探討PCB曝光機定位平臺精度的提升

方 林 李 輝

（合肥芯碁微電子裝備股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

在現(xiàn)代先進制造技術(shù)中，機械加工的水平和精度向著加工的極限快速發(fā)展［1］。精密定位技術(shù)是精密工程領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)。隨著精密或超精密工程設(shè)備生產(chǎn)加工需求的增多［2］，精密工程設(shè)備對定位平臺的精度性能要求也越來越高。定位平臺精度的提升與定位系統(tǒng)周圍的環(huán)境有關(guān)，如振動、溫度、濕度、氣流等［3］。張波等［4］指出了溫度變化引起光學(xué)組件及底座部分的熱膨脹是工作臺位置漂移的主要原因，提出了一個實時溫度補償校正公式。姜克狀等［5］提出了基于溫度精密測量的定位工作臺定位精度實時補償方法。印制電路板（printed circuit board，PCB）曝光機對準(zhǔn)精度的影響因素很多，如曝光圖形平移、旋轉(zhuǎn)、熱膨脹等各種形式，基于自校準(zhǔn)技術(shù)，能較為精確地補償工件臺定位的誤差［6-7］。

精密定位平臺的驅(qū)動方式主要為直線電機，直線電機在驅(qū)動過程中會產(chǎn)生熱量帶入環(huán)境中。為了降低直線電機熱量帶來的影響，降低直線電機運行溫度，經(jīng)常使用3 種電機散熱系統(tǒng)，即風(fēng)冷、液冷和蒸發(fā)冷卻散熱系統(tǒng)［8］。本文使用強制風(fēng)冷裝置，利用風(fēng)機增強與周圍空氣的對流交換熱，與試驗采集數(shù)據(jù)比較相結(jié)合，研究定位平臺直線電機熱分布規(guī)律和溫度變化趨勢，測試定位平臺定位精度的變化規(guī)律，為定位平臺電機散熱方案的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考，對提升定位平臺定位精度的穩(wěn)定性有很大的應(yīng)用價值。

1 熱傳遞的基本方式

熱傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫度不同而引起的，根據(jù)傳熱機理的不同，熱傳遞的基本方式有熱傳導(dǎo)、對流換熱和輻射換熱3種［9］。

1.1 熱傳導(dǎo)

當(dāng)物體的內(nèi)部或兩個直接接觸的物體之間存在著溫度差異，物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)過程中傳遞的熱量按照傅里葉定律計算：

式中：A1為與熱量傳遞方向垂直的面積，m2；為溫度梯度，K/m；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K），表示該材料導(dǎo)熱能力的大小。導(dǎo)熱系數(shù)值越大，物質(zhì)的導(dǎo)熱性能越好。

1.2 對流換熱

對流換熱是指運動著的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時與固體表面之間發(fā)生的熱量交換過程。對流換熱是流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程，對流的同時必然伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。根據(jù)流動起因的不同，對流換熱可以分為自然對流換熱和強制對流換熱兩類。對流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計算：

式中：A2為單位溫差作用下通過單位面積，m2；T4、T3分別為固體壁面與流體的溫度，℃；α為對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

對流換熱系數(shù)的大小與傳熱過程中的許多因素有關(guān)。不僅取決于物體的物性、換熱表面的形狀、大小和相對位置，而且與流體的流速有關(guān)。對流換熱系數(shù)越大，傳熱越劇烈。

1.3 輻射換熱

輻射是指通過電磁波傳遞能量的過程，熱輻射是指由于物體的溫度高于絕對零度時發(fā)出電磁波的過程。兩個物體之間通過熱輻射傳遞熱量稱為輻射換熱。熱傳導(dǎo)和對流換熱都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無需任何介質(zhì)。輻射熱量服從斯特藩-玻爾茲曼定律：

式中：Th為熱力學(xué)溫度，K；σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)），5.67×10-8W/（m2·K4）；A3為輻射表面積，m2；ε為物體的發(fā)射率（黑度），其大小與物體的種類及表面狀態(tài)有關(guān)，與外界條件無關(guān)。

在工程中，通?？紤]兩個或兩個以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個物體同時輻射并吸收熱量。其之間的凈熱量傳遞可以用斯特藩-玻爾茲曼方程計算：

式中：ε1為該物體輻射率（黑度）；A4為輻射面1的面積；F12為由輻射面1 到輻射面2 的形狀系數(shù)；T5為輻射面1 的絕對溫度；T6為輻射面2 的絕對溫度。

2 定位精度熱影響因素分析

PCB 曝光機是一個復(fù)雜的集成系統(tǒng)，其內(nèi)部包含多個子系統(tǒng)，定位運動平臺是其關(guān)鍵的組件模塊。直線電機定子安裝在大理石底座上，運動座安裝在直線導(dǎo)軌上，直線電機為平臺提供驅(qū)動力，直線電機動子固定在運動座底面，載著運動座及其負載直線運動。讀數(shù)頭安裝在運動座下表面，與讀數(shù)頭有相對位置關(guān)系的光柵尺安裝在光柵安裝座上，光柵安裝座使用大理石材質(zhì)固定在大理石底座上，如圖1所示。

圖1 精密定位平臺

直線電機作為多物理場、強耦合的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其能量轉(zhuǎn)換效率并不是百分之百，將電能轉(zhuǎn)換為機械能的過程中會損失一部分能量，這些損失的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能引起電機發(fā)熱。平臺定位精度的熱穩(wěn)定性受溫度的影響較大。平臺在運動過程中，電機將產(chǎn)生的熱量直接由運動座擴散到空氣中，引起運動座熱膨脹。同時，電機傳遞的熱量也會影響光柵尺的溫度場，由于光柵尺的熱膨脹特性，光柵尺標(biāo)尺會熱脹冷縮，平臺的定位精度也會產(chǎn)生變化。平臺的運動速度和加速度越大，電機的發(fā)熱量就越大，平臺的定位精度差異也會隨之增加。

直線電機動子與運動座下表面完全貼合，增大導(dǎo)熱傳遞面積，運動座的材質(zhì)均采用鋁合金材料，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高，并且運動座表面陽極氧化，增大運動座表面輻射散熱的黑度，提高輻射散熱效果。

常用的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)是自然風(fēng)冷和強制風(fēng)冷。自然風(fēng)冷不需要額外的動力裝置，僅僅通過機殼與周圍空氣的自然對流進行熱交換。強制風(fēng)冷通常利用風(fēng)機系統(tǒng)加強電機與外部空氣的熱交換，額外的風(fēng)機系統(tǒng)提高了電機的散熱效率。在精密定位平臺增加一個強制風(fēng)冷裝置，利用風(fēng)機加強與外部空氣的熱交換，使外部空氣更快地進入電機內(nèi)部直接進行熱交換，增加運動座的對流換熱系數(shù)，達到快速冷卻電機的目的。

3 試驗測試

3.1 測試方法

本次測試定位運動平臺兩種運動座設(shè)計結(jié)構(gòu)，使用PCB 曝光機上集成的電荷耦合器件（charge coupled device，CCD）測量裝置，抓取真空吸附帶有圖像標(biāo)記點的標(biāo)定板，且標(biāo)記點為等間距布置。依據(jù)圖像匹配原理，使用CCD 測量裝置抓取標(biāo)定板上的標(biāo)記點，測試平臺的位置坐標(biāo)。

CCD 測量裝置循環(huán)抓取標(biāo)定板上的4 個標(biāo)記點，每個標(biāo)記點重復(fù)測試約4.5 h，測量尺寸分別為500 mm×400 mm，如圖2所示。平臺運動前后，分別測試平臺位置的定位精度變化，并使用PT100 熱電阻溫度傳感器，分別布置在直線電機動子、運動座上表面、讀數(shù)頭及光柵尺位置，如圖3所示。

圖2 標(biāo)定板上的標(biāo)記點

圖3 溫度傳感器測量位置分布

3.2 溫度變化分析

運動座不同位置的溫度變化如圖4 所示。由圖4（a）可知，在4.5 h 的測試過程中，電機動子、運動座上表面、讀數(shù)頭及光柵尺溫度的最大變化依次為7.9 K、3.4 K、5.2 K及1.9 K。2 h前溫度變化較快，隨后溫度遞增的趨勢逐漸放緩。由圖4（b）可知，開啟風(fēng)冷后，電機動子、運動座上表面、讀數(shù)頭及光柵尺溫度的最大變化依次為4.1 K、1.2 K、2.4 K 及0.6 K，溫度變化值分別為關(guān)閉風(fēng)冷時的52%、35%、46%及32%。開啟風(fēng)冷后，1 h 后溫度遞增的趨勢逐漸放緩，縮短了熱穩(wěn)定時間。直線電機在工作運行過程中，電機內(nèi)部熱量由運動座開始傳導(dǎo)，逐漸傳遞到讀數(shù)頭和光柵尺安裝位置的溫度場。

圖4 運動座不同位置的溫度變化

3.3 定位精度變化分析

平臺定位精度變化情況如圖5 所示。關(guān)閉強制風(fēng)冷裝置后，平臺定位精度變化了15.6 μm，開啟強制風(fēng)冷裝置后，平臺定位精度變化了4.9 μm。在直線電機長時間運行過程中，定位精度的變化趨勢與溫度變化趨勢一致，存在一個線性漲縮。開啟風(fēng)冷裝置后，平臺定位精度變化值降低了69%。

圖5 平臺定位精度變化

4 結(jié)語

精密定位平臺使用強制風(fēng)冷裝置，運動座增加了對流換熱的效果，直線電機動子的溫度變化下降了48%，光柵尺位置溫度變化最大值為0.6 K，接近設(shè)備環(huán)境溫度，平臺定位精度變化值降低了69%。強制風(fēng)冷裝置可以提升直線電機的散熱效果，減少電機發(fā)熱對定位平臺定位精度的影響，提高了精密定位平臺的穩(wěn)定性。