大面積狹縫式涂布工作臺的設計與分析

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點，現已廣泛應用于膠卷制造、太陽能電池制造、鋰電池電極制造等領域，近年來在平板顯示等大面積基板涂布領域也展現出了明顯的技術優勢[1～4]。相比于傳統應用領域，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，相對應的對涂布設備工作臺的性能要求較高。目前常規涂布工作臺的工作行程可以滿足大面積涂布需求，但是動態運動性能較差，導致涂布效率低下，無法滿足大規模生產涂布要求，因此本文針對平板顯示光阻涂布等大面積基片涂布領域的實際需求，設計了可實現大規模生產的精密狹縫式涂布工作臺，并利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對工作臺的關鍵結構部件進行了靜力學與動力學分析。

1 工作臺結構設計

根據狹縫式涂布的原理，為達到平板顯示光阻涂布領域所要求的微米尺度膜厚以及高均勻性，高生產效率的涂布要求，涂布工作臺必須具備高的運動速度和加速度，同時具備極高速度穩定性。為達到以上指標，涂布工作臺總體采用雙路直線電機的驅動方式和氣浮導軌的導向方式，如圖1所示，涂布工作臺由龍門滑臺組件，直線電機組件，氣浮導軌組件，基片臺，光柵尺組件，底座等組成。采用直線電機驅動方式最大限度地減少了傳動環節的遲滯，為到達高的響應速度提供了基礎保證；相比于常規單路布置形式，采用雙路并聯的對稱布置形式不僅使驅動力翻倍，同時使驅動力的作用位置更接近運動部件重心，進一步提高了工作臺的響應速度。工作臺的龍門滑臺組件和氣浮導軌滑套等全部運動部件采用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、鋁合金等傳統材料，在剛度指標相同的情況下，可以最大限度的降低移動部件質量，從而獲得極佳的運動性能[5]。涂布工作時，基片臺通過真空負壓將基片固定，龍門滑臺組件由兩側雙路直線電機驅動，帶動涂布模頭對基片進行一維掃描運動從而完成涂布。涂布工作臺有效涂布面積為1000mm×750mm，最高運動速度為500mm/s，最大加速度可達1g（g=9.8m/s2），最大負載質量為1000kg，可滿足4.5代線TFT-LCD等平板顯示領域的大規模涂布生產要求，同時可滿足米級尺寸光學元件光學膜的涂布要求。

圖1 工作臺三維結構模型

2 工作臺龍門滑臺組件靜力學分析

龍門滑臺組件作為運動部件的主要組成部分，為了保證工作臺具有極高的動態響應能力，其應最大程度的減輕自重，因此在設計時對龍門滑臺組件的橫梁及兩側立柱均進行了輕量化結構設計，其輕量化結構如圖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，從而產生結構變形，進而會導致涂布模頭的變形，影響涂布質量，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剛度。

圖2 龍門滑臺組件結構模型

對于高質量狹縫式涂布，要求涂布模頭安裝部件在涂布工作時的變形量應小于1微米，為驗證龍門滑臺組件輕量化結構的靜態剛度性能，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對龍門滑臺組件進行了靜力學分析。在分析時，設定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定，在龍門橫梁前側面施加涂布模頭的等效重力載荷，載荷數值按照750mm長度標準涂布模頭重量計算，同時整個有限元模型設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 工作臺運動部件模態分析

對于平板顯示領域涂布，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性能，一方面工作臺的勻速運動時速度波動應低于0.1%@200mm/s，另一方面為保證涂布生產效率，工作臺在額定負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速度和伺服控制帶寬，相對應的工作臺運動部件應具有足夠高的固有頻率[6]?？紤]到工作臺運動時會受到外界振動等擾動，為保證上述動態運動性能指標，工作臺運動部件的一階固有頻率應達到300Hz。

為驗證本涂布工作臺的動力學特性，利用ANSYS Workbench軟件對工作臺的運動部件進行了模態分析。工作臺運動部件由龍門滑臺和氣浮導軌滑套組成，整個運動部件由氣膜支撐，可視為懸浮狀態，因此在模態分析時采用自由邊界條件。運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定。計算時，選擇前十二階模態進行分析，其中前六階模態對應自由邊界條件下運動部件的六個自由運動，第七階至第十二階模態才是運動部件實際的前六階模態[7]，經求解后運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，由此可知運動部件實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給出了運動部件實際的前六階模態振型。

圖4 工作臺運動部件模態振型

4 結論

設計了應用于平板顯示光阻涂布等大面積基片涂布領域的工作臺，對龍門滑臺組件的靜力學仿真分析顯示，其輕量化結構設計滿足精密狹縫涂布的形變要求；對運動部件的模態分析結果顯示，工作臺運動部件具有高于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響應的要求。本工作臺靜力學和動力學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域的應用提供了技術保證。

參考文獻：

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