面向芯片封裝的高加速度高精度氣浮定位平臺的研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的飛速發(fā)展，芯片集成度不斷增大，管腳數(shù)量迅速增多，引線間距日益減小，芯片封裝成本在整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的比重越來越突出。迫切需要新一代封裝設(shè)備來大幅度提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量和降低制造成本。而高加速度高精度定位平臺是芯片封裝設(shè)備的核心部件之一，其快速啟/停和高精度定位是高效完成芯片封裝任務(wù)的前提和保證。 為滿足新一代芯片封裝設(shè)備對定位平臺性能的要求，本文旨在研究設(shè)計(jì)一種全新的高推重比直接驅(qū)動(dòng)氣浮定位平臺及其相應(yīng)

2、的位置伺服控制系統(tǒng)。通過協(xié)調(diào)機(jī)電系統(tǒng)的多影響參數(shù)，使平臺在高加速度運(yùn)動(dòng)后，快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、仿真實(shí)驗(yàn)以及系統(tǒng)的綜合性能評估，提供面向芯片封裝的高加速度高精度定位平臺的單元級和原型級設(shè)計(jì)方法及關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。主要工作及取得的成果如下： 一、綜合考慮串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢，為消除摩擦力對定位平臺性能的影響，設(shè)計(jì)了由直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的廣義并聯(lián)氣浮定位平臺并獲得發(fā)明專利(授權(quán)號：ZL 20

3、04 1 0017014.0)。利用三維建模軟件Pro/E的參數(shù)化造型方法構(gòu)造零件的三維模型，通過對三維零部件結(jié)構(gòu)特征的修改，使機(jī)構(gòu)的空間布局合理，以滿足裝配、制造等方面的要求。利用有限元分析軟件ANSYS對所設(shè)計(jì)的平臺進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以尋求最佳設(shè)計(jì)參數(shù)的組合，使氣浮面在自重下的變形小于0.1μm，在重力、氣體壓力和電機(jī)最大推力共同作用下的變形小于3gm，同時(shí)。盡量減小移動(dòng)構(gòu)件的質(zhì)量，X和Y方向移動(dòng)構(gòu)件質(zhì)量分別為8.61 Kg和

4、7.00Kg。 二、通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究了小孔節(jié)流式靜壓空氣軸承的幾何參數(shù)對軸承性能的影響，得出軸承具有較高的承載能力、剛度和較小氣體流量時(shí)各幾何參數(shù)的合理比例，同時(shí)給出軸承設(shè)計(jì)和預(yù)測軸承內(nèi)是否會(huì)出現(xiàn)超音速氣流的簡便方法。分析中還發(fā)現(xiàn)，隨著節(jié)流孔直徑和氣膜厚度的減小，忽略節(jié)流孔長度對軸承性能的影響將帶來較大的誤差(這一點(diǎn)被以往研究者們所忽略)。以上研究成果為氣浮導(dǎo)軌的節(jié)流孔和氣腔尺寸的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 三、給

5、出氣浮導(dǎo)軌性能計(jì)算的有限元方法和角剛度計(jì)算的誤差公式，并用Matlab編寫了相應(yīng)的計(jì)算程序。為避免氣浮面大、節(jié)流孔數(shù)量多使導(dǎo)軌的加工難度和制造成本增加、內(nèi)部氣體流出導(dǎo)軌的時(shí)間延長和灰塵、熱變形以及外力作用致使導(dǎo)軌卡死的危險(xiǎn)加大，對節(jié)流孔直徑、數(shù)量、分布和氣膜厚度進(jìn)行了優(yōu)化，使導(dǎo)軌性能在滿足要求的同時(shí)，氣浮面積和節(jié)流孔數(shù)量最小，并通過實(shí)驗(yàn)證明了計(jì)算結(jié)果可靠，氣浮導(dǎo)軌的承載能力(承受壓力和扭矩)滿足設(shè)計(jì)要求。對氣浮導(dǎo)軌性能分析的結(jié)果表明，當(dāng)

6、采用雙排節(jié)流孔時(shí)，節(jié)流孔的排距和氣浮面寬度之比為0.38時(shí)，軸承能承受的扭矩和角剛度都達(dá)到最大值。 四、針對當(dāng)前商業(yè)化運(yùn)動(dòng)控制器封閉性的特點(diǎn)，利用MC7F8000F4開放式運(yùn)動(dòng)控制器搭建成開放式運(yùn)動(dòng)控制軟硬件系統(tǒng)，以滿足高加速度高精度氣浮定位平臺對控制系統(tǒng)的可編程性和實(shí)時(shí)性的要求。系統(tǒng)中控制計(jì)算機(jī)用來對運(yùn)動(dòng)控制器下達(dá)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，繪制運(yùn)動(dòng)曲線，以便對平臺的性能做出評估。根據(jù)芯片封裝運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)編寫的控制算法在運(yùn)動(dòng)控制器的高性能處理器中運(yùn)

7、行，可同時(shí)滿足可編程性和實(shí)時(shí)性的要求。所編寫的軟件獲得了軟件著作權(quán)(登記號：2006SR09105)。 五、基于結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用簡潔的直線電機(jī)推力模型，建立了平臺的動(dòng)力學(xué)模型，并通過仿真和掃頻實(shí)驗(yàn)對所建模型加以驗(yàn)證。針對氣浮導(dǎo)軌摩擦阻尼小，容易產(chǎn)生振蕩的特點(diǎn)，通過調(diào)整控制器中速度環(huán)參數(shù)，并在位置環(huán)中加入微分控制來改善系統(tǒng)的阻尼，從而提高平臺的性能。在速度環(huán)中采用極點(diǎn)配置并加入適當(dāng)?shù)那梆佈a(bǔ)償，使平臺達(dá)到很高的加速度和定位精度(X軸和