晶片传递手指优化设计

谷德君，张浩渊，卢继奎

（沈阳芯源微电子设备有限公司，辽宁沈阳110168）

芯片加工设备在使用中，有大量的晶片在各个单元间的传递动作，这一动作主要是由机器人及其附属手指来完成的。常见的机器人手指可分为I型和Y型，Y型手指如图1所示。手指的内部开有管路，管路的一端与机器人的真空管路相连接，管路的另一端与晶片相接触，从而将晶片通过真空吸附的方式固定在机器人手指上。

图1 机器人Y型手指

本文通过对沈阳芯源微电子设备有限公司星形匀胶显影设备的Y型手指进行优化设计，说明了优化设计的步骤，并将手指端部的下挠度减小到可接受的范围。

1 建模

ANSYS传统的建模方法比较费时费力，而使用APDL语言可以更加快速高效地完成这一工作。在手指模型中，并不是把每一个尺寸特征都参数化，而要根据总体的设计要求来确定。

模型中不变的参数有两个：一是手指的总长，它是由晶片所需要的传送距离所确定的；二是手指根部的宽度，它是由机器人手臂的连接槽尺寸所确定的。

需要参数化的尺寸数据一共有4个，圆弧半径R，手指宽度A，手指外侧长度B，收回尺寸C（如图2所示）。因手指为对称结构，为节省资源与计算时间，只建立其一半模型即可。

图2 需要参数化的手指尺寸数据

ANSYS程序提供了两种优化的方法，这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。对于这两种方法，ANSYS程序提供了一系列的分析——评估——修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正设计。这一循环过程重复进行，直到所有的设计要求都满足为止。

除了这两种优化方法，ANSYS程序还提供了一系列的优化工具，以提高优化过程的效率。例如，随机优化分析的迭代次数是可以指定的。随机计算结果的初始值，可以作为优化过程的起点数值。

本文分析的目标是手指的刚性。手指为薄壁金属件，故单元类型采用板壳单元shell63计算。手指右端通过螺栓与机器人手臂连接，左端以真空吸附的方式，将晶片吸附在手指上。故模型右端与机器人螺栓连接部分，可处理为刚性的全约束，晶片每次放置在手指上的位置是固定的，要保证手指圆弧的圆心和晶圆的圆心重合，为与实际情况更加符合，载荷加载方式为以晶片圆心处为中心，晶圆所覆盖的区域建立一个刚性区域，将晶片的自重加在中心处。

2 优化过程及结果分析

ANSYS优化模块中有设计变量、状态变量和目标函数。这些变量是由用户定义的参数来指定的。

设计变量（DVs）为自变量，优化结果的取得，就是通过改变设计变量的数值来实现的。每个设计变量都有上下限，它定义了设计变量的变化范围。手指的设计变量见表1。ANSYS优化程序最多可以定义60个设计变量。

表1 设计变量（单位：mm)

状态变量（SVs）是约束设计的数值。它们是因变量，是设计变量的函数。状态变量可能会有上下限，也可能只有单方面的限制，即只有上限或只有下限。在本文中，因为载荷较小，分析关心的是刚度问题而不是强度问题，所以此处不需要定义状态变量。

目标函数是要尽量减小的数值。它必须是设计变量的函数，也就是说，改变设计变量的数值，将改变目标函数的数值。在本文中，手指的最大下挠度，应该是目标函数。在ANSYS优化程序中，只能设定一个目标函数。

本文使用ANSYS的APDL语言对手指进行建模、求解和优化分析，下面是APDL语言的部分主要代码及其注释：

以上4个变量为设计变量，以挠度值最小为目标函数，得到的优化结果见表2。

表2 优化结果 （单位：mm)

手指采用以上尺寸，分析结果如图3所示。此时手指端部的下挠由最初的2.276 mm降低到1.82 mm。

图3 手指尺寸分析结果

3 结束语

以ANSYS软件为平台，针对Y型手指结构简单、长度不同形状相似等特点，使用ANSYS优化模块对其外形进行优化，保证了传递手指端部的下挠度在可接受的范围内，最终得到了比较理想的优化结果。该分析方法及步骤，对相似零部件的设计具有一定的参考借鉴价值。

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