廖俊鴻，賀云波，王忠誠，黎煒天

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

回顧2019年國內(nèi)半導(dǎo)體裝備行業(yè)，中國本土的半導(dǎo)體設(shè)備需求大增，設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)越來越重視下游封裝設(shè)備的趨勢。相較于傳統(tǒng)的引線鍵合技術(shù)，倒裝焊封裝技術(shù)由于把芯片通過焊球直接連接在基板上，使得單位面積內(nèi)I/O數(shù)量更多、散熱性更好以及可靠性更高[1]。本文研究的軌道式倒裝裝備是一款在半導(dǎo)體封裝中起關(guān)鍵作用的先進(jìn)封裝設(shè)備，其覆晶旋轉(zhuǎn)軸正是執(zhí)行一系列取晶、覆晶動作的核心作用軸。

由于覆晶旋轉(zhuǎn)軸存在不同情況下的共振模態(tài)，包括高增益狀態(tài)下振動模態(tài)易被激發(fā)、振動模式的耦合以及多工況下共振模態(tài)參數(shù)攝動范圍大等問題，影響到其正常的工藝流程。因此，本文首先進(jìn)行覆晶旋轉(zhuǎn)軸不同工況的共振模態(tài)分析，然后進(jìn)行辨識實驗獲取共振特性數(shù)據(jù)，最后針對性地提出一種改進(jìn)型的陷波濾波器設(shè)計方法，并對其進(jìn)行驗證。

1 覆晶旋轉(zhuǎn)臂的共振模態(tài)分析

在對軌道式倒裝機(jī)進(jìn)行實際調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，覆晶旋轉(zhuǎn)軸存在若干情況下的共振現(xiàn)象，均對取晶和覆晶的芯片轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時覆晶旋轉(zhuǎn)軸甚至直接掉電。針對具體問題的分析如下：

1.1 高增益狀態(tài)下振動模態(tài)易被激發(fā)

覆晶旋轉(zhuǎn)軸是直接驅(qū)動軸，其直接連接到動負(fù)載上以實現(xiàn)驅(qū)動力與負(fù)載的剛性耦合，但是由于覆晶旋轉(zhuǎn)軸和支撐件等連接件之間的柔性環(huán)節(jié)會降低系統(tǒng)剛度，繼而容易激發(fā)共振現(xiàn)象。電機(jī)調(diào)試中，為提高系統(tǒng)的閉環(huán)頻寬，需要在一定范圍內(nèi)提高控制器的比例增益，以提高快速響應(yīng)能力，降低位置跟蹤誤差，從而提高控制性能。但是，控制器的比例增益越高，系統(tǒng)響應(yīng)越大，有可能導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩甚至掉電。這說明了系統(tǒng)潛在的振動模態(tài)會被稍高的控制器比例增益所激發(fā)出來。本文以本單位自行研發(fā)的軌道式倒裝機(jī)的覆晶旋轉(zhuǎn)軸作為研究對象，控制器增益通過調(diào)用GHN系列運(yùn)動控制卡的功能函數(shù)輸入，并通過增量式光柵尺采集反饋位置信息，最后用MATLAB繪制出不同增益下的調(diào)試效果，如圖1所示。由圖1可知：控制器增益越高，系統(tǒng)響應(yīng)越大，振動模態(tài)越容易被激發(fā)。

圖1 覆晶旋轉(zhuǎn)軸在不同增益下的振動模態(tài)(伯德圖)

1.2 振動模式的耦合問題

在對覆晶旋轉(zhuǎn)臂的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在振動模式的耦合問題。覆晶旋轉(zhuǎn)臂除了自身是直驅(qū)運(yùn)動軸之外，另一層面上也是覆晶模塊Z軸的負(fù)載。分別對兩者進(jìn)行掃頻實驗以獲取頻域數(shù)據(jù)，得到覆晶Z軸和覆晶旋轉(zhuǎn)軸的速度閉環(huán)掃頻結(jié)果，如圖2所示。由圖2可知：Z軸和旋轉(zhuǎn)軸在170 Hz的頻率點上均有較大的幅值響應(yīng)值。未針對Z軸在170 Hz頻率加濾波器前，發(fā)現(xiàn)Z軸和旋轉(zhuǎn)軸在運(yùn)動過程均產(chǎn)生振動，其中Z軸振動程度相對激烈，但振動頻率均在170 Hz頻率處。當(dāng)針對Z軸用陷波濾波器過濾170 Hz共振頻率點后，發(fā)現(xiàn)Z軸和旋轉(zhuǎn)軸的振動現(xiàn)象消失，這說明覆晶旋轉(zhuǎn)軸受到Z軸的振動影響。

綜上分析，覆晶臂模塊存在振動模式的耦合問題：在Z軸上的振動輸入，導(dǎo)致了另一旋轉(zhuǎn)軸上的振動響應(yīng)。

2 多工況下覆晶旋轉(zhuǎn)軸共振特性的獲取

上一節(jié)中，已對覆晶旋轉(zhuǎn)軸不同情況下的共振模態(tài)進(jìn)行了分析。接下來將進(jìn)行正弦掃頻實驗以得到覆晶旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)；然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，獲得系統(tǒng)的共振特性。

在對覆晶臂兩軸進(jìn)行正弦掃頻實驗時，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸置于不同位置時，獲得的掃頻結(jié)果存在明顯的差異性，即部分頻率點上的幅值和相位角大小不一致或發(fā)生偏移。如果排除外界的干擾，分析認(rèn)為覆晶旋轉(zhuǎn)軸處于不同位置時，系統(tǒng)剛度出現(xiàn)不同程度改變，導(dǎo)致相同被控對象不同位置的開環(huán)掃頻結(jié)果有差異性。因此，為保證數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性和準(zhǔn)確度，在對覆晶旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行正弦掃頻實驗時，分別采集其處于三個特定位置時的開環(huán)掃頻數(shù)據(jù)。覆晶旋轉(zhuǎn)軸處于不同位置時的狀態(tài)圖如圖3所示。

圖2 覆晶Z軸和覆晶旋轉(zhuǎn)軸的速度閉環(huán)掃頻結(jié)果(伯德圖)

圖3 覆晶旋轉(zhuǎn)軸的不同位置狀態(tài)

正弦掃頻實驗是通過向覆晶旋轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)輸入一系列不同頻率的正弦激勵信號，再通過其反饋裝置采集相應(yīng)的位置輸出信號，從而獲得覆晶旋轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)集。實驗的設(shè)置參數(shù)如下：正弦激勵信號的起始頻率為10 Hz，結(jié)束頻率為2 000 Hz，步長為5 Hz，增益為200，持續(xù)時間為1 000 ms。通過實驗及數(shù)據(jù)后處理，得到當(dāng)覆晶旋轉(zhuǎn)軸分別處于取晶位置、覆晶位置和最高位置的情況下覆晶旋轉(zhuǎn)軸的頻域特性，如圖4所示。

圖4 不同位置覆晶旋轉(zhuǎn)軸的頻域特性(伯德圖)

3 改進(jìn)型陷波濾波器的設(shè)計和實現(xiàn)

第1節(jié)中所討論的共振模態(tài)問題存在的根本原因是覆晶旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的某些環(huán)節(jié)剛性不夠，存在若干諧振頻率點，引起系統(tǒng)共振[2]。有效的解決辦法是獲取系統(tǒng)的諧振頻率點，并降低該頻率點的響應(yīng)幅值。本文采用一種改進(jìn)型陷波濾波器(notch-filter)的方法來解決該問題，并分析其數(shù)字離散化的實現(xiàn)過程，最后進(jìn)行陷波濾波器對覆晶臂旋轉(zhuǎn)軸的振動抑制實驗，檢驗濾波效果。

典型的二階結(jié)構(gòu)陷波濾波器的傳遞函數(shù)表示為[3]：

(1)

其中：ωn為陷波濾波器的作用中心頻率；ξ為阻尼比。

取諧振頻率ωn=1 000 rad/s，分別取ξ的值為0.5、5和50，使用MATLAB繪制陷波濾波器的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線，如圖5所示。從圖5中可以看出：ξ值越小，諧振點的響應(yīng)幅值越小，即對諧振頻率點的抑制效果越強(qiáng)，但同時影響諧振點附近范圍的頻率信號。因此，單一變量ξ的取值既影響陷波深度，又影響陷波寬度，無法達(dá)到可調(diào)節(jié)性高、減少對有用信號負(fù)面影響的濾波效果，而且如果給系統(tǒng)施加不當(dāng)?shù)倪^濾效果，有可能破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖5 不同ξ值下傳統(tǒng)陷波濾波器的伯德圖

針對上述傳統(tǒng)陷波濾波器的單一參數(shù)調(diào)節(jié)問題，在原函數(shù)基礎(chǔ)上引入一個可調(diào)變量，得到改進(jìn)型的陷波濾波器，其傳遞函數(shù)表示為：

(2)

其中：j為陷波深度系數(shù)；k為陷波寬度系數(shù)。由于陷波深度系數(shù)j和陷波寬度系數(shù)k之間的關(guān)系滿足條件0

為了單獨討論陷波深度系數(shù)j和陷波寬度系數(shù)k各自對過濾效果的影響，進(jìn)行兩組實驗：第一組實驗中，保持ωn=1 000 rad/s、陷波深度系數(shù)j=0.5不變，分別取k值為2、20和200的不同情況，并獲取其所對應(yīng)的濾波器幅相頻特性曲線，如圖6所示；第二組實驗中，保持ωn=1 000 rad/s、陷波寬度系數(shù)k=20不變，分別取j值為0.02、0.2和2的不同情況，并獲取對應(yīng)的濾波器幅相頻特性曲線，如圖7所示。

圖6 不同k值對陷波濾波器的影響

從圖6可以看出：滿足0

從圖7可以看出：滿足0

圖7 不同j值對陷波濾波器的影響

改進(jìn)型陷波濾波器的設(shè)計僅是模擬陷波器的理論設(shè)計，在離散系統(tǒng)中數(shù)字化實現(xiàn)，通常使用一個差分方程表示[4]：

(3)

其中：N為差分方程的階數(shù)；ai、bi均為濾波器系數(shù)；x(n)為輸入信號值；y(n)為輸出信號值；n為整數(shù)。差分方程求解的關(guān)鍵是確定濾波器系數(shù)ai和bi。

雙線性變換法本質(zhì)上是通過一階估計法實現(xiàn)從連續(xù)時域到離散時域的傳遞函數(shù)變換，其從s平面到z平面的映射關(guān)系為：

(4)

其中：T為采樣間距。

由式(2)可知，設(shè)計好的模擬陷波濾波器的傳遞函數(shù)為：

(5)

根據(jù)s平面到z平面的映射關(guān)系，將式(4)代入式(5)可得：

(6)

通常，分母的常數(shù)項被標(biāo)準(zhǔn)化為1，于是有：

(7)

其中：

(8)

由于

(9)

對式(7)推導(dǎo)得到相應(yīng)的差分方程：

y(n)=-a1y(n-1)-a2y(n-2)+b0x(n)+
b1x(n-1)+b2x(n-2).

(10)

依據(jù)式(10)，只需通過程序編寫就可實現(xiàn)對數(shù)字陷波濾波器的應(yīng)用。該數(shù)字陷波濾波器等效結(jié)構(gòu)如圖8所示。

4 共振抑制實驗結(jié)果分析

在實驗過程中，獲取系統(tǒng)的共振頻率為f=295 Hz，現(xiàn)在使用設(shè)計的陷波濾波器對覆晶旋轉(zhuǎn)臂該共振點295 Hz進(jìn)行過濾處理。根據(jù)抑制效果目標(biāo)，設(shè)置陷波深度系數(shù)j為0.4，陷波寬度系數(shù)k為3，然后使用MATLAB繪制出濾波器特性，以及濾波前、后的系統(tǒng)頻域特性，如圖9所示。

從圖9可以看出:抑制前，共振頻率點的幅值為-10 dB，當(dāng)系統(tǒng)加入陷波濾波器后，其幅值衰減為-27.5 dB，說明共振頻率點被抑制，陷波濾波器能夠?qū)Ω簿D(zhuǎn)驅(qū)軸起到共振抑制作用，有效解決系統(tǒng)共振問題。

圖8 數(shù)字陷波濾波器等效結(jié)構(gòu)

圖9 濾波器對覆晶旋轉(zhuǎn)軸的共振抑制實驗(伯德圖)

5 結(jié)論

針對覆晶旋轉(zhuǎn)軸的共振模態(tài)問題，將其轉(zhuǎn)化為共振特性的獲取和改進(jìn)型濾波器的設(shè)計問題，利用可以有效調(diào)節(jié)濾波深度和濾波寬度的特點以應(yīng)對多工況振動模態(tài)的變化。實驗表明，所設(shè)計的改進(jìn)型陷波濾波器可調(diào)性高，能有效抑制共振頻率點，解決覆晶旋轉(zhuǎn)軸的共振問題。