晶片傳遞手指優化設計

谷德君，張浩淵，盧繼奎

（沈陽芯源微電子設備有限公司，遼寧沈陽110168）

芯片加工設備在使用中，有大量的晶片在各個單元間的傳遞動作，這一動作主要是由機器人及其附屬手指來完成的。常見的機器人手指可分為I型和Y型，Y型手指如圖1所示。手指的內部開有管路，管路的一端與機器人的真空管路相連接，管路的另一端與晶片相接觸，從而將晶片通過真空吸附的方式固定在機器人手指上。

圖1 機器人Y型手指

本文通過對沈陽芯源微電子設備有限公司星形勻膠顯影設備的Y型手指進行優化設計，說明了優化設計的步驟，并將手指端部的下撓度減小到可接受的范圍。

1 建模

ANSYS傳統的建模方法比較費時費力，而使用APDL語言可以更加快速高效地完成這一工作。在手指模型中，并不是把每一個尺寸特征都參數化，而要根據總體的設計要求來確定。

模型中不變的參數有兩個：一是手指的總長，它是由晶片所需要的傳送距離所確定的；二是手指根部的寬度，它是由機器人手臂的連接槽尺寸所確定的。

需要參數化的尺寸數據一共有4個，圓弧半徑R，手指寬度A，手指外側長度B，收回尺寸C（如圖2所示）。因手指為對稱結構，為節省資源與計算時間，只建立其一半模型即可。

圖2 需要參數化的手指尺寸數據

ANSYS程序提供了兩種優化的方法，這兩種方法可以處理絕大多數的優化問題。零階方法是一個很完善的處理方法，可以很有效地處理大多數的工程問題。一階方法基于目標函數對設計變量的敏感程度，因此更加適合于精確的優化分析。對于這兩種方法，ANSYS程序提供了一系列的分析——評估——修正的循環過程。就是對于初始設計進行分析，對分析結果就設計要求進行評估，然后修正設計。這一循環過程重復進行，直到所有的設計要求都滿足為止。

除了這兩種優化方法，ANSYS程序還提供了一系列的優化工具，以提高優化過程的效率。例如，隨機優化分析的迭代次數是可以指定的。隨機計算結果的初始值，可以作為優化過程的起點數值。

本文分析的目標是手指的剛性。手指為薄壁金屬件，故單元類型采用板殼單元shell63計算。手指右端通過螺栓與機器人手臂連接，左端以真空吸附的方式，將晶片吸附在手指上。故模型右端與機器人螺栓連接部分，可處理為剛性的全約束，晶片每次放置在手指上的位置是固定的，要保證手指圓弧的圓心和晶圓的圓心重合，為與實際情況更加符合，載荷加載方式為以晶片圓心處為中心，晶圓所覆蓋的區域建立一個剛性區域，將晶片的自重加在中心處。

2 優化過程及結果分析

ANSYS優化模塊中有設計變量、狀態變量和目標函數。這些變量是由用戶定義的參數來指定的。

設計變量（DVs）為自變量，優化結果的取得，就是通過改變設計變量的數值來實現的。每個設計變量都有上下限，它定義了設計變量的變化范圍。手指的設計變量見表1。ANSYS優化程序最多可以定義60個設計變量。

表1 設計變量（單位：mm)

狀態變量（SVs）是約束設計的數值。它們是因變量，是設計變量的函數。狀態變量可能會有上下限，也可能只有單方面的限制，即只有上限或只有下限。在本文中，因為載荷較小，分析關心的是剛度問題而不是強度問題，所以此處不需要定義狀態變量。

目標函數是要盡量減小的數值。它必須是設計變量的函數，也就是說，改變設計變量的數值，將改變目標函數的數值。在本文中，手指的最大下撓度，應該是目標函數。在ANSYS優化程序中，只能設定一個目標函數。

本文使用ANSYS的APDL語言對手指進行建模、求解和優化分析，下面是APDL語言的部分主要代碼及其注釋：

以上4個變量為設計變量，以撓度值最小為目標函數，得到的優化結果見表2。

表2 優化結果 （單位：mm)

手指采用以上尺寸，分析結果如圖3所示。此時手指端部的下撓由最初的2.276 mm降低到1.82 mm。

圖3 手指尺寸分析結果

3 結束語

以ANSYS軟件為平臺，針對Y型手指結構簡單、長度不同形狀相似等特點，使用ANSYS優化模塊對其外形進行優化，保證了傳遞手指端部的下撓度在可接受的范圍內，最終得到了比較理想的優化結果。該分析方法及步驟，對相似零部件的設計具有一定的參考借鑒價值。

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