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。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 晶圆测试相关介绍

1．3 国内外晶圆测试相关技术发展概况

1．3．1 国内外晶圆片的发展概况

1．3．2 国内外晶圆测试产业发展概况

1．3．3 国内外晶圆测试探针台发展概况

1．3．4 国内外晶圆自动传输系统的发展概况

1．4 结构设计仿真方法的应用概况

1．4．1 Pro／Mechanism在运动仿真中的应用概况

1．4．2 ANSYS在静动态仿真及结构优化中的应用概况

1．5 课题主要研究内容

第二章 晶圆测试自动传输系统的总体方案设计

2．1 引言

2．2 自动传输系统的运动分配与构成

2．3 自动传输系统的总体方案

2．4 自动传输系统的工作原理

2．5 本章小结

第三章 晶圆测试自动传输系统的结构功能设计

3．1 引言

3．2 片盒承载台(Loader)的功能设计

3．2．1 升降机构的设计

3．2．2 片盒加紧与定位机构的设计

3．3 机械手转动台(Turntable)的功能设计

3．3．1 机械手部件及相关传动的设计

3．3．2 预对准机构的设计

3．4 晶圆测试台(Chuck Unit)的功能设计

3．4．1 X、Y向运动机构的设计

3．4．2 Z向运动与转动机构的设计

3．4．3 顶针机构的设计

3．5 气动机构的功能设计

3．6 晶圆测试自动传输系统的总体结构

3．7 本章小结

第四章 自动传输系统机械手的运动学分析与轨迹规划

4．1 引言

4．2 自动传输系统机械手的运动学分析

4．3 自动传输系统机械手的轨迹规划

4．3．1 机械手运动路径的确定

4．3．2 移动关节轨迹规划

4．3．3 旋转关节轨迹规划

4．3．4 最优时间-冲击的轨迹规划

4．4 基于Pro／Mechanism自动传输系统机械手的运动仿真

4．4．1 机构运动模型的建立

4．4．2 机械手运动仿真与结果分析

4．5 本章小结

第五章 机械手部件动态特性的数值仿真与实验研究

5．1 引言

5．2 模态特性分析

5．2．1 模态特性分析方法

5．2．2 机械手部件模态特性分析的必要性

5．3 基于ANSYS环境机械手部件模态特性的数值仿真

5．3．1 机械手部件有限元模型的建立

5．3．2 机械手部件模态特性的仿真与结果

5．4 基于LMS测振仪机械手部件模态特性的实验研究

5．4．1 实验仪器介绍

5．4．2 模态实验准备

5．4．3 模态实验过程与结果

5．5 仿真结果与实验结果对比分析

5．6 本章小结

第六章 晶圆测试自动传输系统机械手的结构优化

6．1 引言

6．2 基于ANSYS环境的机械手-晶圆系统静力分析

6．3 机械手的结构优化设计

6．3．1 机械手结构优化方案

6．3．2 不同方案机械手-晶圆系统的静力分析对比

6．4 优化前后机械手动态特性对比

6．4．1 原机械手结构的动态特性

6．4．2 优化后机械手结构的动态特性

6．4．3 优化前后结构动态特性的对比分析

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 论文总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文