IC 封裝設備的直線電機定位精度試驗研究*

邱 彪，黃美發，常青青，劉亞奇

(1.桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004;2.北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

0 引言

直線電機驅動系統是以直線電機輸出的力矩作為源動力，用直線導軌規范其直線運動軌跡，并通過光柵尺來計量進給長度的一種新型的進給傳動方式，其中，定位精度是直線電機驅動系統的關鍵指標，大小用定位誤差來表示。類比旋轉電機傳動方式，直線電機驅動實現了源動力到機械執行部件之間的“零傳動”，消除了中間傳動環節帶來的一系列影響，極大地提高了進給系統的快速反應能力和進給定位精度［1］。因此，直線電機傳動方式很好地順應了當今IC 封裝設備的高速、高精度的發展趨勢，被大量應用在集成電路封裝設備上。

在IC 封裝設備中，設備的總體精度直接決定著芯片的成品率和質量，而影響設備總體精度的誤差有各運動軸的定位誤差、直線度誤差和角度誤差。其中，定位誤差相對于直線度誤差和角度誤差對設備總體精度的影響更為顯著［2］。為了很好地滿足IC 封裝設備的工作精度要求，IC 封裝設備上的直線電機驅動系統采用的規格參數都很高。由于各種因素的影響，直線電機的進給位移長度仍不能很好的實現程序指令要求。為此，本文采用Agilent 雙頻激光干涉儀對不同工況下的直線電機定位誤差進行測量，并將測量結果進行分析，找出實際情況下直線電機定位誤差的特性，然后采取相應的補償措施來提高直線電機的定位精度，為提高IC 封裝設備總體精度奠定基礎。

1 激光干涉儀測量定位精度原理

雙頻激光干涉儀具有測量精度高、穩定性好和抗干擾能力強等特點，所以在精密設備或測量儀器的校正工作中被廣泛使用［3］。定位精度測量是雙頻激光干涉儀的基本測量功能，本文使用Agilent 公司的5529A雙頻激光干涉儀(測量精度±1ppm，鏡組分辨率1nm，量程為80m)測量直線電機的定位誤差，其測量原理如圖1 所示，激光器發出兩個線偏振光，即參考光束f參(f參= f1－f2)和分光鏡光束f分，f分光束經過分光鏡變成頻率為f1和f2兩束相互垂直的光束，當運動反射鏡隨直線電機動子一起運動時，f2光束經運動反射鏡反射后變成頻率為f2+Δf的光束，這路光束與經過固定在干涉鏡的反光鏡反射回來的f1光束匯合產生干涉，得到頻率為f測的測量光束，且f測= f1－(f2+Δf) 。f參和f測經各自的光電轉換元件、放大器和整形器進入減法器相減，輸出僅含有Δf的電脈沖信號，再經過可逆計數器后，進入計算機進行當量換算(乘以1/2 激光波長)得到直線電機的位移量［4］。測量得到的位移量與程序指令位移量之差即為直線電機的定位精度。

圖1 雙頻激光干涉儀的定位精度測量原理圖

2 直線電機進給定位精度測量

在IC 封裝設備中影響直線電機定位精度的因素很復雜，主要因素包括:①光柵尺和直線導軌的制造和安裝誤差［5］;②直線電機自身的“邊端效應”，以及在運行過程中的發熱、隔磁、防護以及磨削過程中直線電機失動量太大等問題［6-7］;③由于直線電機直接安裝在IC 封裝設備中，無隔振地基，周邊環境以及負載重量、速度和加速變化帶來的振動都會傳遞給進給單元，從而引起定位誤差［8］。由于以上因素的存在，使得直線電機實際進給位移長度不等于指令要求進給的位移長度。

圖2 為Agilent 雙頻激光干涉儀對直線電機定位精度測量的實驗系統，直線電機型號AUM2-TL360，光柵尺精分辨率為0.5 μm。測量環境參數如下:空氣溫度26.66℃，空氣壓力759.09mmHg，相對濕度25%，材料溫度27.07℃，材料膨脹系數11.7ppm/℃。

圖2 直線電機定位精度測量實驗系統

2.1 不同速度與加速度試驗分析

隨著IC 封裝技術的不斷發展，IC 封裝設備對定位系統的行程、速度、加速度和精度提出了極高的要求。因此，為了全面客觀反映直線電機在IC 封裝設備的進給定位精度，在不同速度、加(減)速度和位置條件下，進行相應的定位精度測試與分析。測試現場如圖2 所示，在200mm 的行程范圍內平均地設置了20個數據采集點，為了在系統穩定的時候采集數據，在每個數據采集點位置上直線電機停留時間為5s。實際測量得到的各位置在不同工況下的定位精度如圖3 以及表1 所示。

圖3 不同速度下的定位誤差

表1 不同工況下直線電機定位精度

從測量結果可以發現:①直線電機的定位誤差隨位移的增加而呈現一定的非線性增長，即在不同位移段定位差呈現正增長或負增長，且增長的速率不同;②在不同的工況下，直線電機的定位誤差曲線基本重合，說明速度和加速度的變化對直線電機的定位精度影響不大;③工況5 相對于其它工況下的各位置點的定位誤差有隨機性小幅變動，這種隨機性的變化主要是由于測量系統機械振動影響的結果。由于該工況的加(減)速度較其它工況的加(減)速度大，在直線電機啟動和停止時，受到的慣性力相對較大，從而帶來機械振動，影響直線電機的定位精度。這種情況可以通過采取提高直線電機驅動系統的裝夾以及避振措施來改善。

2.2 定位誤差累計性試驗分析

通過前文在不同工況下定位精度的試驗分析，發現直線電機的定位誤差隨位移的增加而呈現一定的非線性增長。為了探求直線電機定位精度是否具有累計性，現以200mm 行程中定位誤差增長速率較大的0～100mm 位移段為研究對象，將其等分為10 個位移段，分別進行測量，測量時直線電機從各位移段的起點直接運行至終點，激光干涉儀在終點處采集數據。為了減小振動對試驗的影響，測量在工況4 下進行，測量結果如圖4 所示。

圖4 各位移段定位誤差與平均定位誤差

從測量結果發現:①各位移段的定位精度與平均定位精度不相同，誤差大小呈隨機性;②在0～100mm位移段，直線電機從0mm 直接運動到100mm 位置點進行測量，定位精度測量值為40.9 μm，與2.1 節中工況4 下100mm 位置點的測量值為41.1 μm 非常接近，說明定位精度與直線電機進給過程中啟停次數無關;③10 個位移段的平均定位誤差之和為40.5 μm，與0～100mm 位移段的定位精度測量值40.9 μm 非常接近，說明直線電機定位精度具有累計性，且直線電機目標位置定位精度大小與目標范圍內各位移段的平均定位精度之和基本相等。

3 定位精度補償

隨著電子工業的飛速發展，芯片的特征尺寸越來越小，且芯片的I/O(輸入/輸出)數目急劇增加，給IC封裝設備的工作精度帶來了日益嚴峻的挑戰［9］。面對微米級甚至納米級的封裝精度要求，單純依靠提高電氣控制系統和機械裝置的精度來提高數控系統定位精度越來越難以實現，且造價成本隨精度等級呈指數級增長［10］。而誤差補償是提高封裝設備定位精度的有效途徑。根據前文試驗分析得到的直線電機定位精度特點，采用分段補償的方法來提高直線電機的定位精度，實施補償以IC 封裝設備的直線電機功能要求為前提。

分段誤差補償試驗在2. 1 節工況4(v= 1000 mm/s，a=100mm/s2)下進行。令IC 封裝設備對直線電機功能精度要求為±10 μm，分段原則按照功能精度要求的2 倍進行劃分，即劃分后的各補償位移段的定位誤差≤20 μm。根據2. 1 節中工況4(v= 1000 mm/s，a=100mm/s2)定位精度測量結果，將200mm行程的定位精度誤差進行分段補償，實施補償方式如圖5 所示。

圖5 定位誤差補償方式

由圖5 可知，分段后的各補償位移段的誤差范圍都在20 μm 的范圍內，則各位移段的基本定位精度補償值為直線電機功能精度要求值(10 μm)。當直線電機的運動范圍在0～60mm 時，定位精度的補償值為-10 μm;當直線電機的運動范圍在70～90mm 時，定位精度的補償值在基本補償值的基礎上加上前一補償位移段的定位精度累計值為-30 μm;當直線電機的運動范圍在100～200mm 時，考慮到該位移補償段大部分定位精度都集中在40～50 μm 之間，即誤差值集中在10 μm 范圍內，定位精度補償值為前兩個補償段的累計誤差-40 μm。補償前后直線電機定位精度測量結果如圖6 所示。

圖6 補償前后定位精度

經過補償后，直線電機200mm 行程范圍內各位置點的定位精度控制在了±10 μm 內，相比于補償前的定位精度，直線電機定位精度得到了很大的提高。從補償結果可以看出，根據直線電機功能精度要求進行定位誤差分段補償，方法簡單可行，且補償效果好。

4 結論

本文利用Agilent 雙頻激光干涉儀對IC 封裝設備的直線電機定位精度進行了測試和誤差補償，通過對試驗結果進行分析，得到如下結論:

(1)直線電機進給速度、加(減)速度對定位精度的影響很小，且直線電機的定位精度隨位移的增加而呈現一定的非線性增長。

(2)直線電機目標位置的定位精度與直線電機進給過程中的啟停次數無關。

(3)直線電機定位精度具有累計性，且目標位置的定位精度大小與目標范圍內各位移段的平均定位精度之和基本相等。

(4)以直線電機在IC 封裝設備中的功能精度要求為前提，對直線電機精度進行分段補償，該補償方法能很好的滿足期望定位精度要求，且該補償方法簡單易行。

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