多工位转盘式芯片装管设备控制系统设计与实现

田李庄

济南新芯微电子有限公司 山东济南 250101

收发多功能芯片作为微波电路重要类别之一，采用高密度集成射频设计，由包括低噪声放大器、驱动放大器、移相器、衰减器和开关的射频通道，以及包括收发控制电路和幅相控制电路的控制网络组成，拥有体积小、重量轻、集成度高等优点，使其在雷达、通信、探测等关键领域中得到了广泛应用，并对此提出了长寿命的评价要求，如何考核和评价成为当前亟待解决的问题。

1 未来芯片技术发展现状

目前，原子尺度硅材料的基本物理限制使得由摩尔定律驱动的硅技术演进路径似乎正快速接近终点。随着摩尔定律走向终结，人工智能、物联网、超级计算及其相关应用却提出了更高的性能要求，半导体产业步入亟需转变突破发展的关键点，芯片架构、材料、集成、工艺和安全方面的创新研究成为新的突破方向[1]。

1.1 新型晶体管技术

1.1.1 新架构晶体管技术

鳍式场效应晶体管（FinField-EffectTran sistor，FinFET）是当前主流半导体制造工艺采用的晶体管架构，成功地推动了从22纳米到7纳米等数代半导体工艺的发展，并将拓展到5纳米和4纳米工艺节点。全环栅晶体管（Gate-All AroundField-EffectTransistors，GAAFET）是一种继续延续现有半导体技术路线寿命的较主流技术，可进一步增强栅极控制能力，克服当前技术的物理缩放比例和性能限制。从3纳米开始，韩国三星电子将放弃FinFET架构转向GAAFET架构，计划在2020年底进行3纳米GAAFET产品风险试生产[7]，2021年底进行批量生产。3纳米以下晶体管潜在技术包括互补场效应晶体管（Com plementaryField-EffectTransistors，CFET）、垂直纳米线晶体管、负电容场效应晶体管（NegativeCa pacitanceField-EffectTransistors，NC-FET）、隧穿场效应晶体管（TunnelField-EffectTransistor，TFET）等。

1.1.2 新材料晶体管技术

研究硅基材料的替代材料，开发新型电子器件是解决当前芯片发展瓶颈的另一种解决方法。当前，替代性半导体材料主要包括第三代半导体材料、碳基纳米材料、二维半导体材料等。

1.2 新型存储器芯片技术

当前，静态存储器（StaticRandom-AccessMemory，S RAM）、动态存储器（DynamicRandom AccessMemory，DRAM）、闪存等主流存储器面临着难以逾越的固有技术局限和工艺挑战。以相变存储器（Phase-ChangeMemory，PCM或PCRAM）、磁性存储器（MagnetoresistiveRandomAccessMemory，MRAM）、阻性存储器（ResistiveRandomAccessMemory，ReRAM）、铁电存储器（Ferroelec tricRandomAccessMemory，FRAM）、碳纳米管存储器（NanotubeRandomAccessMemory，NRAM）为代表的新型存储器能够带来独特的性能优势，但均采用新材料制造且工艺严苛，大规模量产仍需一定的时间。其中，PCM、MRAM、Re RAM是普遍认为最有前途的新型非易失性存储器[2]。

2 控制系统软件设计

2.1 多工位转盘式芯片装管设备控制流程

多工位转盘式芯片装管设备用于将芯片在不同工位间进行转运，进行各项检测，按检测结果进行分选，最后将合格芯片快速而准确地装入料管内。在压电振动盘的作用下，芯片沿料道整齐有序地输送至自动上料工位，控制系统各个工位的具体运行流程如下。

（1）转盘到位（转盘上真空吸笔正对下方各工位）。

（2）所有上下驱动轴从上方原点位置（上下驱动轴的起始位置）下压，将真空吸笔下压至各个工位的工作位置，下压到位后，各个工位开始工作。

（3）自动上料工位。真空吸笔下压至芯片上方，并开启真空，在真空吸力的作用下使得芯片脱离下基板，吸附在转盘的真空吸笔上，完成芯片的拾取。

（4）在定位1工位对芯片进行一次定位。

（5）字符检测工位。该工位既检测字符缺陷，也判别芯片方位。根据字符检测结果，如字符有打印错误、缺失或不清晰等缺陷时，记录当前工位的芯片为不合格芯片。

2.2 软件结构设计

本文多工位转盘式芯片装管设备控制系统软件结构包括应用层、任务层和执行层。应用层包括参数设置模块、指令获取模块、数据统计模块和信息显示模块；任务层包括动作模块和数据模块；执行层包括执行单元和采集单元。

2.3 控制系统软件实现

控制系统软件界面显示有总产量、装管总数、排料总数、字符检测失效（非合格）数量和3D引脚检测失效（非合格）数量等信息；输入按钮有开始运行、暂停运行、结束运行、单动等设备运行按钮；电机参数设定按钮有针对分离电机、定位1电机和定位2电机等不同工位电机和针对数字I/O口与视觉检测系统通信的单独调试按钮[3]。

3 结语

本文设备在实际应用中，芯片的检测和装管效率都得到了很大提高，重力式芯片装管设备的装管速度在18000颗/小时左右、，而本文设备的装管速度可达到30000颗/小时以上。在更换上料方式以及相关工位治具和料管形式后，可适用于多种不同封装类型的芯片装管，在控制系统架构基本不变的情况下，可扩大本文芯片装管设备的应用场景。