噴霧涂膠機旋轉主軸動態特性研究

賈月明，高 岳，周 哲

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

快速發展的微機電系統（MEMS）、微光機電系統（OEMS）、先進的圓片級封裝等應用領域對光刻制程提出了苛刻的工藝要求，需要在形貌起伏很大的凹凸結構基片表面均勻涂布光刻膠。目前廣泛采用的旋轉涂膠工藝受到了較大挑戰，在高深寬比的非平面表面涂覆后，膜厚均勻性較差，引起后續光刻工藝轉移圖形的分辨率和精度一致性欠佳，不能滿足使用要求[1]。噴霧涂膠工藝正是為了滿足表面具備復雜圖形結構基片的精密涂膠要求而開發的，具有光刻膠液滴平均直徑小、電源功耗低、膠膜均勻性可重復性好、材料利用率高等優點。噴霧涂膠機工作時，超聲波噴嘴保持某一固定角度不變，在直線運動單元驅動下沿直徑方向在基片上方一定高度進行掃描；基片完全吸附在旋轉主軸的真空吸盤上并隨之低速旋轉，轉速一般為30～60 r/min[2]，必要時需對完成噴涂加工的基片進行高轉速風干，轉速為100～400 r/min[3]；工藝要求還需對基片進行熱烘。噴霧涂膠工藝較為復雜，要達到理想的光刻膠膜厚與均勻性，必須選擇合適的噴涂工藝參數，包括光刻膠的稀釋濃度、噴嘴角度、噴嘴掃描速度、旋轉主軸速度等[4]。旋轉主軸在正常工作轉速范圍內若產生共振，會引起光刻膠液滴非預期運動并與鄰近的液滴融合或形成流體，造成光刻膠膜層均勻性超差并最終影響集成電路的性能、成品率及可靠性。旋轉主軸作為噴霧涂膠機的關鍵部件，直接影響著光刻膠的噴涂效果，因此對旋轉主軸進行動態特性研究很有必要。

1 旋轉主軸結構設計

旋轉主軸的結構設計參數如表1所示。

表1 旋轉主軸設計參數

根據旋轉主軸的指標要求和噴霧涂膠機總體布局，旋轉主軸設計基于伺服電機+同步帶傳動方式，總體結構如圖1所示。

圖1 噴霧涂膠機旋轉主軸結構示意圖

軸承是旋轉主軸實現高精度高穩定性運行的關鍵部件，當旋轉主軸工作時，軸承會受到載荷作用以及內部的強烈摩擦。因此，旋轉主軸結構設計時，必須考慮軸承的負荷承載能力和配置方式。考慮到轉軸較短，采用一端固定一端自由的支撐方式。在固定座內安裝一對角接觸球軸承，采用背對背配置形式，軸承的載荷線沿回轉軸線分開，增加了其支撐角度剛性，抗變形能力最大，可以承受作用于兩個方向上的軸向載荷，還可承受一定的徑向載荷。兩個角接觸球軸承之間配置內、外隔圈，消除軸承軸向游隙，增加接觸面積，提高了動平衡精度。

2 動態特性有限元分析理論

有限元法的動態特性分析包括模態分析、瞬態動力學分析和諧響應分析等，噴霧涂膠機旋轉主軸的動態特性主要采用模態分析。模態分析主要用于確定設備結構或者機器部件的振動特性，每一階模態都具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。

噴霧涂膠機旋轉主軸動態特性分析時，適用于線彈性結構系統，即運動方程是通用的有限自由度的線彈性系統運動方程，有限元基本方程可寫成[5]：

式(1)中，[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{δ}為位移向量；{P(t)}為動載荷向量；t為時間。

在實際工程應用中，{P(t)}動載荷主要包括周期載荷、沖擊載荷和隨機載荷。模態分析考察的是與外在載荷無關的結構固有的動力學特性，此時，{P(t)}=0。此外，旋轉主軸結構阻尼較小，可忽略其影響。旋轉主軸的振動方程簡化為：

由式（2）可知，旋轉主軸上各點對載荷的響應，可看成是旋轉主軸在無阻尼自由振動狀態下的固有頻率和振型參數組成的各階振型模態的疊加。

求解式(2)可得旋轉主軸的n個自振頻率ωi和主振型{?i}（i=1，2，…，n）。

3 旋轉主軸有限元模型建立

3.1 建立幾何模型及劃分網格

旋轉主軸的轉軸、真空吸盤、同步帶輪、鎖母等采用鋁合金材料[6]，其材料密度為2 700 kg/m3，彈性模量為70 GPa，泊松比為0.33。隔溫層為三層組合結構，上層和下層采用鋁合金材料；中間層采用聚四氟乙烯，導熱系數較小，材料密度為2 300 kg/m3，泊松比為0.4，考慮到彈性模量對盤狀結構低階固有頻率影響不大[7]，隔溫層的材料參數按鋁合金設置。加熱板采用的主要材料是鋁合金，其材料參數也按鋁合金設置。

建立旋轉主軸的三維模型時，以不影響仿真結果和準確性為前提，適當簡化了模型的某些細節結構，忽略了螺紋孔、鍵槽、微孔和倒角等信息。由于旋轉主軸結構的對稱性，先建立旋轉主軸的半剖面結構，如圖2所示；對其劃分平面網格，如圖3所示；然后將已劃分平面網格的半剖面繞軸線旋轉一周，在生成旋轉主軸三維模型的同時生成體網格。其中選取的平面單元是4節點四邊形單元PLANE42，選擇的體單元是SOLID45；SOLID45單元通過8個節點來定義，每個節點有3個沿著X、Y、Z方向平移的自由度，單元具有塑性、蠕變、膨脹、應力強化、大變形和大應變能力，滿足旋轉主軸模態分析要求。

圖2 旋轉主軸半剖面結構

圖3 旋轉主軸模型網格劃分

3.2 加載并求解

在指定模態分析類型的基礎上根據需要選用模態提取方法。旋轉主軸模態分析時選擇適用于大型對稱特征值求解的Block Lanczos方法，設置求解的模態參數和擴展的模態階數，使用稀疏矩陣并通過EQSLV命令來執行。一般情況下，對具有多自由度的結構進行模態分析時，低階模態反映結構的剛度特性。噴霧涂膠機旋轉主軸模態分析時，研究低階振型可以滿足工藝要求，僅選取前6階振型。

在ANSYS軟件中，前處理要按照實際工況對結構施加邊界約束條件和載荷來模擬工作環境。旋轉主軸采用一端固定一端自由的支撐方式，加載時在軸承位置的節點處施加X、Y、Z方向的約束，如圖4所示。

圖4 旋轉主軸施加約束后的有限元模型

4 旋轉主軸動態特性分析

通過后處理器對計算結果分析，確定結構的行為狀態。進入后處理器，顯示出旋轉主軸在約束狀態下的前6階固有頻率，如表2所示，前6階模態的振型如圖5所示。

表2 旋轉主軸前6階模態固有頻率

從圖5可以看出，旋轉主軸在約束狀態下的振型是軸端彎曲振動和軸端旋轉振動；同時，隨著模態階數的增加，旋轉主軸固有頻率值、振動的最大位移量隨之增大。一般情況下工程應用只關注低階頻率的振動，噴霧涂膠機旋轉主軸的最高設計轉速為500 r/min，由表2可知，該設計轉速遠低于一階模態下的臨界轉速。因此，噴霧涂膠機旋轉主軸可以有效避開共振區域，其結構設計是合理的，能夠保證旋轉主軸的運轉性能和穩定性。

圖5 旋轉主軸振型

5 結 論

利用ANSYS軟件建立了噴霧涂膠機旋轉主軸的有限元模型，分析了旋轉主軸在約束狀態下的動態特性，包括固有頻率和振型，給出了前6階振型圖，驗證了旋轉主軸結構設計的合理性，在某型噴霧涂膠機中已成功應用。進行旋轉主軸動態特性分析，確保了旋轉主軸的正常運轉條件，避免了噴霧涂膠機工作時旋轉主軸出現共振現象，為噴霧涂膠機旋轉主軸研制提供了理論參考。