第514章 会战键合机（2/2）
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会议室里安静下来。
吕辰走到黑板前：“各位，今天把大家请来，是为了研发全自动引线键合机。为什么做这个东西，李书记已经跟大家说过了。我不重复。今天要讨论的，是怎么做。”
他拿起粉笔画了一个简图。
晶圆上料→芯片识别→位置对准→引线键合→质量检测→下料封装。
“六个步骤，核心是两步。”他用粉笔在“位置对准”和“引线键合”稳，焊不牢。”
他放下粉笔，看着台下。
“对准怎么搞？这是第一个问题。”
会议室里安静了几秒。
陈光远第一个开口：“对准，可以用光刻机的工件台技术，精度能做到亚微米。键合机精度要求没那么高，微米级就够了。技术是现成的，搬过来用就行。”
包康建摇了摇头：“陈厂长，光刻机的工件台和键合机的运动平台，工况不一样。”
他站起来，走到黑板前，拿起粉笔，画了两个图。
左边是一个方方正正的运动平台，上面标着“光刻机”。右边是一个结构更紧凑的平台，上面标着“键合机”。
“光刻机是步进式，移动的时候可以慢，停下来的时候要稳。对速度要求不高，对稳定性和精度要求高。”
他在右边的图上画了几个箭头。
“键合机不一样，焊完一个点，要立刻移动到下一个点。一秒焊几十个点，移动速度要快，启停要干脆。对加速度和动态响应的要求，比光刻机高一个数量级。”
他放下粉笔，看着陈光远：“光刻机的那套东西，搬过来用，会出问题。不是精度不够，是速度跟不上。”
陈光远皱了一下眉头，没说话。
陈教授开口了：“包教授说得对。工况不同，技术方案不能照搬。但光刻机的经验可以借鉴。关键是，怎么在保证速度的前提下，达到精度要求。”
他站起来，走到黑板前，拿起粉笔，在黑板上画了一个两级运动的示意图。
“我提一个思路。大行程、低精度，加小行程、高精度。”
他指着图上的两部分。
“第一步，用通用运动平台，把芯片移动到显微镜的视野范围内。这一步，精度要求不高，几十微米就够了。速度快，因为只要走到大概位置就行。”
“第二步，用一个微动台，做最终的精细对准。微动台行程小，几个毫米就够。但精度要高，能到微米级甚至亚微米级。可以用压电陶瓷驱动，响应快，分辨率高，没有间隙，没有摩擦。”
他放下粉笔，转过身：“粗定位负责快，精定位负责准，两级串联，既保证了速度，又保证了精度。”
会议室里安静了几秒。
包康建点点头：“这个思路可行，粗定位的运动平台，可以用高频脉冲电机加精密丝杠，光栅尺反馈，闭环控制。精度能做到正负5微米，速度能到每秒几百毫米。”
“精定位的微动台，”他想了想，“可以用压电陶瓷叠堆，配上柔性铰链。行程正负1毫米，分辨率能到纳米级。响应速度微秒级，没有机械间隙，没有摩擦，长期稳定性好。”
秦世襄推了推眼镜：“粗定位和精定位之间，怎么衔接？粗定位走完了，微动台才知道自己该往哪儿走。这个‘知道’的过程，需要时间。”
陈教授在纸上写了几行公式：“粗定位完成后，系统记录下当前位置和目标位置的偏差。这个偏差，就是微动台要补偿的量。算法要快，要在毫秒级内算出补偿量，然后驱动压电陶瓷动作。总的对准时间，不能超过几十毫秒。”
讨论完第一个问题，吕辰在黑板上写下几个关键词：两级运动、粗精衔接、毫秒级响应。
“对准的第二个问题，”他转过身，“用什么来‘看’？”
王高工站起来，走到黑板前，拿起粉笔。
“传统的方法，用显微镜加摄像头。芯片上有对准标记，显微镜放大以后，摄像头拍下来，计算机分析标记的位置，计算出偏差，然后驱动平台移动。”
他在黑板上画了一个简图。
“这个方法的问题是，慢。图像数据量大，计算机处理不过来。拍一张图，几毫秒。处理一张图，几十毫秒甚至上百毫秒。一秒焊几十个点，每个点都要对准，光对准就花了几百毫秒，来不及。”
他放下粉笔，看着台下：“所以，要想办法提速。”
吕辰拿起粉笔，画了一个芯片的框图。
“我建议把‘找标记’算法硬件化，设计专用芯片，把图像处理的算法固化在芯片里。摄像头拍到的图像，直接送到这块芯片，芯片在几微秒内就算出标记的位置，然后输出偏差信号。”
陈教授点点头：“可行。图像处理算法，本质上就是滤波、边缘检测、模板匹配。卷积、相关、比较，都是基本门电路，不需要复杂的指令集。”
他顿了顿：“问题是，这块芯片的复杂度，不低。图像数据是二维的，几百乘几百个像素。要在几微秒内完成处理，需要的门电路数量很大。以现在的五微米工艺，芯片面积可能会很大。”
吕辰在黑板上写下两个字：专用。
“那就做大。面积大一点没关系，只要能跑得快。键合机需要的是专用的、快速的、只干一件事的芯片。这件事，我们集成电路实验室来干。”
陈光远补充了一句：“除了视觉对准，还可以用光栅尺做位置反馈。运动平台上装光栅尺，分辨率零点几微米。平台走到哪儿，光栅尺读数就告诉控制系统‘我到了哪儿’。视觉对准做粗定位，光栅尺做精定位的验证和补充。两套系统，互相校验。”
方教授忽然开口：“我有一个想法，可能不成熟，说出来大家听听。”
他看着在座的人：“能不能用微波或者红外来做对准？芯片和基板在特定频率下，会有不同的反射特征。如果发射一束微波，打在对准标记上，反射回来的信号，和打在别的地方的信号，不一样。通过分析反射信号，就能判断有没有对准。”
他顿了顿：“这个方法的好处是，非接触，速度快，不受表面污染和光照条件的影响。而且，不需要显微镜，不需要摄像头，不需要复杂的图像处理。”
会议室里安静了几秒。
秦世襄推了推眼镜：“方教授这个思路，理论上可行。不过要做微米级的对准，需要用毫米波甚至亚毫米波。那个频段的器件，我们还没有。”
他想了想：“但可以作为辅助。比如，视觉对准做完以后，用微波验证一下。或者，在焊点质量检测上用微波。焊得好不好，接触电阻不一样，反射信号也不一样。”
方教授点点头：“对，我也是这么想的。不一定非要用在主对准通道上，可以作为补充和验证。”
陈教授插了一句：“方教授，电子耳朵的无线传感器，能不能用到键合机上？”
方教授眼睛一亮：“你是说，在键合头上装传感器？”
“对。”陈教授说，“键合的时候，超声振动、压力、温度，这些参数实时监测，通过无线方式传回控制系统。不用拖着一堆线，信号更干净，响应更快。”
方教授点点头，在本子上飞快地记着什么。
吕辰在黑板上又加了一行：微波/红外辅助对准、无线传感监测。
“精密运动平台，包教授，这个交给你们了。”吕辰说。
包康建点点头：“没问题。高频脉冲电机加精密丝杠，光栅尺反馈，闭环控制。X-Y-Z三轴，行程100*80*20。定位精度正负2微米。速度300/s。加速度2个G。”
他顿了顿：“运动平台的基座、导轨、支架，我建议用陶瓷材料。氮化硅和氧化锆，热膨胀系数低，刚性高，减振性能好。用在这个地方，再合适不过了。”
汤渺教授点点头：“陶瓷精密加工，我们有经验。导轨的直线度、平面度，都能做到微米级。但成本高，加工周期长。做样机可以，批量生产的话，要考虑替代方案。”
上海机床厂的钱工插了一句：“批量生产的时候，可以用铸铁基座加陶瓷导轨。铸铁做结构件，陶瓷做运动副。这样既保证了精度，又控制了成本。”
包康建点点头：“这个思路好。样机先用全陶瓷，验证性能。定型的时候再优化材料方案。”
吕辰在黑板上写下：精密运动平台——哈工大+上海机床厂+工业陶瓷中心。
“对准与感知系统，秦教授、方教授，这个交给你们。”
秦世襄点点头：“光学对准这部分，西军电来负责。显微镜、照明、摄像头，都是现成的。关键是图像处理的速度，需要你们集成电路实验室把那块专用芯片做出来。”
方教授在旁边说：“微波辅助对准和无线传感，我来试试。不敢保证能成，但值得一试。”
吕辰在黑板上又写：对准与感知,西军电+工业监测实验室+集成电路实验室。
“材料与工艺保障，胡教授、周工、汤教授，这个交给你们。”
胡教授看着汤渺：“键合吸嘴，也就是焊头，接触芯片的表面，要耐磨，要导热均匀，要绝缘。金属材料有局限性，陶瓷可能更合适。”
汤渺点点头：“可以用氮化硅陶瓷做键合吸嘴，加热块也可以用陶瓷，热均匀性好，不会有局部热点。”
周工道：“键合金丝，我们能做到纯度99.99%，线径25微米。延伸率2~4%，断裂强度10克以上。批间一致性也没问题，关键是成本太高了。”
他顿了顿：“目前正在攻关铝丝，但问题不少，表层氧化膜影响焊接，我们正在研究表面钝化处理工艺，希望能解决这个问题。”
吕辰在黑板上写：材料与工艺，6305厂封装中心+工业陶瓷中心+昆明贵研所。
“控制理论与软件，陈教授，这个交给您。”
陈教授翻开本子：“控制算法分三层。最底层，是运动控制。位置环、速度环、电流环，三环闭环。PID参数要整定，要适配不同负载、不同速度。这一层，可以用微程序固化在芯片里。”
“中间层，是对准算法。视觉对准、微波对准、光栅尺反馈，多源信息融合。这一层，要建数学模型，要写微代码，要跑仿真。”
“最上层，是工艺管理。键合温度、压力、超声功率、时间，这些参数要能编程，要能根据不同芯片、不同基板做调整。这一层，要用到编程机，要写编辑软件。”
他合上本子：“三层架构，一层一层往上搭。工作量不小，但理论上有基础。昆仑-0的编程机、分布式系统、标准单元库，这些成果都可以复用。”
吕辰在黑板上写下：控制理论与软件，理论组+集成电路实验室。
所有人发言完毕，会议室里安静下来。
刘星海总结道：“这个项目，不是一般的科研项目。是军令状，是大会战。没有牵头单位，6305厂设备中心就是战场。半年之内，要拿出能用的全自动键合机。”
他顿了顿：“各位都是从星河计划开始就跟过来的老人。这几年，风风雨雨，什么没见过。光刻机做出来了，集成电路做出来了，计算机也做出来了。”
他看着每一张脸：“一台键合机，比这些都简单。但简单，不代表容易。难在要把这么多东西拼在一起，拼成一个能用的、好用的、耐用的设备。”
他站起来：“陈厂长负责总体，李怀德同志保障资源，有技术难题，大家一起攻关。”
他看着所有人：“散会。”