Гармонический поворотный привод, гармонический редуктор или моментный двигатель прямого привода для оборудования корпусирования полупроводников

Введение

Расширение применения передовых технологий упаковки полупроводников одновременно оказывает давление на точность позиционирования, производительность оборудования, повторяемость и долговременную стабильность движения. По мере того, как процессы склеивания кристаллов, выравнивания пластин, контроля качества микросхем и упаковки высокой плотности приближаются к более жестким допускам и более коротким циклам, вращательная ось перестает быть просто механизмом для изменения углового положения.

Для производителей упаковочного оборудования более актуальным инженерным вопросом является:

Если требуется прецизионная вращательная ось, следует ли использовать в станке гармонический поворотный привод , гармонический редуктор с серводвигателем или двигатель с прямым приводом крутящего момента ?

Ответ зависит от того, как, по прогнозам, вращательная ось будет справляться с инерцией нагрузки, ускорением, временем стабилизации, угловым позиционированием, жесткостью на кручение, тепловым дрейфом, механической интеграцией и стабильностью непрерывного цикла.

Это особенно важно в оборудовании для склеивания кристаллов и в современных упаковочных системах. Вращательной оси может потребоваться лишь небольшая угловая коррекция, но ей, возможно, придется повторять это движение тысячи раз, сохраняя при этом стабильную точность позиционирования. Поэтому одной лишь номинальной точности недостаточно для определения пригодности решения для перемещения в производственном оборудовании.

1. Почему вращательное движение стало более важным в современных технологиях упаковки

Требования к точности упаковки полупроводников все чаще передаются на системы перемещения, используемые в этом процессе.

В традиционных технологиях упаковки допуски на позиционирование могут быть относительно большими. Однако в технологиях перевернутого чипа, упаковки на усовершенствованных подложках, интеграции чиплетов и других процессах упаковки высокой плотности диапазон выравнивания значительно сужается.

Следовательно, система движения должна обеспечивать:

• Высокая повторяемость позиционирования

• Низкая угловая погрешность

• Высокая жесткость на кручение

• Стабильный динамический отклик

• Низкий уровень вибрации

• Короткое время стабилизации

• Низкий тепловой дрейф

Стабильная производительность в течение длительных производственных циклов.

Что еще более важно, точность и производительность нельзя оценивать по отдельности.

Вращательная ось, точно достигающая целевого положения, но требующая чрезмерного времени стабилизации, может снизить UPH (ускорение нарастания). И наоборот, увеличение ускорения без достаточной жесткости конструкции может вызвать вибрацию и увеличить фактическое время стабилизации.

Это позволяет создать более практичную инженерную цель:

Цель состоит не просто в повышении точности, а в поддержании требуемой точности в течение целевого цикла производства на протяжении всего цикла.

Именно здесь выбор роторной трансмиссии или архитектуры двигателя становится важным.

2. Что на самом деле определяет эффективность поворотного позиционирования?

В случае оборудования для упаковки полупроводников проще сосредоточиться на технических характеристиках отдельного компонента.

Например:

• Разрешение кодировщика

• люфт редуктора гармоник

• крутящий момент двигателя

• Повторяемость платформы

Однако конечные характеристики вращательной оси определяются всей цепью перемещения.

Упрощенную систему можно представить следующим образом:

Двигатель → Трансмиссия → Подшипник → Вращающаяся конструкция → Энкодер → Сервоуправление

Любая слабость в этой цепочке может стать ограничивающим фактором.

Первым параметром, который необходимо определить, является полный момент инерции вращения:

• Jtotal = Jplatform + Jworkpiece + Jfixture + Jother

• Во время разгона:

• Tacc = Jtotal × α

• где:

• Tacc = момент ускорения

• Jtotal = полный момент инерции вращения

• α = угловое ускорение

Это становится особенно важным для приложений индексирования.

Машина для упаковки полупроводников может не требовать непрерывного высокоскоростного вращения. Вместо этого она может многократно выполнять следующие действия:

ускорять → вращать → замедлять → стабилизироваться → обрабатывать → перезапускать

В этих условиях момент ускорения и характер стабилизации могут иметь большее значение, чем номинальная максимальная скорость.

3. Реальный компромисс: точность, производительность и механическая архитектура

Предоставленные вами оригинальные материалы из отрасли содержат важный тезис:

Точность не равна выходу продукции.

Спецификация, например, ±3 мкм при 3σ, является лишь статическим или заданным показателем производительности. В производственном оборудовании более сложной задачей является поддержание этих характеристик в следующих условиях:

• Высокочастотная работа

• Тепловые изменения

• Повторяющиеся ускорение и замедление

• Изменение нагрузки

• Длительные периоды эксплуатации

Именно поэтому разработчики полупроводникового оборудования все чаще уделяют внимание термической стабильности, жесткости конструкции, архитектуре обратной связи и компенсации движения.

Тот же принцип применим и к оси вращения.

Поэтому роторное решение следует оценивать не только по следующим критериям:

«Насколько незначительна негативная реакция?»

но посредством:

Насколько быстро и многократно ось может достигать требуемого углового положения и оставаться стабильной в производственных условиях?

4. Гармонический поворотный привод: когда важны интегрирование и плотность крутящего момента.

Для полупроводникового оборудования гармонический поворотный актуатор представляет особый интерес, когда вращательная ось должна сочетать в себе высокую плотность крутящего момента, низкий люфт, компактные размеры и интегрированное управление движением.

В отличие от традиционной архитектуры «двигатель плюс редуктор», интегрированный привод позволяет уменьшить количество механических соединений внутри оси вращения.

Это может быть полезно в следующих случаях:

• Оборудование для склеивания кристаллов

• Позиционирование пластины

• Выравнивание чипа

• Вращательная проверка

• Точное индексирование

• Проверка упаковки

• Компактные модули автоматизации на основе полупроводниковых технологий

Ключевое преимущество заключается не просто в том, что исполнительный механизм состоит из множества компонентов.

Более важный вопрос:

Может ли интегрированная архитектура упростить цепочку механических ошибок, сохраняя при этом требуемые динамические характеристики?

Для компактного упаковочного оборудования это может быть существенным преимуществом.

5. Гармонический редуктор: больше свободы для проектирования систем управления движением для производителей оригинального оборудования.

Гармонический редуктор использует другой подход.

Вместо интеграции двигателя и трансмиссии, редуктор становится частью собственной архитектуры привода, разработанной производителем оборудования.

Это позволяет инженерам самостоятельно выбирать:

• Сервомотор

• инерция двигателя

• Кодировщик

• Сервопривод

• Платформа управления

• Коэффициент снижения

• Подшипниковое устройство

• Корпус механического оборудования

Такая гибкость может быть особенно полезна для производителей полупроводникового оборудования, которые уже используют стандартизированные сервоплатформы.

Например, если на платформе оборудования используется семейство серводвигателей мощностью 400 Вт или 750 Вт по нескольким осям, то редуктор крутящего момента может быть подобран к этому двигателю в соответствии с фактическими требованиями к инерции и крутящему моменту.

Таким образом, инженерное преимущество заключается в гибкости системы, а не в ее интеграции.

Благодаря этому гармонический редуктор особенно подходит для специализированных поворотных осей и платформ оборудования OEM-производителей.

6. Мотор-привод с прямым приводом: исключение редуктора.

Двигатель с прямым приводом и высоким крутящим моментом решает ту же проблему с противоположной стороны.

Вместо увеличения выходного крутящего момента за счет передаточного отношения, двигатель напрямую генерирует необходимый вращательный момент.

Это исключает стадию механического обжатия.

Для полупроводникового оборудования это может быть привлекательным вариантом, когда требуется наличие вращающейся оси:

• Высокая динамическая отзывчивость

• Плавное вращение

• Минимальная погрешность механической передачи

• Быстрое ускорение и замедление

• Непрерывное вращательное движение

• Высокое угловое разрешение

Однако удаление редуктора не приводит автоматически к устранению всех ошибок движения.

Итоговый результат по-прежнему зависит от:

Двигатель + Энкодер + Подшипник + Вращающаяся конструкция + Управление + Термостойкость

Таким образом, архитектуру с прямым приводом необходимо оценивать как целостную систему.

7. Какая архитектура лучше подходит для склеивания кристаллов?

Именно здесь следует сравнить три технологии с точки зрения реального проектирования оборудования.

В машине для склеивания кристаллов может использоваться несколько осей перемещения.

Система X/Y обеспечивает точное позиционирование, а ось θ может компенсировать угловую погрешность между кристаллом и подложкой.

Для оси θ обычно требуется:

• Небольшая угловая коррекция

• Высокая воспроизводимость

• Быстрое оседание

• Низкий уровень вибрации

• Стабильная работа в течение многократных циклов

Для такого типа осей гармонический поворотный привод может обеспечить полезный баланс между плотностью крутящего момента, компактностью, передаточным отношением и точностью позиционирования.

Регулятор гармоник становится привлекательным, когда производитель оборудования уже имеет предпочтительный сервомотор и хочет получить полный контроль над комбинацией двигателя и трансмиссии.

В тех случаях, когда динамический отклик и прямое управление вращением важнее, чем увеличение крутящего момента, двигатель с прямым приводом к моменту крутящего момента может быть предпочтительнее.

Следовательно, правильное решение зависит от архитектуры машины, а не только от названия технологии.

8. Вращательное движение при выравнивании и контроле пластин.

Выравнивание и контроль пластин предъявляют еще один набор требований.

Вращательная ось может потребовать совместной работы со следующими элементами:

Визуализация → Расчет положения → Коррекция вращения → Сервоуправление

Угол коррекции может быть небольшим, но движение может повторяться на протяжении всего производственного цикла.

Здесь к важным параметрам относятся:

• Точность углового позиционирования

• Повторяемость

• Время стабилизации

• Разрешение кодировщика

• Механическая жесткость

• Тепловой дрейф

Гармонический поворотный привод может быть выгоден в тех случаях, когда требуется высокая степень передаточного отношения и компактная интеграция оси.

Двигатель с прямым приводом и высоким крутящим моментом может быть выгоден в тех случаях, когда требуется высокая динамическая отдача и непрерывное плавное вращение.

Регулятор гармоник может стать гибким решением, если производитель оборудования хочет интегрировать собственную архитектуру двигателя и сервопривода.

9. Точное индексирование: не игнорируйте момент ускорения.

В данном случае особенно ценна логика расчетов, использованная в исходном материале.

Для поворотного стола с фиксацией положения:

Tacc = J × α

Требуемый крутящий момент двигателя определяется не только массой нагрузки.

Дизайнер должен учитывать следующее:

• инерция поворотного стола

• Распределение заготовки

• инерция крепления

• Угол поворота

• Время ускорения

• Время замедления

• Время цикла

Например, поворотный стол, на котором размещено несколько полупроводниковых компонентов, может обладать относительно большим моментом инерции, даже если его общая масса не особенно велика.

Если оборудование пытается сократить время цикла за счет увеличения ускорения, то требуемый момент ускорения соответственно возрастает.

Это создает прямую взаимосвязь:

Сокращение времени цикла → более высокое ускорение → более высокая потребность в крутящем моменте → более высокие требования к конструкции и управлению

Следовательно, простого выбора редуктора на основе номинального выходного крутящего момента недостаточно.

10. Гармонический редуктор и гармонический поворотный привод: согласование инерции имеет значение.

При использовании сервомотора с гармоническим редуктором или гармоническим поворотным приводом инерция нагрузки, отражаемая на сторону двигателя, составляет приблизительно:

• Jmotor-side = Jload / i²

• где i — коэффициент уменьшения.

Это одна из причин, почему высокое передаточное отношение может быть полезно в прецизионных роторных системах.

Однако дизайнерам не следует воспринимать более высокое соотношение уменьшения как автоматически лучшее качество.

Чрезмерно высокое соотношение может привести к следующим последствиям:

• Максимальная выходная скорость

• Динамический отклик

• Эффективность передачи

• Диапазон рабочих режимов двигателя

Таким образом, правильное соотношение следует выбирать путем уравновешивания:

Крутящий момент + Инерция + Скорость + Время стабилизации + Время цикла

вместо того, чтобы выбирать максимально доступный коэффициент снижения.

11. Прямой привод против гармонической передачи: ключевое инженерное различие.

Сравнение становится более наглядным, если рассматривать его с точки зрения цепочки движений.

Гармоническая передача

Сервомотор → Регулятор гармоник → Вращающаяся нагрузка

или

Встроенный двигатель → Регулятор гармоник → Вращающаяся нагрузка

Редуктор обеспечивает увеличение крутящего момента и позволяет меньшему по размеру, но более быстродействующему двигателю приводить в движение большую нагрузку.

Прямой привод

Двигатель с высоким крутящим моментом → Вращающаяся нагрузка

Двигатель напрямую приводит нагрузку в движение.

Это означает:

• Гармоническое решение

Лучше подходит для:

• Высокий крутящий момент

• Высокое соотношение снижения

• Компактная установка

• Точное индексирование

• Поворотные оси с высокой нагрузкой

• Решение с прямым приводом

Лучше подходит для:

• Высокая динамическая отзывчивость

• Непрерывное вращение

• Плавное движение

• Высокоскоростное позиционирование

Области применения, где механическое обжатие нежелательно.

Ни один из этих архитектурных стилей не следует считать универсально превосходящим другой.

12. А что насчет полых поворотных столов?

В исходном материале также освещается важное применение: полые вращающиеся платформы.

Полупроводниковое оборудование часто должно обеспечивать маршрутизацию:

• Кабели

• Пневматические трубки

• Вакуумные линии

• Проводка датчика

• Оптические компоненты

• через центр вращательной оси.

Таким образом, полая вращающаяся конструкция может обеспечить значительные механические преимущества.

Для применений, где вращательная ось также требует:

• Высокое соотношение снижения

• Низкий люфт

• Высокий крутящий момент

• Компактная интеграция

Гармонический поворотный привод с полой конструкцией может стать альтернативой обычному полому поворотному столу.

К основным параметрам отбора следует отнести:

• Полый диаметр

• Выходной крутящий момент

• Радиальная нагрузка

• Осевая нагрузка

• Допустимый момент

• Повторяемость

• Максимальная скорость

Это особенно актуально для полупроводникового оборудования, где прокладка кабелей и интеграция внутренних датчиков могут напрямую влиять на компоновку оборудования.

13. Что должны сравнивать инженеры, занимающиеся полупроводниковым оборудованием?

Вместо того чтобы сравнивать только технические характеристики из каталога, инженерам следует составить матрицу оценки на системном уровне.

Важный вывод таков:

Правильное решение определяется требуемым профилем движения, а не просто номинальной указанной точностью.

14. Как термическая стабильность влияет на выбор.

Это один из аспектов вашего оригинального материала, который, на мой взгляд, следует гораздо сильнее подчеркнуть в статье о Хоппайне.

В процессе упаковки полупроводников оборудование может работать непрерывно в течение многих часов.

Даже если ось вращения точно достигает целевого положения при запуске, тепловое расширение может постепенно изменяться:

• Положение подшипника

• Механические размеры

• Справочник кодировщика

• Двигательные характеристики

• Поведение при передаче

Следовательно, инженерам следует оценить:

Начальная точность + температурный дрейф + долговременная воспроизводимость

а не только на первоначальную точность.

Это особенно важно, когда оборудование рассчитано на точность позиционирования на уровне микрометров.

По этой причине поворотный привод или редуктор следует оценивать вместе со следующими компонентами:

• Механическая структура

• Выделение тепла

• Выбор двигателя

• Местоположение кодировщика

• Контроль компенсации

• Тепловая конструкция машины

15. Как выбрать между тремя решениями?

Практическое инженерное решение можно резюмировать следующим образом.

Выбирайте гармонический поворотный привод в следующих случаях:

• Вращательная ось должна быть компактной.

• Требуется высокий крутящий момент на выходе.

• Низкий люфт важен.

• Высокий коэффициент снижения полезен.

• Интегрированная архитектура может упростить машину.

• Оборудование имеет ограниченное пространство для установки.

• Выбирайте понижающий преобразователь гармоник в следующих случаях:

• У производителя уже есть предпочтительный сервомотор.

• Выбор двигателя должен оставаться гибким.

• Вращательная ось имеет сложную, детальную конструкцию, изготовленную на заказ.

Производитель хочет иметь независимую конструкцию двигателя и трансмиссии.

Необходимо обеспечить поддержку двигателей различных типоразмеров.

Выбирайте моментный электродвигатель с прямым приводом в следующих случаях:

• Высокая динамическая отдача имеет решающее значение.

• Требуется непрерывное вращение.

• Плавное движение важно

• Следует исключить механическое обжатие.

• Двигатель может напрямую обеспечивать необходимый выходной крутящий момент.

16. Более эффективный принцип выбора оборудования для упаковки полупроводников.

При выборе полупроводникового оборудования процесс отбора должен следовать следующей последовательности:

Требования к процессу

↓

Точность и воспроизводимость

↓

Профиль движения

↓

инерция нагрузки

↓

Требуемый крутящий момент

↓

Время стабилизации

↓

Термическая стабильность

↓

Механическая архитектура

↓

Выбор двигателя / редуктора / исполнительного механизма

Это более надежный вариант, чем начинать с:

«Какой редуктор обладает наибольшей точностью?»

Потому что высочайшая точность на уровне компонентов не обязательно обеспечивает наилучшую производительность на уровне машины.

17. Роль HONPINE в точном вращательном движении

Здесь компания HONPINE может органично вписаться в статью, не превращая её в рекламу продукта.

Для оборудования по упаковке полупроводников компания HONPINE может предложить три взаимодополняющих подхода к вращательному перемещению.

Гармонический поворотный привод

Для компактных интегрированных поворотных осей, требующих:

точность + высокая плотность крутящего момента + низкий люфт + интеграция

Прецизионный гармонический редуктор

Для производителей оригинального оборудования, которым требуется:

Гибкое согласование двигателей + индивидуальная архитектура трансмиссии + точное позиционирование

Бескаркасный крутящий моментный двигатель

Для приложений, требующих:

прямой привод + высокая динамическая характеристика + плавное вращательное движение

Эти три решения не предназначены для замены друг друга.

Они решают различные инженерные задачи в рамках одного и того же рынка высокоточных перемещений.

Заключение

Развитие передовых технологий упаковки полупроводников подталкивает производителей оборудования к улучшению не только точности позиционирования, но и показателей UPH (количество циклов на дюйм), времени стабилизации, термической стабильности и долговременной воспроизводимости.

Поэтому при выборе между гармоническим поворотным приводом, гармоническим редуктором и двигателем с прямым приводом крутящего момента для систем вращательного движения следует руководствоваться полным профилем движения, а не одной лишь спецификацией из каталога.

Гармонический поворотный привод особенно подходит в тех случаях, когда важны высокая плотность крутящего момента, компактность, малый люфт и интеграция в систему.

Регулятор гармоник обеспечивает большую гибкость, когда производители оригинального оборудования хотят выбрать собственный сервомотор и разработать индивидуальную систему трансмиссии.

Двигатель с прямым приводом и высоким крутящим моментом привлекателен в тех случаях, когда основными требованиями являются высокая динамическая отдача, плавность движения и прямое управление нагрузкой.

При выборе оборудования для склеивания кристаллов, выравнивания пластин, прецизионного индексирования, ротационного контроля, автоматического оптического контроля и упаковки полупроводниковых изделий окончательный выбор должен основываться на следующих критериях:

инерция нагрузки + крутящий момент + скорость + ускорение + время стабилизации + повторяемость + жесткость + термическая стабильность + монтажное пространство.

Цель состоит не просто в выборе компонента с наивысшей номинальной точностью.

Цель состоит в создании поворотной оси, способной поддерживать требуемую точность при необходимой скорости производства, непрерывно и надежно.