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)計一種全新的高推重比直接驅(qū)動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)機電系統(tǒng)的多影響參數(shù)，使平臺在高加速度運動后，快速達到穩(wěn)定狀態(tài)。實現(xiàn)概念設(shè)計、詳細設(shè)計、仿真實驗以及系統(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)機構(gòu)的優(yōu)缺點及直線電機直接驅(qū)動的優(yōu)勢，為消除摩擦力對定位平臺性能的影響，設(shè)計了由直線電機直接驅(qū)動的廣義并聯(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)計的平臺進行靜力學(xué)和動力學(xué)分析，以尋求最佳設(shè)計參數(shù)的組合，使氣浮面在自重下的變形小于0.1μm，在重力、氣體壓力和電機最大推力共同作用下的變形小于3gm，同時。盡量減小移動構(gòu)件的質(zhì)量，X和Y方向移動構(gòu)件質(zhì)量分別為8.61 Kg和

4、7.00Kg。 二、通過仿真分析和實驗驗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各幾何參數(shù)的合理比例，同時給出軸承設(shè)計和預(yù)測軸承內(nèi)是否會出現(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)計提供了依據(jù)。 三、給

5、出氣浮導(dǎo)軌性能計算的有限元方法和角剛度計算的誤差公式，并用Matlab編寫了相應(yīng)的計算程序。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)軌卡死的危險加大，對節(jié)流孔直徑、數(shù)量、分布和氣膜厚度進行了優(yōu)化，使導(dǎo)軌性能在滿足要求的同時，氣浮面積和節(jié)流孔數(shù)量最小，并通過實驗證明了計算結(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，節(jié)流孔的排距和氣浮面寬度之比為0.38時，軸承能承受的扭矩和角剛度都達到最大值。 四、針對當(dāng)前商業(yè)化運動控制器封閉性的特點，利用MC7F8000F4開放式運動控制器搭建成開放式運動控制軟硬件系統(tǒng)，以滿足高加速度高精度氣浮定位平臺對控制系統(tǒng)的可編程性和實時性的要求。系統(tǒng)中控制計算機用來對運動控制器下達運動參數(shù)，繪制運動曲線，以便對平臺的性能做出評估。根據(jù)芯片封裝運動特點編寫的控制算法在運動控制器的高性能處理器中運

7、行，可同時滿足可編程性和實時性的要求。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推力模型，建立了平臺的動力學(xué)模型，并通過仿真和掃頻實驗對所建模型加以驗證。針對氣浮導(dǎo)軌摩擦阻尼小，容易產(chǎn)生振蕩的特點，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)中采用極點配置并加入適當(dāng)?shù)那梆佈a償，使平臺達到很高的加速度和定位精度(X軸和