（机械电子工程专业论文）基于ic封装的并联焊头机构的设计与优化.pdf

摘要摘要i c 芯片封装设备由精密机械结构、电气控制和图像识别及光电检测部件等组成，包括感知和控制外界信息的传感器( 如：位置、速度、力、光、磁、热、气等) 和执行器，充分表现出多学科前沿的高度综合和渗透。目前如何进一步提高该类设备的速度与精度，特别是提高其高速运动条件下的性能是国内外研究开发的热点。本课题来源于广州市科技项目( 2 0 0 4 2 3 一d 9 0 2 1 ) ：基于i c 封装的并联机构研究。本文设计和开发出i c 芯片粘片机的并联焊头机构，以右滑块在送片和复位过程中的运行距离和整个滑轨总长为目标函数建立了优化模型。根据优化结果，制造出i c 芯片粘片机并联焊头机构的模型：建立了运动学方程，通过对运动学正解、反解方程的分析和求解，分别得出焊头、滑块的运动规律，并通过实例对得到的运动规律进行了验证。在控制方面，讲述了并联机构运动控制系统的构成，讨论了d m c l 0 0 0 运动控制卡和伺服电机的原理和使用，用c 语言编写控制程序，在d 0 s 环境下对运动系统进行控制，对控制界面的原理做了详细的介绍。通过设计和开发平面并联机构，研究其工作原理、i c 封装设备关键机构的结构形式、机构参数，获取相关的系列数据、曲线、图表等，形成指导同类i c 封装设备结构设计和使用的规则和理论。该机构已经申请实用新型专利( 平面双滑块并联机构二自由度粘片机焊头机构z l2 0 0 42 0 0 9 3 6 4 9 4 ) 。关键词：结构优化；运动仿真；路径优化；运动控制：耋童三些奎兰三兰至圭篁兰a b s t r a c tt h ei cc h i pe n c a p s u l a t i o ne q u i p m e n tw h i c hi sc o m p o s e do fp r e c i s i o nm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，e l e c t r i cc o n t r o l ，i m a g ei d e n t i f ya n dp h o t o e l e c t r i c i t yd e t e c t i o np a r t sa n ds oo ni n c l u d e st h ee x e c u t ei m p l e m e n ta n dt h es e n s o rw h i c hc a na p p e r c e i v ea n dc o n t r o lt h eo u t s i d ei m f o r m a t i o n ，w h i c hf u l l yd i s p l a y st h em u l t i l 一s u b j e c t sf r o n t i e r sh i 曲s y n t h e s i sa n do s m o s i s c u r r e n t l y ，h o wt ou l t e r i o r l yh e i g h t e n st h e s ee q u i p m e n t s s p e e da n dp r e c i s i o n ，e s p e c i a l l ye n h a n c e si t sp e r f o r m a n c eu n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g h s p e e dm o v i n gi st h eh o t s p o to ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hd e v e l o p m e n t t h er e s e a r c hi sf r o mt e c h o n 0 1 0 9 i c a lp r o j e c to fg u a n g z h o uc i t y ( 2 0 0 4 2 3 一d 9 0 21 ) ：r e s e a r c ho fb a s i n go ni ce n c a p s u l a t i o nw i t hp a r a l l e lm e c h a n i s m t h i st e x td e s i g n sa n dd e v e l o p st h eb o n d i n gh e a df o r t h ei cc h i pd i e b o n d e rw i t hp a r a l l e lm e c h a n i s m ，s e t su pt h eo p t i m i z e d m o d e l ，a n ds e t su pt h eo p t i m i z e d m o d e lf o rr u n n i n gd i s t a n c eo fr i g h ts l i d e rc r a n ka n dt h ew h 0 1 el e n g t ho fs l j d e rt r a c k b a s i n go nt h eo p t i m i z e dr e s u l t ，t h em o d e lo fb o n d i n gh e a df o rt h ei cc h i pd i e b o n d e rw i t hp a r a l l e lm e c h a n i s mw i l lb em a d eo u t s e t t i n gu pt h ee q u a t j o no fk i n e m a t i c s ，b ya n a l y z i n ga n ds o l v i n gk i n e m a t i c se q u a t i o nw i t hp o s i t i v es o l u t i o na n dn e g a t i v es o l u t i o n ，m o t i o nr u l e so ft h eb o n d i n gh e a da n dd r i v ep o i n ta r eo b t a i n e d ，a n db yu s i n ge x a m p l et ov e r i f yt h e s er u l e s i nc o n t r 0 1p a r t ，t h em o t i o nc o n t r 0 1s y s t e mf o rp a r a l l e lm e c h a n i s mi sd e s i g n e d ，a n dt h o s eq u e s t i o n st h a tt h ep r i n c i p l ea n du s eo fm o t i o nc o n t r o lc a r da n ds e r v om o t o ra r ed i s c u s s e d t ou s ecl a n g u a g et op r o g r a m m eo fc o n t r 0 1 a n dt oc o n t r 0 1t h em o t i o ns v s t e mu n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fd o s a n dh o wt ou s et h ec o n t r o li n t e r f a c e a r ea l s od i s c u s s e d b yd e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n gp a r a l l e lp l a n em e c h a n i s m ，a n dr e s e a r c h i n gi t sw o r kp r i n c i p l e ，t h es t r u c 【u r e ，p a r a m e t e r so fi ce n c a p s u l a t i o nk e ym a c h i n e ，r e l a t i v ed a t a ，c u r v e s ，g r a p h sc a nb eo b t a i n e d ，w h i c hf o r m ss o m er u l e sa n dt h e or i e s g u i d i n gt h es t r u c t u r ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fi ce n c a p s u l a t i o nm a c h i n e t h em e c h a n i s mh a sa p p l i e df o rp a t e n t ( t h eb o n d i n gh e a df o rt h ed o u b l ed e g r e eo ff r e e d o md i eb o n d e rw i t hd l a n ed o u b l es l i d e rc r a n kz l2 0 0 42 0 0 9 3 6 4 9 4 ) i ik e yw o r d s ：m a c h i n eo p t i m i z e ；s i m u l a t i o no fm o t i o n ；o p t i m i z a t i o no fm o t i o nt r a c k ：m o t i o nc o n t r 0 1i i i笫一章绪论第一章绪论1 1 本课题研究的背景及意义i c 芯片粘片机是微电子封装后工序中的重要设备之一，随着i c 封装技术的发展，i c 芯片粘片机的粘片速度越来越快、定位精度也越来越高。目前国外最先进的i c 芯片粘片机运行速度已达到2 0 0 0 0 次小时，定位精度为微米级。但由于i c 芯片粘片机的焊头都是采用串联机构，运动部件的质量、惯性都很大，这阻碍了粘片机的粘片速度和定位精度的进一步提高。而并联机构具有刚度大、惯性小、响应快等优点，因此，将并联机构应用到i c 芯片粘片机的焊头结构中，进而提高粘片机的粘片速度和定位精度是有可能的。2 0 0 2 至2 0 0 7 年期间，全球i c 封装市场将以7 9 的年复合增长率成长，预计到2 0 0 7 年全球i c 封装市场规模将达2 0 0 亿美元“1 。2 0 0 3 年仅美国对中国的半导体产品出口达到了约2 0 亿美元。中国的集成电路市场的产值大约在1 9 0 亿美元，居全球第三。虽然目前从国外的进口占据了8 0 的市场，但中国国内的半导体工业正在迅猛发展“j ”。2 0 0 0 年中国i c 需求量达到2 3 2 亿块，总额为9 7 5 亿元，与1 9 9 9 年相比，市场需求量和总额分别增长了4 0 和7 8 ，预计这种增长仍将保持二三十年”，2 。随着i c 生产技术的进步，封装技术也不断更新换代，每一代i c 都与新一代的i c 封装技术紧密相连“1 。目前，国产封装设备、模具的品种和水平与市场需求差距较大。i c 芯片封装设备由精密机械结构、电气控制和图像识别及光电检测部件等组成，包括感知和控制外界信息的传感器( 如：位置、速度、力、光、磁、热、气等) 和执行器，充分表现出多学科前沿的高度综合和渗透巧1 。目前如何进一步提高该类设备的速度与精度，特别是提高其高速运动条件下的性能是国内外研究开发的热点哺3 。随着i c 封装技术的提高，体积越来越小，脚位脚距越来越密。加上无铅封装的推行与普及，封装的工艺要求等，对i c 封装设备的要求也越来越高。为了适应封装技术的发展，必须大力开展微电子制造与封装技术的研究和实用设备的研发，掌握核心技术，研发具有自主知识产权的产品o ”。本课题研究对开发实用化的高速高精度全自动粘片机具有理论价值。对实现以粘片机为代表的微电子封装设备追赶并达到世界先进水平具有现实意义。广东工业大学工学硕士论文1 1 1lc 封装业的发展i c 工业是国民经济的基础，是一个飞速发展的新兴产业。从6 0 年代的小规模集成电路( s s i ) ，发展到了当今的大规模集成电路( l s i ) 和超大规模集成电路( v l s i ) 。i c 芯片上集成的晶体管数量从几个发展到上百万个，芯片的引脚从几个发展到成百上千个，i c 芯片的功能越来越强大暗“”。随着i c 芯片制造技术的发展，i c 封装技术也迅速发展起来。六七十年代，t o 、d i p 、p d i p 封装占主导地位，八九十年代则是以适应s m t 表面封装的c l c c 、p l c c 、s o p 、q f p 、b g a 等封装形式为主，九十年代后期以3 d 、m c m 、s i p 封装形式为代表。1 1 2 我国l c 芯片粘片机的设计与制造技术随着i c 封装技术的发展，对i c 芯片粘片机的运动精度、定位精度和运行速度提出了越来越高的要求，但由于i c 芯片粘片机的关键部位_ _ _ 焊头部分采用的是串联机构，其固有缺点在高速时表露无疑：1 ) 定位误差具有迭加性：2 ) 运动部件的质量、惯性大，影响了粘片速度和定位精度的进一步提高。因此，采用并联焊头机构来克服串联机构的固有缺点，提高i c 芯片粘片机的运行速度和定位精度，有助于适应i c 封装业的发展。并联机构是目前国内外研究的热点，此结构现阶段主要应用于机床、机器人等领域，国内外针对i c 封装设备开展并联机构及其综合研究的活动尚未见报道“。与传统的串联机构相比，并联机构具有以下特点：第一，并联机构由多杆支撑，与串联结构相比刚度大、结构稳定；第二，在相同自重与体积下具有较高的承载能力；第三，并联机构末端没有串联机构末端件的误差积累和放大作用，故误差小、精度高；第四，基于并联机构的i c 芯片粘片机将电机置于机座上，运动负荷比较小；而基于串联机构的i c 芯片粘片机，其电机及传动系统都放在运动件上，增加了系统的惯性，恶化了动力学性能；第五，在运动学求解上，并联机构正解求解困难、逆解求解非常容易；而串联机构的正解求解容易、逆解求解十分困难。由于实时控制时要计算逆解，故并联机构在这方面很有优势。自从二十世纪八十年代以来，并联机构在许多领域得到了应用，其中主要领域为机床制造业，现在美国、德国、俄罗斯、我国的一些工厂、研究单位都设计和生产出不同类型的并联机床，在机器人和测量仪器等方面也有少量的报道9 3 。将并联机构用于i c 芯片粘片机的焊头设计，扩大了并联机构的使用范围。如果取得成功，则在其它的高速、高精度的机械制造领域同样可以应用并联机构。第章绪论1 2 本课题国内外研究现状i c 封装技术发源于美国，现在欧美、日本、亚洲四小龙等国家和地区从事i c封装研究开发的大学、研究所、工厂很多，并且i c 封装的水平也处于世界领先地位。封装的产品主要是一些高端产品，如：8 g a 、c s p 、m c m 、s i p 等”2 ”1 。其封装设备也处于世界领先水平，而且各国对封装设备的研究也大力支持：美国在n s f( 美国国家科学基金会) 的资助下，于1 9 9 4 年在乔治亚理工学院( g e o r g i ai n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 建立了国际开发中心，该中心与各专业机构、工业组织有着密切的联系和合作，综合实力强大。日本依靠其强大的产业基础，在通产省的支持下，以骨干企业为中心，联合大学、科研机构正鼎力进行电子封装及其设备的研究开发，仅日本封装学会( j i e p ) 下就有会员2 5 0 0 余人。台湾守义大学、香港科技大学、新加坡国立研究所等都建立了i c 封装中心。由于欧美、日本、亚洲四小龙等国家和地区基础工业发达，并且从事i c 封装的时间很长，再加上政府的支持，i c 工业的投入资金远大于其他制造业。据估计，在九十年代，发达国家用于i c 工业的资金约为其他制造业的五倍左右，远非其他发展中国家可比。因此目前先进的i c 封装设备基本上被这些国家和地区的大公司所垄断，如美国的k s 、瑞士的e s e c 、日本的t o s o k 、n e c 、荷兰的a s m 、韩国的t s m 等。i c 封装设备已达到的有关技术参数是：定位精度5 1 0 u m ，运动精度3 0 “1 0 u m ，加速度6 1 0 9 ，焊头往返速度达到1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 次小时“4 ”。我国i c 封装设备制造业起步较晚，再加上加工、设计能力差，并且相关的基础理论缺乏，因此i c 芯片粘片机与其他发达国家相比，总体水平与国外先进水平相差2 4 代，只能生产国外已经淘汰的手动型、半自动型的芯片粘片机“”。在并联机构研究方面，国内一些学者，如燕山大学的黄真教授、清华大学的汪劲松教授、东北大学的蔡光起教授等进行了研究，在此领域发表了大量的论文，并取得了很多专利。在并联机床的研究方面，主要形式为大学和工厂合作：天津大学与天津第一机床厂合作于1 9 9 9 年成功制造出我国第一台三坐标并联机床商品化样机l i n a p o d ，哈尔滨工业大学和哈尔滨量具厂合作，研制出“六轴并联机床”等。另外，清华大学、东北大学、国防科技大学、浙江大学等也联合工厂研制出不同类型的并联机床，但从报道的内容和实际使用情况来看，这些并联机床除少量应用于生产外，大多数还处于实验或理论推导阶段”6 。广东工业大学工学硕士论文由于并联机构已在机床领域应用成功，使其应用于i c 芯片粘片机有了一定的理论基础，但要看到机床领域和i c 芯片粘片机有很大的不同：1 ) i c 芯片粘片机的负载小；2 ) i c 芯片粘片机的运动是往复、高速运动；3 ) i c 芯片粘片机的运动精度和定位精度高曙7 ，4 ”。因此将并联机构应用于i c 芯片粘片机的焊头设计，必须在现有的并联机构的理论基础之上，根据i c 芯片粘片机的具体特点，对其运动学、动力学进行进一步的研究，并进行实验验证，才能确保在i c 芯片粘片机的焊头设计中应用成功。1 3 本课题研究的主要内容1 3 1 结构设计和运动路径的优化采用并联机构原理，将并联机构应用到i c 芯片粘片机的焊头机构中，设计出基于i c 封装的并联焊头机构。对结构及焊头的运行轨迹进行优化，得到最佳的使用性能和工作空间。a 结构优化：主要就是导轨和杆长的优化，以降低制造费用和提高结构空间和工作空间比b 路径的优化：根据焊头起落的位置( 晶片的拾放点) ，对焊头的运动路径行优化，使机构运行平稳。1 3 2 运动控制研究变加速运动控制，优化运动曲线和参数，保证动态性能。运动部件的控制通过力、速度、加速度和位置等方面的控制来实现。4第二章机构焊头部件的总体设计及优化第二章机构焊头部件的总体设计及优化i c 芯片粘片机是微电子封装后工序中重要设备之一，功能是将芯片从晶圆上拾取并粘焊到引线框架上。作为i c 芯片粘片机的关键部件，焊头运动机构的作用是将晶园( w a f e r ) 上已切割分离成一片片的i c 芯片逐个吸起，传送并放置到引线框架上，使得芯片在引线框架上被粘焊固定。焊头机构需要精确、快速、平稳地往返于拾片( p i c k ) 和粘片( b o n d ) 两个位置，实现拾取、传送和粘焊芯片等动作【2 ”。随着i c 封装技术的发展，要求i c 芯片粘片机的粘片速度越来越快、定位精度越来越高。传统上i c 芯片粘片机是采用串联机构，定位误差具有迭加性，定位精度不高。同时，由于焊头在垂直平面内两自由度运动的要求，通常采用两个电机分别驱动，必然有一个电机安装在另一个电机驱动的运动机构上跟随运动，导致运动部件的质量大，焊头的运动惯量也相应增大，不利于粘焊速度的提高【2 “。为了克服这些缺点，提高i c 芯片粘片机的运行速度和定位精度，需要从结构上进行改进，为此，课题组设计了两自由度并联平面机构，两个驱动电机都安装在固定不运动的机架上，焊头机构能实现两自由度独立运动。焊头运动部件结构简单新颖，最高焊接速度接近l 0 0 0 0 片小时。2 1 两自由度并联平面机构的设计及原理图2 一l 两自由度并联平面机构f i g 2 1p a r a l l e lp l a n em e c h a n i s mw i t hd o u b l ed e g r e eo ff r e e d o m广东工业大学工学硕士论文图2 1 为课题组设计的两自由度并联平面机构，为了使结构紧凑，将两个驱动电机上下并排放在左侧面，通过连轴结与两个滚珠丝杠相连接。左右两个挡板上都开有轴承孔，用来支撑两个滚珠丝杠。两个滚珠丝杠的螺母通过螺钉与两个滑板固定连接在一起，滑板又与直线导轨的滑块固定连接。电机起动后会带动丝杠一起转动，然后转化为丝杠螺母的直线运动，滑板、滑块就和丝杠螺母一起沿着直线导轨做直线运动。为了满足吸嘴座始终作平行于导轨的平动要求，需要一个支链中含有平行四边形机构，为了解决这个问题，设计了如图2 2 、2 3 所示的机构。图2 2 平行四边形结构f i g 2 - 2s t r u c t u r eo fp a r a l l e l o g r a m如图2 2 所示，其中左边的支链包括两个连杆。连接件固定在两个滑板的下面。左右连接件上都开有轴承孔，其中左连接件上开有相互平行的两排轴承孔且与右连接件上的的轴承孔平行。连杆上端通过销轴与左、右两支链相连接，这样可以保证连杆围绕销轴在平面内转动。6图2 3 吸嘴座f i g 2 一lp e d e s t a lo fj o i n t i n g吸嘴座的结构如图2 3 所示，由三个部件组合而成，上面开有三排相互平行的轴承孔，并且使左边两个平行孔之间的距离与左连接件上两个平行轴承孔之间距离相等，以保证左支链为平行四边形。连杆的另一端也是通过销轴与吸嘴座相连接。由于该设计在结构上保证了左边的支链为平行四边形机构，所以可以实现焊头座始终与导轨平行。吸嘴安装在吸嘴座上，在滑块的带动下由拾片点运动到焊片点进行粘焊，然后再由焊片点运行到拾片点进行吸拾芯片，如此往复完成芯片的连续吸拾、粘焊动作，在芯片的吸拾、粘焊过程中，左滑块运行的距离比右滑块大很多，使得左滑块运行速度也要比右滑块大很多，当驱动电机的转速相同时，带动左滑块运行的滚珠丝杠的螺距相应的就要大于带动右滑块运行的滚珠丝杠的螺距。本实验装置所使用的小螺距丝杠的螺距为2 5 m m ，直径为8 m m ，大螺距丝杠的螺距为2 0 删，直径为1 5 m m ，从而保证了左右驱动电机转速相当的情况下，左滑块的运行速度远远大于右滑块的运行速度。为了满足粘片速度达到1 0 0 0 0 次小时，一方面要求滚珠丝杠的螺距要足够大，另一方面要求电机本身的转速很高。本实验所用的伺服电机是y n 系列s g m a h安川电机，其额定转速为3 0 0 0 转分钟，最高转速可以达到5 0 0 0 转分钟；当伺服广东工业大学工学硕士论文电机以每秒3 0 0 0 转分钟的转速转动时，可以实现吸嘴每秒往返3 次，从而使得粘片速度达到l o o o o 次小时。2 2 运动仿真使用软件对设计的模型进行仿真和分析，能够模拟在真实环境中的工作状况并对其进行分析和判断，阱尽早发现设计缺陷和潜在的失败可能，提前进行改善和修正，从而减少后期修改而付出的昂贵代价，减小设计的周期陀“。本实验所设计的结构是在三维绘图软件p r o e 中建模的，其中p r o m e c h a n i c a模块功能强大，可以对所设计的结构进行运动分析、仿真。p r o l e c h a n i c a 有三种工作模式，其中集成模式运行于p r o e 平台之上，操作及界面与p r o e n g i n e e r 相同，能够直接使用p r o e n g i n e e r 的参数进行分析及优化2 3 1 ，本实验即是在集成模式下工作的。在p r o e n g i n e e r 环境中点击下拉式菜单“应用程序”_ “机构”即可进入集成模式，如图2 4 所示。图2 4 下拉菜单f i g 2 - 4d o w nm e n ur i j在集成模式下点击工具栏中的伺服电动机按钮l 。黜，或点击下拉式菜单c 伺服电动机”- 新建，弹出一个对话框，选取从动图元能够确定伺服电机所作用的主体( 滑块) ，可以选取连接轴，例如销钉、滑动杆，也可以选取点或面，从而使主体产生旋转或平移运动。本实验所选取的为滑动杆，可以使主体产生平移运动。量三茎坠塑堡兰塑竺塑量竺兰苎垒堡些通过轮廓选项卡，能够指定伺服电机的位置、速度和加速度随时间变化而变化的规律；其中模被定义了9 种方式，其中常用的有常数、线形、余弦、摆线( 模拟凸轮轮廓的输出) 等。设定机构运行的时间为n 秒，为使机构产生一个完整的周期，右滑块需要移动1 l m m ，丝杠螺距为2 5 m m ，故右侧伺服电机需要转动1 1 ，2 5 = 4 4 圈，设置模( 表示电机每秒转动的角度) 为常数4 4 * 3 6 0 ，月；左滑块需要移动1 2 8 m m ，丝杠螺距为2 0 m m故左侧伺服电机需要转动1 2 8 ，2 0 = 6 4 圈，设置模为常数6 4 * 3 6 0 n 。f _ 一-点击工具栏中的分析按钮 ! ，或点击下拉式菜单一分析，- 新建，弹出一个对话框。通过优先选项卡，可以设定运动的起始、终止时间。所有参数设置完以后，点击运行按钮，即可以看到机构的运动仿真画面如图2 5 所示图2 5 运动仿真f i g 2 - 5s j m u l a “o no fm o c i o n运行完毕以后，为了检查结构中是否存在干涉现象，可以通过点击工具栏中的慝( 结果回放) 键，出现如图2 6 所示对话框，勾选。全局干涉，选项，然后再广东工业大学工学硕士论文点击对话框中的艇赡| 键，可以重复运动仿真的画面，一旦有干涉现象，便会对有干涉的地方出现提示，通过对结构的设计进行适当的改进，便可消除干涉，从而可以达到对结构的改进和完善。图2 6 干涉检查f i g 2 6i n t e r f e r e n c ec h e c k2 3 并联焊头机构的优化平面双滑块并联焊头机的简图如图2 7 所示图2 7 两自由度并联平面机构的简图f i g 2 7s k e t c ho fp a r a l l e lp l a n em e c h a n i s mw i t hd o u b l ed e g r e eo ff r e e d o m1 0第二章机构焊头部件的总体设计及优化其中1 、5 为驱动电机，6 、7 、8 为长度相等的连杆，2 、3 为滑块，4 为导轨，1 0 为焊头吸嘴，固定在焊头座9 上，通过调节焊头吸嘴中的气压可以将微小的晶片从晶圆上吸起( 拾片) ，然后粘焊在引线框架上( 焊片) 。焊头座通过两个支链与机架联结，其中左边的支链由构件2 、6 ，7 及构件9 组成平行四边形，每个连杆通过转动副与滑块、吸嘴相铰接。当左右滑块运动时，带动焊头吸嘴运动，以达到拾片和焊片的目的。从机构学角度出发，两个支链中只要有一个支链中含有平行四边形机构就能满足运动平台的平动运动要求。右支链由构件3 、8 及吸嘴9 组成，连杆与滑块和运动平台问也是通过转动副相铰接。如图1 所示，p ic k为在晶园上吸取芯片的位置，b o n d 为在引线框架上粘焊芯片的位置，p ic k和b o n d 之间的水平距离为l ，垂直距离为h 。在此机构中，如果导轨越长，则固定、支撑系统也相应地越复杂，整个机构的制造费用也越高：如果左右滑块的运行距离越长，在两个驱动电机的转动速度一定的情况下，并联焊头机构在单位时间内往返的次数越少，即粘片机粘焊片的数量越少、效率越低。而导轨的长度、左右滑块的运行距离与连杆的长度、拾片点、焊片点的水平和垂直距离以及拾片点到导轨的垂直距离有关。因此，要降低机器的制造费用、提高工作效率，必须对导轨的长度和滑块的运行距离进行优化。2 3 1 机构的工作过程对上述焊头结构进行简化，如图2 8 所示：图2 8 简化的结构f i g 2 8s i m p l i f i e dm e c h a n i s m广东工业大学工学硕士论文图2 8 画出了满足机构的工作空间d h 时并联焊头机构的两个极限位置。给定d = 7 0 m m ，h = 5 0 m m ，即机构的工作空间为：7 0 5 0 ；从图中可以得到如下关系式：f + s i n ( ) 一f + s i n ( q ) = ( 2 1 )即= a r c s i n ( s i n ( q ) + ，z )( 2 2 )式中口，为送片结束时连杆与导轨之间的夹角，为拾片时连杆与导轨之间的夹角，h 为拾片点和焊片点之间的高度差。机构的工作过程可分为四个部分：( 一) 拾片过程两个滑块移动到端点( a ，e ) ，带动焊头吸嘴到晶片上方c 0 点。为了避免吸嘴侧移划伤晶圆片的表面，双滑块以相同的速率相对移动到a 、b ，使焊头垂直下移( 约3 6 m m ) ，吸嘴在真空的作用下吸附接触着的晶片。两个滑块再以相同的速率沿着相反的方向回到( a l ，e ) ，完成晶片拾取动作。( 二) 送片过程左右两个滑块分别以不同的速度向左移动，左滑块由a 移动到 ，右滑块由b l移动到b ，焊头在滑块的带动下沿着给定轨迹线从c 。点移动到d o 点完成晶片的传送动作。右滑块移动的距离a 最：d 1 = d + l4 ( c o s 【a r c s i n ( s i n ( 口1 ) + h ，z ) 卜c o s ( n 1 ) )t2 3 )左滑块移动的距离e 最：d 2 = d 一，+ ( c o s a r c s i n ( s i n ( 口】) + z ) 卜c o s ( q ) )( 2 4 )式中d 为拾片点和焊片点水平方向之间的距离；( 三) 焊片过程焊头到达d n 点后，为了避免划伤晶圆片的表面和碰到其他元件，两个滑块以相同的速率相对移动，使焊头垂直下移5 m m 到n 点，吸嘴将晶片粘焊在承载基体上，两个滑块再以相同的速率沿着相反的方向回到( a ，b ，) ，完成焊片过程。( 四) 复位在将晶片送完后，两个滑块快速移动到初始位置，使焊头吸嘴重新回到c n 点，进行下一次晶片的传送。2 3 2 结构的优化设计( 一) 数学模型第二章机构焊头部件的总体设计及优化1 机构送片的过程中，左滑块需要运行的距离远大于右滑块的运行距离，为了增加单位时间内粘片的数量，提高粘片效率，因此希望通过参数的优化使得左滑块的运行距离以尽量短；2 如果导轨( 即复位时运行的距离) 越长，整个机构越大，因此希望通过参数优化使整个机构的导轨长度尽量短。其中导轨的长度。为：厶阳吐= d + z8 ( c o s 【a r c s i n ( s i n ( 1 ) + z ) + c o s ( d 1 ) )( 2 5 )为了保证机构的传动性能良好，以及受结构的影响，设计时通常应使风2 5 0 ；由式( 2 1 ) 可变化得：( ，f ) + s i n ( 口1 ) = s i n ( ) 1( 2 6 )从式中可以看出，如果岛取的数值较大的话，要满足式( 2 6 ) 变量f 就需要取很大的数值，例如取。为4 0 0 时，f 就要取大于1 4 0 m m ，为5 0 0 时，f 的取值已经需要达到2 1 4 m m 以上了，并且随着n 的增大z 的取值会成快速上升趋势；作为机构主要优化的函数。的数值随着f 的增大也呈快速上升的趋势；可见随着q 的增大，z 及l ，。的数值都将快速增大，从而使机构的尺寸增大。故考虑到实际情况及经验，取q 的最大值为3 0 0 ，所以n ，的取值范围是n 。【2 5 0 ，3 0 0 ；由图2 7 可以看出，变量f 应满足：， f 4 s i n ( r n j n ( n ) ) + )( 2 7 )因为i i l i n ( n ，) = 2 5 0 ，且h = 5 0 m m ，故f 5 0 ( 1 一s i n ( 3 0 0 ) ) = l o o ，即f 1 0 0 m m 。综上所述，可写出下述数学模型：设计变量x = 晶，盯目标函数的极小化m i n 五( x ) = d f + ( c o s a r c s i n ( s i n ( n 1 ) + ，z ) 】一c o s ( q ) )r i l i n 止( x ) = d + z 4 ( c o s a r c s i n ( s i n ( 1 ) + 矗，f ) 】+ c o s ( n 1 ) )约束条件g ( x ) = q 一2 5 0 09 2 ( x ) = 3 0 ”一日i o( x ) = 卜一1 0 0 o( 二) 优化设计这是一个多目标函数的最优化问题，多目标( 向量) 优化问题与单目标( 标量) 优化问题的一个本质的不同点是：多目标优化是一个向量函数的优化，比较向量函数值的大小，要比仅仅比较标量值的大小复杂眩引。对于多目标设计指标而奎三些奎耋三兰堡圭篁圣：。，s = e ! 。2 2 一j l _ _ j f ! # 自目= 一洲黧兰桨冀篇然戮黛黧凳黧嚣亲。在单! 孽竺兰2 紫篇嚣尝豁裟器茹篇妊：；变卑i 妻尝鼎戮翟篙i 裂茹j 赫赫为一个以f 为自变量的一元函数。同理，将n t 设置风叫疋姒凰”。为一个氅紫。黧，焉黧范围是晶e 【2 5 0 f 3 0 0 】，从这个酮硼隔一度。由黧然墓黑慧高湍? 淼赫：赫。在取兰：芝髦篡篇篇譬，雩赫翥髦糕：基差茎芸程篙曲美绘出来如m a t l a b 中通过使用f p l o t ( f u “1 1 ”8 )琏i 31 。”一一寰崇嚣著浅筹雌着矧的逐渐眠，磐酗裟燃姜鬟紫嚣炭笔瓣淼蕊磊函釜掣等登黧淼黧驾嚣i 篡茹磊为i 二苯数值篓查，黧皤篓淼蕊慧嚣丢言茹赫的减时，随着q 的增大，函数工( x ) 的值相应的增大f f d 幽裂j2 。6 叫”8 “”。第二章机构焊头部件的总体设计及优化由图2 9 可以看出，如果a ，取2 5 0 ，z 取1 5 0 m m ，则函数z ( x ) 将取得最小值1 0 7 7 4 6 3 ，而函数 ( x ) 为一很大数值3 0 4 1 5 1 2 ，x = ( 2 5 。，1 5 0 ) 是一劣解；如果取n ，取3 0 0 ，f 取1 0 l m m ，则函数，( 而) 取得最小值1 6 6 5 4 ，而函数z ( x ) 数值为一个很大数值1 4 6 6 6 ，x = ( 3 0 0 ，1 0 0 ) 也是一劣解。如果取以为2 8 0 ，z 为l l o m m 时，得到一组非劣解( 若有m 个目标f ( z 棚) ( i = 1 ，2 ，m ) ，当要求( m 一1 ) 目标值不变坏时，找不到一个x 使得另一个目标函数值工( z ) 比z ( x ) 更好，则将此工+ 作为非劣解) 正( x ) = 1 2 5 ，2 ( x ) = 2 0 9 。显然，多目标优化问题只有求得的解是非劣解才有意义，而且，非劣解往往不只一个。如何求得能接受的最好非劣解，关键是要选择某种形式的折中。从图2 9 中可以知道，当f 1 2 0 咖以后，随着f 的增大，函数f ( x ) 的曲线趋于平坦，虽然逐渐减小，但下降趋势非常缓慢：反观函数 ( x ) 的曲线却以非常快的速度增大，由此可见，变量f 的值不宜取大于1 2 0 m m 。两个目标函数中按其重要性第二个即总体结构的大小是首先要考虑的，故需要在保证总体结构极小化的同时使右滑块的运行距离尽可能短。综合以上分析结合图2 9 选择f = 1 0 5 m m ，口1 = 2 8 0 ，此时工( x ) = 1 2 8 5 6 ，厶( x ) = 1 9 6 8 5 ，圆整为z ( x ) = 1 2 8 ， ( x ) = 1 9 6 。2 4 本章小节本章首先对并联焊头机构的总体设计情况及其运行的工作原理做了详细的介绍和分析，并对所设计的结构进行运动仿真。以i c 芯片粘片机并联焊头机构的右滑块在送片和复位过程中的运行距离和整个滑轨总长为目标函数建立了优化模型，通过优化计算得到机构的主要尺寸1和q ：z = 1 0 5 m m ，日。= 2 8 0 。根据优化结果，制造出i c 芯片粘片机并联焊头机构的模型，取得了令人满意的效果。广东工业大学工学硕士学位论文第三章运动路径建模3 1 并联机构运动学概述并联焊头机构的运动学研究主要包括：运动学正逆解、工作空间、特殊形位分析，主要参数为焊头的位置、速度、加速度等。其中运动学的正解是指已知各个驱动电机的转角、速度，求焊头的位置、速度、加速度：运动学逆解则恰恰相反田】。并联焊头机构的运动学逆解较为容易而运动学正解比较困难，这一点与串联机构不同。图31 平面双滑块并联焊头结构f i g 3 lb o n d i n gh e a dw i t hp a r a l l e lm e c h a n i s mf o rp l a n ed o u b l es l i pb l o c k s3 2 运动学方程的建立建立3 1 所示的坐标系，其中固定坐标系d 一驯与导轨固定在一起，运动坐标系o 一z y 固定在运动平台上。为了简化计算，将左边分支中的两条连杆等效为中间的一条连杆 2 剐。设两个滑块的位移量x 、x ，为输入变量，运动平台的几何中心。在x 、y 轴上的位移x 、y 为输出变量。连杆的长度为l ，运动平台两个铰链之间的距离是2 r ，点a ( i 1 ，2 ) 、e ( i - l ，2 ) 在固定坐标下坐标向量为：a 1 ( x ，0 ) ，a ( x ，0 ) ，e ( x r ，y ) e ( x + r ，y ) ，机构的约束方程为：4 一el l = l( 3 1 )0 1f懈第三章运动路径的优化将点4 ( i = l ，2 ) 、e ( i - 1 ，2 ) 代入式( 3 1 ) 可得到表达式：由( 3 2 ) 式可得到运动学的反解为+ y j ：= = l i ：c3 2 ，髓一：辱( 3 3 )该运动学的反解有四组解，对于图3 1 位置，式( 3 3 ) 中的上式取负号，式( 3 3 ) 中的下式取正号。由式( 3 2 ) 得位置正解为x = o 5 ( x2+x2 )1y ：扛( 面瓦i j 币j 丁4 在图3 1 所示坐标系下( 3 4 ) 式取负号。对式( 3 3 ) 求导数并整理得到矩阵表达式如下卧j ； = 其中s = 一y r y 2 ，j 为该机构的雅可比矩阵。3 2 1 运动学正解方程( 3 5 )+)2x _rr一+xx，f、l广东工业大学工学硕士学位论文图3 2 运动学正解模型图f i g 3 2m o d e ld r a w i n go fk i n e m a t i c sp o s ic i v es o l u t i o n设初始状态如图3 2 所示，爿、口分别是两动力点，设定爿、口均是沿j 轴匀速运动，有则由式( 3c + 。( 3 6 )c8 + ”日f4 ) 可得到c 点的运动曲线轨迹为：x ，：匕! ! ! ：! ! 81 + 匕! ! 生。!? 一2( 3 7 )胪f 竽= f 面手砸孕f其中：c 。，c 。是z 。，x 。的初始位置，一般是常数：v 。，v 。是a ，b 点的匀速度：x 。，是a ，b 点过了f 时间后对应曲线上c 点的坐标是爿e 口f 杆长。f 点沿平行z 轴方向的运动当v a = v b 时，有z 。= ! ! 掣= ! ! ：掣+ v 。r = 量! j 掣+ v 。，。= ，2 一半= ，2 一! ! 半2 = 常数兰，：( 3 8 )明显地，c 点沿平行z 轴方向作直线运动( 或轨迹为直线) 。第三章运动路径的优化zf 点沿平行j ，轴方向的运动当v = 一v 口时，有托= 堕生 盟= 常数舻j 鑫孕：卢零：肛嘶”明显地，f 点沿平行，轴方向作直线运动( 或轨迹为直线)。王f 点作圆周运动( 或轨迹为圆形)当v 或中有一个为o 时，现设= o ，有j ，：坠型+ 型。22= 再夏互手= ( 托一c 8 ) 2 + y ；= z 2( 3 1 0 )明显地，f 点作圆心为( g ，口) 的圆周运动( 或轨迹为圆形)重f 点作椭圆运动( 或轨迹为椭圆形)当= 饥时，其中& = 常数，但七l 弥一l ，及o ，则有铲鼍鱼+ 半y c =j f 2 _ ( 与立一半吖) 2一年笋，2( 等f ) 2明显地，当。时，c 点作椭圆长短轴为( 邕f ，f ) 的椭圆运动( 或轨迹为椭圆形) ，椭圆中心在( 鱼l = 丝，口) 。l 一庀另，当女= 0 时，c 点作圆心为( g ，口) 半径为f 的圆周运动( 或轨迹为圆形) 。3 2 2 运动学反解方程在此结构中，运动学反解分析的重点就是当c 点作一曲线运动从图3 3 中c点到点c 时( 瓴，y c ) 确定a ，b 的运动规律，就是要确定血。，瓴。广东工业大学工学硕士学位论文二z 。7 l 掣tof a h | ：。x7瓴工石。：l 议，1r11y 1，c 点运动曲线。1图3 3 运动学反解模型图f i g 3 3m o d e ld r a w i n go fk i n e m a t i c sn e g a t i v es 0 1 u t i o n其中：h ，是c 点对应的a ，b 点坐标。一般有，荨= 扛磊y。l兰旦兰生=由式( 3 3 ) 可知，当焊头位于c 点时a 、b 的坐标分别为( 此处x ，、x ：分别用图3 3 中矗、表示，为了简化计算，取图3 一l 中的r = o ) ：f 工。= 工。一丁_ 二下【戈。= 工。+ 丁_ 二丁焊头运行到c 点时a 、日的坐标分别为! 曩簿其中z c = 工c + z cy c = y c + y c代入( 3 1 3 ) 式得( 3 1 2 )( 3 1 3 )第三章运动路径的优化敌或可表示为+ 石c 一! 二! ：! ：! ：( 3 。，+ 石c + l2 一( yc + yc ) 2= x c 一、z 7 。= _ i ；：。= _ 砑+ 、z 可( 3 1 5 )= x 。+ 以【瓦了玩丁一止r 订x 。= x 。一x 。= x 。一、z 丁_ = _ i ；：_ _ 丽+ ! z( 3 1 6 )x e2z 。一z e = z c + 、z 丁。= _ i ；：_ _ 耵一半因此，当c 点不断变化时，便可以得到两个动力点各自的变化规律。3 2 2 1 焊头插补点的计算假设焊头运行的路径轨迹为y = f ( x ) ，如图3 4 所示本论文采用时间分割法进行插补运算，具体的方法就是用n 条内接弦线逼近曲线，在曲线上产生n + 1 个插补点。只要在插补过程中合理选用进给速度f ，就可以使逼