硅片切割张力控制策略研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

目前硅片的切片加工技术正朝着效率更高、厚度更雹表面质量更好的方向发展，这也给半导体切片加工设备提出了新的要求和挑战。多线切割机是现如今硅片切割的主流加工设备 ，多线切割机是-种通过切割线的快速往复运动，把磨料带入半导体材料加工区域并对其进行研磨加工，将半导体材料-次性同时加T成几百枚薄片的-种新型切片加工设备 。

图 1多线切割加丁示意图Fig.1 Schemic Diagram of Multi-Wire Cutting典型多线切割加工示意，如图 1所示。硅棒跟随进给机构运动至由数百根切割线组成的切割网并与其接触，同时砂浆中的磨料跟随切割线的运动被带入加工区域对与其接触的待加工材料展开研磨。

在多线切割机加工过程中，切割线上的张力控制尤为重要，张力波动过大容易断线造成整个加工过程停滞 ，张力过小使切片加工精度降低。通常张力值设定在(1540)N，且张力波动不能超过 1N，因此，满足多线切割机要求的张力控制方案应该具有控制精度高、响应速度快、稳定性高等优点 。

2张力控制策略的研究多线切割机电机速度同步控制方案的控制框图，如图 2所示。采用 自适应控制算法同时将张力摆杆的角速度和角度反馈至控制器对收 .女线电机的速度输入进行修正，使其输出线速度紧密跟随加工辊电机的线速度，从而可以对张力进行精确控制。

来稿日期：2012-09-11基金项目：安徽侍育厅重点资助项目(KG2011A043)作者简介：汪世益，(1963-)，男，安徽桐城人，博十，教授，主要研究方向：机电-体化第7期 汪世益等：硅片切割张力控制策略研究 195摆杆角位移和张力波动图2多线切割机速度同步模型参考自适应控制框图Fig.2 MRAC Program of Multi-Wire CuttingSpeed Synchronization Control为取得更好的控制效果，加工辊电机和收，放线电机均采用相同型号(SGMGH-30A)的安川 ∑-lI系列伺服电机。加工辊电机和收傲 线电机在速度控制模式下的数学模型为目：G s) ( )2.1自适应控制机制设置由于两电机的数学模型可以用-阶环节来表示 ，而在整个控制框图中只有收傲 线辊的半径是时变量，因此可以采用如下模型参考自适应控制方案来对电机速度同步误差进行控制。-阶系统模型参考自适应控制框图，如图3所示。

图 3-阶系统模型参考自适应控制框图Fig.3 MRAC Program of First Order System由李雅普诺夫理论，得到下面的自适应律 ：-sgn(6 Ter， -sgn(6 )式中： 示自适应增益的正常数。sgn(b )决定了搜索适当控制器参数的方向。用李雅普诺夫理论来分析系统的稳定性和收敛性质，现取李雅普诺夫函数如下：(e，妒) 1 e I( 2 ) (6)对式(6)取微分可得：矿： -I b I 掣 (7) - DP考虑到多线切割机的速度同步自适应控制系统中 b。为正数 ，可以继续将上式化简：- e <0 (8)根据李雅普诺夫理论判定在此A适应控制规律下，速度同步模型参考自适应控制系统是全局稳定的 。

2.2张力控制反馈项设置为更好的控制张力波动，决定在原有的自适应速度同步控制的基础上将张力摆杆的角位移和张力波动分别反馈至主控制器。如图4所示，对张力摆杆角位移的反馈引入了PID控制，由于PID控制器的前面已经串联了-个积分环节，所以此处的 PID控制器无需积分调节，通过仿真调试，取张力摆杆角位移反馈 PID控制器比例调节系数为 10，取微分调节系数为 100；对于张力波动反馈同样也是引入了 PID控制，而张力波动的实质是对走线速度误差的微分，所以在 PID控制前串联了-个微分环节，另外，对于张力波动反馈 PID控制器只需减小张力波动幅值即可，取比例调节系数为 0.4。

反馈处理图 4张力反镭制模型Fig.4 The Feedback Control Model of Tension Control将上述控制方案和传统 PID控制方案相比较在MATLAB/Simulink下建立张力控制模型，仿真结果，如图 5-图 9所示。从仿真结果可以看出，PID控制和自适应控制方案的线速度误差在走线平稳阶段基本为 0，只是在走丝换向阶段才会有较明显的速度同步误差(不超过 0.08ms-1)，但前者的线速度误差是出于发散状态，并且-直在增大。从张力波动仿真结果可以看出，两种控制策略在走线平稳阶段基本为零 ，只在走丝换向开始、结束以及速度曲线过零点时才会有较大幅度的张力波动。但很显然 PID控制方案的张力波动-直无法稳定 ，而且有增大的趋势，相比之下自适应控制方案的张力波动-直处于稳定状态。

- 磊总图5多线切割走线速度曲线Fig.5 The Curve Speed of Multi-Wire Cutting0.O15O.0l0 0050绷0loo5- 0 01- 0015- 0.02/厂l I Lf 0 5 lO 15 20 25仿真时间(s)图 6 PID控制方案线速度误差Fig.6 The Error of the Speed Synchronization of PID Control机械 设 计 与制 造No.7July.2013Z 仿真时间(s)图7自适应控制方案线速度误差Fig.7 The Error of the Speed Synchronization of MARCtI L IT ]厂 ， - rI l ，I t Z -R仿真时间(s)图8 PID控制方案张力波动Fig.8 The Tension Fluctuation of PID Control - - ”l t I Lj IJ1 1. f 1 - - -仿真时间(s)图 9自适应控制方案张力波动Fig.9 The Tension Fluctuation of MRAC3总结首先对硅片的切片加工技术进行了简要介绍，分析了切割线上张力产生的原因。在此基础上提出了基于伺服电机转矩控制和张力摆杆相结合的张力反镭制方案来替代传统的张力重锤控制方案，并建立了张力控制系统的运动学模型和动力学模型，为张力的反镭制提供了理论依据。

通过建立伺服电机速度控制模式下的数学模型，提出以模型参考 自适应速度同步控制方案为核心，同时将张力摆杆的角速度和角位移反馈至主控制器 ，对收傲 线电机的速度输入进行修正的张力控制策略。在 MATLAB/Simulink下对传统 PID控制策略和所采取的控制策略进行仿真比较，仿真结果表明该控制策略明显优于PID控制策略，能够满足多线切割机张力控制系统的要求。