OHS運(yùn)輸系統(tǒng)對VLSI廠房微振動影響分析方法

胡明祎,婁　宇,聶建國,陳　騮,竇　碩,黃　偉

(1.中國電子工程設(shè)計院,北京　100142;2.北京市微振動環(huán)境控制工程技術(shù)研究中心,北京　150080;3.清華大學(xué) 土木水利學(xué)院,北京　100084;4.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥　230009;5.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥　230009)

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OHS運(yùn)輸系統(tǒng)對VLSI廠房微振動影響分析方法

胡明祎1,2,3,婁宇1,2,聶建國3,陳騮1,2,竇碩1,2,黃偉4,5

(1.中國電子工程設(shè)計院,北京100142;2.北京市微振動環(huán)境控制工程技術(shù)研究中心,北京150080;3.清華大學(xué) 土木水利學(xué)院,北京100084;4.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥230009;5.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥230009)

摘要:OHS運(yùn)輸系統(tǒng)是超大規(guī)模集成電路(VLSI)制造工業(yè)環(huán)境中潔凈工藝系統(tǒng)中的重要組成部分,但是由于工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且分布著較為密集的精密設(shè)備,OHS運(yùn)輸過程產(chǎn)生的微振動會對生產(chǎn)造成危害,因此需要建立合理有效的微振動控制分析方法輔助工程設(shè)計。文章基于該類工程微振動傳遞線性特征,利用工程實測數(shù)據(jù),建立了振動能量封閉體簡化分析模型,提出基于傳遞函數(shù)相似性的OHS系統(tǒng)微振動影響控制分析方法,并利用實際工程對該方法進(jìn)行了應(yīng)用說明。分析結(jié)果表明：該方法實施簡單且符合現(xiàn)階段工程應(yīng)用需求,為OHS系統(tǒng)振動影響提供了合理可靠的分析手段。

關(guān)鍵詞:OHS運(yùn)輸系統(tǒng);超大規(guī)模集成電路;廠房;微振動影響

隨著我國工業(yè)快速發(fā)展,超精密加工逐漸成為高端制造業(yè)的重要技術(shù)支柱,越來越多的高新產(chǎn)品需要超大規(guī)模集成電路(very large scale integrated circuit,VLSI)技術(shù)提供生產(chǎn)制造載體。但VLSI工藝對振動環(huán)境要求極為苛刻,當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境微振動水平超標(biāo),不但會導(dǎo)致產(chǎn)品制造不合格,而且改造過程還會引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以對VLSI生產(chǎn)過程中的各種振動進(jìn)行控制以滿足產(chǎn)品達(dá)標(biāo)要求成為亟待解決的技術(shù)難題。

在VLSI生產(chǎn)過程中,影響振敏設(shè)備工作的振源有多種,由于工藝生產(chǎn)技術(shù)革新,出現(xiàn)一些新的內(nèi)部工藝措施,如Over Hang System(OHS),其產(chǎn)生的振動與以往的振源不同,因此在設(shè)計和控制過程中需要建立合理有效的分析方法。OHS是VLSI生產(chǎn)工藝中的一種玻璃基板運(yùn)輸系統(tǒng),可以做為產(chǎn)品存放架或者做為運(yùn)輸通道為各生產(chǎn)工藝之間提供產(chǎn)品,如圖1所示。該運(yùn)輸系統(tǒng)在工作時產(chǎn)生的振動通過懸掛構(gòu)件和主體結(jié)構(gòu)將振動傳遞到振敏設(shè)備底部,從而影響設(shè)備正常作業(yè)。

圖1　OHS運(yùn)輸系統(tǒng)作業(yè)過程

1振動理論分析簡化模型

工業(yè)廠房振動分析方法多種多樣,但直接在工程中應(yīng)用仍存在很多問題,主要的原因是工業(yè)廠房振源構(gòu)成復(fù)雜、傳遞路徑多樣、工業(yè)設(shè)備密集等。目前我國針對VLSI類廠房的振動控制設(shè)計規(guī)范尚不成熟,尤其缺乏合理有效的分析模型。針對該問題,大量學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域開展了很多研究工作。

文獻(xiàn)[1]對電子工業(yè)廠房的微振動問題,建立了有限元動力分析模型,包括微振動隔振廠房的柱網(wǎng)、井格梁、混凝土底板、附屬建筑等,并對非主要結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行簡化。其結(jié)論認(rèn)為數(shù)值分析和實測的場地固有頻率無交集,場地發(fā)生共振的可能性不大,基礎(chǔ)設(shè)置圈梁對水平和豎向的固有頻率幾乎無明顯影響,考慮地板下的土層和樁基礎(chǔ)時結(jié)構(gòu)的固有頻率則會略有下降。文獻(xiàn)[2]結(jié)合實際工程,對工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)振動分析模型簡化進(jìn)行說明,指出從振動現(xiàn)場的實測發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生共振反應(yīng)的是包含梁系的一定區(qū)域,說明樓蓋垂直振動具有某種程度的整體性或局部整體性。文獻(xiàn)[3]提出非設(shè)備層樓板振動分析的兩步驟法：一是通過對局部樓板模態(tài)分析,定性判斷樓板是否在設(shè)備的共振區(qū);二是采用結(jié)構(gòu)-設(shè)備復(fù)合系統(tǒng)三維動力有限元分析模型,對非設(shè)備層樓板的動力響應(yīng)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[4]以某水電站為例,建立混凝土重力壩廠房壩段三維整體分析模型,計算了正常運(yùn)行狀況下機(jī)組振動所引起廠房的動力響應(yīng),認(rèn)為可能振源計算頻率僅在結(jié)構(gòu)個別高階固有頻率時會有共振,機(jī)組振動對結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力影響較小,對廠房的安全運(yùn)行影響不大。

此外,文獻(xiàn)[5]提出了一種利用結(jié)構(gòu)自身提供控制力“以振制振”的輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房振動自控方案,建立了體系動力分析模型。文獻(xiàn)[6]通過引入黏彈性人工邊界,建立了樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用的廠房整體有限元分析模型,對設(shè)備作用下的多層廠房振動進(jìn)行較為全面的分析,并就模型簡化及樁-土體系對系統(tǒng)的影響進(jìn)行對比研究。文獻(xiàn)[7]對三峽電站廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了等效振源、阻尼等模型參數(shù)確定,分析了廠房結(jié)構(gòu)在各種振源聯(lián)合作用下的動力響應(yīng)。

本文基于上述文獻(xiàn)成果,研究OHS系統(tǒng)運(yùn)輸對廠房內(nèi)精密設(shè)備產(chǎn)生微振動的控制分析方法。簡化分析模型包括如下4個部分:地基基礎(chǔ)、廠房主體結(jié)構(gòu)、OHS懸掛及運(yùn)行裝置、防微振基臺,如圖2所示。圖3所示為OHS運(yùn)輸過程結(jié)構(gòu)微振動分析模型示意圖,系統(tǒng)中主要振動源為OHS運(yùn)輸裝置,振動能量的傳遞路徑主要是通過軌道梁、懸掛結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)主梁和防微振基臺,進(jìn)而傳遞到振敏設(shè)備上。此外由于微振動低頻微幅特征,本文中考慮了地基基礎(chǔ)黏彈性邊界的影響[8],并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定了OHS的懸掛系統(tǒng)傳遞參數(shù),通過基臺形狀、位置和邊界條件合理設(shè)計,進(jìn)行微振動響應(yīng)有效預(yù)估。

在分析模型中,主要動力參數(shù)包括如下4類：地基基礎(chǔ)的黏彈性邊界參數(shù)、廠房主體結(jié)構(gòu)參數(shù)、OHS懸掛系統(tǒng)和防微振基臺參數(shù)等。其中黏彈性邊界的剛度K1、阻尼C1按照三維黏彈性人工邊界方法[8]進(jìn)行取值;廠房主體結(jié)構(gòu)只考慮主框架梁和柱,可根據(jù)工業(yè)廠房設(shè)計參數(shù)進(jìn)行剛度K2、阻尼C2取值,也可以通過動剛度測試結(jié)果進(jìn)行取值;OHS懸掛系統(tǒng)的剛度K3和阻尼C3主要通過單獨的實驗測試或掃頻結(jié)果進(jìn)行取值;防微振基臺的設(shè)計參數(shù)的剛度K4、阻尼C4可以通過出廠實驗或現(xiàn)場動剛度掃頻實驗進(jìn)行取值。

圖2　OHS運(yùn)輸過程VLSI廠房結(jié)構(gòu)微振動傳遞原理圖

圖3　OHS運(yùn)輸過程結(jié)構(gòu)微振動分析模型

2OHS微振動分析方法

VLSI工業(yè)廠房的主體結(jié)構(gòu)一般采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),其OHS系統(tǒng)工作過程中,振源是穩(wěn)定的,微振動在結(jié)構(gòu)中的傳遞具有線性特征。針對該問題,首先根據(jù)圖3建立OHS系統(tǒng)微振動動力方程,即

(1)

(2)

其中,Tj→k(ωi)為j點到k點振動第i階模態(tài)下傳遞函數(shù)值;Rk(ωi)為k處第i階模態(tài)下振動值;Rj(ωi)為j點第i階模態(tài)下振動值;ηi為第i階模態(tài)修正系數(shù)。(2)式說明可通過2點間的振動頻響比值獲取傳遞函數(shù),數(shù)據(jù)來源包括經(jīng)驗公式、FE分析和已建結(jié)構(gòu)微振動測試。所以在工程中,可通過線性疊加獲取k點總響應(yīng)Rk(ω),即

(3)

其中,Fj(ωi)為j質(zhì)量點第i階模態(tài)下有效荷載,通過上述方法可獲取k點的振動響應(yīng)。由于VLSI制造工藝中存在大量的曝光機(jī)等精密設(shè)備,其對速度具有較強(qiáng)敏感性,所以本文以速度為控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行振動控制分析方法推導(dǎo),計算結(jié)果采用VC曲線作為評比標(biāo)準(zhǔn)。對于各階模態(tài)下有效質(zhì)量點振動響應(yīng)也可以進(jìn)行計算,假設(shè)分析模型屬于一個能量封閉體,有效振源和振動影響點均分布在該能量封閉體內(nèi)部。根據(jù)封閉體中能量守恒,建立(4)式:

(4)

其中,W為能量封閉體中由OHS運(yùn)輸產(chǎn)生的振動動能總和;mj(ωi)為第j質(zhì)量點第i階模態(tài)下參振質(zhì)量；vj(ωi)為第j質(zhì)量點第i階模態(tài)下振動速度;S為模型質(zhì)量點總數(shù);N為截取有效模態(tài)階數(shù)。

為了有效實現(xiàn)封閉體中第k質(zhì)量點第i階模態(tài)下的振動速度滿足容許振動控制標(biāo)準(zhǔn),可以根據(jù)(4)式等效建立該點速度的控制方程,即

(5)

3OHS微振動控制分析方法應(yīng)用

本文利用上述方法對某VLSI項目中OHS運(yùn)輸微振動工程控制進(jìn)行了分析。由(5)式可知,在OHS微振動控制設(shè)計過程中,可以采用如下2種方法以減小設(shè)備安裝位置的振動影響vk(ωi):① 提高mk(ωi),在工程中采用的方法是增大防微振基臺的有效質(zhì)量;② 進(jìn)行合理有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計,在封閉體總質(zhì)量不變的情況下,調(diào)整主體結(jié)構(gòu)K1、K2、K3等參數(shù)設(shè)計值使得結(jié)構(gòu)模態(tài)分布發(fā)生變化,減小k質(zhì)量點第i階模態(tài)下能量消耗?？傊?可以通過增大基臺質(zhì)量或優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)模態(tài)設(shè)計進(jìn)行微振動控制。

根據(jù)上述方法,本文采用傳遞函數(shù)方法確定結(jié)構(gòu)在振動環(huán)境下的響應(yīng),建立工程測試數(shù)據(jù)庫和數(shù)值模型庫,進(jìn)行頻域計算和時域計算復(fù)核校驗。圖4所示為基于傳遞函數(shù)相似性的電子工業(yè)廠房微振動分析方法流程圖。

圖4　基于傳遞函數(shù)相似性的電子工業(yè)廠房微振動控制分析方法

基臺振動傳遞函數(shù)特征如圖5所示，基臺式華夫板FE模型如圖6所示，主體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖7所示。

根據(jù)圖4本文利用已建結(jié)構(gòu)和待建結(jié)構(gòu)的微振動傳遞函數(shù)相似性,建立了OHS運(yùn)輸過程中振動響應(yīng)等效計算方法。

系統(tǒng)主要用于Stocker和支撐之間的傳送,其中裝運(yùn)架質(zhì)量300 kg,運(yùn)輸車質(zhì)量370 kg,懸掛軌道60 kg/m,懸掛構(gòu)件高度1.2 m,最大加速度0.5 m/s2,正常勻速為3 m/s。項目擬采用防微振基臺設(shè)計方案進(jìn)行微振動控制,其中基臺長×寬×高為5 000 mm×2 500 mm×300 mm,微振動容許振動值為2～100 Hz頻段內(nèi)幅值小于12.5 μm/s(VC-C標(biāo)準(zhǔn))。根據(jù)工藝要求其懸掛系統(tǒng)運(yùn)輸工況分為如下3種：裝載、卸載和輸送。通過實驗室車載運(yùn)輸實驗得到裝載工況下OHS運(yùn)輸過程產(chǎn)生的振動影響最大,OHS懸掛系統(tǒng)頂部結(jié)構(gòu)主梁振動加速度可達(dá)豎直向0.1 m/s2,水平向0.5 m/s2。

圖5　基臺振動傳遞函數(shù)特征

圖6　基臺式華夫板FE模型

圖7　主體結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)工程概況信息,本文以O(shè)HS裝載工況振動影響為計算內(nèi)容,結(jié)合傳遞函數(shù)相似性和電子廠房振動衰減工程經(jīng)驗,利用本文方法進(jìn)行各階段傳遞函數(shù)計算和控制效果對比驗算。

利用(2)式,結(jié)合相似工程數(shù)據(jù)可以對從主體結(jié)構(gòu)鋼梁懸掛點處至防微振基臺的傳遞函數(shù)進(jìn)行計算,結(jié)果如圖8所示，從圖8可以看出,3個方向的傳遞率大多數(shù)都在1.0以內(nèi),X、Y、Z向的平均傳遞率分別為0.22、0.24、0.20。從頻域分布情況看,Z向60 Hz以內(nèi)有局部傳遞率大于1,最高在5.2 Hz處達(dá)到2.7;X向20 Hz以內(nèi)有局部傳遞率大于1,最高在12.4 Hz處達(dá)到2.4;Y向10～60 Hz、85～95 Hz范圍有局部傳遞率大于1,最高在90 Hz處達(dá)到2.1。

圖8　X、Y、Z向基臺傳遞曲線

總體上可以看出，微振動從主體結(jié)構(gòu)鋼梁頂部至防微振基臺的傳遞降幅可達(dá)80%左右。同理,利用(2)式可以獲取傳遞路徑上任意相鄰2點的傳遞函數(shù),最終利用(3)式可以獲取OHS運(yùn)輸過程中防微振基臺的振動影響水平,如圖9所示。

圖9　X、Y、Z向減振效果對比

由圖9可知,有限元計算結(jié)果和實驗室實測結(jié)果相比,10 Hz以下略低,10 Hz以上較為吻合,這是因為在本文中模態(tài)修正系數(shù)ηi值均取值為1,未進(jìn)行詳細(xì)對比分析。

4結(jié)論

在VLSI工業(yè)工程建設(shè)中,OHS運(yùn)輸系統(tǒng)是重要的工藝構(gòu)成部分,隨著技術(shù)發(fā)展,其微振動影響越來越突出,需要科學(xué)合理的分析方法,對復(fù)雜振動現(xiàn)象進(jìn)行解釋,并有效輔助設(shè)計。本文建立了振動能量封閉體簡化分析模型,結(jié)合微振動控制措施,提出基于傳遞函數(shù)相似性的OHS系統(tǒng)微振動影響控制分析方法,得到以下結(jié)論:

(1)OHS振動分析問題可按照線性振動假設(shè)進(jìn)行模型簡化。簡化分析模型應(yīng)包括地基基礎(chǔ)、廠房主體結(jié)構(gòu)、OHS懸掛裝置、防微振基臺,并假設(shè)分析模型屬于一個能量封閉體。

(2)主體結(jié)構(gòu)鋼梁頂部至防微振基臺的振動傳遞降幅可達(dá)80%左右。

(3)利用微振動線性特征,通過線性疊加獲取影響點總響應(yīng)，與試驗結(jié)果相比,10Hz以下分析結(jié)果略低,10Hz以上結(jié)果較為吻合,需要對模態(tài)修正系數(shù)ηi進(jìn)行合理取值。

(4)本文方法利用已建工程相似數(shù)據(jù)庫,從控制技術(shù)角度而言,便于進(jìn)行OHS影響振動控制;從分析效率角度而言,方法簡單高效,為OHS微振動控制輔助設(shè)計提供了理論依據(jù)。

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(責(zé)任編輯張镅)

Method for analyzing influence of OHS transport system on micro-vibration of VLSI structure

HU Ming-yi1,2,3,LOU Yu1,2,NIE Jian-guo3,CHEN Liu1,2,DOU Shuo1,2,HUANG Wei4,5

(1.China Electronics Engineering Design Institute,Beijing 100142,China;2.Micro-vibration Environmental Control Engineering Technology Research Center of Beijing,Beijing 150080,China;3.School of Civil Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;4.School of Civil and Hydraulic Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;5.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering,Hefei 230009,China)

Abstract:During the industrial manufacture of very large scale integrated circuit(VLSI),Over Hang System(OHS)is very important part of the clean technology system. However,many precision devices are generally densely distributed in the industrial plant which is characterized with complex structure type,micro-vibration made by OHS operation will do harm to the manufacture,so it is necessary to create reasonable and effective analysis method for micro-vibration control design. In this paper,based on the linear transfer characteristic and the engineering test data,the simplified model of vibration energy closure is built,and the analysis method for the micro-vibration control of OHS system is proposed and then illustrated by the application in real project. The results show that the method,in accordance with engineering requirement at present,is easy to be carried out,and it provides a reliable method to solve the influence of OHS system.

Key words:Over Hang System(OHS);very large scale integrated circuit(VLSI);plant;micro-vibration influence

收稿日期：2015-08-05；修回日期：2015-08-27

基金項目：北京市科學(xué)技術(shù)委員會資助項目(Z131101002813083)

作者簡介：胡明祎(1982-),男,河南固始人,博士,中國電子工程設(shè)計院工程師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.019

中圖分類號:TU311.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)06-0812-06