KR100384276B1 - 와이어 쏘우 장치의 구동 제어 방법 - Google Patents

와이어 쏘우 장치의 구동 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘 웨이퍼 등을 절단할 때 사용되는 와이어 쏘우 장치에서 와이어 쏘우의 이송 길이를 카운터 롤러로 실측하고, 이 측정값을 와이어 쏘우 장치의 제어반을 구성하는 컴퓨터 중앙 처리 장치에 피드 백 함으로써 각 보빈에 권취된 와이어 쏘우의 권경을 연산한 후 릴 모터를 적정 회전수로 제어하는 와이어 쏘우 장치의 구동 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명 와이어 쏘우 장치의 구동 제어 방법은, 피절단물 장착대(40)에 피절단물을 장착하는 단계(501)와, 피절단물의 종류에 따른 와이어 쏘우의 이송 속도와 피절단물의 절단 가공 조건을 입력하는 단계(502)와, 입력된 절단 조건에 의해 절단에 필요한 와이어 쏘우의 길이를 연산하는 단계(503)와, 절단에 필요한 와이어 쏘우의 길이와 공급 보빈에 남아 있는 와이어 쏘우의 길이를 비교하여 와이어 쏘우의 잔량이 부족한 경우 공이송하거나 공급 보빈의 교체가 이루어지도록 하는 와이어 쏘우 길이 적합 여부 판정 단계(504)와, 구동 롤러를 구동시키고 와이어 쏘우의 이송과 함께 피절단물을 와이어 쏘우 측으로 이동시켜 피절단물의 절단이 이루어지도록 하는 절단 가공 단계(505)로 이루어진다.
본 발명 와이어 쏘우 장치의 구동 제어 방법은, 와이어 쏘우의 이송 길이를 카운터 롤러에 의하여 실측 하여 공급 보빈에 남아 있는 권취 잔량과 부피 등을 정확히 연산함으로써 릴 모터의 제어가 정확하게 이루어져 절단 작업이 균일하게 이루어질 수 있으며, 공급 보빈에 남겨진 와이어 쏘우의 잔량을 정확히 파악할 수 있기 때문에, 새로운 절단 작업 개시 전 공급 보빈의 교체 또는 계속 작업 및 역회전 후 계속 작업 등에 대한 판단이 가능 함으로써 절단 작업 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

와이어 쏘우 장치의 구동 제어 방법{Method for controlling a wire saw machine}
본 발명은 와이어 쏘우 장치의 구동 제어 방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 실리콘 웨이퍼 등을 절단할 때 사용되는 와이어 쏘우 장치에서 와이어 쏘우의 진행 경로 상에 카운터 롤러를 설치하고, 이 카운터 롤러로서 와이어 쏘우의 공급 보빈 장착릴에 장착된 공급 보빈으로 부터 절단 작업 후 권취 보빈 장착릴에 장착된 권취 보빈으로 권취되는 와이어 쏘우의 양을 측정하여 와이어 쏘우 장치의 제어반을 구성하는 컴퓨터 중앙 처리 장치에 피드 백 하고, 이를 작업전에 입력된 피절단물의 절단 조건과 비교함으로써 작업 개시전 와이어 쏘우의 공급 보빈을 교체하거나, 부족한 길이 만큼 와이어 쏘우 공급 보빈을 역회전 시켜 절단 작업에 필요한 만큼 공급 보빈에 와이어 쏘우를 역권취시킨 후에 절단 작업을 수행 할 수 있으며, 상기 카운터 롤러에 의한 측정값과 공극율을 이용하여 각 보빈에 권취된 와이어 쏘우의 권경을 연산함으로써 릴 회전 모터를 적정 회전수로 제어할 수 있는 와이어 쏘우 장치의 주동 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 와이어 쏘우 장치는 반도체 웨이퍼용 잉고트나 세라믹을 비롯한 초경합금 등의 절단시 평탄한 절단면을 갖도록 하면서 동시에 여러 매를 절단할 수 있는 장치로서, 도 1은 와이어 쏘우(S)를 포함하는 와이어 쏘우 장치의 개략 구성도로서, 이에 의거하여 와이어 쏘우 장치와 이를 이용한 반도체 잉고트의 절단 과정을 간략하게 살펴보고자 한다.
도시된 바와 같이, 와이어 쏘우 장치에서 와이어 쏘우 공급릴에 장착된 공급 보빈(11)으로 부터 공급되는 와이어 쏘우(S)는, 입측 트래버스 롤러(12), 입측 가이드 롤러(13), 종동 롤러(14), 구동 롤러(15), 출측 가이드 롤러(13'), 출측 트래버스 롤러(12')를 거쳐 권취 보빈(11')에 재권취 되며, 구동 롤러(15)와 공급 및 권취 보빈(11)(11')이 장착되는 공급 및 권취 릴(도면 미도시)과 구동 롤러(15)에는 각각 정역 가능한 구동 모터(M1)(M2)(M3)가 연결되고, 이들 모터는 함께 연동됨으로써 와이어 쏘우(S)의 장력이 조절된다.
그리고, 상기 종동 및 구동 롤러(14)(15)의 외주면에는 나선형 홈이 형성되어 도 2에 도시된 바와 같이, 와이어 쏘우(S)가 그 홈을 따라 종동 및 구동 롤러(14)(15) 사이를 평행하게 수 회 왕복하면서 통과하게 되며, 피절단물 장착 장치(도면 미도시)는 종동 롤러(14)와 구동 롤러(15) 사이에 위치한다.
상기와 같은 구조로 이루어진 와이어 쏘우 장치를 이용한 반도체 잉고트 등의 피절단물(I)의 절단 과정은, 각 구동모터(M1)(M2)(M3)를 구동시켜 구동 롤러(15)와 가이드 롤러(13)(13') 사이에 감긴 와이어 쏘우(S)에 적정한 장력이 유지되도록 하면서 공급 보빈(11)으로부터 권취 보빈(11')으로 와이어 쏘우(S)가 이송되도록 한 후, 종동 및 구동 롤러(14)(15)의 윗쪽으로부터 서서히 피절단물(I)을 하강시켜 왕복이동하는 쏘우 와이어(S)에 밀착시키면 피절단물(I)은 여러 장으로 절단된다.
상기와 같은 와이어 쏘우 장치는 일반적으로 컴퓨터로 구성된 제어부에 연결되어 제어되며, 절단 작업전 와이어 쏘우의 이송 속도, 피절단물의 사양 등 각종절단 작업 조건에 대한 자료를 입력하게 되어 있고, 이 초기 입력 자료와 각 구동 모터 등으로 부터 입력되는 피드 백 자료를 연산하여 최적의 절단 작업이 수행되도록 제어된다.
특히, 와이어 쏘우 장치에서 피절삭물을 절단할 경우, 공급 보빈에서 권취 보빈으로 이송되는 와이어 쏘우의 장력과 속도를 정확히 제어하는 것이 중요하며, 공급 보빈에 남아 있는 와이어 쏘우의 양을 정확히 파악하여야 절단 작업을 원활히 수행할 수 있게 된다.
그러나, 종래 와이어 쏘우 장치에 있어서 와이어 쏘우의 제어 방법을 살펴보면 다음과 같다.
일본 특허공개공보 8-267352호에는, 와이어 쏘우가 권취된 보빈을 장착하는 각 릴에 스트레인 게이지(strain gauge)를 설치하고, 스트레인 게이지에 의하여 측정된 값을 기준으로 하여 보빈에 남아있는 와이어의 중량와 부피를 연산한 후, 이를 기초로하여 와이어 쏘우가 일정한 속도를 이송되도록 공급 보빈과 권취 보빈의 권경 변화에 따라 구동 모터를 제어하는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 상기 방법은 지속적으로 가감속 회전하고 있는 회전체의 스트레인 변화값을 연속적으로 측정해야 하는 만큼, 정확한 측정이 어려울 뿐 아니라 그 측정값에 기초한 와이어 쏘우 중량 역시 정확히 계산되기 쉽지 않은 문제가 있다.
그리고, 상기 스트레인 게이지를 사용하지 않고 절단 작업 시작전 공급 릴에 남아 있는 와이어 쏘우의 양을 입력하여 초기 설정한 후, 각 보빈의 모터 회전수 등의 피드 백 자료로 부터 와이어 쏘우의 이송 속도와 이송양 등을 추정하는 방법도 있으나, 이 방법 역시 정확도가 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 종래 와이어 쏘우 장치와 그 제어 방법이 가지고 있는 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 와이어 쏘우 이송 경로 상에 카운터 롤러를 설치하여 와이어 쏘우의 실제 이송량을 측정하고, 이 측정값을 컴퓨터에 피드 백 함으로써 절단 작업중 보빈의 회전 속도 제어가 정확히 이루어지고 와이어 쏘우의 장력이 균일하게 유지될 수 있으며, 공급 보빈에 남은 와이어 쏘우의 양을 정확히 파악되어 절단 작업전 절단 작업 조건과의 비교를 통하여 절단 작업이 원활히 수행될 수 있는지의 여부가 절단 작업전에 파악 됨으로써 절단 작업 효율을 향상시킬 수 있는 와이어 쏘우 장치의 구동 제어 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
도 1은 종래 와이어 쏘우 장치의 구성도.
도 2는 종동 및 구동 롤러의 확대 사시도.
도 3은 본 발명 와이어 쏘우 장치의 구성도.
도 4는 본 발명 와이어 쏘우 장치의 제어부 구성도.
도 5는 본 발명 와이어 쏘우 장치의 제어 흐름도.
도 6은 본 발명 와이어 쏘우 장치의 릴 모터 제어 흐름도.
도 7은 와이어 쏘우가 권취된 보빈의 단면도.
((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))
11,31. 공급 보빈 12,32. 입측 트래버스 롤러
13. 입측 가이드 롤러 14,35. 종동 롤러
15,36.구동 롤러 13',31. 출측 가이드 롤러
11',39. 권취 보빈 34. 카운터 롤러
본 발명의 상기 목적은 와이어 쏘우의 이송 경로 상에 설치된 카운터 롤러에 의하여 측정된 와이어 쏘우 이송양을 지속적으로 피드 백 받고, 이를 기초로 하여 마이크로 프로세서에서 공급 보빈에 남아 있는 와이어 쏘우의 변화되는 권취 부피와 권취경을 연산한 후, 이를 근거로 하여 보빈 릴 모터의 회전을 제어함으로써 달성된다.
본 발명 와이어 쏘우 장치의 구동 제어 방법은 상기 카운터 롤러로서 와이어 쏘우의 실제 이송양을 측정하고, 이 측정값과 공극율을 기초로하여 보빈 장착 릴모터의 회전을 제어함에 기술적 특징이 있다.
또한, 공급 보빈에 남겨진 와이어 쏘우의 실제양이 컴퓨터 메모리에 저장되기 때문에 한 번의 절단 작업 완료 후, 다음 절단 작업 개시전 공급 보빈에 남겨진 와이어 쏘우의 양을 확인하여 이 양이 새로운 절단 작업에 필요한 와이어 쏘우의 양보다 적을 경우에는 공급 보빈을 교체하거나, 공급 보빈을 역회전시켜 와이어 쏘우의 양을 증가시킨 다음 새로운 절단 작업을 시작할 수 있는 특징이 있다.
본 발명 와이어 쏘우 장치와 그 제어 방법의 상기 기술적 구성과 구체적인 작용 효과에 대한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 설명에 의하여 명확하게 이해될 것이다.
도 3에 본 발명의 구동 제어 방법이 적용된 와이어 쏘우 장치의 개략 구성도를 도시하였다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 구동 제어 방법이 적용된 와이어 쏘우 장치는 와이어 쏘우(S)의 이송 경로 상에 와이어 쏘우의 이송 길이를 실측하는 카운터 롤러(34)가 설치됨에 그 특징이 있으며, 공급 보빈 장착릴(도면 미도시)에 장착된 공급 보빈(31)에 권취된 와이어 쏘우(S)는, 입측 트래버스 롤러(32), 1차 가이드 롤러(33), 카운터 롤러(34), 2차 가이드 롤러(34), 종동 롤러(35), 구동 롤러(36), 출측 가이드 롤러(37), 출측 트래버스 롤러(38)를 거쳐 권취릴(도면 미도시)에 장착된 권취 보빈(39)에 재권취 되며, 구동 롤러(36)와 공급 및 권취 보빈(31)(39)이 장착되는 공급 및 권취 릴과 구동 롤러(36)에는 각각 정역 가능한 구동 모터(도면 미도시)가 연결되고, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 와이어 쏘우 장치는 컴퓨터로 구성된 제어부(도면 미도시)에 의하여 그 동작이 제어된다.
그리고, 종동 롤러(35)와 구동 롤러(36) 사이의 상부에는 하나 또는 다수의 피절단물(I)이 장착된 상태에서 와이어 쏘우까지 상하 동작 가능한 피절단물 장착대(40)가 있다. 즉, 하부에 피절단물이 장착된 상기 장착대를 하강시켜 이송되고 있는 와이어 쏘우에 피절단물을 접촉시킴으로써 절단 가공이 이루어진다.
상기 제어부는, 도 4에 도시된 바와 같이 절단 작업에 필요한 각종 프로그램이 내장된 롬(ROM)(41)과 램(RAM)(42) 및 중앙처리장치(43)로 구성되며, 중앙처리장치(43)는 카운터 롤러(34)로 부터 피드 백 되는 와이어 쏘우의 이송 길이(L')와 절단 작업전 입력되는 만권된 와이어 쏘우의 길이(L), 공극율(η), 보빈 내경(R2), 와이어 쏘우 경(d), 절단 작업 조건(C) 등을 기초로 하여 공급 보빈에 남겨진 와이어 쏘우의 잔량, 공급 및 권취 롤에 각각 권취된 와이어 쏘우의 부피, 구동 모터의 회전수 등을 연산하고, 그 결과를 중앙처리장치(43)에 연결된 각 릴 및 구동 롤러 모터의 드라이버(44)(45)(46)로 출력 함으로써 와이어 쏘우 장치를 제어하게 된다.
상기와 같이 구성되는 와이어 쏘우 장치에서 이루어지는 절단 작업의 제어 흐름을 도 5에 근거하여 살펴보면 다음과 같다.
절단 작업의 제어는, 상하 왕복이 가능한 피절단물 장착대에 피절단물을 장착하는 단계(501)와, 피절단물에 따른 적정 와이어 쏘우의 이송 속도와 피절단물의 종류 및 길이 그리고 절단면적 등의 절단 조건을 입력하는 단계(502)와, 입력된 절단 조건에 의해 절단에 필요한 와이어 쏘우의 길이를 마이크로 프로세서에서 연산하는 단계(503)와, 절단에 필요한 와이어 쏘우의 길이와 공급 보빈에 남아 있는 와이어 쏘우의 길이를 비교하여 와이어 쏘우의 잔량이 부족한 경우 공이송하거나 공급 보빈의 교체가 이루어지도록 하는 와이어 쏘우 길이 적합 여부 판정 단계(504)와, 구동 롤러를 구동시키고 와이어 쏘우의 이송과 함께 구동되는 카운터 롤러로부터 측정되는 와이어 쏘우의 이송량을 입력받아 공급 보빈에서 변화되는 와이어 쏘우의 권취 부피와 권취경을 연산하여 릴 모터의 회전을 제어함과 동시에 피절단물 장착대에 장착된 피절단물을 와이어 쏘우 측으로 이동시켜 피절단물의 절단이 이루어지도록 하는 절단 가공 단계(505)로 이루어진다.
그리고, 상기 와이어 쏘우 길이 적합 판정 단계(504)에서 와이어 쏘우의 잔량이 부족한 경우에는, 와이어 쏘우 잔량에 대한 공이송 적합 여부 판정 단계(506)와 공이송 단계(507)를 거쳐 절단하는 단계(505)로 진입되며, 와이어 쏘우의 잔량이 공이송에 적합치 않을 경우에는, 공급 보빈의 교체 단계(508)와 와이어 쏘우 셋팅 단계(509) 및 카운터 롤러 리셋트 단계(510)를 거쳐 절단하는 단계(505)로 진입된다.
상기와 같은 단계로 제어되는 본 발명 와이어 쏘우 장치의 구동 제어 방법에서, 공급 및 권취 보빈 장착릴과 구동 롤러 모터의 회전 속도가 절단 작업 조건 인 와이어 쏘우 이송 속도에 맞도록 제어되어야 하는 바, 모터의 회전 속도 제어가 이루어지는 중앙처리장치의 연산 단계를 도 6에 도시하였다.
즉, 제어부의 중앙처리장치에서 이루어지는 릴 모터의 제어는, 설정된 와이어 쏘우 속도를 저장하는 단계(601)와, 공급 보빈에 남은 와이어 쏘우의 길이를 연산하는 단계(602)와, 와이어 쏘우의 권취 부피를 연산하는 단계(603)와, 와이어 쏘우의 권취경을 계산하는 단계(604)와, 릴 모터 회전 속도를 연산하는 단계(605)와, 릴 모터를 구동시키는 단계(606)와, 운전 정지 여부를 결정하는 단계(607)와, 운전 종료 신호 입력시 운전 종료가 되고 운전 종료 신호 미입력시 처음의 설정된 와이어 쏘우 속도를 기억하는 단계(601)로 되돌아 가게 되는 운전 종료 단계(608)로 이루어진다.
상기 와이어 쏘우의 권취 부피를 연산하는 단계(603)에서 필요한 각 보빈에 권취된 와이어 쏘우의 권취 부피는 공극율(η)을 이용하여 다음의 수학식 1과 같이 구할 수 있다.
,
,
,
상기에서, η은 공극율, VS는 권취 길이에 대한 와이어 쏘우의 실제 부피,VW는 권취 길이에 대하여 와이어 쏘우가 보빈에 감겨 있는 부피, WW는 권취 길이에 대한 와이어 쏘우의 실제 무게, WS공극이 없을 경우 VW에 대하여 와이어 쏘우와 같은 비중을 가지는 재료의 중량, d는 와이어 쏘우의 직경, l은 보빈에 권취되어 있는 와이어 쏘우의 길이, W는 보빈 플렌지 사이의 길이(보빈의 폭), G는 와이어 쏘우의 비중, R1은 보빈 축과 권취되어 있는 와이어 면까지의 거리, R2는 보빈 축과 보빈 권취면까지의 거리, R3는 보빈에서 실제 권취 와이어가 권취되는 높이 이며, 이들을 도 7에 도시하였다.
상기 수학식 1을 이용하여 공극율을 구할 수 있으며, 동일한 직경의 와이어 쏘우가 동일한 피치로 동일한 크기의 보빈에 권취되는 경우 공극율이 일정하다고 가정하면 기준 권취 길이의 변화에 대한 권취 부피(VW)가 계산될 수 있고, 권취 부피(VW)와 보빈 폭(W)을 기초로 하여 보빈 축을 기준으로 와이어 쏘우가 풀려나가게 되는 높이(R1), 즉 상기 와이어 쏘우의 권취경을 계산하는 단계(604)에서 연산되는 와이어 쏘우의 권취경은 다음의 수학식 2로부터 계산된다.
상기 수학식 2에서 계산된 와이어 쏘우의 권취경을 사용하여 상기 릴 모터 회전 속도를 연산하는 단계(605)에서는 주어진 와이어 쏘우의 이송 속도에 대한 보빈 장착릴 모터의 적정 회전수는 다음의 수학식 3과 같이 계산된다.
상기에서, Vm은 보빈 장착릴 모터의 회전 속도, SW는 입력된 와이어 쏘우의 이송 속도이다.
상기 수학식 3에서 계산된 값에 따라 제어부의 중앙처리장치가 보빈 장착릴 모터를 구동시키는 드라이버(44)(45)로 출력값을 전송하여 보빈 장착릴의 회전이 제어된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명 와이어 쏘우 장치의 구동 제어 방법은, 와이어 쏘우의 이송 길이를 카운터 롤러에 의하여 측정된 실측값을 사용함으로써 공급 보빈에 남아 있는 권취 잔량과 부피 등에 대한 정확한 연산이 가능하여 릴 모터의 제어가 정확하게 이루지고, 따라서 절단 작업이 균일하게 이루어질 수 있는 이점이 있다.
그리고, 공급 보빈에 남겨진 와이어 쏘우의 잔량을 정확히 파악할 수 있기 때문에, 새로운 절단 작업 개시 전 공급 보빈의 교체 또는 계속 작업 및 역회전 후 계속 작업 등에 대한 판단이 가능 함으로써 절단 작업 효율이 향상되는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 와이어 쏘우로 피가공물을 절단하는 와이어 쏘우 장치에서 절단에 필요한 와이어 쏘우 길이의 관리 방법에 있어서, 상·하 왕복가능한 장착대(40)에 피절단물을 장착하는 단계(501)와; 피절단물에 적합한 적정 와이어 쏘우의 이송 속도와 피절단물의 절단 가공 조건을 입력하는 단계(502)와; 입력된 절단 조건에 의해 절단에 필요한 와이어 쏘우의 길이를 마이크로 프로세서에서 연산하는 단계(503)와; 절단에 필요한 와이어 쏘우의 길이와 공급 보빈에 남아 있는 와이어 쏘우의 길이를 비교하여 와이어 쏘우의 잔량이 부족한 경우 공이송하거나 공급 보빈의 교체가 이루어지도록 하는 와이어 쏘우 길이 적합 여부 판정 단계(504)와; 구동 롤러를 구동시키고 와이어 쏘우의 이송과 함께 구동되는 카운터 롤러로부터 측정되는 와이어 쏘우의 이송량을 입력받아 공급 보빈에서 변화되는 와이어 쏘우의 권취 부피와 권취경을 연산하여 릴 모터의 회전을 제어함과 동시에 피절단물 장착대에 장착된 피절단물을 와이어 쏘우 측으로 이동시켜 피절단물의 절단이 이루어지도록 하는 절단 가공 단계(505)로 이루어짐을 특징으로 하는 와이어 쏘우 장치의 구동 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 와이어 쏘우의 이송에 따라 변화하는 상기 와이어 쏘우의 권취 부피는 다음의 수학식에 의해 계산됨을 특징으로 하는 와이어 쏘우 장치의 구동 제어 방법.
    수학식
    ,
    ,
    ,
    상기 식에서, η: 공극율, VS: 권취 길이에 대한 와이어 쏘우의 실제 부피, VW: 권취 길이에 대하여 와이어 쏘우가 보빈에 감겨 있는 부피, WW: 권취 길이에 대한 와이어 쏘우의 실제 무게, WS: 공극이 없을 경우 VW에 대하여 와이어 쏘우와 같은 비중을 가지는 재료의 중량, d : 와이어 쏘우의 직경, l : 보빈에 권취되어 있는 와이어 쏘우의 길이, W : 보빈 플렌지 사이의 길이(보빈의 폭), G : 와이어 쏘우의 비중, R1: 보빈 축과 권취되어 있는 와이어 면까지의 거리, R2: 보빈 축과 보빈 권취면까지의 거리, R3: 보빈에서 실제 권취 와이어가 권취되는 높이.
  3. 제 1항에 있어서, 와이어 쏘우의 이송에 따라 변화하는 상기 와이어 쏘우의 권취경은 다음의 수학식에 의해 계산됨을 특징으로 하는 와이어 쏘우 장치의 구동 제어 방법.
    수학식
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