大面積狹縫式涂布工作臺的設(shè)計(jì)與分析

0 引言

狹縫式涂布（Slot Die Coating）作為一種精密涂布方式，其具備涂布效率高，涂布膜層厚度范圍廣，涂布膜層均勻性高，涂布面積大等顯著優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于膠卷制造、太陽能電池制造、鋰電池電極制造等領(lǐng)域，近年來在平板顯示等大面積基板涂布領(lǐng)域也展現(xiàn)出了明顯的技術(shù)優(yōu)勢[1～4]。相比于傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，平板顯示光阻涂布等大面積基片涂布具有涂布面積極大，涂布效率及膜厚均勻性要求高等特點(diǎn)，相對應(yīng)的對涂布設(shè)備工作臺的性能要求較高。目前常規(guī)涂布工作臺的工作行程可以滿足大面積涂布需求，但是動態(tài)運(yùn)動性能較差，導(dǎo)致涂布效率低下，無法滿足大規(guī)模生產(chǎn)涂布要求，因此本文針對平板顯示光阻涂布等大面積基片涂布領(lǐng)域的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的精密狹縫式涂布工作臺，并利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對工作臺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行了靜力學(xué)與動力學(xué)分析。

1 工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)狹縫式涂布的原理，為達(dá)到平板顯示光阻涂布領(lǐng)域所要求的微米尺度膜厚以及高均勻性，高生產(chǎn)效率的涂布要求，涂布工作臺必須具備高的運(yùn)動速度和加速度，同時具備極高速度穩(wěn)定性。為達(dá)到以上指標(biāo)，涂布工作臺總體采用雙路直線電機(jī)的驅(qū)動方式和氣浮導(dǎo)軌的導(dǎo)向方式，如圖1所示，涂布工作臺由龍門滑臺組件，直線電機(jī)組件，氣浮導(dǎo)軌組件，基片臺，光柵尺組件，底座等組成。采用直線電機(jī)驅(qū)動方式最大限度地減少了傳動環(huán)節(jié)的遲滯，為到達(dá)高的響應(yīng)速度提供了基礎(chǔ)保證；相比于常規(guī)單路布置形式，采用雙路并聯(lián)的對稱布置形式不僅使驅(qū)動力翻倍，同時使驅(qū)動力的作用位置更接近運(yùn)動部件重心，進(jìn)一步提高了工作臺的響應(yīng)速度。工作臺的龍門滑臺組件和氣浮導(dǎo)軌滑套等全部運(yùn)動部件采用SiC工程陶瓷材料制造。SiC陶瓷材料的比剛度明顯大于大理石、鋁合金等傳統(tǒng)材料，在剛度指標(biāo)相同的情況下，可以最大限度的降低移動部件質(zhì)量，從而獲得極佳的運(yùn)動性能[5]。涂布工作時，基片臺通過真空負(fù)壓將基片固定，龍門滑臺組件由兩側(cè)雙路直線電機(jī)驅(qū)動，帶動涂布模頭對基片進(jìn)行一維掃描運(yùn)動從而完成涂布。涂布工作臺有效涂布面積為1000mm×750mm，最高運(yùn)動速度為500mm/s，最大加速度可達(dá)1g（g=9.8m/s2），最大負(fù)載質(zhì)量為1000kg，可滿足4.5代線TFT-LCD等平板顯示領(lǐng)域的大規(guī)模涂布生產(chǎn)要求，同時可滿足米級尺寸光學(xué)元件光學(xué)膜的涂布要求。

圖1 工作臺三維結(jié)構(gòu)模型

2 工作臺龍門滑臺組件靜力學(xué)分析

龍門滑臺組件作為運(yùn)動部件的主要組成部分，為了保證工作臺具有極高的動態(tài)響應(yīng)能力，其應(yīng)最大程度的減輕自重，因此在設(shè)計(jì)時對龍門滑臺組件的橫梁及兩側(cè)立柱均進(jìn)行了輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其輕量化結(jié)構(gòu)如圖2所示。另一方面龍門滑臺組件作為涂布模頭的安裝平臺，會受到涂布模頭的重力載荷和自身的重力載荷，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)而會導(dǎo)致涂布模頭的變形，影響涂布質(zhì)量，因此龍門滑臺組件在減少自重的同時還要保證足夠的靜態(tài)剛度。

圖2 龍門滑臺組件結(jié)構(gòu)模型

對于高質(zhì)量狹縫式涂布，要求涂布模頭安裝部件在涂布工作時的變形量應(yīng)小于1微米，為驗(yàn)證龍門滑臺組件輕量化結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度性能，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對龍門滑臺組件進(jìn)行了靜力學(xué)分析。在分析時，設(shè)定SiC陶瓷材料密度為3200kg/m，彈性模量為400Gpa，泊松比為0.17；對龍門滑臺橫梁與立柱接觸面采用綁定設(shè)定，在龍門橫梁前側(cè)面施加涂布模頭的等效重力載荷，載荷數(shù)值按照750mm長度標(biāo)準(zhǔn)涂布模頭重量計(jì)算，同時整個有限元模型設(shè)定向下的重力加速度并在立柱底面施加固定約束作為邊界條件，經(jīng)求解后得到龍門滑臺組件的最大變形量僅為407.74nm，滿足高質(zhì)量涂布所需的低于1um變形量要求，龍門滑臺組件的變形分布如圖3所示。

圖3 龍門滑臺組件變形云圖

3 工作臺運(yùn)動部件模態(tài)分析

對于平板顯示領(lǐng)域涂布，其對工作臺的定位要求較低，但要求工作臺具備極高的動態(tài)性能，一方面工作臺的勻速運(yùn)動時速度波動應(yīng)低于0.1%@200mm/s，另一方面為保證涂布生產(chǎn)效率，工作臺在額定負(fù)載下要具備極高的加速能力，這樣就要求涂布工作臺具備較高的響應(yīng)速度和伺服控制帶寬，相對應(yīng)的工作臺運(yùn)動部件應(yīng)具有足夠高的固有頻率[6]。考慮到工作臺運(yùn)動時會受到外界振動等擾動，為保證上述動態(tài)運(yùn)動性能指標(biāo)，工作臺運(yùn)動部件的一階固有頻率應(yīng)達(dá)到300Hz。

為驗(yàn)證本涂布工作臺的動力學(xué)特性，利用ANSYS Workbench軟件對工作臺的運(yùn)動部件進(jìn)行了模態(tài)分析。工作臺運(yùn)動部件由龍門滑臺和氣浮導(dǎo)軌滑套組成，整個運(yùn)動部件由氣膜支撐，可視為懸浮狀態(tài)，因此在模態(tài)分析時采用自由邊界條件。運(yùn)動部件各零件之間均采用螺栓固定，在ANSYS Workbench軟件中各接觸面采用綁定處理設(shè)定。計(jì)算時，選擇前十二階模態(tài)進(jìn)行分析，其中前六階模態(tài)對應(yīng)自由邊界條件下運(yùn)動部件的六個自由運(yùn)動，第七階至第十二階模態(tài)才是運(yùn)動部件實(shí)際的前六階模態(tài)[7]，經(jīng)求解后運(yùn)動部件的前十二階固有頻率為0Hz、0.003Hz、0.008Hz、0.014Hz、0.017Hz、0.020Hz、491.64Hz、666.47Hz、776.32Hz、1043.70Hz、1484.7Hz、1496.3Hz，由此可知運(yùn)動部件實(shí)際的一階固有頻率為491.64Hz，滿足一階固有頻率高于300Hz的要求，圖4給出了運(yùn)動部件實(shí)際的前六階模態(tài)振型。

圖4 工作臺運(yùn)動部件模態(tài)振型

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了應(yīng)用于平板顯示光阻涂布等大面積基片涂布領(lǐng)域的工作臺，對龍門滑臺組件的靜力學(xué)仿真分析顯示，其輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足精密狹縫涂布的形變要求；對運(yùn)動部件的模態(tài)分析結(jié)果顯示，工作臺運(yùn)動部件具有高于300Hz的一階固有頻率，能夠滿足大面積狹縫涂布對工作臺高動態(tài)響應(yīng)的要求。本工作臺靜力學(xué)和動力學(xué)性能均能滿足高精密狹縫式涂布要求，為狹縫式涂布在大面積基板涂布領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)保證。

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