面向封装装备的三轴跨尺度宏微运动平台振动抑制与误差动态补偿机制

Due to the the IC packaging constantly develops toward the direction of high density, high efficiency, and high precision, its packaging equipment need to achieve high positioning accuracy and precision bonding operation under the motion of high-speed, high-acceleration, and moving forward and backward with high frequency. These equipment were faced the key challenges in the aspects of rapid vibration reduction and multiaxis positioning error compensation. Considering these problems, this project focuses on the high-efficiency high-precision operation requirement of the typical packaging equipment plane wire bonding machine. A novel structure of trans-scale macro-micro motion stage based on a three-axis micro-actuation unit is proposed, which can achieve rapid each axis residual vibration reduction and each axis positioning error precision compensation while achieving the trans-scale motion. This project investigates the reduction rule of the vibration energy in the high-speed high-acceleration macro-motion positioning process, and proposes a high-response vibration reduction model based on the micro-actuation unit. By outputting vibration reduction actions of the micro-actuation unit with accurate action opportune moment and amount, the rapid stability of the stage in every direction can be achieved. This project also focuses on the variation rule of multifactor coupled error in the micro-motion precision positioning process, and proposes a precision self compensation model based on the micro-actuation unit. By dynamically compensating the each axis coupled error, the rapid precision positioning of the stage can be achieved. The research results of this project can provide strong technical support for the independent research and development of high-density packaging and high-level manufacturing equipment of our country.

随着IC封装不断向高密度、高效率、高精度的方向发展，其封装装备需实现高速高加速频繁往复运动下的精密定位与精准键合操作，对这类装备的快速振动抑制与多轴定位误差补偿提出了关键挑战。为此，本项目面向平面焊线机这一典型封装装备的高效高精度操作需求，提出具有三轴微驱动单元的跨尺度宏微运动平台新结构，在实现跨尺度运动的同时，实现平台各轴振动快速抑制与定位误差精准补偿；揭示高速高加速宏运动粗定位过程的振动能量衰减规律，建立多轴微驱动单元的高响应减振作用模型，通过微驱动单元输出具有准确作用时机与作用量的减振动作，实现平台在各轴向上的快速稳定；研究微运动精定位过程中多因素耦合误差的变化规律，建立微驱动单元的精准自补偿模型，动态补偿各轴耦合误差，实现平台快速精密定位。项目的研究成果可为我国高密度封装与高端制造装备的自主研发提供有力的技术支撑。

运动平台是封装装备的核心操作部件，研究面向芯片封装装备的宏微跨尺度运动平台及关键技术，保证定位精度的同时提高平台操作效率，已成为封装装备制造的迫切需求。项目针对封装装备高性能运动平台的快速定位操作，设计了XY宏动台与XYZ微动台结合的三轴宏微运动平台结构，重点研究了高速运动减速阶段宏微平台结构的应力变化，提升了平台结构在定位急停过程中对驱动部件的跟随性能；研究了运动参数与平台急停过程惯性振动能量的对应关系，提出了惯性振动过程中宏动台单轴驱动规划方法与微动台主动减振方法，实现了惯性振动的有效消减；开展了快速定位误差补偿方法研究，提出了微动台在惯性振动过程中补偿定位误差的动态作用机制，实现了平台保证精密定位的同时提升定位操作效率。开发了宏微平台样机，并通过实验验证了平台快速精密定位的性能，为面向封装装备应用的宏微平台关键技术研究提供了理论基础与模型参考。详细研究结果如下：.1）设计了一种新型的三轴宏微大行程精密定位平台，XY宏运动行程可达200×200 mm行程，XYZ三轴微动范围达到20 µm，定位精度≤100 nm；.2）研究了振动能量快速衰减方法，可有效将宏微运动平台惯性振动超调量减至8.5 µm，超调量减小量为28 %，惯性振动衰减时间则有效控制在80 ms内；.3）研究了平台惯性振动过程中补偿定位误差的动态作用机制，通过微动台可有效将X、Y轴宏动台数微米级的定位误差减小至100 nm量级；.4）基于项目研究成果，设计并开发了系列宏微平台，如X-Z垂直轴宏微平台、龙门式宏微平台、五轴混联宏微平台，其中X-Z宏微运动平台可实现在20 mm行程与0.15 m/s速度下Z向80 nm的高精度定位。. 本课题严格按照项目任务书要求开展了理论研究与技术攻关，发表SCI论文6篇（其中一区TOP期刊论文3篇、二区SCI期刊论文2篇），EI收录论文3篇，授权发明专利10项（其中授权美国专利1项、中国专利9项），获得软件著作权1件；项目执行期内，联合指导博士生1人，指导硕士生4人，其中博士毕业1人、硕士毕业2人。