高速精密电子制造装备若干关键技术

在今年8月12日~8月15日的第21届ICEPT大会上,广东工业大学电子精密制造技术与装备国家重点实验室的陈新教授介绍了该实验室最近几年在高速精密电子制造装备如跨尺度高速精密运动生成与测控、微结构阵列创成与高密度互联及电子制造智能装备及系统集成等方面若干关键技术的研究成果,同时就未来五年需要攻关和突破的关键技术进行了汇报。

高速精密电子制造装备若干关键技术

以下为《高速精密电子制造装备若干关键技术》PPT的主要内容。

电子信息产业是世界性的新兴科技产业,发展最迅速、竞争最激烈、更新最频繁。作为我国的第一支柱产业。

新一代电子制造对装备的精度、速度与可靠性要求不断提高:微秒级操作时间、微纳米级互联精度、严格的工艺时序约束下,实现高速精准协同操作。

新一代器件制造对微结构阵列加工精度、组合形式等提出了新的挑战:亚微米级、高密度的表面微结构阵列构型高精度、高效率、高质量一致创成。

电子制造业面临的新技术挑战主要集中在以下4个方面:(1)3C产品:广集成、快换代、新工艺;(2)元器件:低功耗、高密度、微尺度、立体化;(3)装配整线:快速响应、柔性集成、高度智能;(4)检测技术:高维化、高精度、在线化、集成化。

1 跨尺度高速精密运动生成与测控

(1)高速机构非线性动力学优化理论。提出了惯性能力时空最优布局的结构非线性动力学优化设计理论与方法;基于柔性多提动力学静态载荷法,加入了“时变驱动惯性项”的影响,进行高速机构结构优化。Prof.JG Park评价认为这是一种里程碑式的方法。

(2)非对称变加速高速精密运动规划新方法。提出了基于振动主频能力时域最优分布的非对称变加速度规划方法;建立了接触、摩擦、阻尼等因素的多模态非线性振动响应方程。欧盟院士G.Ron Chen评价认为这是极具挑战的创新是对运动规划理论的新发展。

创建了“非静态启动、各运动段非对称变加速”的非线性动力学响应优化的运动规划新方法;随驱动力变化,弹性振动产生、叠加与衰减的全程优化;实现了高速精密运动全程多点精密定位。该论文获得了2016 IEEE ICIA唯一最佳大会论文奖。

(3)高速运动平台精密定位控制新理论。建立了系列高速运动平台非线性动力学响应模型与动态性能的调控机制,如:结构动态特性智能匹配调节、前馈与自抗扰控制反馈复合控制;提出一种微平台对宏平台的振动抑制新原理;突破了被动宏平台静止后再做精密补偿定位的传统思路。德国蔡司技术总监Allon Zeng这是高速运动平台精密定位技术领域的一个重大创新,并且还获得了广东省发明专利金奖。

(4)宏微复合的高速精密测量新原理和新方法。发明了绝对式/增量式宏微复合光栅尺测量新原理;稀疏里程碑绝对码高速粗定位,密集增量式均匀栅线低速细分精定位,高速图像细分;解决了绝对光栅光电编码对非均匀栅线脉冲信号难以快速高精度细分的行业共性难题。

(5)宏微复合的高速精密测量新平台。新一代高精度检测仪器(白光干涉仪在线高速精密测量平台等)。该平台是基于绝对/增量式宏微复合精密光栅尺、宏微复合精密运动平台技术;Z轴测量分辨率0.05mm,自动对焦距离150mm;比传统大行程压电陶瓷自动调焦距离扩大数百倍,得到全球第一的封装企业日月光公司认可。

(6)基于高速图像处理的快速精密定位技术。提出了跨尺度宏微切换高速视觉定位技术;首次提出“像素-亚像智能复合”的高速精密检测技术。

2 微结构阵列创成与高密度互联

(1) 微结构阵列超精密加工理论。研究了基面精度与微结构阵列加工精度之间的映射机制;建立了基于宏观基面质量的微结构加工与控制模型;术提出了光学性能驱动的微结构阵列超精密加工新理论与加工精度一致性保障相关理论与方法。

(2)微阵列结构超精密加工机床。宏微复合运动平台等技术用于自主研发三轴超精密微点密集阵列加工机床;开发了相应的应用软件及控制系统、检测平台、研究投入实际应用。该设备已经成功为深圳金石等企业完成50多个品种的手机导光板精密模具加工。

(3)多层异质微孔群高精高效新工艺。建立了紫外激光参数与孔群层异质材料去除特性及几何参数直接的非线性映射模型,激光工艺参数运动数协同精准调控;解决了电子基板多层异质孔群高精高效加工难题。

(4)高密度差异化精细电路阵列创新工艺。发明了基于精密减铜的新型半加成法技术;提出了阵列式精密锥形喷液减薄新方法;大幅降低了刻蚀速率对线距线宽等因素的敏感性,避免了精细电路的线距、角度等余量补偿难题;率先攻克跨等级差异化线宽线距(10~100μm)精细集成电路高精高效同板创成的行业瓶颈。美国工程院院士、国际前封装学会主席C.P Wang说这种工艺属于行业的重大突破。

(5)轨迹可控的纳米阵列结构“机械-化学”复合加工新方法。提出了外力引导式刻蚀加工的理论与方法;初步建立了刻蚀去除与机械运动间的时变非线性关系模型;实现了高深宽比异形三维微通道阵列刻蚀加工轨迹可控;为新一代三维封装芯片和微流控芯片中复杂微通道加工提供了新的途径。

(6)低温键合互联新工艺与直接倒装。研究了传统高温键合过程中热应力不均导致产品易失效的难题;发明了纳米粒子/纳米多孔结构封装材料,实现低温键合的新方法、开发了低温铜键合平台;研发了带角度位移偏差精确补偿的晶圆级芯片倒装设备,解决了新一代芯片直接倒装工艺对封装装备对位偏差实时自动精密补偿难题。

3 电子制造智能装备及系统集成

(1)超精密加工装备方面。研发了系列微结构阵列加工装备及关键核心功能部件。集成前述基础理论,获2016省科学技术一等奖(发明类)、中国专利优秀奖2项、省金奖2项。

(2)点位操作方面。基于高速精密运动平台与绝对光栅等研究成果,联合大族公司等企业共同开发了系列“高速精密点位操作装备”。

(3)高节拍、强约束的电子制造系统建模与分析。提出制造系统的Petri网建模、控制和运动优化成套理论和方法;解决了高节拍强约束制造系统中计算复杂性、冲突事件、死锁等问题;为制造系统中Cluster tool的实时运行控制提供了开创性成果。

(4)多机器人高速协调理论与方法。提出了基于Petri Net的共享资源规划方法;研发了基于动态系统的多机器人实时避碰算法,实现了多机器人给定任务点的前提下,实时的无碰轨迹生成正在研究基于非对称变加速运动规划的高速精密3C操作机器人。

(5)电子制造系统数字化建模与优化。提出了构型、动型、优型一体化的生产线柔性化优化方法;通过数字孪生技术与近物理仿真技术,进行整线设计、集成与运行优化;应用于收集自动化装配,电子基板定制生产等行业。

4 未来五年规划或更长时间-重点研究项目

(1)长行程精密运动平台

突破大行程下高速高精度多维度运动生成的瓶颈(大行程纳米复合平台);

攻克:大行程与高精度、高速度与快速稳定的双重矛盾问题,振动消减、快速定位及抗干扰的核心难点问题,多轴复杂操控任务的自适应精准控制难题;

研制:国际一流的系列长行程精密运动平台,满足芯片、器件加工与在线检测需求。

(2)面向高密度芯片封装的巨量转移技术

突破微间距芯片阵列式抓取与缩放精密运动创新理论,确保巨量芯片阵列等比例精确转移。

攻克:高速精密运动机构阵列优化与复合控制、跨尺度高速精密运动定位技术、阵列芯片一致性键合新工艺

研制:基于巨量转移技术新一代高密度Micro-LED等新型封装装备。

(3)大幅面扇出型芯片先进封装与统集成

突破芯片漂移错位抑制理论与一致性调控技术、大幅面翘曲的在线测量与精密控制;

攻克:多层异质微细孔群高精高效加工、高密度精细电路创成、高精度在线检测技术,形成大幅面扇出型芯片先进封装工艺技术。

研制:国际领先的大幅画(600*600)扇出型芯片封装示范线(当前国际水平320*320)

(4)电子产品智能制造系统

突破多工序、多品种高节拍电子产品智能制造系统建模、控制、优化理论与方法;

攻克:工序、装备、单元、车间跨层级集成优化、多机器人协同操作;

研制:器件、产品装配等智能制造示范线,适应多品种、频繁换产。[资料来源:第21届ICEPT  技术游侠编译]

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