固定&吸附元件(Chuck)簡介

工業自動化上不論是簡單的運送、搬送、組裝、檢查還是複雜的製程，首先第一件事就是要在搬送時固定跟放開加工物，因此如何取放物件就變成是很基礎、很根本，也很重要的關鍵。

取放加工物的機構基本上有幾個重要關鍵因素要考量：

物件的尺寸、材質、形狀
製程上的限制

工業自動化要對應的物件種類從大到飛機、汽車，小到 IC 元件，當然不可能同時對應，所以根據不同的尺寸與材質就會有不同的設計考量。

最早利用機械輔助進行搬送取放加工物應該是木頭/石頭原材，方法大概就是用綁的，用夾的。
後來鐵金屬被大量開始使用以後，重量更重，所以更加不得不利用機構輔助搬送取放，對鐵金屬來說最常見跟方便的方式就是利用電磁鐵吸附，通電產生磁場就可以吸住鐵，斷電磁場消失就可以放開鐵，非常的方便，這種方式在鐵金屬加工產業上的應用已經非常長遠而成熟，一直到現在都還是相關鐵金屬行業最主要的使用方式，甚至港口貨櫃也是用電磁鐵吸放。

圖片來源：光達磁性工業

對一些非感磁性材料，電磁吸附就無法發揮作用。
如果物件表面光滑平坦，就可以利用真空吸盤的方式吸附物件，透過吸/放真空可以控制對元件的吸附，在玻璃、半導體晶圓、太陽能晶片、PCB等等領域經常使用。

圖片來源：加耐力網站

如果形狀不規則，材料強度又夠，經常會使用夾持的方式來固定元件，這種方式有時會針對大量生產的產品設計專用夾爪，搭配定位治具或者是電腦視覺辨識定位進行夾持取放；近數十年來搭配機械手臂應用非常廣泛。

圖片來源：昭綸工業

圖片來源：Fanuc

近幾年因應薄脆材質如玻璃 、IC/太陽能/LED晶圓產業需求，傳統的真空吸嘴/吸盤吸附力量集中在吸盤範圍，容易發生破片或因為吸力過大造成吸痕，業者開發使用陶瓷或金屬粉末燒結的多孔性真空吸盤來降低吸附力量集中在小區域的現象與可能問題，但是製造上孔均勻性、表面平整度、長期使用的氣孔堵塞(可研磨表面層再反向使用潔淨空氣吹除)是比較需要解決之處；因為容易堵塞，所以使用狀況受到限制，例如會產生微細粉屑的加工製程都不適合。。

圖片來源：中國砂輪

圖片來源：中國砂輪

圖片來源：中國砂輪

針對像晶圓這種薄脆物件的吸附固定隨著厚度減薄，很容易發生翹曲的問題，使用真空吸盤、多孔性真空吸盤對翹曲部份的效果很差，形成僅有無法吸著或局部吸著，邊緣懸空，甚至因為破真空吸力不足，在運動過程飛片造成破片；有廠商開發出白努利吸盤，主要原理利用在薄脆材料下方提供層流氣體往外流動，由上下氣體流速不同造成的壓力差(白努利定律)提供吸力，可以將翹曲的薄片材料吸平，這種吸盤因為是利用Bernoulli Eeffect，所以又稱為白努利吸盤或噴氣吸盤，根據結構可分為接觸式(JEL)跟非接觸式(JEL)兩種，Festo、JEL有賣元件，其他多數廠商(錫宬、Solarlab、Mechatronic systemtechnik...、)傾向提供解決方案(錢可以多收點)。

圖片來源：佳霖科技(JEL)

有利用Autodesk CFD對氣立可的伯努利吸盤作了一個簡單的模擬，可以參考。

Chuck上物件下方平面的CFD模擬壓力分佈結果

有些使用環境無法使用氣體，例如在真空腔體中，靜電吸盤 (Electrostatic Chuck，ESC) 就是用來解決這種問題，基本上的原理是利用介電質材料儲存電位能產生靜電，利用靜電去吸附材料，主要有兩種型式：J-R ESC & Coulomb Force ESC

圖片來源：Toto

J-R(Johnsen-Rahbak) ESC，與吸附物接觸表面是經過參雜的電介質材料，具有一定的導電性，當接觸吸附物後，會使接觸位置產生電荷，接觸位置的背面產生反向電荷，利用電荷不同產生吸力，吸力通常會Coulomb Froce型式的大，需要的電壓較小。

圖片來源：Toto

Coulomb-Force ESC，與吸附物接觸的表面是近乎絕緣的電介質材料，利用藏在結構中的電極產生高電位靜電，使吸盤表面的材料產生電極性；甚至在斷電後，因為殘留電荷可以繼續維持吸力，如果要停掉吸力需要一個反向電壓消除殘留電荷才能消除吸力；可以吸附多種材質，吸附物背面不會產生電位差，對於背面有電子迴路的產品不會有影響，作用力均勻但是比較小。

圖片來源：筑波精工

需要使用哪一種Chuck固定物件？

或許也可以來個混合設計也不錯...