????查看更多目录????一、内部接口（板载接口，用于嵌入式系统）1. 并行接口（1）MCU接口MCU 接口（微控制
目录 1.上拉电阻 2.下拉电阻 3.主要作用 电阻在电路中起限制电流的作用，而上拉电阻和下拉电阻是经常提到也是经常用到的电阻。在每个系统的设计中都用到了大量的上拉电阻和下拉电阻，这两者统称为“拉电阻”，最基本的作用是：将状态不确定的信号线通过一个电阻将其箝位至高电平(上拉)或低电平(下拉)，但是无论具体用法如何，这个基本的作用都是相同的，只是在不同应用场合中会对电阻的阻值要求有所不同，下面一起来了解它们吧： 1.上拉电阻 (1)概念：将一个不确定的信号，通过一个电阻与电源VCC相连，固定在高电平。 图1 上拉电阻 (2)原理：在上拉电阻所连接的导线上，如果外部组件未启用，上拉电阻则“微弱地”将输入电压信号“拉高”。当外部组件未连接时，对输入端来说，外部“看上去”就是高阻抗的。这时，通过上拉电阻可以将输入端口处的电压拉高到高电平。如果外部组件启用，它将取消上拉电阻所设置的高电平。通过这样，上拉电阻可以使引脚即使在未连接外部组件的时候也能保持确定的逻辑电平。 2.下拉电阻 概念：将一个不确定的信号，通过一个电阻与GND相连，固定在低电平。 图2 下拉电阻 3.主要作用 下拉电阻的主要作用是与上接电阻一起在电路驱动器关闭时给线路(节点)以一个固定的电平。 (1)提高电压准位： a)当TTL电路驱动COMS电路时，如果TTL电路输出的高电平低于COMS电路的最低高电平(一般为3.5V)， 这时就需要在TTL的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。 b)OC门电路必须加上拉电阻，以提高输出的高电平值。 (2)加大输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。 (3)电阻匹配，抑制反射波干扰：长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射波干扰。 (4)N/Apin防静电、防干扰：在COMS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生降低输入阻抗，提供泄荷通路。同时管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。 (5)预设空间状态/缺省电位：在一些CMOS输入端接上或下拉电阻是为了预设缺省电位。当你不用这些引脚的时候，这些输入端下拉接0或上拉接1。在I2C总线等总线上，空闲时的状态是由上下拉电阻获得 (6)提高芯片输入信号的噪声容限：输入端如果是高阻状态，或者高阻抗输入端处于悬空状态，此时需要加上拉或下拉，以免收到随机电平而影响电路工作。同样如果输出端处于被动状态，需要加上拉或下拉，如输出端仅仅是一个三极管的集电极。从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。 以上就是上拉电阻与下拉电阻的作用介绍了。对于上拉电阻和下拉电阻的选择，应结合开关管特性和下级电路的输入特性进行设定;考虑的因素包括：驱动能力与功耗的平衡，下级电路的驱动需求，高低电平的设定，频率特性等等。
CAN 协议即控制器局域网络 (Controller Area Network)简称，由研发和生产汽车电子产品著称的德国 BOSCH 公司开发，成为国际标准ISO11519以及ISO11898。
配网自动化系统一般由下列层次组成：配电主站、配电子站（常设在变电站内，可选配）、配电远方终端（FTU、DTU、TTU等）和通信网络。配电主站位于城市调度中心，配电子站部署于110kV/35kV变电站，子站负责与所辖区域DTU/TTU/FTU等电力终端设备通信，主站负责与各个子站之间通信。 1、开闭所终端设备（DTU） DTU一般安装在常规的开闭所（站）、户外小型开闭所、环网柜、小型变电站、箱式变电站等处，完成对开关设备的位置信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，对开关进行分合闸操作，实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电，部分DTU还具备保护和备用电源自动投入的功能。 1.1 定义 DTU一般安装在常规的开闭所（站）、户外小型开闭所、环网柜、小型变电站、箱式变电站等处，完成对开关设备的位置信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，对开关进行分合闸操作，实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电。 1.2 特点 1) 机箱结构采用标准4U半（全）机箱，增强型设计；2）采用后插拔接线方式，整体面板，全封闭设计；3） 率先采用基于CANBUS总线的智能插件方案，极大地减少了插件间接线，完全避免了插件接触不良的隐患，装置运行可靠性高；4）智能插件方案的采用，使机箱母板标准化，便于生产及现场维护；5）装置不同类插件在结构设计时保证不能互插，提高整体安全性；6）采用32位D浮点型SP，系统性能先进；7）采用16位A/D转换芯片，采样精度高； 8）采用大规模可编程逻辑芯片，减少外围电路，提高可靠性；9）大容量存储器设计，使得报文及事故录波完全现场需求；10）采用多层印制板电路和SMT表面贴装技术，装置的抗干扰性能强；11）测量回路精度软件自动校准，免调试，减小现场定检等维护时间；12）超强的电磁兼容能力，能适应恶劣的工作环境；13）功能强大的PC支持工具，具有完善灵活的分析软件，便于事故分析；14）简单可靠的保护处理系统（DSP）与成熟的实时多任务操作系统相结合，既保证功能可靠性，又能满足网络通讯、人机界面的实时性；15）支持RS232/RS485、Enthernet等多种通讯接口,内置Enthernet使得工程应用简单、可靠；16）支持IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104等标准规约；17）各装置独立的掉电保持时钟系统及带对时脉冲的GPS对时系统。 1.3 功能 遥测（1）交流电气测量Ia、Ib 、Ic、In、Uab、Ucb、Ua、Ub、Uc，Un等任意组合，一般Uab和Ucb分别取开关两侧，监视馈线两端的供电情况。（2）两表法或三表法，软件计算出P、Q、Pa、Pb、Pc、f、cos∮等，根据主站需要上传；（3）保护Ia、Ic的记录上传；（4）直流模拟量：两路，电池电压、温度等。遥信 （1）开关状态信号， SOE；（2）开关储能信号、操作电源；（3）压力信号等；（4）电池低电压告警；（5）保护动作和异常信号；（6）其他状态信号。遥控（1）开关的分合，失电后可进行2次以上分合操作；（2）电池的维护；（3）保护信号远方复归；（4）其他遥控。数据传输功能能与上级站进行通信，将采集和处理信息向上发送并接受上级站的控制命令。和上级的校时。其他终端的信息向上转发。电能量信息向上转发。主动上传事故信息（可选功能）。具有当地维护通信接口。通信规约：支持DL/T 634.5101-2002（IEC60870-5-101）、DL/T634.5104-2002（IEC60870-5-104）、DL/T 451-91循环式远动规约、DNP3.0、SC1801、MODBUS等多种通信规约，并可按需要进行扩充。通信接口：RS-232/485、工业以太网、CAN。通信信道：可支持光纤、载波、无线扩频、无线数传电台、CDMA、GPRS以及ADSL等多种通讯形式，由用户任选。故障识别、隔离隔离恢复供电及保护具有速断、延时过电流（复合低电压）保护、重合闸功能 ，根据馈线自动化方案选配。监测故障电流，记录过电流时间、过电流最大值，上报配电子站、配电主站。配电子站、配电主站根据各开关DTU上报过电流故障信息和开关跳闸信息，按照配电网变结构耗散拓扑模型，进行故障区域判断，指出故障区域，生成故障隔离命令序列和非故障区域恢复供电命令序列。自动或人机交互下发执行。就地操作DTU内有分、合闸按钮，实现就地操作。有就地/遥控选择开关，维护放电按钮等。环网功能当DTU设置为联络开关时，根据一侧或二侧PT受电状态，按整定值自动控制开关合分。在开关双侧有电时，禁止联络开关合闸。需要联网运行的，主站要进行专门设置和确认。当一侧失电时，根据FA方案和主站的设置，允许自动合闸的，自动控制合闸，以迅速地恢复供电。定值下装、上传功能速断定值、使能；过电流定值，时间常数、使能；重合闸时间、使能；环网功能设置、取消。当地维护功能通过DTU上的标准通信维护接口，利用专用维护软件进行调试及维护。包括参数定值配置、检查；遥测、遥信、遥控、对时测试召测；数据上传、通信等。自诊断、自恢复功能具有自诊断功能，当发现DTU的内存、时钟、I/O等异常，马上记录并上报。具有上电自恢复功能。电源UPS和电池维护功能满足操作机构、终端设备和通信装置用电。DTU双电源供电，一侧电源失电后仍可持续工作。平时由主电源给DTU供电，同时给电池浮充。双侧电源失电后由电池供电，DTU可继续工作24小时（电台除外）。电池低电压告警保护功能。电池自动维护：在规定的时间内由调度员下发电池维护命令，电池开始放电，电池低电压时自动停止放电，自动切换由主电源供电，并给蓄电池充电。电池充电采用恒压限流充电，确保安全。 2、馈线终端设备（FTU） FTU 是装设在馈线开关旁的开关监控装置。这些馈线开关指的是户外的柱上开关，例如10kV线路上的断路器、负荷开关、分段开关等。一般来说，1台FTU要求能监控1台柱上开关，主要原因是柱上开关大多分散安装，若遇同杆架设情况，这时可以1台FTU监控两台柱上开关。 2.1 定义 FTU 是装设在馈线开关旁的开关监控装置。这些馈线开关指的是户外的柱上开关，例如10kV线路上的断路器、负荷开关、分段开关等。一般来说，1台FTU要求能监控1台柱上开关，主要原因是柱上开关大多分散安装，若遇同杆架设情况，这时可以1台FTU监控两台柱上开关。 2.2 特点 FTU采用了先进的DSP 数字信号处理技术、多CPU集成技术、高速工业网络通信技术，采用嵌入式实时多任务操作系统，稳定性强、可靠性高、实时性好、适应环境广、功能强大，是一种集遥测、遥信、遥控、保护和通信等功能于一体的新一代馈线自动化远方终端装置。适用于城市、农村、企业配电网的自动化工程，完成环网柜、柱上开关的监视、控制和保护以及通信等自动化功能。配合配电子站、主站实现配电线路的正常监控和故障识别、隔离和非故障区段恢复供电。 2.3 功能 遥测（1）交流电气测量Ia、Ib 、Ic、In、Uab、Ucb、Ua、Ub、Uc，Un等任意组合，一般Uab和Ucb分别取开关两侧，监视馈线两端的供电情况。（2）两表法或三表法，软件计算出P、Q、Pa、Pb、Pc、f、cos∮等，根据主站需要上传；（3）保护Ia、Ic的记录上传；（4）直流模拟量：两路，电池电压、温度等。 遥信 （1）开关状态信号， SOE；（2）开关储能信号、操作电源；（3）压力信号等；（4）电池低电压告警；（5）保护动作和异常信号；（6）其他状态信号。遥控（1）开关的分合，失电后可进行2次以上分合操作；（2）电池的维护；（3）保护信号远方复归；（4）其他遥控。数据传输功能能与上级站进行通信，将采集和处理信息向上发送并接受上级站的控制命令。和上级的校时。其他终端的信息向上转发。电能量信息向上转发。主动上传事故信息（可选功能）。具有当地维护通信接口。通信规约：支持DL/T 634.5101-2002（IEC60870-5-101）、DL/T634.5104-2002（IEC60870-5-104）、DL/T 451-91循环式远动规约、DNP3.0、SC1801、MODBUS等多种通信规约，并可按需要进行扩充。通信接口：RS-232/485、工业以太网、CAN。通信信道：可支持光纤、载波、无线扩频、无线数传电台、CDMA、GPRS以及ADSL等多种通讯形式，由用户任选。故障识别、隔离、恢复供电及保护具有速断、延时过电流（复合低电压）保护、重合闸功能，根据馈线自动化方案选配。监测故障电流，记录过电流时间、过电流最大值，上报配电子站、配电主站。配电子站、配电主站根据各开关FTU上报过电流故障信息和开关跳闸信息，按照配电网变结构耗散拓扑模型，进行故障区域判断，指出故障区域，生成故障隔离命令序列和非故障区域恢复供电命令序列。自动或人机交互下发执行。就地操作FTU内有分、合闸按钮，实现就地操作。有就地/遥控选择开关，维护放电按钮等。环网功能当FTU设置为联络开关时，根据一侧或二侧PT受电状态，按整定值自动控制开关合分。在开关双侧有电时，禁止联络开关合闸。需要联网运行的，主站要进行专门设置和确认。当一侧失电时，根据FA方案和主站的设置，允许自动合闸的，自动控制合闸，以迅速地恢复供电。定值下装、上传功能速断定值、使能；过电流定值，时间常数、使能；重合闸时间、使能；环网功能设置、取消。当地维护功能通过FTU上的标准通信维护接口，利用专用维护软件进行调试及维护。包括参数定值配置、检查；遥测、遥信、遥控、对时测试召测；数据上传、通信等。自诊断、自恢复功能具有自诊断功能，当发现FTU的内存、时钟、I/O等异常，马上记录并上报。具有上电自恢复功能。电源UPS和电池维护功能满足操作机构、终端设备和通信装置用电。FTU双电源供电，一侧电源失电后仍可持续工作。平时由主电源给FTU供电，同时给电池浮充。双侧电源失电后由电池供电，FTU可继续工作24小时（电台除外）。电池低电压告警保护功能。电池自动维护：在规定的时间内由调度员下发电池维护命令，电池开始放电，电池低电压时自动停止放电，自动切换由主电源供电，并给蓄电池充电。电池充电采用恒压限流充电，确保安全。 3、配变终端设备（TTU） TTU监测并记录配电变压器运行工况，根据低压侧三相电压、电流采样值，每隔1～2分钟计算一次电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能等运行参数，记录并保存一段时间（一周或一个月）和典型日上述数组的整点值，电压、电流的最大值、最小值及其出现时间，供电中断时间及恢复时间，记录数据保存在装置的不挥发内存中，在装置断电时记录内容不丢失。配网主站通过通信系统定时读取TTU测量值及历史记录，及时发现变压器过负荷及停电等运行问题，根据记录数据，统计分析电压合格率、供电可靠性以及负荷特性，并为负荷预测、配电网规划及事故分析提供基础数据。如不具备通信条件，使用掌上电脑每隔一周或一个月到现场读取记录，事后转存到配网主站或其它分析系统。TTU构成与FTU类似，由于只有数据采集、记录与通信功能，而无控制功能，结构要简单得多。为简化设计及减少成本，TTU由配变低压侧直接变压整流供电，不配备蓄电池。在就地有无功补偿电容器组时，为避免重复投资，TTU要增加电容器投切控制功能。 3.1定义 TTU监测并记录配电变压器运行工况，根据低压侧三相电压、电流采样值，每隔1～2分钟计算一次电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能等运行参数，记录并保存一段时间（一周或一个月）和典型日上述数组的整点值，电压、电流的最大值、最小值及其出现时间，供电中断时间及恢复时间，记录数据保存在装置的不挥发内存中，在装置断电时记录内容不丢失。配网主站通过通信系统定时读取TTU测量值及历史记录，及时发现变压器过负荷及停电等运行问题，根据记录数据，统计分析电压合格率、供电可靠性以及负荷特性，并为负荷预测、配电网规划及事故分析提供基础数据。如不具备通信条件，使用掌上电脑每隔一周或一个月到现场读取记录，事后转存到配网主站或其它分析系统。 3.2特点 适用于供电公司、县级电力公司、发电厂、工矿企业、部队院校、农村乡电管站、100-500KVA配电变压器台变的监测与电能计量，配合用电监察进行线损考核，还能通过GPRS通信网络将所有数据送到用电管理中心，为低压配电网络优化进行提供最真实最准确的决策依据。 3.3功能 ■ “四合一”综合功能集计量、电能质量监测、配变工况监测、无功补偿四项功能于一体。 ■ 智能无功补偿 智能式电容器可自成系统，电容器自动投切，实现自动无功补偿 ■ 组网灵活 遵循国家电网公司与南网公司现行配变监测系统 规约，方便接入电力企业现有的负荷管理系统与配电管理系统，提供完整的电压无功实时信息，亦可独立组成无功实时信息系统 ■ 工程简便 装置 结构简洁，内部接线少而清晰，电容器积木式组合，便于安装、维护，更方便优化调整补偿容量 4、远程终端设备（RTU） 4.1定义 RTU（Remote Terminal Unit）是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。与常用的可编程控制器PLC相比，RTU通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量的应用。 远程终端设备（RTU）是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从中央计算机发送来得数据转换成命令，实现对设备的功能控制。 4.2特点 （1）通讯距离较长；（2）用于各种环境恶劣的工业现场；（3）模块结构化设计，便于扩展 ；（4）在具有遥信、遥测、遥控领域的水利，电力调度，市政调度等行业广泛使用。 4.3功能 (1) 采集状态量并向远方发送，带有光电隔离，遥信变位优先传送； (2) 采集数据量并向远方发送，带有光电隔离；(3) 直接采集系统工频电量，实现对电压、电流、有功、无功的测量并向远方发送 ，可计算正反向电度；(4) 采集脉冲电度量并向远方发送，带有光电隔离；(5) 接收并执行遥控及返校；(6) 程序自恢复；(7) 设备自诊断(故障诊断到插件级)；(8) 设备自调；(9) 通道监视；(10) 接收并执行遥调；(11) 接收并执行校时命令(包括GPS对时功能 选配)；(12) 与两个及两个以上的主站通讯；(13) 采集事件顺序记录并向远方发送；(14) 提供多个数字接口及多个模拟接口；(15) 可对每个接口特性进行远方/当地设置；(16) 提供若干种通信规约,每个接口可以根据远方/当地设置传输不同规约的数据；(17) 接受远方命令,选择发送各类信息；(18) 可转发多个子站远动信息；(19) 当地显示功能，当地接口有隔离器；(20) 支持与扩频、微波、卫星、载波等设备的通讯；(21) 选配及多规约同时运行，如DL451-91 CDT规约，同进应支持POLLING规约和其他国际标准规约（如DNP3.0、SC1801、101规约）；(22) 可通过电信网和电力系统通道进行远方设置。 主要区别：DTU是SOCKET连接的客户端。因此只有DTU是不能完成数据的无线传输的，还需要有后台软件的配合一起使用。FTU与RTU有以下区别：FTU体积小、数量多，可安置在户外馈线上，设有变送器，直接交流采样，抗高温，耐严寒，适应户外恶劣的环境；而RTU安装在户内，对环境要求高；FTU采集的数据量小，通信速率要求较低，可靠性要求较高；而RTU采集的数据量大，通信速率较高，可靠性要求高，有专用通道。TTU则是单一功能单元，仅对配电变压器的信息采集和控制。
鉴于半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，为实现对晶圆片的高质量和高效率划片，设计了一种全自动激光晶圆划片机。该设计通过机器视觉对准系统获取划片位置，控制系统由上位机和西门子PLC组成，可实现晶圆的自动上下料、十字滑台运动和激光划片功能。实际运行表明，该设备的晶圆划片精度和效率可以满足实际生产需求，可实际应用在半导体晶圆划片生产中，具有自动化水平高和柔性好的特点。 0 引言 划片主要用于碳化硅、蓝宝石、砷化镓等材料的加工，是将半导体晶圆分割成单个芯片的工序。划片要求切缝窄、崩边小、裂纹少、无分层[1]，划片质量直接影响半导体封装成品的可靠性[2-3]。面对半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，晶圆直径不断增大，厚度越来越薄，使得晶圆对外力较为敏感。单位面积上集成的电路不断增加，留给分割的划片道越来越小，无法完成任意线段形状的划切，砂轮划片机已无法完全满足需求。 激光具有单色性好、方向性强、划片效率高等特点，因此激光划片目前已经成为晶圆划片的研究热点。2023年，段凌云等人研究了激光划片砷化镓晶片时加工参数激光脉冲能量、水射流压力、加工速度、水射流角度等对微槽深度、微槽宽度和材料去除率的影响[4]。2022年，许军等人通过湿法台阶刻蚀工艺在电池晶圆上做成切割槽后采用激光划片晶圆，尺寸误差小于10 μm，与金刚石砂轮划片相比具有速度快、维护周期短等优点[5]。2020年，汪于涛等人利用德国的PX100-3-GF激光器对单晶硅切割进行研究，探讨了激光能量、光斑、切缝宽度及切割次数对单晶硅切割的影响[6]。2018年，张乾等人针对激光划片机的自动化生产需求，利用图像识别和模板匹配，在激光划片机上实现晶圆的自动对位，最后通过建立网格节点的方式得出划片轨迹实现晶圆的自动识别与划片，但适应多种复杂晶圆自动对位算法的兼容性存在一定问题[7]。 激光划片机已经成为 半 导 体 行 业 中 的 重 要 设备，日本DISCO公司销售的激光划片机占据了大量的市场份额。随着半导体行业对精度和效率的要求不断提高，激光划片机需要进一步升级。为了满足半导体生产制造中对高效率、高精度、柔性化的要求，设计了一套全自动激光晶圆划片系统，配备了视觉自动对准和自动上下料系统，大大提高了划片效率和质量。 1 系统方案 全自动激光半导体划片机通过高功率激光辐照半导体晶圆表面，利用半导体材料气化或升华原理实现对砷化镓（GaAs）半导体晶圆片的自动划切。激光划片机的总体结构如图1所示。 自动激光划片机由上下料装置、激光装置、划片工作台和控制系统等组成，激光和视觉系统固定，晶圆片放在划片工作台的支架上，工作台带动晶圆片移动实现划片操作。 激光划片的工作过程：上片、对准、划片和下片等。上料吸盘机构将料盒从储料盒中推出来，通过上下料中的定位装置将料盘定位，然后通过传输装置将料盘运送到旋转工作台，旋转工作台利用真空嘴吸附固定料盘，利用视觉自动对位后，利用X/Y轴的往复运动实现自动划片。自动划片完成后下料装置将划切好的晶圆片传送至下一工站。 激光划片机是建立在激光束的聚焦和扫描技术之上，一股激光束通过聚焦透镜和扫描镜被精确聚焦到待划片的材料表面。激光束照射在材料表面，产生高温和高压，形成激光刻蚀效应，从而在材料表面刻出一条刻痕。激光划片机的主要组成部分包括激光源、聚焦透镜、扫描镜、运行工作台和控制系统等，其中激光的功率和工作频率对划片的效率和精度起着决定性作用，故采用美国PAR公司的100/25型CO2激光器，波长为10.6 μm，含有RS232接口。聚焦透镜和扫描镜则负责控制激光束的聚焦和扫描。工作台用 于 放置 待 划 切 的 半 导 体 晶 圆 ，其稳 定 性 对 划片精度具有重要影响。控制系统则负责协调各部件的工作，包括激光束的扫描路径、激光功率和工作时间等。 2 上下料与划片工作台机构设计 上下料系统如图2所示，主要包括上料装置、上下料装置、抓取装置和其他辅助装置。上料装置的运动由步进电机、传动机构和气动抓取装置实现。上下料装置利用升降机构将料盒上下移动到相应位置，由于料盒移动对精度要求不高，故采用丝杠滑块结构，步进电机带动丝杠滑块实现模块的上下直线运动。上料装置利用升降机构的运动移动放有待搬运晶圆片的料盒以适应抓取装置的取料。抓取装置由伸缩气缸、旋转气缸和吸嘴等组成，通过控制系统对步进电机、气缸和真空发生器等进行控制，实现晶圆片的自动上料。自动上下料系统能提高生产效率，降低生产成本，提高昂贵设备的利用率，实现大规模灵活生产。 划片工作台如图3所示，由划片运动装置、真空吸盘和固定装置等组成。划片运动装置能够实现X/Y方向的运动和旋转运动，X/Y方向的精密丝杠平台固定设置于切割工作台平台的下方，通过移动配合激光控制系统实现半导体晶圆的划片。X/Y方向位置分辨率10 nm，最高进给速率1500 mm/min，加速度大于2m/s2，定位精度0.1 μm。X/Y方向的电机根据计算选择功率为400 W的松下A5系列低惯量型伺服电机，额定转速为3000 r/min，额定转矩为1.3 N·m。丝杠采用THK公司的DIK型单螺母滚珠丝杠，行程为500 mm。由于采用机器视觉实现自动对准，要求旋转工作台精度高、响应快、运行平稳，DD马达电气控制精度高且具有高刚性，故采用DD马达直接驱动工件台旋转。DD马达参数：额定转速2.0 r/s，重复定位精度±3″，绝对定位精度±45″，最大输出转矩30 N·m，偏差小于5 μm。 3 控制系统设计 自动激光划片机的控制系统采用“工控机+PLC” 的控制架构体系，模块化设计，即系统由主控单元和运动控制组成。主控机运行上位机软件，利用S7.Net.dll动态链接库向S7-1500 PLC发送命令和接收数据；S7-1500 PLC 与 华 太 模 块 组 成 分 布 式 IO 系统 实现激光 加 工 、上 下 料 等 输 入 / 输 出 信号 的 处理 ，利 用Halcon提供的图像处理算子实现视觉识别对准和检测等。控制系统框图如图4所示。 针对原有激光划片机存在抗干扰能力差、易出现死机等问题，本项目选用西门子S7-1500 PLC作为划片机的下位机运动核心，借助全集成自动化平台实现混合编程。S7-1500 PLC支持PROFINET、PROFIBUS、TCP/IP、OPC UA和Modbus等通信，可方便地实现与上位机软件或远程模块的安全高效通信。X/Y方向定位精度要求高，不允许有误差累计，全程500 mm累计误差不大于3 μm，选分辨率为0.25 μm的光栅尺进行位置测量，实现全闭环控制，如图5所示，控制算法采用模糊PID。 视觉对准系统如图6所示，主要由相机、镜头和光源组成。相机选用分辨率为2592像素×1944像素的黑白工业相机，远心镜头，环形光源。对准是激光刀具或运动平台的运动路径与晶圆划片“轨道”的对齐和定位，能保证划片一直沿着预定轨迹进行，对准系统是划片机实现自动化、高效率加工的基础，直接影响划片的整体精度，是激光划片的关键技术。相机采集晶圆图像后，利用Halcon模板匹配算子找到晶圆边缘，然后利用Hough算子搜索中心线，利用中心线进行角度偏差校正，完成对准操作。 4 验证分析 设计的全自动激光晶圆划片机可实现全自动上下料、自动对焦、自动划片和检测。对砷化镓（GaAs）半导体晶圆片进行划片实验，结果表明，该全自动激光 晶 圆划 片 机 的 划片 精 度 达 ± 10 μm ，划片 线宽 ≤ 0.03 mm，最大划片速度230 mm/s，可以满足半导体晶圆的划片需求，可以为进一步推广激光在全自动晶圆划片系统中的应用提供参考。 5 结束语 面对半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，晶圆直径不断增大，厚度越来越薄，单位面积上电路不断增加，划切道越来越小，砂轮划片机已无法完全满足需求。本文所述全自动激光晶圆划片机具有自动上下料系统和视觉对准系统，可实现多盘的全自动划切，大大提高了划片质量和效率，可以满足目前的晶圆生产需求。
项目中，由于CPU所用的IO的电压比较低，很多IO的电压域的电压都是1.8V，而外围设备电路通常所用的电压是3.3V和5V，当CPU需要与外围设备通信时就会出现通信接口电压不匹配的情况，此时就需要对通信接口进行电平转换。下面我们以I2C接口电路进行分析，电路如下： 那么它是如何实现不同电压域之间的双向通信的呢？ 原理分析 为了便于分析，我们使用其中一根线进行分析，下面是I2C的数据线原理图： 当SDA1输出高电平时：MOS管Q1的Vgs = 0，MOS管关闭，SDA2被电阻R2上拉到3.3V。 当SDA1输出低电平时：MOS管Q1的Vgs = 1.8V，大于导通电压，MOS管导通，SDA2通过MOS管被拉到低电平。 当SDA2输出高电平时：MOS管Q1的Vgs不变，MOS维持关闭状态，SDA1被电阻R1上拉到1.8V。 当SDA2输出低电平时：MOS管不导通，但是它有个寄生二极管！MOS管里的寄生二极管把SDA1拉低到低电平，此时Vgs约等于1.8V，MOS管导通，进一步拉低了SDA1的电压。
摘要： 鉴于半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，为实现对晶圆片的高质量和高效率划片，设计了一种全自动激光晶圆划片机。该设计通过机器视觉对准系统获取划片位置，控制系统由上位机和西门子PLC组成，可实现晶圆的自动上下料、十字滑台运动和激光划片功能。实际运行表明，该设备的晶圆划片精度和效率可以满足实际生产需求，可实际应用在半导体晶圆划片生产中，具有自动化水平高和柔性好的特点。 0 引言 划片主要用于碳化硅、蓝宝石、砷化镓等材料的加工，是将半导体晶圆分割成单个芯片的工序。划片要求切缝窄、崩边小、裂纹少、无分层[1]，划片质量直接影响半导体封装成品的可靠性[2-3]。面对半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，晶圆直径不断增大，厚度越来越薄，使得晶圆对外力较为敏感。单位面积上集成的电路不断增加，留给分割的划片道越来越小，无法完成任意线段形状的划切，砂轮划片机已无法完全满足需求。 激光具有单色性好、方向性强、划片效率高等特点，因此激光划片目前已经成为晶圆划片的研究热点。2023年，段凌云等人研究了激光划片砷化镓晶片时加工参数激光脉冲能量、水射流压力、加工速度、水射流角度等对微槽深度、微槽宽度和材料去除率的影响[4]。2022年，许军等人通过湿法台阶刻蚀工艺在电池晶圆上做成切割槽后采用激光划片晶圆，尺寸误差小于10 μm，与金刚石砂轮划片相比具有速度快、维护周期短等优点[5]。2020年，汪于涛等人利用德国的PX100-3-GF激光器对单晶硅切割进行研究，探讨了激光能量、光斑、切缝宽度及切割次数对单晶硅切割的影响[6]。2018年，张乾等人针对激光划片机的自动化生产需求，利用图像识别和模板匹配，在激光划片机上实现晶圆的自动对位，最后通过建立网格节点的方式得出划片轨迹实现晶圆的自动识别与划片，但适应多种复杂晶圆自动对位算法的兼容性存在一定问题[7]。 激光划片机已经成为 半 导 体 行 业 中 的 重 要 设备，日本DISCO公司销售的激光划片机占据了大量的市场份额。随着半导体行业对精度和效率的要求不断提高，激光划片机需要进一步升级。为了满足半导体生产制造中对高效率、高精度、柔性化的要求，设计了一套全自动激光晶圆划片系统，配备了视觉自动对准和自动上下料系统，大大提高了划片效率和质量。 1 系统方案 全自动激光半导体划片机通过高功率激光辐照半导体晶圆表面，利用半导体材料气化或升华原理实现对砷化镓（GaAs）半导体晶圆片的自动划切。激光划片机的总体结构如图1所示。 自动激光划片机由上下料装置、激光装置、划片工作台和控制系统等组成，激光和视觉系统固定，晶圆片放在划片工作台的支架上，工作台带动晶圆片移动实现划片操作。 激光划片的工作过程：上片、对准、划片和下片等。上料吸盘机构将料盒从储料盒中推出来，通过上下料中的定位装置将料盘定位，然后通过传输装置将料盘运送到旋转工作台，旋转工作台利用真空嘴吸附固定料盘，利用视觉自动对位后，利用X/Y轴的往复运动实现自动划片。自动划片完成后下料装置将划切好的晶圆片传送至下一工站。 激光划片机是建立在激光束的聚焦和扫描技术之上，一股激光束通过聚焦透镜和扫描镜被精确聚焦到待划片的材料表面。激光束照射在材料表面，产生高温和高压，形成激光刻蚀效应，从而在材料表面刻出一条刻痕。激光划片机的主要组成部分包括激光源、聚焦透镜、扫描镜、运行工作台和控制系统等，其中激光的功率和工作频率对划片的效率和精度起着决定性作用，故采用美国PAR公司的100/25型CO2激光器，波长为10.6 μm，含有RS232接口。聚焦透镜和扫描镜则负责控制激光束的聚焦和扫描。工作台用 于 放置 待 划 切 的 半 导 体 晶 圆 ，其稳 定 性 对 划片精度具有重要影响。控制系统则负责协调各部件的工作，包括激光束的扫描路径、激光功率和工作时间等。 2 上下料与划片工作台机构设计 上下料系统如图2所示，主要包括上料装置、上下料装置、抓取装置和其他辅助装置。上料装置的运动由步进电机、传动机构和气动抓取装置实现。上下料装置利用升降机构将料盒上下移动到相应位置，由于料盒移动对精度要求不高，故采用丝杠滑块结构，步进电机带动丝杠滑块实现模块的上下直线运动。上料装置利用升降机构的运动移动放有待搬运晶圆片的料盒以适应抓取装置的取料。抓取装置由伸缩气缸、旋转气缸和吸嘴等组成，通过控制系统对步进电机、气缸和真空发生器等进行控制，实现晶圆片的自动上料。自动上下料系统能提高生产效率，降低生产成本，提高昂贵设备的利用率，实现大规模灵活生产。 划片工作台如图3所示，由划片运动装置、真空吸盘和固定装置等组成。划片运动装置能够实现X/Y方向的运动和旋转运动，X/Y方向的精密丝杠平台固定设置于切割工作台平台的下方，通过移动配合激光控制系统实现半导体晶圆的划片。X/Y方向位置分辨率10 nm，最高进给速率1500 mm/min，加速度大于2m/s2，定位精度0.1 μm。X/Y方向的电机根据计算选择功率为400 W的松下A5系列低惯量型伺服电机，额定转速为3000 r/min，额定转矩为1.3 N·m。丝杠采用THK公司的DIK型单螺母滚珠丝杠，行程为500 mm。由于采用机器视觉实现自动对准，要求旋转工作台精度高、响应快、运行平稳，DD马达电气控制精度高且具有高刚性，故采用DD马达直接驱动工件台旋转。DD马达参数：额定转速2.0 r/s，重复定位精度±3″，绝对定位精度±45″，最大输出转矩30 N·m，偏差小于5 μm。 3 控制系统设计 自动激光划片机的控制系统采用“工控机+PLC” 的控制架构体系，模块化设计，即系统由主控单元和运动控制组成。主控机运行上位机软件，利用S7.Net.dll动态链接库向S7-1500 PLC发送命令和接收数据；S7-1500 PLC 与 华 太 模 块 组 成 分 布 式 IO 系统 实现激光 加 工 、上 下 料 等 输 入 / 输 出 信号 的 处理 ，利 用Halcon提供的图像处理算子实现视觉识别对准和检测等。控制系统框图如图4所示。 针对原有激光划片机存在抗干扰能力差、易出现死机等问题，本项目选用西门子S7-1500 PLC作为划片机的下位机运动核心，借助全集成自动化平台实现混合编程。S7-1500 PLC支持PROFINET、PROFIBUS、TCP/IP、OPC UA和Modbus等通信，可方便地实现与上位机软件或远程模块的安全高效通信。X/Y方向定位精度要求高，不允许有误差累计，全程500 mm累计误差不大于3 μm，选分辨率为0.25 μm的光栅尺进行位置测量，实现全闭环控制，如图5所示，控制算法采用模糊PID。 视觉对准系统如图6所示，主要由相机、镜头和光源组成。相机选用分辨率为2592像素×1944像素的黑白工业相机，远心镜头，环形光源。对准是激光刀具或运动平台的运动路径与晶圆划片“轨道”的对齐和定位，能保证划片一直沿着预定轨迹进行，对准系统是划片机实现自动化、高效率加工的基础，直接影响划片的整体精度，是激光划片的关键技术。相机采集晶圆图像后，利用Halcon模板匹配算子找到晶圆边缘，然后利用Hough算子搜索中心线，利用中心线进行角度偏差校正，完成对准操作。 4 验证分析 设计的全自动激光晶圆划片机可实现全自动上下料、自动对焦、自动划片和检测。对砷化镓（GaAs）半导体晶圆片进行划片实验，结果表明，该全自动激光 晶 圆划 片 机 的 划片 精 度 达 ± 10 μm ，划片 线宽 ≤ 0.03 mm，最大划片速度230 mm/s，可以满足半导体晶圆的划片需求，可以为进一步推广激光在全自动晶圆划片系统中的应用提供参考。 5 结束语 面对半导体不断微型化、高集成化、超精细化的发展趋势，晶圆直径不断增大，厚度越来越薄，单位面积上电路不断增加，划切道越来越小，砂轮划片机已无法完全满足需求。本文所述全自动激光晶圆划片机具有自动上下料系统和视觉对准系统，可实现多盘的全自动划切，大大提高了划片质量和效率，可以满足目前的晶圆生产需求。
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