IC 封装设备的直线电机定位精度试验研究*

邱 彪，黄美发，常青青，刘亚奇

(1.桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004;2.北京中电科电子装备有限公司，北京100176)

0 引言

直线电机驱动系统是以直线电机输出的力矩作为源动力，用直线导轨规范其直线运动轨迹，并通过光栅尺来计量进给长度的一种新型的进给传动方式，其中，定位精度是直线电机驱动系统的关键指标，大小用定位误差来表示。类比旋转电机传动方式，直线电机驱动实现了源动力到机械执行部件之间的“零传动”，消除了中间传动环节带来的一系列影响，极大地提高了进给系统的快速反应能力和进给定位精度［1］。因此，直线电机传动方式很好地顺应了当今IC 封装设备的高速、高精度的发展趋势，被大量应用在集成电路封装设备上。

在IC 封装设备中，设备的总体精度直接决定着芯片的成品率和质量，而影响设备总体精度的误差有各运动轴的定位误差、直线度误差和角度误差。其中，定位误差相对于直线度误差和角度误差对设备总体精度的影响更为显著［2］。为了很好地满足IC 封装设备的工作精度要求，IC 封装设备上的直线电机驱动系统采用的规格参数都很高。由于各种因素的影响，直线电机的进给位移长度仍不能很好的实现程序指令要求。为此，本文采用Agilent 双频激光干涉仪对不同工况下的直线电机定位误差进行测量，并将测量结果进行分析，找出实际情况下直线电机定位误差的特性，然后采取相应的补偿措施来提高直线电机的定位精度，为提高IC 封装设备总体精度奠定基础。

1 激光干涉仪测量定位精度原理

双频激光干涉仪具有测量精度高、稳定性好和抗干扰能力强等特点，所以在精密设备或测量仪器的校正工作中被广泛使用［3］。定位精度测量是双频激光干涉仪的基本测量功能，本文使用Agilent 公司的5529A双频激光干涉仪(测量精度±1ppm，镜组分辨率1nm，量程为80m)测量直线电机的定位误差，其测量原理如图1 所示，激光器发出两个线偏振光，即参考光束f参(f参= f1－f2)和分光镜光束f分，f分光束经过分光镜变成频率为f1和f2两束相互垂直的光束，当运动反射镜随直线电机动子一起运动时，f2光束经运动反射镜反射后变成频率为f2+Δf的光束，这路光束与经过固定在干涉镜的反光镜反射回来的f1光束汇合产生干涉，得到频率为f测的测量光束，且f测= f1－(f2+Δf) 。f参和f测经各自的光电转换元件、放大器和整形器进入减法器相减，输出仅含有Δf的电脉冲信号，再经过可逆计数器后，进入计算机进行当量换算(乘以1/2 激光波长)得到直线电机的位移量［4］。测量得到的位移量与程序指令位移量之差即为直线电机的定位精度。

图1 双频激光干涉仪的定位精度测量原理图

2 直线电机进给定位精度测量

在IC 封装设备中影响直线电机定位精度的因素很复杂，主要因素包括:①光栅尺和直线导轨的制造和安装误差［5］;②直线电机自身的“边端效应”，以及在运行过程中的发热、隔磁、防护以及磨削过程中直线电机失动量太大等问题［6-7］;③由于直线电机直接安装在IC 封装设备中，无隔振地基，周边环境以及负载重量、速度和加速变化带来的振动都会传递给进给单元，从而引起定位误差［8］。由于以上因素的存在，使得直线电机实际进给位移长度不等于指令要求进给的位移长度。

图2 为Agilent 双频激光干涉仪对直线电机定位精度测量的实验系统，直线电机型号AUM2-TL360，光栅尺精分辨率为0.5 μm。测量环境参数如下:空气温度26.66℃，空气压力759.09mmHg，相对湿度25%，材料温度27.07℃，材料膨胀系数11.7ppm/℃。

图2 直线电机定位精度测量实验系统

2.1 不同速度与加速度试验分析

随着IC 封装技术的不断发展，IC 封装设备对定位系统的行程、速度、加速度和精度提出了极高的要求。因此，为了全面客观反映直线电机在IC 封装设备的进给定位精度，在不同速度、加(减)速度和位置条件下，进行相应的定位精度测试与分析。测试现场如图2 所示，在200mm 的行程范围内平均地设置了20个数据采集点，为了在系统稳定的时候采集数据，在每个数据采集点位置上直线电机停留时间为5s。实际测量得到的各位置在不同工况下的定位精度如图3 以及表1 所示。

图3 不同速度下的定位误差

表1 不同工况下直线电机定位精度

从测量结果可以发现:①直线电机的定位误差随位移的增加而呈现一定的非线性增长，即在不同位移段定位差呈现正增长或负增长，且增长的速率不同;②在不同的工况下，直线电机的定位误差曲线基本重合，说明速度和加速度的变化对直线电机的定位精度影响不大;③工况5 相对于其它工况下的各位置点的定位误差有随机性小幅变动，这种随机性的变化主要是由于测量系统机械振动影响的结果。由于该工况的加(减)速度较其它工况的加(减)速度大，在直线电机启动和停止时，受到的惯性力相对较大，从而带来机械振动，影响直线电机的定位精度。这种情况可以通过采取提高直线电机驱动系统的装夹以及避振措施来改善。

2.2 定位误差累计性试验分析

通过前文在不同工况下定位精度的试验分析，发现直线电机的定位误差随位移的增加而呈现一定的非线性增长。为了探求直线电机定位精度是否具有累计性，现以200mm 行程中定位误差增长速率较大的0～100mm 位移段为研究对象，将其等分为10 个位移段，分别进行测量，测量时直线电机从各位移段的起点直接运行至终点，激光干涉仪在终点处采集数据。为了减小振动对试验的影响，测量在工况4 下进行，测量结果如图4 所示。

图4 各位移段定位误差与平均定位误差

从测量结果发现:①各位移段的定位精度与平均定位精度不相同，误差大小呈随机性;②在0～100mm位移段，直线电机从0mm 直接运动到100mm 位置点进行测量，定位精度测量值为40.9 μm，与2.1 节中工况4 下100mm 位置点的测量值为41.1 μm 非常接近，说明定位精度与直线电机进给过程中启停次数无关;③10 个位移段的平均定位误差之和为40.5 μm，与0～100mm 位移段的定位精度测量值40.9 μm 非常接近，说明直线电机定位精度具有累计性，且直线电机目标位置定位精度大小与目标范围内各位移段的平均定位精度之和基本相等。

3 定位精度补偿

随着电子工业的飞速发展，芯片的特征尺寸越来越小，且芯片的I/O(输入/输出)数目急剧增加，给IC封装设备的工作精度带来了日益严峻的挑战［9］。面对微米级甚至纳米级的封装精度要求，单纯依靠提高电气控制系统和机械装置的精度来提高数控系统定位精度越来越难以实现，且造价成本随精度等级呈指数级增长［10］。而误差补偿是提高封装设备定位精度的有效途径。根据前文试验分析得到的直线电机定位精度特点，采用分段补偿的方法来提高直线电机的定位精度，实施补偿以IC 封装设备的直线电机功能要求为前提。

分段误差补偿试验在2. 1 节工况4(v= 1000 mm/s，a=100mm/s2)下进行。令IC 封装设备对直线电机功能精度要求为±10 μm，分段原则按照功能精度要求的2 倍进行划分，即划分后的各补偿位移段的定位误差≤20 μm。根据2. 1 节中工况4(v= 1000 mm/s，a=100mm/s2)定位精度测量结果，将200mm行程的定位精度误差进行分段补偿，实施补偿方式如图5 所示。

图5 定位误差补偿方式

由图5 可知，分段后的各补偿位移段的误差范围都在20 μm 的范围内，则各位移段的基本定位精度补偿值为直线电机功能精度要求值(10 μm)。当直线电机的运动范围在0～60mm 时，定位精度的补偿值为-10 μm;当直线电机的运动范围在70～90mm 时，定位精度的补偿值在基本补偿值的基础上加上前一补偿位移段的定位精度累计值为-30 μm;当直线电机的运动范围在100～200mm 时，考虑到该位移补偿段大部分定位精度都集中在40～50 μm 之间，即误差值集中在10 μm 范围内，定位精度补偿值为前两个补偿段的累计误差-40 μm。补偿前后直线电机定位精度测量结果如图6 所示。

图6 补偿前后定位精度

经过补偿后，直线电机200mm 行程范围内各位置点的定位精度控制在了±10 μm 内，相比于补偿前的定位精度，直线电机定位精度得到了很大的提高。从补偿结果可以看出，根据直线电机功能精度要求进行定位误差分段补偿，方法简单可行，且补偿效果好。

4 结论

本文利用Agilent 双频激光干涉仪对IC 封装设备的直线电机定位精度进行了测试和误差补偿，通过对试验结果进行分析，得到如下结论:

(1)直线电机进给速度、加(减)速度对定位精度的影响很小，且直线电机的定位精度随位移的增加而呈现一定的非线性增长。

(2)直线电机目标位置的定位精度与直线电机进给过程中的启停次数无关。

(3)直线电机定位精度具有累计性，且目标位置的定位精度大小与目标范围内各位移段的平均定位精度之和基本相等。

(4)以直线电机在IC 封装设备中的功能精度要求为前提，对直线电机精度进行分段补偿，该补偿方法能很好的满足期望定位精度要求，且该补偿方法简单易行。

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