Построение прецизионных координатных систем и механизмов оборудования производства электронной техники Карпович, Святослав Евгеньевич

Введение к работе

Актуальность темы диссертации. Современный этап развития микроэлектроники характеризуется интенсивным созданием широкой номенклатуры интегральных схем (ИС) малой и средней интеграции массовых серий, стремительным иарашиваяием объемоп вьтуска, а также резким ростом степени интеграции приборов на одном кристалле в больших и сверхбольших интегральных схемах (БИС и СБИС).

Однако интенсивное увеличение объемов производства ИС и БИС при датьнейшем повышении их степени интеграции, увелігчение процента выхода годных и снижение стоимости становится невозможным без оснащения производства высокопроизводительным прецизионным технологическим оборудованием.

Современные требования к оборудованию, обусловленные высокими темпами развития микроэлектроники, - характеризуются необходимостью повышения его производительности и многих эксплуатационных характеристик п 2-3 раза каждые 4-5 лет, а также необходимостью создания полных автоматов и робототехннческих комплексов.

Анализ технологического оборудования производства изделий электронной техники: оптико-механического для- генерирования мпкроизображений промежуточных фотошаблонов, лазерной ретуши и корректировки топологии фотошаблонов, проекционного совмещения и экспонирования полупроводниковых пластин, контроля микроизображений; сборочного, включая установки- контроля структур на пластинах (зопдового контроля), разделения пластин на кристаллы, посадки кристаллов, монтажа прополочных выводов и других, показывает, "то основными узлами, в значительной степени определяющими его производительность, точность, динамику являются устройства координатных перемещений. Эти .устройства представляют собой многокоординатные системы и объединяют большую группу пространственных прецизионных механизмов, предназначенных для осуществления рабочих и установочных перемещений объектов (кристаллов, полупроводниковых пластин, инструмента и так далее).

Достижения микроэлектроники и связанные с ними успехи микропроцессорной управляющей техники открыли возможность широкого внедрения совершенных и оперативных методов и средств управления на всех уровнях и приблизили технику управления непосредственно к самим объектам. Эти успехи обеспечили создание интегрированных электромеханических многокоординатных устройств, основанных на многоцелевом использовании ЛШД.

Обеспечение высоких функциональных характеристик этих устройств в настоящее время уже невозможно на основе традиционного конструкторского подхода, например, путем форсирования режимов работы и ужесточения требований к точности изготовления узлов и деталей. Поэтому разработка теории построения прецизионных координатных систем и механизмов, включающей разработку универсальных математических моделей для кинематического, структурного, динамического, точностного анализа и синтеза пространственных исполнительных механизмов представляет актуальную научную задачу и

отвечает потребностям конструкторов-проектировщиков но созданию современного прецизионного технологического оборудования, включая промышленные робош и манипуляционные координатные устройства для гибких автоматизированных производств (ГАП) в микроэлектронике.

Связь работы с крупными научным» программами, темами.

1. Участие в выполнении Государственной научно-технической Программы "Белэлектроника". Раздел:"Разработать и освоить в серийном производстве изделия микроэлектроники и высокоточной, интеллектуальной, многофункциональной и промышленной техники", (1994-1996 гг.)

2. Решаемые в диссертационной работе задачи анализа и синтеза исполнительных механизмов в 1976 году бьщн включены в Программу МннВУЗа СССР по проблеме "Роботы и манипуляторы" (1976 -1981 гг.)

3. Участие в работе "Разработка прецизионных систем электроприводов для робототехники, приборостроения и биомедицинских исследований " Координационный план Ail СССР но проблемам 1.9.2, задание 1.7 (1980 - 1985 гг.)

4. В рамках комплексной целевой программы МинВУЗа СССР и МЭИ СССР "Автоматизация, роботизация и интеллектуализация производства в электронном машиностроении", шифр "Лотос - РВО", 1985 - 1990гг., принимал участие в разработке математического и программного обеспечения САПР электроприводов и прецизионных координатных систем, работающих в условиях гибких автоматизированных производств.

5. Участие в госбюджетной теме "Новые аналитико-ыашинные методы кинематическої а анализа и оптимизационного синтеза пространственных механизмов технологического оборудования в микроэлектронике", 1980 - 1985 гг.

6. Участие в республиканской программе 27 - 01Р, "Основа". Задание: "Разработка конструкции миогопозиционной замкнутой автоматизированной системы производства интегральных микросхем с использованием робото іехшіческих средств на основе линейных шаговых двигателей"

7. Участие в целевой программе Минрадиопрома СССР "Интер АСУ", НИР "Новаторство" (этап 4, 1982-1986гг) в части разработки и исследования компенсационных устройств приборных зубчатых механизмов считывания координатных углов для систем навигации и топопривязки

8. Участие в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, выполненных в Конструкторском бюро точного электронного машиностроения (КБТЭМ, Минск) и Научно-исследовательском институте средств автоматизации (НИИСА, Минск) в рамках отраслевых программ МЭП и МРП.

Цель диссертационной работы состоит: а) в разработке основ теории построения прецизионных координатных си-тем и механизмов с повышенными динамическими и точностными характеристиками, б) в экспериментальной проверке разработанных методов и математических моделей, в) во внедрении разработанной теории в практику создания новых поколений серийного оборудования производства изделий электронной техники.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

Разработка теории структуры прецизионных координатных систем; и механизмов. позволяющей на этапе разработки схемы оценивать подвижность и кинематические возможности.

Разработка аналитического аппарата для методов условного размыкания, лежащего в основе алгоритмов кинематического анализа пространственных координатных систем и механизмов.

Разработка теории построения динамических моделей и программного обеспечения, позволяющего решать прямые и обратные задачи динамики прецизионных координатных систем и механизмов.

Разработка алгоритмов и программного обеспечения параметрической оптимизации конструктивных параметров исполнительных механизмов, координатных позиционеров и других устройств прецизионного оборудования.

Разработка теории расчетов электромагнитных модулей и линейных шаговых двигателей прецизионных координатных систем и механизмов.

Разработка методов и программных средств определения эпюр давления и жесткости аэростатических опор координатных позиционеров.

Экспериментальная проверка положении и разработанных методов теории построения прецизионных координатных систем и механизмов.

Внедрение разработанной теории при разработке и создании устройств координатных перемещений для новых поколений прецизионного оборудования производства изделий электронной техники, приборных механизмов кинематического типа и другого назначения.

Научная новизна полученных результатов заключается в комплексном научном обосновании и решении совокупности научных проблем, возникающих при создании прецизионных координатных систем и механизмов для современного технологического оборудования микроэлектроники.

9. Предложен и аналитически разработай общий метод формализованной локальной структуры прецизионных координатных систем и исполнительных механизмов, включающий: обоснование, путем доказательства необходимых теорем, применения теории линейных векторных пространств винтов подвижностей н винтов условий связей для структурных исследований исПолнятелькьгх механизмов координатных систем; разработку общей теории простых и сложных кинематических систем с одной и несколькими степенями свободы, позволяющие на этапе разработки схемы координатного устройства или механизма оценить его подвижность и кинематические возможности; получение устойчивых комплексов осей подвижности, соответствующих ранговой характеристике кинематической цепи.

10. Разработаны методы кинематического исследования прецизионных координатных систем и механизмов, основанные на едином формализованном подходе и дальнейшем развитии метода условного размыкания контура, предложенного автором в кандидатской диссертации, который существенно упрощает и сокращает вычислительную процедуру по определению всех кинематических параметров рассматриваемого устройства. Получены уравнения условий связи для различных способов размыкания кинематического контура механизма.

представленные в законченном алгоритмическом виде.

3. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение построения динамических моделей прецизионных координатных систем и механизмов, включающее: кинетостатическнй анализ методом линейных пространств реакции связей, основанный на едином формализованном подходе; обобщенный метод построения динамических моделей и исследование на его основе координатных движений при наличии голономных и неголономных связей; формулирование уравнений динамики многокоординатпых систем, учитывающих аналитическую программу движения способами, аналогичными учету неголономных связей;

4. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение параметрической оптимизации ирецизионных координатных систем и механизмов, включающее: формирование целевой функции и выбор алгоритма определения траектории движения и величины шага в пространстве параметров с учетом ограничений на конструктивные параметры и оптимизируемые функции, имеющие вид равенств и неравенств;

5. Разработаны основы теории расчета и проектирования электромагнитных модулей и линейных шаговых двигателей прецизионных координатных систем и механизмов, в рамках которой: предложен аналитический метод расчета тяговых характеристик линейных шаговых двигателей для ненасыщенной системы магаитопровода; предложен алгоритм расчета магнитных и тяговых характеристик линейных шаговых двигателей, основанный на энергетическом подходе; разработано многоцелевое программное обеспечение, основанное на методе конечных элементов, позволяющее проводить двухмерное нелинейное динамическое моделирование как линейных шаговых двигателей, так и других электромагнитных систем технологического оборудования; теоретически и экспериментально установлены зависимости статического и динамического синхронизирующего тягового усилия, точности позиционирования, скорости и ускорения ЛШД от геометрических параметров эубцовых структур и определены их оптимальные величины.

6. Разработана математическая модель численного исследования аэростатцчесхих опор координатных позиционеров на линейных шаговых двигателях различного типа(плоской шанарной, "уголковой", кольцевой и круговой) на основании которой, в широком диапазоне изменения начальных данных,и параметров дискретной системы наддува воздуха, получены распределения давления в рабочем зазоре, подъемная сила и жесткость.

7. Решены некоторые задачи анализа и синтеза программных движений прецизионных координатных систем и механизмов: получены рекуррентные формулы анализа программных движений координатных систем на базе ЛШД путем последовательного интегрирования дифференциальных уравнений движения; разработано математическое обеспечение синтеза программных движений многокоординатных систем на базе ЛШД, основанное на решении обратных чтдач динамики;

Методы и результаты теоретических исследований неоднократно цитировались в работах других авторов, а также были использованы при написании авторских раїделов учебника "Mechanika Teorelyczna і Podstawy Teorii Mechanizmow і Roboiow", изданною в трех томах в 1993 году в г. Белосток (Польша), подготовленного в соавторстве, в рамках

5 '

договора о сотрудничестве между Политехническим университетом г. Белосток, Белорусским государственным университетом информатики и радиоэлектроники и Белорусской государственной политехнической академией.

Практическая значимость получении» результатов. На основании цикла теоретических и экспериментальных исследований, а также ряда НИР, ОКР и договоров о творческом сотрудничестве, проведенных под научным руководством «ля при непосредственном участии автора диссертации, были получены результаты по математическому моделированию характеристик базового электромагнитного модуля, которые привели к разработке и созданию в КБГЭМ новой элементной базы устройств координатных перемещении УКП-І, обладающих модульностью, однотипностью по принципу преобразования энергии, независимо от вида движения и управления, обеспечивающих без трансмиссии реализацию как треб>емых траекторий и параметров перемещений, так и принципов бдочно-модулыюго построения оборудования.

Па базе разработанных устройств координатных перемещении создано новое поколение высокопроизводительного прецизионного оборудования для микроэлектроники, выпускаемое серийно.

Разработанные алгоритмы и программы оптимизации геометрических параметров настройки коррекционных устройств и безягофговых передач с гибким звеном позволили увеличить в 2..;5 раз точность кинематических приборных механизмов с одновременным снижением виброактивностн, улучшением динамики работы и увеличением долговечности зубчатых передач. Разработаны конструкции компенсирующих зубчатых передач и муфт и предложена инженерная методика разработки приборных передаточных механизмов кинематического класса.

Разработанные алгоритмы и программное обеспечение кинематического анализа и оптимизационного синтеза привели к созданию нового типа лентопротяжных механизмов, обеспечивающих прерывистое перемещение широкой пленки с повышенным быстродействием и качеством выравнивания. На базе разработанных лентопротяжных механизмов на предприятии Белорусское оптико-механическое объединение (БелОМО, Минск) были созданы и серийно выпускались скоростные кассеты для специальных фоторегистрирующих станций.

Результаты проведенных исследований были включены:

в документацию, переданную в соответствии с решением Совета Министров СССР №2173 от 24.10.1980 г. в порядке научпо-технического сотрудничества странам СЭВ(НРБ, ПНР) в рамках программы "Иитер АСУ";

в стандарт предприятия СТП ЛП 0.005.019-8Э "Механизмы точные. Общие технические требования";

в отраслевой стандарт ОСТ 3 - 3290 - 76 "Передачи зубчатые цилиндрические. Методика расчета кинематической точности".

Реализация работы. Результаты теоретических исследований автора диссертации были использованы при разработке новой элементной базы и принципов проектирования в созданных в КБТЭМ в начале 80-х годов устройствах координатных перемещений УКП-1

(однокоордннатнда X и Z, двухкоординатных К, У и Z, q>, комбинированных трех- и четырехкоордицатных позиционеров), достигнутые рабочие характеристики которых следующие; скорость перемещения по координатам до 500 мм/с, ускорение до 50 м/с², точность позиционирования до ±5 мкм. На основе созданных устройств координатных перемещений » ГНПК ТМ "Пладар" выпускаются серийно и широко внедрены в производство изделий электронной техники установки лазерного скрайбирования и разделения полупроводниковых пластин на кристаллы (ЭМ-210, ЭМ-220), установки зондового контроля (ЭМ-680, ЭМ-690), установки монтажа проволочных выводов (ЭМ-4060) и другие.

Результаты исследований по разработке компенсационных устройств приборных зубчатых механизмов использованы при создании технических средств автоматизированной системы управления 9с7И и системы навигации и топопривязки 9с74ЭНМ, изготовленных на предприятиях Минрадиопрома СССР.

Результаты теоретических исследований и математического моделирования прецизионных лентопротяжных механизмов прерывистого перемещения широкой пленки были использованы при разработке скоростных кассет фоторегистрирующих станций, выпускавшихся на предприятиях БелОМО.

Результаты исследований по моделированию динамической погрешности координатных позиционеров построенных на основе управляемого электромагнитного модуля линейного шагового двигателя послужили основой для разработки координатных систем и программного обеспечения гибкого производственного комплекса лазерной обработки "TurboPlane", созданного по договору о сотрудничестве и контрактам с фирмой Laser&Strahl Technik (LST, Австрия).

С использованием результатон диссертационной- работы в КБТЭМ И ГЦ концерна ''Планар" разработаны и изготовлены устройства координатных перемещений по контрактам с фирмами "Samsung" (Южная Корея) и НТА (США).

Благодаря разработанной теории были поставлены и решены новые, ранее не решаемые задачи расчета и проектирования специального технологического оборудования для микроэлектроники и других областей техники, в результате предложены новые координатные системы и механизмы, защищенные авторскими свидетельствами, большая часть из которых нашла применение при разработке и создании промышленного оборудования, в том числе и серийного.

РЯМИИЗ по-цоуерня диссертации, flbiH.qcjiMbie цц защиту, 1. Метод формализованной структуры, позволяющий на этапе разработки схемы координатного устройства или механизма оценить его реальную подвижность, в том числе получить устойчивые комплексы осей подвижностей в соответствии с ранговой характеристикой кинематической, цепи. Математическим аппаратом служит теория линейных пространств винтов подвижностей и условий связей. Понятиям структуры, кинематики, статики и кинетостатики придается единый структурно-кинематический смысл, за счет того, что предложенный метод структуры имеет более "высокий уровень формализации, устанавливает связь между известными аналитическими методами и

непосрелствеино ориентирован на компьютерное моделирование координатных систем и механизмов.

2. Математическое и программное обеспечение метода кинематического анализа, построенного на едином подходе и на способе условного размыкания,- который существенно упрощает и сокращает вычислительную процедуру по определению всех кинематических параметров, рассматриваемых устройств, за счет сокращения числа уравнений в расчетной схеме до 2-х или 3-х вместо 12-ти, получаемых известными методами, основанными на матричном уравнении замкнутости.

3. Алгоритмы и программное обеспечение по построению динамических моделей прецизионных координатных систем и механизмов, позволяющее: проводин, кннетостатический анализ методом линейных пространств реакций связей; автоматически на ЭВМ формировать уравнения динамики, учитывающие аналитическую программу движения, на основе которых решать задачу по построению управлений методами решения обратных задач динамики.

4. Алгоритмы и программное обеспечение, параметрической оптимизации прецизионных координатных систем и механизмов поисковыми методами второго порядка, с )четом ограничений на конструктивные параметры и оптимизируемые функции, имеющие вид равенств и неравенств.

5. Основные принципы и методы расчета и проектирования координатных позиционеров на базе ЛШД, основанные на аналитических и численных математических моделях, позволяющих проводить: анализ магнитного поля в рабочем зазоре индуктор - статор; расчет статических и динамических характеристик дія насыщенных и ненасыщенных мапгатопроводов; оптимизацию проектирования ЛШД при одновременном варьировании всех_ конструктивных параметров.

6. Теоретически и экспериментально установленные зависимости статического и динамического тягового усилия, точности позиционирования, скорости и ускорения ЛШД, позволившие разработать новую конструкцию электромагнитного модуля с повышенной, более чем в два раза, динамической добротностью. Это позволило создать прецизионные координатные устройства для высокопроизводительного сборочного оборудования с требуемыми рабочими характеристиками.

7. Алгоритмическое и программное обеспечение расчета плоских аэростатических опор ЛШД, а также "уголкового" типа, кольцевой и круглой конфигурации, дающее возможность в каждом конкретном случае определять эпюру давления в рабочем зазоре, подъемную силу и жесткость в широком диапазоне изменения начальных данных и параметров дискретной системы наддува воздуха.

8. Постановка и решение задач синтеза программных движений многокоординатных систем на базе ЛШД, основанные на обратных задачах динамики.

9. Элементная база координатных позиционеров, построенная на электромагнитном модуле - индукторном ЛШД с возбуждением от постоянных магнитов на мапштовоздушной опоре, позволившее разработать и сформировать основные принципы проектирования устройств координатных перемещений для прецизионного сборочного оборудования в

микроэлектронике.

10.Алгоритмы, программное обеспечение и технические средства повышения точности

приборных механизмов, основанные на способе компенсации кинематической погрешности „

специальными коррекционными устройствами и муфтами, которые были разработаны с

участием автора и изготовлены в НИИСА для серийного применения, обеспечивая

повышение точности в 2..,5 раз с одновременным улучшением других функциональных

параметров (виброактивности, долговечности).

П.Созданные и внедренные в серийное производство на предприятиях "БелО'ЛО"

исполнительные механизмы прерывистого координатного перемещения

фоторегистрнрующих станций, обеспечивающие повышение скоростных характеристик и

качества выравнивания широкой пленки.

Личный вклад соискателя. В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве. В работах, выполненных в соавторстве и включенных в диссертацию, автор был инициатором, разрабатывал методы исследования л их математическое обеспечение, проводил численное моделирование, расчеты и эксперименты, осуществлял обработку, анализ и обобщение полученных результатов.

Автором выполнялась работа по внедрению разработанных математических методов, алгоритмических и программных средств в практику проектирования современного сборочного технологического оборудования в ГНПК ТМ "Планар", а также в технические разработки другого назначения. Автором оказывалась постоянная конкретная помощь изготовителям при выпуске опытных и установочных серий оборудования и внедрении его в производство у заказчиков НПО "Интеграл", включая непосредственную наладку образцов и обучение персонала.

Часть результатов, изложенных в пп. 1.2 - 1.4, 2.2, 3.2, 5.3 - 5.5, 7.1 - 7.5, была получена в совместных работах [14 - 29], [34 - 45], [50 - 52], [56 - 68] с аспирантами и соискателями и в равной мере принадлежит автору диссертации и соавторам.

Апробация результат⁰» диссертации. Основное содержание работы докладывалось: на первом Всесоюзном съезде по теории механизмов и машин (Алма-Ата, 1977 г.); втором Всесоюзном съезде по теории механизмов и машин (Одесса, 1982 г.); на 1^Ш Всесоюзном совещании по основным проблемам теории механизмов н машин (Тбилиси, 1974 г.); на семинаре научного координационного совета МинВУЗа СССР по проблеме "Системы управления роботами и манипуляторами" (Москва, 1976 г.); на 5^Ш Всесоюзном симпозиуме "Теория, принципы устройства и применение роботов и манипуляторов" (Ленинград, 1974 г.); на 4^аа-Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Киев, 1976 г.); на втором Всесоюзном совещании по робототехническим системам и промышленным роботам (Минск, 1981); на Республиканском совещании "Автоматизация производственных процессов на бале применения -ромышленных роСотов" (Минск, 1979); на Всесоюзном симпозиуме по автоматизированному линейному и ыагнитодннамическому электроприводу (Таллии, 1981); на Ленинградском филиале семинара по теории механизмов и машин при научном Совете no ТММ и систем управления машин АН СССР (Ленинград, 1973, 1974, 1975, 1976, 1977, 1980); на научном семинаре "Промышленные роботы" при Ленинградском

доме научно-технической пропаганды (Ленинград, 1976, 1977, 1980); IVth and Vth Internationa! Symposium on Creep and Coupled Processes (Bialystok, Poland, 1993, 1995);XIV, XV Ogobopolsks Konfcrencja Teorii Mazhyn I Mechanizmov (Gdansk 1994, Bialystok 1996); 32-41 Internationales wissenschaftliches {Colloquium (Ulmenau, Germanny 1987, 1989, 1990, 1991, 1993-19996); Internationals Conference on Electrical Drives and Power Electronics (Kosice, Slovakia, 1990, 1992, 1994, 1996); 9¹ Conference of the European Consortium for Mathematics in Industry (Copenhagen, Denmark, 1996); 7* International Power Electronics and Motion Control Conference (Budapest, Hungary, 1996); №'* IMACS World Congress on Computation and Applied Mathematics (Sofia, Bulgaria, 1991); 8^й International Conference on Differential Equation (Barselona, Spain, 1992)/ Результаты диссертации регулярно докладыпались па научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛИТМО (Ленинград), СЗПИ (Ленинград), МРТИ / БГУИР (Минск), БПИ / БГПА (Минск); на республиканском межвузовском объединении преподавателей no ТММ (Минск) и других.

Опублнковпниоеть результатов. По теме диссертации опубликовано 71 работа, в том числе 1 учебник в трех томах, 57 статей, в научно-технических журналах и сборниках, более 100 тезисов докладов на конференциях, 11 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и обт»ст) диссертации. Диссертационная работа состоит из введення, восьми глав, выводов, списка использованных литературных источников. Объем диссертации - 216 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 172 рисунка и фотографии. Список используемых.литературных источников включает 157 наименований.