多自由度倒裝鍵合機構(gòu)設(shè)計與誤差補償.pdf

1、隨著電子封裝朝高密度方向不斷發(fā)展，倒裝鍵合工藝由于具有封裝密度高、電氣和散熱性能好等優(yōu)點得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但目前國內(nèi)可完成高密度封裝的倒裝鍵合設(shè)備全部依賴于進口。作為倒裝鍵合設(shè)備的核心部件，倒裝鍵合機構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究與機械實現(xiàn)對于打破市場壟斷、突破技術(shù)封鎖具有重大意義。本文以提高倒裝鍵合機構(gòu)精度為目的，在機構(gòu)型綜合、尺度綜合、精度設(shè)計和誤差補償?shù)确较蜻M行了深入、系統(tǒng)研究，貫穿倒裝鍵合機構(gòu)從設(shè)計、裝配到調(diào)試的整個開發(fā)周期，為研制高精度

2、高性能倒裝鍵合機構(gòu)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
　　在機構(gòu)概念設(shè)計時，需要根據(jù)工藝操作的運動性質(zhì)與規(guī)律創(chuàng)造出相應(yīng)的機構(gòu)，該過程即是機構(gòu)型綜合。根據(jù)倒裝鍵合工藝要求，倒裝鍵合機構(gòu)至少需要六個自由度，且可分為倒裝貼片機構(gòu)和調(diào)平機構(gòu)兩個部分，其中貼片機構(gòu)通常采用桁架式結(jié)構(gòu)。調(diào)平機構(gòu)可改變芯片姿態(tài)，必須具有承載能力強、響應(yīng)速度快而精度高等特點以滿足高密度封裝的需求，這些特點恰是并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)勢。本文基于約束螺旋理論型綜合得到一類兩自由度轉(zhuǎn)動解耦的并聯(lián)

3、機構(gòu)，遴選出兩種可用作調(diào)平機構(gòu)的構(gòu)型，并以其中一種為例驗算了自由度、選擇了合理的輸入運動副、開展了運動學(xué)仿真，結(jié)果表明型綜合得到的兩自由度轉(zhuǎn)動解耦的調(diào)平機構(gòu)完全滿足設(shè)計要求。
　　型綜合獲得調(diào)平機構(gòu)的概念設(shè)計方案后即可進行幾何尺寸設(shè)計。為了使剛度、工作空間、靈巧度等機構(gòu)性能指標達到最優(yōu)必須對構(gòu)件幾何參數(shù)進行優(yōu)化，這一過程即是尺度綜合。尺度綜合時，各構(gòu)件的幾何參數(shù)是設(shè)計變量，各項性能指標的定義方程是目標函數(shù)，運動學(xué)位置方程是約束條件

4、。根據(jù)調(diào)平機構(gòu)運動解耦的特性可將其分為兩個平面連桿機構(gòu)，分別求取平面連桿機構(gòu)的正、反位置封閉解析解作為尺度綜合的約束條件，定義工作空間、傳動角這兩個性能指標作為目標函數(shù)，繪制性能指標與歸一化的幾何參數(shù)在位置解約束下的圖譜。性能圖譜可直觀地反映出歸一化參數(shù)與性能指標之間的映射曲線，不同指標所繪制圖譜的交集即是各構(gòu)件的全局優(yōu)化幾何參數(shù)。
　　精度是衡量倒裝鍵合設(shè)備性能的重要指標，必須通過各種途徑來提高，精度設(shè)計與運動學(xué)標定是最常用的兩

5、種。速度分析是精度設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，虛擬機構(gòu)法常用來推導(dǎo)少自由度并聯(lián)機構(gòu)的一階運動影響系數(shù)矩陣即Jacobian矩陣，該矩陣的特性是評價調(diào)平機構(gòu)精度性能的重要依據(jù)。作為少自由度并聯(lián)機構(gòu)，調(diào)平機構(gòu)存在一些不可能通過運動學(xué)標定來補償?shù)奈蛔苏`差。為解決該問題，采用基于攝動法的誤差矢量鏈建立了調(diào)平機構(gòu)含連桿尺寸誤差、關(guān)節(jié)安裝誤差和驅(qū)動誤差的誤差模型，通過靈敏度分析揭示對位姿誤差特別是不可補償?shù)奈蛔苏`差影響大的誤差源，這些誤差源在設(shè)計、加工與裝

6、配過程中必須嚴格控制其大小，最終實現(xiàn)以最小的經(jīng)濟代價提高精度。
　　對倒裝貼片機構(gòu)而言，貼片精度是其最重要的性能指標。當(dāng)高于某一程度時，通過提高零部件加工精度與裝配質(zhì)量的方式來提高貼片精度將導(dǎo)致成本呈指數(shù)增長；而誤差補償可以在不增加成本的前提下利用附加的微運動減小或消除各種原始誤差對精度造成的不利影響，得到了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛研究與應(yīng)用。幾何誤差是倒裝貼片機構(gòu)最主要的誤差來源，假設(shè)各零部件均為剛體時，其可按常量處理。倒裝貼片機構(gòu)

7、與一般的X-Y-Z-θ四軸數(shù)控機床的顯著區(qū)別就是配置了視覺定位系統(tǒng)，視覺定位技術(shù)也為誤差補償提供了新方法。在倒裝貼片機構(gòu)進行pick-and-place操作時其內(nèi)部的兩套機器視覺系統(tǒng)分別對芯片與基板進行定位。根據(jù)倒裝貼片機構(gòu)工藝操作的特點，將其分為θ軸和X-Y-Z軸兩部分建立誤差模型，通過視覺系統(tǒng)對θ軸旋轉(zhuǎn)時運動軌跡以及X-Y軸運動時對固定十字標記位置的測量完成誤差模型中參數(shù)辨識，推導(dǎo)出反映視覺定位系統(tǒng)偏差與補償微運動之間映射關(guān)系的誤差