā)者體驗到SSCNET的精華之處。
{7 Mg N'4 參考文獻 IEKX'+t' [1] 黃怡暾，“PC-Based SSCNET 運動控制系統與發(fā)展趨勢”，機械工業(yè)雜志，pp. 247-253頁，二零零三年九月
JeSkNs|vB [2] 鄭中緯，楊信生，曾介亭，曾文鵬，“PC-Based 運動控制網絡控制器之研究”，機械工業(yè)雜志，pp。173-185頁，二零零五年二月
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