影像引導電鍍之柱徑控制及誤差分析研究

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姓名

楊易宸(YANG-YI-CHEN) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

影像引導電鍍之柱徑控制及誤差分析研究

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摘要(中)

相較於傳統工業的減法製造，近年來流行的加法製造，如 3D列印、3D金屬打印等也越來越為人所知。而在半導體業中，這種加法製造更是應用於更精密的地方，如電子元件的金屬化封裝製程，其精度涵蓋奈米到微米之間。而本實驗利用了其中常使用的局部電化學沉積技術。
本實驗承襲了學者Wang[14]於「異軸式雙螺旋演算法」上使用的基礎演算法，利用即時影像引導的局部電鍍方法來進行鍍出銅柱的柱徑控制。為了達到控制柱徑的目標，使用脈衝寬度調變PWM(Pulse Width Modulation)來模擬不同電壓電鍍的效果。
為了能讓使用者自行設定鍍出的柱徑，本實驗設計了自動調整演算法，抓取由相機回傳的影像進行影像處理，讓獲得的柱徑資料可以控制陽極放電的PWM電壓，使柱徑調整至與輸入值相仿。過程中使用自動記錄程式記錄下過程，分析不同電壓下鍍出的柱徑大小，這些資料可作為往後的電鍍目標值參考 ;此外記錄的不同控制參數之下的柱徑變化，可以分析不同參數之下的誤差，來使電鍍達到更好的表現。

摘要(英)

In recent years, additive manufacturing has become more popular than traditional subtractive manufacturing. 3D printing, 3D metal printing, etc. are becoming more and more known. In the semiconductor industry, the application of this additive manufacturing is applied to more precise places. For example, the accuracy range of the electronic components metallization packaging process is from nanometers to micrometers. This experiment uses the local electrochemical deposition technology commonly used among them.
This paper is based on the basic algorithm of the "non-coaxial double-helix algorithm." Use the local electroplating method guided by a real-time image to control the plated copper column diameter. PWM (Pulse Width Modulation) is used to simulate the effect of electroplating with different voltages to achieve the goal of controlling the column diameter.
This experiment designed an automatic adjustment algorithm to capture the image returned by the camera for image processing to set the plated column′s diameter. Therefore, the returned column diameter data can automatically adjust the PWM of the anode discharge through voltage changes to make the column diameter similar to the input value. Using an automatic recording program to record the process can let us analyze the size of the column diameter plated under different voltages, which can also be used as a reference for the plating target value in the future. It can also record the difference of column diameter under different control parameters to analyze the error and make the electroplating achieve superior performance.

關鍵字(中)

★ 局部電化學沉積
★ 即時影像控制
★ 電鍍柱徑控制

關鍵字(英)

★ Labview

論文目次

摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 ix
第一章緒論 1
1.1 研究背景與目的 1
1.2研究目的 3
1.3論文架構 3
第二章基本原理 4
2.1局部電化學沉積 4
2.2影像二值化與間距偵測 5
2.2.1二值化處理 5
2.2.2間距偵測 6
2.3 PWM脈衝寬度調變 7
2.4 PID控制器 8
第三章實驗硬體設備 10
3.1 系統架構 10
3.2局部電化學沉積系統 11
3.2.1陽極製作 11
3.2.2陰極製作 12
3.2.3電解液製備 14
3.3電解液循環系統 14
3.3.1抽水馬達 15
3.3.2濾心 16
3.3.3濾氣閥 16
3.3.4吹嘴 16
3.4電壓控制系統 17
3.4.1 光耦合器 17
3.5即時影像擷取系統 18
3.6陽極導引系統 19
3.6.1微動平台 19
第四章系統控制演算法 20
4.1人機介面 20
4.2程式架構 24
第五章研究方法 27
5.1 陽極引導演算法改良 27
5.2 電鍍柱徑分佈範圍 29
5.2.1 PWM佔空比測試 30
5.2.2不同變因下的柱徑分佈 33
5.3 柱徑控制演算法 37
第六章實驗結果及討論 40
6.1 陽極引導演算法之改良 40
6.2單柱控制 41
6.2.1 P控制 41
6.2.2 兩段式P控制 43
6.2.3 漸進式P控制 45
6.2.4 比較與總結 46
6.3雙柱控制 47
6.3.1參數調整 50
6.3.2距離調整 52
6.3.3比較與總結 54
第七章結論及未來展望 56
7.1結論 56
7.2未來展望 56
第八章參考文獻 58

參考文獻

[1] K. Ikuta and K. Hirowatari, “Real three dimen sional micro fabrication using stereo lithography and metal molding”, IEEE Proc. Micro Electro Mechanical Systems MEMS’93, 07-10 1993, Fort Lauderdale, FL, USA, pp.42-47.3, 1993.
[2] J. Hu, and M.F. Yu, "Meniscus-confined three-dimensional electrodeposition for direct writing of wire bonds," Science, pp. 313-316., 29 3 2010.
[3] S.H. Yeo, and J.H. Choo, "Effects of rotor electrode in the fabrication of high aspect ratio microstructures by localized electrochemical deposition.," Journal of Micromechanics and Microengineering, pp. 435-442, 5 11 2001.
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[6] Lin, C.S., et al., Improved copper microcolumn fabricated by localized electrochemical deposition. Electrochemical and Solid State Letters, 8(9): p. C125-C129, 2005.
[7] Yeo, S.H. and J.H. Choo, Effects of rotor electrode in the fabrication of high aspect ratio microstructures by localized electrochemical deposition. Journal of Micromechanics and Microengineering, 11(5): p. 435-442, 2001.
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[9] S.K. Seol, "Localized electrochemical deposition of copper monitored using real- time X-ray microradiography.," Advanced Functional Materials, pp. 934-937, 15 6 2005.
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[11] C.Y. Lee et al., “Localized Electrochemical Deposition process improvement by using different anodes and deposition directions”, J.Micromech. Microeng. 18 105008, 2008.
[12] T. C. Chen et al., “The Development of a Real-Time Image Guided Micro Electroplating System,” International Journal of Electrochemical Science, 5, 10, 2010.
[13] 邱永傑，即時影像導引局部電化學沉積系統製作立體微結構物之研究，國立中央大學機械工程學系碩士論文，2016。
[14] 王晨旭，雙陽極局部電化學之精度與類DNA雙螺旋結構控制法之研究，國立中央大學機械工程學系研究所碩士論文，2019。
[15] 林世偉，影像導引電鍍可控柱徑及可變螺距雙螺旋之研究，國立中央大學機械工程學系光機電工程碩士論文，2019
[16] 林景崎，鎳銅合金之微電鍍即崎結構、性質與應用研究成果報告，國立中央大學機械工程研究所，桃園市，2010。

指導教授

黃衍任(Hwang, Yean-Ren)

審核日期

2020-11-5

推文