晶圆测试自动传输系统的结构设计与优化

【摘要】随着半导体行业的发展,晶圆作为半导体器件的基础材料,应用越来越广泛。晶圆测试是芯片制造及封装过程中所必不可少的,该行业也得到了迅猛的发展,主要体现在相应设备的研究上。自动传输系统是晶圆探针测试台的主要组成部分,其功能是实现晶圆在不同工位之间快速、高效、可靠的转移,它直接体现出整机的自动化程度。本文根据晶圆测试自动传输系统的结构特点和运动特性,对其进行了结构设计和虚拟装配。在此基础上,对机械手进行了运动学分析和轨迹规划,并利用Pro/Mechanism和ANSYS对所设计的自动传输系统进行了运动仿真和动态性能研究,最后利用仿真分析方法对机械手进行了结构优化,以提高自动传输系统的精度、稳定性和安全性。具体研究内容及结论如下：(1)根据晶圆测试设备常用单升降机自动传输系统的结构特点,选择结构更加紧凑、效率更高的双升降机自动传输系统作为所设计传输系统的总体布局；根据总体布局分别从片盒承载台、机械手转动台和晶圆测试台三大模块对各部分主要零部件、运动机构进行了详细的功能设计,最终得到了整个自动传输系统的结构。(2)根据自动传输系统实际运动情况建立机械手运动的数学模型,得到了机械手的运动学方程；然后对机械手关节运动轨迹进行了规划,得到了最优时间-冲击的轨迹方程并获得了相应的最优运动时间；最后根据最优时间和轨迹,在Pro/Mechanism中对自动传输系统进行了运动仿真,获得了机械手的运动路径和轨迹曲线。(3)在ANSYS环境下对自动传输系统机械手部件进行了模态仿真分析,获得了机械手部件的前四阶固有频率和振型；然后搭建实验台利用LMSTest.Lab9A测振仪对机械手部件进行试验模态分析,提取信号获得实际机械手部件的前四阶实验固有频率；最后将仿真结果与实验结果进行对比,结果表明ANSYS仿真结果的误差在10%以内,表明有限元方法具有一定的可行性。(4)基于前一章机械手部件模态分析结果中发现原机械手动态性能较差,且原机械手在传输晶圆时晶圆变形较大,对机械手结构进行了优化。在原机械手的基础上设计出三种不同方案的机械手结构并进行晶圆变形分析和比较,找出了最优结构；对优化前后机械手进行静动态特性对比,对比结果表明优化后的机械手-晶圆系统中晶圆变形下降了60.5%但机械手质量上升了16.2%,同时优化后机械手的固有频率更加远离系统频率且振型得到了改善,动静态特性均得到了提升。
【作者】张在春；
【导师】仲高艳；
【作者基本信息】南京农业大学，机械制造及其自动化，2013，硕士
【关键词】自动传输系统；结构设计；运动学分析；轨迹规划；动态特性；结构优化；

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