探针测试台X-Y工作台电机控制

周 豪

（1.中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176；2.三河建华高科有限责任公司，河北 燕郊065201）

据SEMI数据统计，2020年全球半导体测试设备市场规模达到52.2亿美元，2021年将会达到56.1亿美元。随着国内多家晶圆厂及实验室的建立，国内探针台市场规模2019年约为10.25亿元，2022年将增长到15.69亿元。

半导体行业的迅速发展，使半导体产品的加工面积不断缩小，复杂程度与日俱增，生产半导体产品所需的制造设备需要综合运用机械、光学、物理、化学等学科技术，具有技术壁垒高、制造难度大及研发投入高等特点。探针台属于关键的半导体测试装备，在整个半导体产业的多个环节起着重要作用，是晶圆厂和元器件封测企业的重要设备之一。随着自动化技术的飞速发展，自动化探针台搭配测试机能够对出厂晶圆的电气参数、光学参数进行测试，根据测试结果评定上一道工序的工艺质量，并指导下一道工序。

不论哪种类型的探针测试台，X-Y工作台都是其最核心的部件，工作台步进精度的高低直接关乎设备测试晶圆的种类及应用场合，标志着设备控制技术的优劣。借助现代科技的飞速发展，X-Y工作台控制技术也达到前所未有的水平，其中大尺寸晶圆300 mm（12英寸）探针台X-Y工作台X、Y轴定位精度及重复定位精度分别达到2μm和1.5μm确实令人振奋。本文主要介绍几种常用探针台X-Y工作台的结构、特点及控制方法。

1 探针台X-Y工作台分类

探针台X-Y工作台结构主要是3种，以美国EG公司为代表的平面电机型X-Y工作台（又叫磁性气浮工作台）、日本及欧洲国家及国内厂家生产的采用精密滚珠丝杠副和直线导轨结构的X-Y工作台及直线电机X-Y工作台。

2 丝杠导轨型X-Y工作台

探针台常用的X-Y工作台，结构如图1所示。

图1 X-Y工作台结构

该工作台由上层（X向）和下层（Y向）两部分组成，工作台由2个步进（伺服）电机分别驱动X、Y向高刚性、高精密的导轨和丝杆副带动工作台运动，导向部分采用精密直线滚动导轨。运动部分全部采用滚动功能部件，具有传动效率高、摩擦力矩小、使用寿命长等特点。工作台底座采用铸件为基准进行设计，使运动的稳定性得到提升，同时在隔震性能方面也得到提高。其运动控制系统目前多用运动控制卡与电机形成整个闭环的反馈检测，以保证实现高精度运动系统。步进电机作为最常用的控制执行部件，是将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的步进角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。步进电机需要使用专用的步进电机驱动器驱动，驱动器由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。功率驱动单元将脉冲发生控制单元生成的脉冲放大，与步进电机直接耦合，属于步进电机与微控制器的功率接口。控制指令单元，接收脉冲与方向信号，对应的脉冲发生控制单元对应生成一组相应相数的脉冲，经过功率驱动单元后送到步进电机，步进电机在对应方向上转过一个步距角。驱动器的脉冲给定方式决定了步进电机运行方式，一般来说步距角越小，则电机初始启动频率较高有利于电机加速性能的改善，所以运行方式中强调了细分驱动技术，该方式提高了步进电机的转动力矩和分辨率，完全消除了电机的低频振荡。由于目前对X-Y工作台的定位精度要求越来越高，而步进电机控制多为开环方式故无法满足设计要求，而伺服电机控制的优势弥补了步进电机控制的不足。

伺服电机与步进电机相比，伺服电机在控制精度、高低频特性等方面具有较大优势。比如步进电机在低速时易出现低频振动现象，一般采用阻尼技术或细分技术来克服低频振动现象，伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象；步进电机输出力矩随转速的升高而下降，特别是高速时会急剧下降，伺服电机在额定转速内为恒力矩输出，在额定转速时为恒功率输出；过载能力方面，步进电机不具备过载能力，伺服电机有较强的过载能力；运行性能方面，步进电机的控制为开环控制，伺服驱动系统为闭环控制，伺服驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。由于伺服电机自带的编码器只是检测电机输入的脉冲数，而不是严格意义上工作台实际运行的位移，故称为半闭环，如果丝杆有间隙和误差，编码器是不能补偿的，所以就需要光栅尺来作为直线位移的补偿，这种系统称为全闭环控制，控制系统框图如图2所示。由于光栅尺是直线运动的，它是随着工作台的运动而实现位移，并不存在反向间隙，实时的反馈数据给控制系统，系统根据误差作出补偿，这样就能够很精确地控制电机的转动，从而实现精确地定位。另外在速度响应方面步进电机从静止到加速至工作转速需要上百毫秒，而交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒，更加适合快速启停的控制场合。

图2 控制系统框图

该系统中要根据X-Y工作台的定位精度要求经济合理地选择光栅尺的分辨率，做到经济适用。

3 平面电机X-Y步进工作台

平面电机由定子和动子组成，它与传统的步进电机相比，其特殊性就是将定子展开，定子是基础平台，动子和定子间有一层气垫，动子浮于气垫上，所以又叫磁性气浮工作台。可编程承片台则安装在动子之上。这种结构的X-Y工作台，由于动子和定子间无相对摩擦故无磨损，使用寿命长，运行平稳，不会有机械传动发出的噪音，其结构如图3所示。美国EG公司系列探针台基本采用这种结构的X-Y工作台，其经典机型EG2001X、EG4080、EG4090等在国内生产线广泛使用。其驱动电路仍然是传统的PC+I/O+驱动板+电机的模式，集成的驱动器非常少见。以EG2001X为例来介绍电机的驱动原理，其动子由机械部件和电气控制部分组成，机械部分主要是铸件加工的动子腔体及与定子X、Y向齿距匹配的齿槽组成，其控制部分由按一定规则排列的几组线圈组成，将这些线圈按一定的头尾顺序连接后形成电机的ABCD四相绕组，然后和步进电机的控制原理一样，采取A-AB-B-BC-C-CD-D-DA的顺序给绕组依次通电实现平面电机的控制，只是由于平面电机特殊的加工工艺和结构特点，为保证其X-Y较好的定位精度需要做温度补偿和精度补偿工作，这部分电路需要数模和模数电路的转换和处理，就不在此赘述了。平面电机工作台结构简洁，维修保养方便，但由于动子气浮在定子上带载能力较弱，另外电机运行频率高时易出现失步现象。

图3 平面电机X-Y步进工作台结构

4 直线电机x-y工作台

直线电机是一种将电能直接转直线运动机械能而无需通过中问任何转换装置的新颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪声低、组合性强、维护方便等优点。采用直线电机组成的X-Y工作台如图4所示，其主要特点是由于系统中直接取消了丝杠等响应时间常数较大的机械传动件，使整个系统闭环控制的动态响应速度大为提高，也避免了丝杠传动的累计误差。

图4 直线电机X-Y工作台

步进控制位移采用直线光栅尺反馈，全闭环控制，故定位精度高，稳定性好，特别是在大行程、高速度、高精度要求的场合优势与传统丝杠结构工作台相比，优势更加明显。直线电机的控制方法已非常的成熟，其驱动原理与伺服电机的全闭环控制原理非常的相似，还有许多成熟的控制方案，如PC+运动控制卡+I/O+专用驱动器的方式。

5 结束语

本文对探针台x-y工作台常见的几种结构进行了简要介绍，指出了各自的结构特点及控制方式，对测试台X-Y控制的方案确定及选择具有一定的借鉴作用。