在極致追求中， 精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)助力微納制造升級(jí)
精密定位與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，通常指的是重復(fù)精度可以達(dá)到 微米級(jí)(μm)、亞微米級(jí)、甚至是納米級(jí)(nm，也被稱為 超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái))的機(jī)電一體化載物平臺(tái)，是微光刻技術(shù)、 數(shù)控加工、生物技術(shù)、IC封裝設(shè)備、納米表面形貌測(cè)量等領(lǐng) 域的重要機(jī)構(gòu)部件。精密定位與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的基本組成部分包 括：驅(qū)動(dòng)源、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、控制裝置、位置反饋元器件 等。由于大理石具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)致密、硬度高、抗磨損 等物理特性，能夠在高負(fù)荷和高精度條件下保持平臺(tái)的穩(wěn)定 性和精度，且具備優(yōu)異的聲音吸收和減震性能，可為精密平 臺(tái)的精度提供額外的增益，因此，精密定位與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)一般都以大理石為底座，以保證整體系統(tǒng)的高精度和高穩(wěn)定性。
按照導(dǎo)軌形式分類，精密定位與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可分為機(jī)械 式、磁浮式、氣浮式;按照運(yùn)動(dòng)軸設(shè)計(jì)的不同，又可大致 上分為單軸位移平臺(tái)、XY運(yùn)動(dòng)臺(tái)、ZT運(yùn)動(dòng)臺(tái)、多軸運(yùn)動(dòng)臺(tái) 等。從目前的產(chǎn)品供應(yīng)情況來看，艾羅德克(Aerotech)、 蘇科思(SIOUX)、普愛納米(PI)、雅科貝思，以及華卓 精科、隱冠半導(dǎo)體、克洛諾斯、中研贏創(chuàng)、阿爾伯特、東佑 達(dá)、直為精驅(qū)、智贏智能等都是精密定位與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)市場(chǎng)中 的積極參與者。
在微米、亞微米級(jí)別的精密制造中，設(shè)備的跳動(dòng)和重復(fù)性是衡量其加工和檢測(cè)精度的關(guān)鍵指標(biāo)。例如，直為精驅(qū)開 發(fā)的XYR AOI檢測(cè)平臺(tái)配備有非接觸式高精度光柵尺，能有 效避免接觸測(cè)量產(chǎn)生的磨損和誤差積累，從而長(zhǎng)期保持高精 度測(cè)量，即使在高速檢測(cè)過程中，仍能精確捕捉到微小的位 移變化。XYR AOI檢測(cè)平臺(tái)采用直驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，XY軸采用高 精密級(jí)直線導(dǎo)軌，確保了平臺(tái)在移動(dòng)過程中的平直性和準(zhǔn)確 性，無論是檢測(cè)大規(guī)模的平板顯示還是微小的精密零件，都 能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和測(cè)量。同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)用XYR疊加結(jié)構(gòu)，無鐵 芯直線電機(jī)直驅(qū)控制，無齒槽效應(yīng)，這一特性使得平臺(tái)在低 速下可平滑運(yùn)行，速度波動(dòng)小，能夠提供更穩(wěn)定的推力，這 對(duì)于需要精確控制位移的檢測(cè)平臺(tái)來說至關(guān)重要。
特別是在高精度跳動(dòng)與整體平面跳動(dòng)表現(xiàn)方面，直為 精驅(qū)XYR AOI檢測(cè)平臺(tái)DD端面跳動(dòng)小于2μm(DD端面跳動(dòng) 指的是直接驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的端面跳動(dòng)，是衡量其端面圓跳動(dòng)和端 面全跳動(dòng)的綜合指標(biāo)，直接影響設(shè)備的定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 性)，組裝后平臺(tái)整體平面跳動(dòng)小于10μm，全行程重復(fù)性 小于±1μm，定位精度小于±2μm，憑借其出色的性能指標(biāo)， 使得這款平臺(tái)成為了眾多高精度檢測(cè)應(yīng)用的理想選擇。此 外，該平臺(tái)還能夠支持靈活定制行程、尺寸和線纜，滿足了 從大型生產(chǎn)線到小型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的多樣化需求。
鈣鈦礦光伏電池新賽道興起
根據(jù)CPIA中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示， 2024年，我國(guó)光伏設(shè)備產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超過1300億元，同比增 長(zhǎng)18.2%，增速較2023年同期的69.2%有較大幅度下降，這 主要受產(chǎn)能擴(kuò)張潮結(jié)束、光伏行業(yè)進(jìn)入供需失衡、產(chǎn)業(yè)鏈價(jià) 格持續(xù)下行等因素的綜合影響(見圖1)。但與此同時(shí)，不 同于宏觀市場(chǎng)環(huán)境表現(xiàn)，鈣鈦礦光伏企業(yè)則持續(xù)受資本市場(chǎng) 追捧，2024年全年，至少有14家鈣鈦礦電池企業(yè)完成了新 一輪股權(quán)融資，部分企業(yè)開始轉(zhuǎn)戰(zhàn)鈣鈦礦等新賽道。
鈣鈦礦光伏電池屬于第三代太陽(yáng)能電池，是一種基于 鈣鈦礦型有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體的薄膜光伏技術(shù)，其在高光 電轉(zhuǎn)換效率、帶隙可調(diào)、降本空間大等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。 今年6月，隆基綠能宣布，經(jīng)美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 (NREL)權(quán)威認(rèn)證，其自主研發(fā)的大面積(260.9cm2)晶 硅-鈣鈦礦兩端疊層太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)33%，刷新全 球大面積疊層電池效率紀(jì)錄，為光伏發(fā)電成本的進(jìn)一步下降 開辟出新路徑。
另?yè)?jù)CPIA中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)在今年2月底發(fā)布的《中國(guó) 光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖(2024-2025年)》中顯示， 目前，行 業(yè)內(nèi)剛性鈣鈦礦電池生產(chǎn)進(jìn)入到量產(chǎn)階段，已有7條100MW 及以上中試線投產(chǎn)，3條GW級(jí)產(chǎn)線在建;柔性鈣鈦礦電池大 多處于小規(guī)模試驗(yàn)階段，6條1MW及以上柔性電池試驗(yàn)線已 建成。
在鈣鈦礦光伏電池逐步走向產(chǎn)業(yè)化的道路上，一個(gè)關(guān)鍵 的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大面積、規(guī)?；慨a(chǎn)，使得鈣鈦礦商業(yè)化組件 在“穩(wěn)效協(xié)同”方面取得新的突破，從而推動(dòng)鈣鈦礦光伏技 術(shù)路線的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。
目前來看，業(yè)內(nèi)各大廠商的鈣鈦礦電池工藝尚未完全 統(tǒng)一 ，但大致上均涉及到：四道沉積工序、四次激光劃刻、 三大材料(鈣鈦礦功能層、電荷傳輸層、電極)、四種設(shè)備 (激光、真空鍍膜、涂布、封裝，見圖2)。其中，涂布設(shè)備被用于鈣鈦礦電池的薄膜沉積工藝，鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量直 接影響到太陽(yáng)光的吸收率和載流子的輸運(yùn)損耗，是電池光電 轉(zhuǎn)換效率的決定因素，加上材料的特殊屬性(對(duì)于溫度、濕 度及氧氣較為敏感) ，這就要求涂布工藝必須要具備高度精 確性、平滑性——而這正是超精密氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)特 點(diǎn)，為此，一批以直驅(qū)技術(shù)為底座的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)廠商也正 投入到這一細(xì)分市場(chǎng)中來。
例如，在大面積鈣鈦礦薄膜的狹縫涂布工藝中，通過復(fù) 雜的流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，超精密氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)能在基材表面形 成一層極其均勻的氣墊，使基材在整個(gè)涂布過程中處于無接 觸的懸浮狀態(tài)，這樣的設(shè)計(jì)可以最大限度地減少因物理接觸 帶來的微小振動(dòng)或壓力變化，確保鈣鈦礦薄膜沉積的絕對(duì)均 勻性，這也是實(shí)現(xiàn)高性能鈣鈦礦光伏組件的基礎(chǔ)。
超精密空氣軸承運(yùn)動(dòng)平臺(tái)
超精密氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(納米級(jí))通常需要用到空氣軸 承做支撐，空氣軸承是使用空氣(或其他氣體)作為“潤(rùn)滑 劑”，將空氣氣膜作為非接觸式支承的一種滑動(dòng)軸承，利用 空氣的靜壓力和氣膜剛度來實(shí)現(xiàn)支承、導(dǎo)向和傳動(dòng)等功能。 超精密氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的滑座就像“坐”在氣膜上，以懸浮的 方式在平臺(tái)上移動(dòng)，這些平臺(tái)為了優(yōu)化整體性能，一般都會(huì) 配置有單軸或多軸直線電機(jī)(也可以是旋轉(zhuǎn)平臺(tái))以及光柵 系統(tǒng)(測(cè)量反饋單元)。
基于空氣軸承支持的移動(dòng)機(jī)架，直線電機(jī)和高分辨率編 碼器可在線性應(yīng)用中以納米級(jí)精度(或旋轉(zhuǎn)應(yīng)用中以幾十角 秒的精度定位)做運(yùn)動(dòng)，幾乎無摩擦和機(jī)械接觸，這就意味 著最小的滯后或反向誤差，因而具有極高的重復(fù)定位精度， 且速度穩(wěn)定性優(yōu)異，因而多被應(yīng)用于各種高精度、高靈敏度 的加工、檢測(cè)環(huán)節(jié)中。
以鈣鈦礦太陽(yáng)能電池涂布設(shè)備為例，中研贏創(chuàng)智能科 技有限公司提供的000級(jí)大理石運(yùn)動(dòng)平臺(tái)選用高品質(zhì)的天然 石材，經(jīng)特殊處理后達(dá)到超乎尋常的平整度和平穩(wěn)性，確保 在復(fù)雜的涂布過程中，即使面對(duì)細(xì)微的震動(dòng)也能保持紋絲不 動(dòng)，大大提升了涂布的均勻性和產(chǎn)品質(zhì)量。
為了進(jìn)一步提升精度和穩(wěn)定性，中研贏創(chuàng)還引入了全 自主研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的氣浮平臺(tái)，采用了先進(jìn)的氣壓平衡 原理，能夠在整個(gè)表面形成均勻的氣墊層，有效抵消重力影 響，確?；逶谝苿?dòng)過程中保持絕對(duì)水平和平穩(wěn)，有助于避免涂層厚度不均的問題出現(xiàn)，提高最終電池組件的性能一致 性。同時(shí)，中研贏創(chuàng)的氣浮平臺(tái)配備了先進(jìn)的減震系統(tǒng)，能 夠有效吸收外界干擾，降低振動(dòng)幅度至幾乎可忽略的程度， 從而顯著提升了涂布過程的精度和穩(wěn)定性。氣浮平臺(tái)的非接 觸式方式，以非常低的摩擦系數(shù)運(yùn)行，這意味著可以以更快 的速度進(jìn)行物料傳輸而不犧牲精度，不僅加快了生產(chǎn)節(jié)奏， 還保證了每一次涂布動(dòng)作的一致性和可控性，并而且減少了 磨損和污染的可能性，易于清潔和維護(hù)，確保了涂布過程中 的極致平穩(wěn)，即使是在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行下也能保持高精度。
此外，憑借包括直驅(qū)電機(jī)、氣浮軸承、氣浮導(dǎo)軌等較為 完整的精密運(yùn)動(dòng)核心部件產(chǎn)品線，中研贏創(chuàng)還可根據(jù)不同的 鈣鈦礦涂布工藝需求，調(diào)整氣浮平臺(tái)的各項(xiàng)參數(shù)(如載荷容 量、運(yùn)行速度、尺寸大小等) ，以提供高度定制化的解決方 案，確保設(shè)備完全適應(yīng)特定的應(yīng)用條件。
半導(dǎo)體先進(jìn)封裝應(yīng)用邁向納米級(jí)
根據(jù)睿工業(yè)的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2024年中國(guó)半導(dǎo)體封裝 測(cè)試用AOI檢測(cè)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模超12億元人民幣，同比增速約 為10%(見圖3)，其中，先進(jìn)封裝在中國(guó)市場(chǎng)蓬勃發(fā)展， 成為推動(dòng)AOI檢測(cè)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)的核心動(dòng)力。
相較于傳統(tǒng)封裝，先進(jìn)封裝在封裝結(jié)構(gòu)、材料、工 藝和設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了全面的創(chuàng)新，能夠滿足現(xiàn)代電子產(chǎn) 品對(duì)高性能和小型化的需求。先進(jìn)封裝技術(shù)包括多芯片封 裝(MCP)、系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)、倒裝芯片封裝(Flip Chip)、晶圓級(jí)封裝(WLP)和三維封裝(3D IC)等。在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，AOI檢測(cè)設(shè)備主要用于Bumping(凸點(diǎn))、 晶圓切割、RDL(重布線層)三大工藝環(huán)節(jié);除此之外，在 Chiplet(小芯片)和硅通孔(TSV)工藝中的應(yīng)用也越來越 廣泛，技術(shù)要求主要集中在檢測(cè)精度、誤檢率和數(shù)據(jù)處理速 度上。
克洛諾斯推出的木星款超精密運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)是一款針 對(duì)半導(dǎo)體先進(jìn)封裝、固晶混合鍵合定位的平臺(tái)產(chǎn)品，該平臺(tái) 以2m/s疾速響應(yīng)配合±200nm定位精度，結(jié)合先進(jìn)的運(yùn)動(dòng) 控制器和運(yùn)動(dòng)算法，提供多個(gè)特色控制功能，例如：零穩(wěn)定 時(shí)間、非線性控制、先進(jìn)的前饋和軌跡過濾器、納秒級(jí)抖動(dòng) 控制的全部軸完全同步、特有的同步軸控制算法、多維度 mapping、基于實(shí)時(shí)map位的先進(jìn)觸發(fā)能力、先進(jìn)的控制 優(yōu)化軟件診斷工具和系統(tǒng)頻譜分析工具等，適用于倒晶封 裝、扇出、混合鍵合、2.5D/3D封裝，以及Mini LED固晶、 點(diǎn)膠等工藝環(huán)節(jié)。
在晶圓切割方面，需要面對(duì)的主要挑戰(zhàn)包括：準(zhǔn)確定 位切口、較大限度地減少材料損耗和較大限度地減少元件變 形，同時(shí)，必須達(dá)到最大可能的加工速度。隨著要求的不斷 提高，激光劃片已成為了優(yōu)選的技術(shù)解決方案，這種非接觸 式激光工藝很靈活，可避免切削刃處的破損，借助于各種自動(dòng)后加工工藝，進(jìn)一步改善邊緣的良好質(zhì)量，這也是抗裂性 的決定性因素之一。激光劃片工藝同樣需要在高速下提供高 精度、高直線度的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，為此，PI普愛納米提供的精密 運(yùn)動(dòng)解決方案采用直接驅(qū)動(dòng)帶有空氣軸承的線性和旋轉(zhuǎn)平 臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)極限精度，達(dá)到高直線度、平面度和重復(fù)精度， 消除齒槽效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的速度控制，支持拖鏈電纜管理， 在晶圓工作點(diǎn)提供計(jì)量，全天候以高占空比運(yùn)行，搭配絕對(duì) 式編碼器，提高了運(yùn)行期間的效率和安全性。
結(jié)語(yǔ)
在中國(guó)制造朝著高端價(jià)值鏈加速升遷的當(dāng)下，無論是 在半導(dǎo)體制造，還是在新能源產(chǎn)業(yè)，上游設(shè)備零部件和原材 料都是被市場(chǎng)看好的投資領(lǐng)域。在技術(shù)發(fā)展方向上，總體來 看，精密定位與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)正朝著多種技術(shù)深度融合的方向邁 進(jìn)，借助“運(yùn)動(dòng)控制+視覺+AI”三體協(xié)同架構(gòu)，進(jìn)一步消除 機(jī)械動(dòng)作與圖像采集延遲，提升生產(chǎn)節(jié)拍，并引入深度學(xué)習(xí) 人工智能技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)字符識(shí)別、微米級(jí)測(cè)量的同時(shí)，通過 像素級(jí)分割與目標(biāo)定位技術(shù)，精準(zhǔn)識(shí)別傳統(tǒng)算法無法捕捉的 隱性缺陷(如金屬微裂紋、透明材料氣泡等) ，從而大幅提 高整體系統(tǒng)的工作效率。
