CC BY
276
УДК 681.513.675
В.В. Кондратов ЗАДАЧА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ ПОДГОНКИ ПЛЁНОЧНЫХ РЕЗИСТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Описывается построение системы адаптивного управления процессом лазерной подгонки на основе анализа получаемой в режиме реального времени информации о технологическом процессе. Предложены методы решения подзадач, возникающих при автоматизации процесса лазерной подгонки плёночных резистивных элементов.
Лазерная подгонка, прецизионная микрообработка, автоматизация технологических процессов, плёночные резистивные элементы
V.V. Kondrashov A PROBLEM OF FILM RESISTIVE ELEMENTS LASER TRIMMING AUTOMATIZATION
In article the development of adaptive control system by process of laser trimming is described. This system is based on the analysis of the information received in a real-time operation mode about a course of technological process.
Methods of the decision of the subtasks arising at automation of laser trimming of film resistive elements are offered.
Laser trimming, precision processing, automatization of technological processes, film resistive elements
Специализированные изделия микроэлектроники, выполненные по плёночной технологии, такие как интегральные схемы, гибридно-плёночные микросборки, кварцевые резонаторы, фильтры и т.д., широко используются в приборостроении и микроэлектронике при создании электронно-вычислительных машин, средств автоматизации, аппаратуры связи, систем управления, измерительных приборов, устройств первичной обработки информации, прецизионных станков и т.д. Плёночные резистивные элементы (РЭ) среди компонентов таких изделий занимают одно из основных мест [1].
Для нормального функционирования электрической схемы после монтажа необходима настройка электрических параметров введением регулируемого элемента (подстроечного потенциометра, конденсатора и т.д.), что в микроэлектронике неприемлемо, либо выполнения операции подгонки.
Разработано большое количество различных методов подгонки РЭ. По способам обработки различают: механические (воздушно-абразивные, соскабливание, скрайбирование); химические (травление, анодирование); термические (токовые, электроискровые, отжиг резистивного материала); лазерные.
По принципу воздействия следует выделить три основных направления: изменения свойств и РЭ (подгонка на основе анодирования, термической обработки и др.); размеров РЭ (изменение ширины, длины или толщины соскабливанием, вырезанием, абразивной обработкой, открыванием резисторов и т.д.); конфигурации РЭ [2].
По общепризнанному мнению, лазерная подгонка плёночных элементов изменением их конфигурации является одним из лучших методов [1, 3, 4]. В этом случае изменение сопротивления резистора зависит от площади удалённой плёнки - длины и ширины реза, а также его конфигурации и ориентации на резисторе. К достоинствам лазерной подгонки относятся: высокая локальность (в т.ч. минимальное воздействие на подложку); возможность применения в ГИС малых размеров и с высокой плотностью размещения элементов; высокая управляемость; малая инерционность процесса; возможность использования обратной связи по подстраиваемому параметру, что позволяет контролировать процесс подгонки в режиме реального времени и подстраивания элементов в работающей схеме; отвечающая современным требованиям производительность [4].
Анализируя применяемое в настоящее время для подгонки сопротивлений РЭ оборудование, можно сделать вывод, что в зависимости от сложности плат, содержащих плёночные элементы (и, в частности, ГИС), а также учитывая объёмы изготовления, применяют как неавтоматизированные установки лазерной подгонки типа МЛ 5-1, АМЦ 06201, так и автоматизированные: МЛ 5-2, АМЦ 06204, Б81 4300. Однако следует отметить, что при использовании современных автоматизированных установок оператор вынужден выполнять значительный объем рутинной работы по анализу ситуации технологического процесса и выбору параметров отработки задания для каждого конкретного резистора. Особенно это характерно для ГИС с высокой сложностью топологического рисунка, а также при подгонке прецизионных плёночных элементов. Кроме того, часто возникает целый ряд осложнений, связанных, в конечном счете, с несовершенством технологии изготовления или небольшими отступлениями от технологических требований и конструкторской документации (КД).
В связи с вышесказанным, следующим этапом развития автоматизации установок лазерной подгонки резисторов является внедрение механизмов анализа и принятия решений с минимальным участием оператора либо полностью в автоматическом режиме. Для построения системы адаптивного управления процессом лазерной подгонки с учётом получаемой в режиме реального времени информации о ходе технологического процесса необходимо решение следующих подзадач:
- автоматическое формирование рабочих файлов задания по КД с применением методов машинного обучения;
- автоматический выбор траектории подгонки в зависимости от выбранного критерия по априорной информации;
- автоматическое определение точки вреза и момента начала подгонки резистора;
- определение параметров долевого перехода по плечам траектории движения лазерного луча;
- адаптивная пошаговая доводка резисторов до номинала;
- автоматическое детектирование и распознавание объектов топологии платы по её видеоизображению;
- обучение по прецедентам для принятия решения об оптимальном управлении процессом подгонки последующих изделий;
- разработка и реализация алгоритма адаптивного управления процессом подгонки с учётом обновляющейся в режиме реального времени информации о ходе технологического процесса.
Автоматическое формирование рабочих файлов задания по КД с применением методов машинного обучения
Ситуация с различными вариантами представления исходных данных для выполнения операции подгонки резисторов характерна для различных предприятий, а также для подразделений внутри одного предприятия. Меняющиеся форматы представления информации (чертёж на бумаге с таблицей сопротивлений и допусков в таблице, файл конструкторской 208
документации от разработчика в виде электронной схемы с размерами и номиналами резисторов, чертёж в формате СЛБ-программ и т.д.) создают существенные трудности при формировании рабочих файлов для отработки задания подгонки. Задача автоматизации процесса формирования рабочих файлов состоит в том, чтобы из имеющихся электронных файлов извлекалась необходимая информация, которая требуется программе управления лазерной установкой для корректного выполнения задания, и на основе этих данных формировался работоспособный «проект», не противоречащий действующим нормативам и руководящим материалам (РМ).
Автоматический выбор траектории подгонки в зависимости от выбранного критерия по априорной информации
В данный момент КД задаёт геометрические размеры резисторов, в лучшем случае регламентируя параметр остаточной ширины после доводки и отступы от проводников, как это показано на рис. 1. Непосредственно выбор типа траектории, длин частей траектории и точки начала подгонки зависит от технолога либо оператора, что существенно увеличивает трудоёмкость и нагрузку на исполнителей, а также служит дополнительным источником ошибок и, как следствие, брака. тело резистора траектория подгонки
На наш взгляд, априорной информации, такой как предварительно замеренное сопротивление, расположение точки начала подгонки резистора относительно его краёв, собственно геометрические размеры элемента - фактическая информация, остаточная ширина и отступы от проводников - нормативные требования, - всего этого, с учётом поставленного критерия,
вполне достаточно для попытки разработки метода интеллектуального принятия решения о выборе траектории подгонки в полностью автоматическом режиме.
В зависимости от желаемой точности и сложности моделирования возможно применение различных методов, таких как аналитический метод расчёта подгоночных характеристик, расчёт методом квадратов, расчёт с помощью сеточного метода, а также экспериментальный метод [5, 6].
Для использования последнего необходим значительный статистический материал, однако область его применения существенно выше, чем у других вышеуказанных, т.к. они применимы в основном для ограниченного числа конфигураций односекционных РЭ.
Автоматическое определение точки вреза и момента начала подгонки резистора
Нередко при подгонке резисторов возникают ситуации, когда отсчёт длины первого плеча траектории подгонки необходимо начинать строго с момента касания пятном лазера поверхности резистора. В основном такая необходимость возникает в случаях, когда первая часть траектории должна быть небольшой (порядка 20..50 мкм), либо при подгонке приёмом «Сканирование». Таким образом, подразумевается, что пятно лазерного излучения автоматически, или оператором должно располагаться как указано на рис. 1.
Однако в случае выполнения данной задачи оператором возникает ряд трудностей, связанных, например, с недостаточным качеством видеоизображения, по которому происходит
Рис. 1. Резистор с заданными по КД параметрами отработки задания
ориентирование, либо с его слишком мелким масштабом. При этом такая ручная коррекция положения пятна лазерного луча перед отработкой каждого резистора существенно повышает общее время выполнения операции подгонки и нагрузку на оператора, снижая технологичность процесса. Отсутствие при производстве ГИС повторяемости должного уровня не позволяет позиционировать пятно заранее с необходимой точностью.
Предлагается два способа решения данной задачи. Первый опирается на анализ значения сопротивления. Используя этот вариант, оператор должен задать параметр, который представляет длину шага L. При начале отработки задания автоматически выполняется рез длиной L в заданном направлении траектории, после этого происходит замер сопротивления резистора и анализ ситуации. По результатам анализа делается вывод, касается пятно лазера поверхности резистора или нет. В случае отрицательного результата делается еще один шаг. Операция повторяется, пока анализ результатов последнего шага не будет свидетельствовать о том, что край резистора обнаружен. С этого момента точкой отсчёта траектории считается найденное положение пятна лазерного излучения.
Таким образом, в ходе поиска края резистора сравнивается сопротивление после текущего п-го шага и предыдущего (п - 1)-го шага, а также среднее арифметическое значение сопротивления за (п - 1) шагов и среднеквадратичное отклонение (СКО) значений. Анализ СКО и среднего арифметического значений сопротивлений применяется для устранения влияния шумов в измерительной системе.
Однако у данного способа имеются недостатки. В частности, в ситуации с медленно меняющимся сопротивлением или при получении в результате некорректных параметров отжига материала с другой структурой подобный способ нахождения края резистора будет работать неточно, либо некорректно. В случае с плохо пропечатанными резисторами, что нередко характерно для толстоплёночных технологий, корректность результата поиска края резистора также подлежит сомнению.
Во втором способе используются данные, получаемые по каналу видеоизображения путём их распознавания и анализа, что будет рассмотрено далее.
Определение параметров долевого перехода по плечам траектории движения лазерного луча
При решении задач по увеличению точности подгонки РЭ необходимо учитывать вопросы стабильности сопротивления, т.к. дрейф резисторов существенно ограничивает точность подгонки. Импульсное нагревание прилегающих к резу участков РЭ сопровождается, как правило, её отжигом, окислением и плавлением в прогретой зоне, а также часто приводит к образованию трещин в плёнке и подложке, что весьма ярко выражено при определённых сочетаниях параметров материалов подложки и плёнки с параметрами обработки. Особенно трудно исключить возникновение трещин в конце реза, что связано со вспышкой поглощения в плёнке, вызванной исчезновением плазмы в момент окончания процесса [1]. Например, для снижения влияния таких трещин можно использовать /-рез, конец которого располагается в менее нагруженной части резистора как показано на рисунке 2, вследствие этого линии тока практически не огибают конечную точку траектории подгонки [7].
Для полного выполнения заданного реза необходимо заранее определять параметры долевого перехода по плечам траектории. Это позволит частично уйти от влияния «претесто-вого» значения сопротивления на конечный вид траектории.
Как видно из рисунка, применение такого метода с указанием всего лишь двух параметров - процентов до номинала, при которых следует переходить к следующей части траектории (в данном случае это 10% и 1% соответственно) - позволяет расположить конечную точку траектории в более безопасной части резистора, а также оставить центральную его часть без изменений.
Кном = 1 кОм Ро = 830 Ом Рі = 900 Ом Рг = 990 Ом Р = Рном = 1 кОм
Рис. 2. Применение долевого перехода по плечам траектории
Кроме того, необходимо отметить, что такой подход позволяет повысить точность подгонки не только стабилизацией резистора, а также использованием участков траектории с медленно меняющимся сопротивлением.
Адаптивная пошаговая доводка резисторов до номинала
При подгонке резисторов важно учитывать фактор локального нагревания зоны воздействия лазерного излучения на резистор и подложку. В процессе подгонки происходит измерение сопротивления РЭ в режиме реального времени, при остывании резистора значение сопротивления («холодный замер») может значительно отличаться от того, на котором остановилась подгонка («горячий замер»). Отсюда следует необходимость учёта влияния температурного коэффициента сопротивления (ТКС) материала резистивного слоя изделия на точность итогового «посттеста». Особенно эта ситуация характерна для толстоплёночных РЭ.
Также при высоких скоростях перемещения лазерного луча в процессе подгонки необходимо учитывать некую инерционность системы в целом. За время с момента формирования измерительной системой сигнала о достижении резистором номинала до получения лазером и зеркалами гальваносканера сигнала о прекращении выполнения задания пятно излучения перемещается на некоторое расстояние. Это приводит тому, что сопротивление РЭ становится выше номинала.
Однако снижение скорости, например, при достижении 99% от номинала не позволит решить проблему, т.к. в этом случае увеличится локальный разогрев резистора.
Для устранения влияния ТКС материала РЭ и инерционности системы на точность технологического процесса предлагается “подгонять” резисторы до номинала методом адаптивной пошаговой доводки как вариантом подстройки с предсказанием, проиллюстрированным на рис. 3 [8].
тело резистора
Рис. 3. Метод адаптивной пошаговой доводки резисторов
Суть метода заключается в следующем. При достижении сопротивлением некоторого значения Я0, близкого к номиналу Я, выполнение задания приостанавливается, и лазер выключается. Это позволяет резистору остыть. Далее доводка производится шагами переменной длины от Ь\ до Ь2, причем на каждом п-ом шаге анализируется изменение значения сопротивления за сделанный шаг:
АЯИ = Яп - Яп_х. (1)
Таким образом, длина шага уменьшается пропорционально уменьшению
АЯ = Я - Яп. (2)
Между шагами также делаются паузы.
Применение подобного метода доводки повышает время отработки задания, однако позволяет существенно повысить точность подгонки.
Автоматическое детектирование и распознавание объектов топологии платы
Задачу анализа места расположения лазерного луча относительно элементов топологии платы (например, положение точки вреза), решаемую в данный момент оператором, можно реализовать на основе программно-аппаратного обеспечения. Такая необходимость связана с возросшими требованиями к быстродействию систем подгонки и по возможности исключения влияния человеческого фактора. На наш взгляд, использование видеоинформации только для визуального контроля оператором значительно ограничивает возможности автоматизации процесса подгонки РЭ. Применение современных алгоритмов обработки и анализа изображений позволит детектировать элементы плат с точностью, достаточной для полной автоматизации данной задачи.
Входными данными будет являться набор изображений, получаемый на основе оптического канала системы подгонки, а выходными - информация о местоположении точки лазера на плате и последующее решение о её перемещении в случае необходимости. Применение стандартных алгоритмов машинного зрения может быть затруднено спецификой изображений платы с топологическим рисунком на установках с современными оптическими системами и условиями их эксплуатации - значительная дисторсия, нарушение экспозиции, расфокусировка, поэтому потребуется разработка новых подходов.
Рис. 4. Примеры проблемных изображений, получаемых на основе оптического канала системы подгонки
Для оценивания перспектив и возможных путей решения задачи необходимо провести критический анализ методов поиска и распознавания объектов подобного типа на изображениях.
Обучение по прецедентам для принятия решения об оптимальном управлении процессом подгонки последующих изделий
В подавляющем большинстве ситуаций на производстве результатом процесса подгонки является плата с элементами, имеющими необходимые технологические параметры. Однако не менее важным результатом, которым чаще всего пренебрегают, является и информация о начальном состоянии, ходе выполнения и результатах процесса подгонки. К таким исходным данным следует отнести: начальное значение сопротивления РЭ («претест»), фактические размеры разрешенной зоны подгонки, положение точки вреза. Информацией о ходе процесса будет являться массив связанных данных о значении сопротивления РЭ и положении пятна лазерного излучения (с учётом выполненного на текущий момент реза), значение процента перекрытия одинаковых по размеру пятен с одинаковой энергией в пятне независимо от частоты следования импульсов и скорости перемещения луча, оптимального для снятия данной плёнки или пасты («bit»). В качестве результатов отработки конкретного резистора надлежит рассматривать «посттест», конечный вид реза, время выполнения задания.
Собранные, сохранённые и представленные корректным образом данные могут применяться в последующем для анализа и дальнейшего проектирования аналогичных изделий на всех этапах, начиная от разработки топологии схемы и конструкторской документации, заканчивая применением этих данных для расчёта подгоночных характеристик экспериментальным методом при моделировании процесса подгонки.
Хранение таких данных также позволит облегчить решение серьёзной задачи анализа долговременной стабильности РЭ.
Разработка и реализация алгоритма адаптивного управления процессом подгонки с учётом обновляющейся в режиме реального времени информации
технологического процесса
В рассмотренных выше пунктах для моделирования процессов подгонки учитывались лишь априорные данные. Однако быстродействие современных вычислительных систем позволяет работать в режиме жесткого реального времени под управлением соответствующих операционных систем (ОСРВ). Как следствие, предлагается использовать поступающую в каждый дискретный момент времени информацию о технологическом процессе для уточнения параметров с целью корректировки исходной модели.
При синтезе алгоритмов адаптивного управления процессом подгонки необходимо учитывать такие изменяющиеся данные, как сопротивление резистора и координаты места расположения пятна лазерного излучения в текущий и предыдущие моменты времени (историю изменений). Анализ истории и текущих данных позволит с большой точностью прогнозировать ситуацию и качественно моделировать процесс.
Для анализа положения рабочей точки возможно аналитическое вычисление координат, исходя из пройденного по траектории расстояния, заданных габаритных размеров РЭ и допусков, однако предпочтительно применение автоматического поиска и распознавания элементов топологии платы по сигналу видеоизображения, который снимается видеокамерой с рабочего участка платы либо со всей платы сразу.
Также одной из переменных, влияющих на долговременную стабильность резисторов, является температура локальной точки. Как указывалось выше, нагревание периферийных по отношению к резу участков плёнки приводит к дрейфу сопротивления. Для тонких плёнок в
основном причиной дрейфа является изменение характера старения материала прогретой зоны в отличие от остального материала. Для толстых плёнок существенное влияние таже оказывают трещины, появляющиеся в периферийных зонах [9]. Поэтому контроль температуры также важен для построения адаптивной системы управления, т.к. часто получение высокоточного результата в момент подгонки снижением скорости перемещения луча приводит к значительному дрейфу сопротивления с течением времени.
Дополнительной информацией для принятия решений при моделировании и выполнении операции подгонки будут являться накопленные статистические данные, характеризующие технологическое состояние и стабильность входных параметров изделий в обрабатываемой партии, а в более общем случае - данные об отработке аналогичных изделий.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что задача автоматизации процесса лазерной подгонки плёночных РЭ не только актуальна, но и требует комплексного подхода, опирающегося на современные методы получения, анализа информации и принятия решений. Только при чётком понимании этого возможно получение таких алгоритмов управления данным процессом, которые смогут обеспечить требуемую для решения современных задач микроэлектроники прецизионность результатов, повышая при этом выход годных изделий и полностью исключая человеческий фактор.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вейко В.П. Лазерная обработка плёночных элементов. Л.: Машиностроение. 1986. 248 с.
2. Антонов Ю.Н. Проектирование средств регулирования в методе лазерной подгонки; Ульяновский ГТУ. Ульяновск : УлГТУ, 2007. 133 с.
3. Tapan K. Gupta. Handbook of Thick and Thin-Film Hybrid Microelectronics. Gupta. San Diego: Technical Books, Inc. 2003. 535 с.
4. Лазеры в технологии / Под ред. М.Ф. Стельмаха. М.: Энергия, 1975.
5. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств / О.В. Алексеев, А. А. Головков, И.Ю. Пивоваров и др. М.: Высшая школа, 2000. 479 с.
6. Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования схем. М.: Радио и свзяь, 1988. 560 с.
7. Oakes M. An introduction to thick film resistor trimming by laser // Optical engineering, 1978. V.17. №3.
8. Albin A.G. Laser resistance from the measurement point of view / A.G. Albin, E.S. Swenson // IEEE Trans. On Parts, Nybrids and Packing. 1972. V. PHP-8. № 2. P.14-19.
9. Bube K.R. Laser-induced microcrack in thick-film resistors - a problem and solution // Amer. Ceram. Soc. Bull. 1975. V.54. № 5. P.528-531.
Кондратов Владимир Владимирович -
аспирант кафедры «Автоматика и телемеханика» Тульского государственного университета
Статья поступила в редакцию 8.02.12, принята к опубликованию 12.03.12
