多自由度倒裝鍵合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與誤差補(bǔ)償.pdf

1、隨著電子封裝朝高密度方向不斷發(fā)展，倒裝鍵合工藝由于具有封裝密度高、電氣和散熱性能好等優(yōu)點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但目前國(guó)內(nèi)可完成高密度封裝的倒裝鍵合設(shè)備全部依賴于進(jìn)口。作為倒裝鍵合設(shè)備的核心部件，倒裝鍵合機(jī)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究與機(jī)械實(shí)現(xiàn)對(duì)于打破市場(chǎng)壟斷、突破技術(shù)封鎖具有重大意義。本文以提高倒裝鍵合機(jī)構(gòu)精度為目的，在機(jī)構(gòu)型綜合、尺度綜合、精度設(shè)計(jì)和誤差補(bǔ)償?shù)确较蜻M(jìn)行了深入、系統(tǒng)研究，貫穿倒裝鍵合機(jī)構(gòu)從設(shè)計(jì)、裝配到調(diào)試的整個(gè)開發(fā)周期，為研制高精度

2、高性能倒裝鍵合機(jī)構(gòu)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　在機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)工藝操作的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)與規(guī)律創(chuàng)造出相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，該過程即是機(jī)構(gòu)型綜合。根據(jù)倒裝鍵合工藝要求，倒裝鍵合機(jī)構(gòu)至少需要六個(gè)自由度，且可分為倒裝貼片機(jī)構(gòu)和調(diào)平機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分，其中貼片機(jī)構(gòu)通常采用桁架式結(jié)構(gòu)。調(diào)平機(jī)構(gòu)可改變芯片姿態(tài)，必須具有承載能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快而精度高等特點(diǎn)以滿足高密度封裝的需求，這些特點(diǎn)恰是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。本文基于約束螺旋理論型綜合得到一類兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)解耦的并聯(lián)

3、機(jī)構(gòu)，遴選出兩種可用作調(diào)平機(jī)構(gòu)的構(gòu)型，并以其中一種為例驗(yàn)算了自由度、選擇了合理的輸入運(yùn)動(dòng)副、開展了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，結(jié)果表明型綜合得到的兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)解耦的調(diào)平機(jī)構(gòu)完全滿足設(shè)計(jì)要求。
　　型綜合獲得調(diào)平機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)方案后即可進(jìn)行幾何尺寸設(shè)計(jì)。為了使剛度、工作空間、靈巧度等機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)必須對(duì)構(gòu)件幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，這一過程即是尺度綜合。尺度綜合時(shí)，各構(gòu)件的幾何參數(shù)是設(shè)計(jì)變量，各項(xiàng)性能指標(biāo)的定義方程是目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)動(dòng)學(xué)位置方程是約束條件

4、。根據(jù)調(diào)平機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦的特性可將其分為兩個(gè)平面連桿機(jī)構(gòu)，分別求取平面連桿機(jī)構(gòu)的正、反位置封閉解析解作為尺度綜合的約束條件，定義工作空間、傳動(dòng)角這兩個(gè)性能指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，繪制性能指標(biāo)與歸一化的幾何參數(shù)在位置解約束下的圖譜。性能圖譜可直觀地反映出歸一化參數(shù)與性能指標(biāo)之間的映射曲線，不同指標(biāo)所繪制圖譜的交集即是各構(gòu)件的全局優(yōu)化幾何參數(shù)。
　　精度是衡量倒裝鍵合設(shè)備性能的重要指標(biāo)，必須通過各種途徑來提高，精度設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定是最常用的兩

5、種。速度分析是精度設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，虛擬機(jī)構(gòu)法常用來推導(dǎo)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的一階運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)矩陣即Jacobian矩陣，該矩陣的特性是評(píng)價(jià)調(diào)平機(jī)構(gòu)精度性能的重要依據(jù)。作為少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，調(diào)平機(jī)構(gòu)存在一些不可能通過運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定來補(bǔ)償?shù)奈蛔苏`差。為解決該問題，采用基于攝動(dòng)法的誤差矢量鏈建立了調(diào)平機(jī)構(gòu)含連桿尺寸誤差、關(guān)節(jié)安裝誤差和驅(qū)動(dòng)誤差的誤差模型，通過靈敏度分析揭示對(duì)位姿誤差特別是不可補(bǔ)償?shù)奈蛔苏`差影響大的誤差源，這些誤差源在設(shè)計(jì)、加工與裝

6、配過程中必須嚴(yán)格控制其大小，最終實(shí)現(xiàn)以最小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)提高精度。
　　對(duì)倒裝貼片機(jī)構(gòu)而言，貼片精度是其最重要的性能指標(biāo)。當(dāng)高于某一程度時(shí)，通過提高零部件加工精度與裝配質(zhì)量的方式來提高貼片精度將導(dǎo)致成本呈指數(shù)增長(zhǎng)；而誤差補(bǔ)償可以在不增加成本的前提下利用附加的微運(yùn)動(dòng)減小或消除各種原始誤差對(duì)精度造成的不利影響，得到了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛研究與應(yīng)用。幾何誤差是倒裝貼片機(jī)構(gòu)最主要的誤差來源，假設(shè)各零部件均為剛體時(shí)，其可按常量處理。倒裝貼片機(jī)構(gòu)

7、與一般的X-Y-Z-θ四軸數(shù)控機(jī)床的顯著區(qū)別就是配置了視覺定位系統(tǒng)，視覺定位技術(shù)也為誤差補(bǔ)償提供了新方法。在倒裝貼片機(jī)構(gòu)進(jìn)行pick-and-place操作時(shí)其內(nèi)部的兩套機(jī)器視覺系統(tǒng)分別對(duì)芯片與基板進(jìn)行定位。根據(jù)倒裝貼片機(jī)構(gòu)工藝操作的特點(diǎn)，將其分為θ軸和X-Y-Z軸兩部分建立誤差模型，通過視覺系統(tǒng)對(duì)θ軸旋轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡以及X-Y軸運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)固定十字標(biāo)記位置的測(cè)量完成誤差模型中參數(shù)辨識(shí)，推導(dǎo)出反映視覺定位系統(tǒng)偏差與補(bǔ)償微運(yùn)動(dòng)之間映射關(guān)系的誤差