機械畢業(yè)設計（論文）-劃片機的總體規(guī)劃及x、θ軸設計【全套圖紙】

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　第一章 緒論2</b></p><p>　　1.1 課題的研究背景2</p><p>　　1.2 劃片機的發(fā)展過程2</p><p

2、>　　1.3 三種劃片機的技術比較3</p><p>　　1.4 國內外劃片機的發(fā)展現(xiàn)狀4</p><p>　　1.5 劃片機的發(fā)展趨勢5</p><p>　　1.6 砂輪劃片機的基本功能與系統(tǒng)構成5</p><p>　　1.7 本課題的主要研究內容6</p><p>　　第二章 IC封裝的介紹及劃片機

3、的工作原理7</p><p>　　2.1 IC封裝的介紹7</p><p>　　2.2 劃片機的工作原理8</p><p>　　第三章 劃片機原理方案和結構方案設計11</p><p>　　3.1 劃片機設計方案的論證11</p><p>　　3.2 劃片機的原理方案及結構方案設計11</p&g

4、t;<p>　　第四章 劃片機結構參數(shù)的初步設計及相關計算14</p><p>　　4.1 原動機參數(shù)的初步的設計14</p><p>　　4.2 X軸參數(shù)的初步設計14</p><p>　　4.3 θ軸參數(shù)的初步設計14</p><p>　　4.4 支承和導軌的確定14</p><p>

5、;　　4.5 砂輪主軸的確定15</p><p>　　第五章 劃片機X、θ軸機械結構具體設計16</p><p>　　5.1 X軸機械結構的設計及計算16</p><p>　　5.2 θ軸機械結構的設計及計算18</p><p><b>　　總結25</b></p><p>　　參

6、 考 文 獻26</p><p>　　劃片機的總體規(guī)劃及X、θ軸設計</p><p><b>　　學 生：</b></p><p><b>　　指導教師：</b></p><p><b>　　學院</b></p><p>　　摘 要：IC封裝是

7、半導體三大產業(yè)之一，劃片機是IC后封裝線上的第一道關鍵設備,其作用是把制作好的晶片切割成單元器件,為下一步單元晶片粘接做好準備。劃片機切割晶片的規(guī)格一般為3-6晶片,單元晶片的外型一般為矩形或多邊形。目前,我國的半導體封裝設備所用的劃片機，還主要從美國、日本、新加坡引進。為了促進劃片機的國產化,本課題組開展了IC封裝設備劃片機的研制工作。因此把“劃片機的總體規(guī)劃及X、θ軸設計”作為本次本科畢業(yè)論文的課題，既有較大的學術價值，又有廣闊的應

8、用前景。 </p><p>　　關鍵詞：晶片；劃片機；半導體；切割 。 </p><p>　　全套圖紙，加153893706 </p><p>　　Abstract: IC encapsulation is one of the three largest industries in semiconductor, and

9、 its first key equipment is wafer incision . Wafer incision is used to cut the chips into unit devices,preparing for the next step of bonding of unit chips.The specifications of cutting chip is usually 3 to 6 chips,and t

10、he shape of unit chips are rectangular or polygonal.Since to now ,wafer incision is used for IC encapsulation in our country is mainly introduced from America,Japan and Singapore.In order to pr</p><p>　　Keyw

11、ord: chip; wafer incision; semiconductor; cut.</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的研究背景</p><p>　　IC封裝是半導體三大產業(yè)之一(器件設計、晶片制作和器件封裝)。其后封裝工序主要包括:劃片、粘片、超聲球焊、封裝、檢測、包裝。劃片機是IC后

12、封裝線上的第一道關鍵設備，其作用是把制作好的晶片切割成單元器件，為下一步單元晶片粘接做好準備。劃片機切割晶片的規(guī)格一般為3-6晶片，單元晶片的外型一般為矩形或多邊形。目前，我國的半導體封裝設備(如劃片機、粘片機、金絲球焊機等)還主要從美國、日本、新加坡引進。為了促進IC封裝設備的國產化，本課題組開展了IC封裝設備劃片機的研制工作。因此把“劃片機的總體規(guī)劃及X、θ軸設計”作為本科論文的課題，既有較大的學術價值，又有廣闊的應用前景[7]。&

13、lt;/p><p>　　1.2 劃片機的發(fā)展過程</p><p>　　劃片技術是集成電路后封裝的一道工序，劃片機的劃片方法根據其發(fā)展過程可以分為三種:金剛石劃片、激光劃片和砂輪劃片。</p><p><b>　　（1）金剛石劃片</b></p><p>　　這是最早出現(xiàn)的劃片方法，是目前用得最少的方法，與劃玻璃的原理相同。使

14、用鋒利的金剛石尖端，以50克左右的固定載荷劃出小片的分割線，再加上彎曲力矩使之分成小片。一般來說，金剛石劃片時線條寬度為6一8μm 、深度為5μm ，硅表面發(fā)生塑性變形，線條周圍有微裂紋等。如果劃片時出現(xiàn)切屑，掰片時就可能裂開，小片的邊緣又不整齊，分片就不能順利進行。金剛石尖有圓錐形(l點式)、四方錐形(4點式)等。圓錐形的金剛石尖是采用其十二面體晶格上的(111>軸，并將尖端加工成半徑2一5 μm的球面。劃片的成品率在很大程度上

15、取決于金剛石尖端的加工精度及其鋒利性的保持情況。</p><p><b>　?。?）激光劃片</b></p><p>　　第二代劃片的方法是激光劃片。激光劃片就是將激光呈脈沖狀照射在硅片表面上，被光照的那一部分硅就會因吸收激光而被加熱到10000℃的高溫，并在一瞬間即氣化或熔化了，使硅片留下溝槽，然后再沿溝槽進行分開的方法。激光劃片時，硅粉會粘在硅片表面上，所以還必須

16、對硅片上的灰塵進行必要的處理。該方法劃硅片比金剛石劃片的成品率高，所以曾經在一個時期內替代了金剛石劃片。</p><p>　　但激光劃片對工藝條件十分敏感。激光功率、劃片速度、焦點位置、氣流壓力等參數(shù)的波動或變化都會影響劃片質量，致使劃片深度尺寸不均勻，導致分片時容易碎片，降低成品率，增加了成本。同時激光劃片時，高溫對熱組織區(qū)內的材料也有很大的影響，從而影響到芯片的性能。但激光劃片相對于其他的劃片技術來說，結構簡

17、單，在切割中和切割后芯片碎裂率少，無論單晶硅片薄厚，切口寬度均小于3μm，切口邊緣平直、精準、光滑，能夠在每片晶圓上制作并切割出更多數(shù)量的芯片。</p><p><b>　　(3)砂輪劃片</b></p><p>　　第三代劃片機是砂輪劃片機。砂輪劃片機是利用高速運轉的空氣靜壓主軸帶動刀片，通過光柵尺和導軌系統(tǒng)的控制，將刀刃定位在加工材料上，最終形成具有一定深度和寬度

18、的切口[1]。砂輪劃片工藝質量與主軸轉速、切割速度、刀片厚度等都有一定的關系。相對合理的主軸轉速能有效地控制刀片在隨主軸轉動時的相對震動、有利于刀片在切割時的徑向穩(wěn)定性，從而提高切割質量。刀片的切割速度決定工作效率，如果切割速度不斷變大，在切割的過程中沿溝槽的刀具的速度也會變得不好控制。切割速度會受制于待加工材料的硬度，如硅晶圓表面材料的硬度直接決定切割速度。如果切割超硬材料時切割深度過大都不利于刀片的正常使用，并最終影響到刀片的壽命。

19、</p><p>　　1.3 三種劃片機的技術比較</p><p>　　三種劃片技術的比較如表1所示。由表1可以看出，砂輪劃片的加工速度、加工深度、加工寬度、加工效果等相對其他兩種加工技術具有突出的優(yōu)點，因此砂輪劃片是目前的主流加工技術。</p><p>　　表1 三種劃片機的技術比較</p><p>　　1.4 國內外劃片機的發(fā)展現(xiàn)狀<

20、;/p><p>　　在國外，劃片機自七十年代初問世以來，發(fā)展非常迅速，應用領域也越來越廣，品種也在不斷增加。剛開始時，只有日本、英國、美國三個國家的四、五個公司制造劃片機，而如今俄羅斯、臺灣、中國大陸也都制造出了劃片機，劃片機制造廠家己經發(fā)展到十多個公司[2]。目前,國外生產劃片機的廠商主要有:日本DISCO、東京精密TSK,以色列ADT,以及英國流星Loadpoint公司最初生產的劃片機只是用來切割晶體管半導體硅片

21、,只能切割最大為3英寸的硅片。而如今,它不僅可以切割硅片,還可以切割其它的薄、脆、硬材料,應用領域越來越廣泛。日本DISCO公司生產的劃片機占世界劃片機銷量的80%,代表著當今劃片機的較高水平。該公司在2002年12月推出了DFD636O型劃片機，該機最大劃片尺寸達3O0mm(12英寸),劃片槽寬度達到20μm切割速度高達600mm/s,定位精度最高達0.003mm。JPsereezAssoeiateS公司生產紫外(UV)激光劃片機,可

22、用于切割300mm直徑的單晶硅圓片,采用355un或266nm的短脈沖UV激光光源,采用了高性能、超精確的氣動操作臺,獲得了較高的速度和加速度,斷面邊緣光滑平直</p><p>　　我國真正研制劃片機的時間較晚,基本上是從七十年代開始的。1982年我國研制出第一臺國產化的砂輪劃片機,結束了當時我國劃片機完全依賴進口的局面。國產劃片機設備制造商主要有:中國電子科技集團公司第45研究所、沈陽儀表科學研究院、西安捷盛電

23、子技術有限責任公司、上海富安工廠自動化有限公司、武漢三工光電設備制造有限公司。</p><p>　　我國的劃片機主要以中國電子科技集團第45研究所為代表,該研究所從1994年開始先后生產了HP602型(150mm)精密自動劃片機,該款劃片機采用恒力矩變頻分相調速技術,可以減少圓片正反面的崩角情況并能夠提高芯片的抗折強度,從而提高了芯片的質量,工作臺采用滾動導軌；在此基礎上于2004年研制了HP801型(200mm

24、)精密自動劃片機,在增大硅晶圓片一的直徑的同時,也增加了硅晶圓片上芯片的數(shù)量,提高了芯片產出的效率,并達到了實用化,定位精度為士10μm；而后又研制了KS780等型號的劃片機。沈陽儀表科學研究院研制了ZSHS型自動砂輪劃片機,精度達到了士5μm μm /35Omm,切割晶圓的行程為152.4mm,與當時國際上203.2mm有很大的差距,切割速度為150mm/S,與當時的國外先進的劃片速度300mlm/s還相差很大。目前,國產新型的雙軸2

25、00mm(8英寸)精密自動劃片機,也已進入了實用化階段,劃片槽寬度達到30～40μm。2010年1月3日,蘇州天弘激光股份有限公司推出了其第一款晶圓激光劃片機TH一321型激光劃片機,采用高精度的兩維直線電機工作臺及直驅旋轉平臺,劃片槽寬度降低</p><p>　　1.5 劃片機的發(fā)展趨勢</p><p>　　伴隨著電子技術及相關產業(yè)的飛速發(fā)展，國際半導體業(yè)的生產已發(fā)生了巨大變化。集成電路

26、由大規(guī)模向超大規(guī)模發(fā)展，集成度越來越高，劃片槽越來越窄，一般在30～40μm[14]。迄今為止，其遵循的主要規(guī)律是：每個芯片上的晶體管數(shù)每年增加50﹪，或每3.5年增加4倍；特征尺寸、門延遲、連線的步徑（線寬+間距）每年減少13﹪。這對于以金剛石砂輪為刃具的強力磨削加工工藝來說，已進入臨界尺寸。為了降低成本，硅片的直徑越做越大，目前國際上已有15個國家（地區(qū)）建有160多條8英寸生產線，7個國家（地區(qū)）建有12英寸生產線。</p&

27、gt;<p>　　硅片直徑由6英寸增大到8英寸，面積只增加78﹪，但其中可供芯片利用的面積增加了90﹪，晶圓片的成本和價值大幅增加，給劃片機的加工精度、可靠性、穩(wěn)定性提出了越來越苛刻的要求，使劃片設備的設計更加復雜，加工制造更加困難。</p><p>　　為了適應集成電路的發(fā)展，劃片設備技術和工藝有了較快發(fā)展。最初的砂輪劃片機只是半自動設備，控制系統(tǒng)采用的是單片機，容量小，設備的功能較少，設備的加工

28、精度也不高。隨著相關技術的發(fā)展，現(xiàn)在國外已有全自動的砂輪劃片機，一般由主機部分、自動對準、自動上下片、自動清洗4個單元組成。砂輪劃片機的控制系統(tǒng)已開始采用工控機控制系統(tǒng)，控制功能增強；采用光柵測長系統(tǒng)控制各軸的精密分度定位，步進定位精度小于0.003mm；采用CCD光學對準顯微鏡進行自動圖像識別，自動圖形對準。目前日本的DISCO公司又推出了引領劃片機潮流、代表劃片機最高技術水平的雙軸對裝式12英寸的全自動劃片機，并逐漸進入實用化階段。

29、</p><p>　　1.6 砂輪劃片機的基本功能與系統(tǒng)構成</p><p>　　從劃片的要求出發(fā),砂輪劃片機應具備以下一些功能和裝置：</p><p>　　1.具有能進行精確平行線切割的機構,所以砂輪刀片或承載工件的承片臺應能作X一Y運動。</p><p>　　2.為了切割不同深度的工件和讓刀的需要,應具有能進行高度調整的機構,所以砂輪刀片

30、或承片臺應能作Z運動。</p><p>　　3.為了進行兩個以上方向的切割,應具有能進行轉向的機構,所以砂輪刀片或承片臺應能作θ向運動。</p><p>　　4.為了固定薄脆工件,應具有合適的夾緊裝置。</p><p>　　5.應具有高轉速、高精度的砂輪刀片驅動裝置——中頻空氣靜壓電主軸。</p><p>　　6.圖形對準裝置——光學顯微鏡及

31、其調整機構,精確切割帶有圖形的工件。</p><p>　　7.空氣壓縮機和空氣過濾裝置,給中頻空氣靜壓電主軸提供潔凈的壓縮空氣。</p><p>　　8.上、下冷卻水裝置,提供充足的冷卻液。</p><p>　　9.滿足生產率和精度要求的計算機控制系統(tǒng)、相應的硬件以及控制軟件。</p><p>　　1.7 本課題的主要研究內容</p&g

32、t;<p>　　(1) 通過調研和參閱相關資料，了解IC封裝及劃片機的工作原理； </p><p>　　(2) 完成原理方案設計和結構方案設計，確定實施方案； </p><p>　　(3) 對劃片機進行結構參數(shù)的初步設計，并完成相關的計算； </p

33、><p>　　(4) 完成劃片機的機械結構X、θ軸進行具體設計；（X軸效行程大于180mm,劃片速度0-300mm/s; θ轉臺:轉角為±100°，轉角最小分辨率小于8角秒）； </p><p>　　(5) 完成裝配圖和零件圖。 </p&g

34、t;<p>　　第二章 IC封裝的介紹及劃片機的工作原理</p><p>　　2.1 IC封裝的介紹</p><p>　　2.1.1 IC封裝的概念</p><p>　　IC封裝，就是指把硅片上的電路管腳,用導線接引到外部接頭處,以便與其它器件連接.封裝形式是指安裝半導體集成電路芯片用的外殼。它不僅起著安裝、固定、密封、保護芯片及增強電熱性能等方

35、面的作用，而且還通過芯片上的接點用導線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印刷電路板上的導線與其他器件相連接，從而實現(xiàn)內部芯片與外部電路的連接。因為芯片必須與外界隔離，以防止空氣中的雜質對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。另一方面，封裝后的芯片也更便于安裝和運輸。由于封裝技術的好壞還直接影響到芯片自身性能的發(fā)揮和與之連接的PCB(印制電路板)的設計和制造，因此它是至關重要的。</p><p>　　2.1.2

36、IC封裝的分類</p><p>　　封裝主要分為DIP雙列直插和SMD貼片封裝兩種。從結構方面，封裝經歷了最早期的晶體管TO（如TO-89、TO92）封裝發(fā)展到了雙列直插封裝，隨后由PHILIP公司開發(fā)出了SOP小外型封裝，以后逐漸派生出SOJ（J型引腳小外形封裝）、TSOP（薄小外形封裝）、VSOP（甚小外形封裝）、SSOP（縮小型SOP）、TSSOP（薄的縮小型SOP）及SOT（小外形晶體管）、SOIC（小外

37、形集成電路）等。從材料介質方面，包括金屬、陶瓷、塑料、塑料，目前很多高強度工作條件需求的電路如軍工和宇航級別仍有大量的金屬封裝。 封裝大致經過了如下發(fā)展進程： </p><p>　　結構方面：TO－>DIP－>PLCC－>QFP－>BGA －>CSP； </p><p>　　材料方面：金屬、陶瓷－>陶瓷、塑料－>塑料； </p>

38、;<p>　　引腳形狀：長引線直插－>短引線或無引線貼裝－>球狀凸點； </p><p>　　裝配方式：通孔插裝－>表面組裝－>直接安裝 。</p><p>　　2.1.3 具體封裝形式</p><p>　　SOP/SOIC封裝 SOP是英文Small Outline Package 的縮寫，即小外形封裝。SOP封裝技術

39、由1968～1969年菲利浦公司開發(fā)成功，以后逐漸派生出SOJ（J型引腳小外形封裝）、TSOP（薄小外形封裝）、VSOP（甚小外形封裝）、SSOP（縮小型SOP）、TSSOP（薄的縮小型SOP）及SOT（小外形晶體管）、SOIC（小外形集成電路）等。 </p><p>　　DIP封裝 DIP是英文 Double In-line Package的縮寫，即雙列直插式封裝。插裝型封裝之一，引腳從封裝兩側引出，封裝材

40、料有塑料和陶瓷兩種。DIP是最普及的插裝型封裝，應用范圍包括標準邏輯IC，存貯器LSI，微機電路等。</p><p>　　PLCC封裝 PLCC是英文Plastic Leaded Chip Carrier 的縮寫，即塑封J引線芯片封裝。PLCC封裝方式，外形呈正方形，32腳封裝，四周都有管腳，外形尺寸比DIP封裝小得多。PLCC封裝適合用SMT表面安裝技術在PCB上安裝布線，具有外形尺寸小、可靠性高的優(yōu)點。

41、</p><p>　　TQFP封裝 TQFP是英文thin quad flat package的縮寫，即薄塑封四角扁平封裝。四邊扁平封裝（TQFP）工藝能有效利用空間，從而降低對印刷電路板空間大小的要求。由于縮小了高度和體積，這種封裝工藝非常適合對空間要求較高的應用，如 PCMCIA 卡和網絡器件。幾乎所有ALTERA的CPLD/FPGA都有 TQFP 封裝。</p><p>　　PQ

42、FP封裝 PQFP是英文Plastic Quad Flat Package的縮寫，即塑封四角扁平封裝。PQFP封裝的芯片引腳之間距離很小，管腳很細，一般大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般都在100以上。 </p><p>　　TSOP封裝 TSOP是英文Thin Small Outline Package的縮寫，即薄型小尺寸封裝。TSOP內存封裝技術的一個典型特征就是在封裝芯片的周圍

43、做出引腳， TSOP適合用SMT技術（表面安裝技術）在PCB（印制電路板）上安裝布線。TSOP封裝外形尺寸時，寄生參數(shù)(電流大幅度變化時，引起輸出電壓擾動) 減小，適合高頻應用，操作比較方便，可靠性也比較高。 </p><p>　　BGA封裝 BGA是英文Ball Grid Array Package的縮寫，即球柵陣列封裝。20世紀90年代隨著技術的進步，芯片集成度不斷提高，I/O引腳數(shù)急劇增加，功耗也隨之增

44、大，對集成電路封裝的要求也更加嚴格。為了滿足發(fā)展的需要，BGA封裝開始被應用于生產。 </p><p>　　采用BGA技術封裝的內存，可以使內存在體積不變的情況下內存容量提高兩到三倍，BGA與TSOP相比，具有更小的體積，更好的散熱性能和電性能。BGA封裝技術使每平方英寸的存儲量有了很大提升，采用BGA封裝技術的內存產品在相同容量下，體積只有TSOP封裝的三分之一；另外，與傳統(tǒng)TSOP封裝方式相比，BGA封裝

45、方式有更加快速和有效的散熱途徑。</p><p>　　2.2 劃片機的工作原理</p><p>　　2.2.1 金剛石劃片機的工作原理</p><p>　　金剛石劃片機的工作原理如圖1所示。金剛石劃片機是通過高速旋轉的金剛石刀片對基板進行切割，而傳統(tǒng)的激光劃片采用脈沖激光在陶瓷上沿直線打一系列互相銜接的盲孔，孔的深度只需要陶瓷厚度的1∕3到1∕4 ，由于應力集中

46、，陶瓷材料沿此線即可折斷。所以金剛石劃片工藝優(yōu)勢在于劃片精度高，基板邊緣整齊，而使用激光劃片機的基板邊緣粗糙，精度難以控制。</p><p>　　圖1 金剛石劃片機原理</p><p>　　2.2.2 激光劃片機的工作原理</p><p>　　激光劃片機由激光晶體、電源驅動與控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、光學掃描聚集系統(tǒng)、真空泵、切割控制系統(tǒng)、二維運動工作臺、計算機等組成。

47、控制臺上有電源、真空泵、冷卻水、緊急停止等的開關按鈕和電流調節(jié)旋鈕等。工作臺面上布有氣孔，氣孔與真空泵相連，打開真空泵后電池片就被吸附在控制臺上，使電池片在切割過程中保持平整并不易移動。</p><p>　　激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。激光束通過聚焦后，在焦點處產生數(shù)千度甚至上萬度的高溫，使其能加工所有的材料。激光劃片機通過聚焦鏡把激光束聚焦在電池片的表面，形成高功率密度光斑(約1000000w

48、／mm2)，使硅片表面材料瞬間氣化并在運動過程中形成一定深度的溝槽，由于溝槽處應力集中，所以使電池片很容易沿溝槽整齊斷開。“激光劃片”為非接觸加工，劃片效應是通過表層的物質蒸發(fā)出深層物質，或是通過光能作用導致物質的化學鍵斷裂而劃出痕跡。因此，用激光切割太陽能電池片，能較好地防止電池片的損傷和對電池片的污染，提高電池片的利用率。</p><p>　　2.2.3 砂輪劃片機的工作原理</p><

49、p>　　砂輪劃片機是精密切割專用設備。被切割的工件通常是圓形或正方形的薄、脆、硬</p><p>　　硅片，切割前大片的尺寸最小是直徑為小50~的圓形片，最大是邊長為200~的正</p><p>　　方形片，切割后小粒子的尺寸最小是邊長為0.2~的正方形。切割后小粒子的形狀有</p><p>　　正方形、長方形和正六邊形。它主要采用超薄金剛石刀片作為劃切加工刃

50、具，主軸帶動刀具高速旋轉，通過強力磨削對集成電路基片，以及各種硬脆材料進行高精度開槽和分割。</p><p>　　第三章 劃片機原理方案和結構方案設計</p><p>　　3.1 劃片機設計方案的論證</p><p>　　根據設計要求劃片機的劃片速度為0到300mm/s,再結合第一、二章及下表表2所示，本次劃片機的設計選擇為砂輪劃片機；由于對X軸的導軌精度要求較高，

51、可選用THK超精密直線導軌，通過滾珠絲杠帶動滑板沿X方向運動；對θ軸傳動系統(tǒng)要求要有準確的分度，可以實現(xiàn)小分辨率，能進行微調，這需要很高的傳動比，因此θ軸傳動部件確定為有較大傳動比的蝸輪蝸桿傳動。</p><p>　　表2 三種劃片機的技術比較</p><p>　　3.2 劃片機的原理方案及結構方案設計</p><p>　　按照上述工作原理和基本功能要求,主機運動

52、就是砂輪刀片與承載工件的承片臺兩者之間的相對運動。砂輪劃片機總體結構方案可有許多種,下面列出四種典型方案進行比較，如表3所示。</p><p>　　第一種方案中承片臺除了作X一Y十字運動外，,還要作Z向上下、θ向旋轉運動，四重結構，結構復雜，機器的自重大，運動慣性大，影響定位精度，所以不宜采用。</p><p>　　第二種方案中承片臺除了作X一Y十字運動外，還要作θ向旋轉運動，結構比第一種

53、稍簡單，但同樣存在運動慣性大，影響定位精度的缺點，不宜采用。</p><p>　　第三種方案中,承片臺只作X一Y十字運動，結構相對簡單。但砂輪刀片除自轉外，還要作Z向上下、θ向旋轉運動，結構相對復雜，而且冷卻液的出口與砂輪刀片的相對位置是固定的，隨著砂輪刀片的旋轉，冷卻液出口也在旋轉，這就增加了防水的難度。防止水的泄露，對劃片機來說是非常重要的環(huán)節(jié)，因為水的泄露會導致精密零部件的腐蝕，最后導致整臺設備很快喪失精度

54、，無法使用。因此，這種方案不宜采用。</p><p>　　第四種方案中,承片臺只作X向進給運動和旋轉運動,結構較簡單。砂輪刀片雖然除了要作自轉外，還要做Y向進給以及上下運動，但結構也較簡單，而且砂輪刀片的運動范圍比較小，防止水的泄露要容易的多，所以最終決定采用這種結構方案。</p><p>　　表3 砂輪劃片機總體結構方案比較表</p><p>　　晶片通過吸附固

55、定在晶片承載臺上，晶片承載臺與θ軸一起安放在X軸運動滑臺上，X軸導軌帶動滑臺做往復運動，以完成單元晶片的切割，對X軸的導軌精度要求較高，可選用THK超精密直線導軌，導軌行走平行度為3.5μm/300mm,絲杠導程為5mm。電機選用額定轉速為3000r/min的交流伺服電機。θ軸系統(tǒng)的功能是帶動承片臺順、逆時針旋轉，旋轉范圍為±100°。對θ軸傳動系統(tǒng)要求要有準確的分度，可以實現(xiàn)小分辨率，能進行微調，這需要很高的傳動比

56、，因此θ軸傳動部件確定為有較大傳動比的蝸輪蝸桿傳動。</p><p>　　綜上所述，總傳動系統(tǒng)示意圖如下圖圖2所示。</p><p>　　其中，X軸通過交流伺服電機帶動滾珠絲杠轉動，滾珠絲杠通過連接塊將晶片承載臺沿著直線導軌即X軸方向運動；θ軸傳動系統(tǒng)由步進電機通過一對蝸輪蝸桿副帶動承片臺順、逆時針旋轉，旋轉范圍為±100°。θ軸部件安裝在X軸系統(tǒng)上，與X軸一起運動。&

57、lt;/p><p>　　圖2 劃片機原理及結構方案設計</p><p>　　劃片機結構參數(shù)的初步設計及相關計算</p><p>　　4.1 原動機參數(shù)的初步的設計</p><p>　　原動機是驅動機器完成預定功能的動力源。由于本機需要有X、Y、Z、θ四個方向互不相干的運動，所以需要有四個原動機，但根據本課題的要求，只需要對X 、θ兩個方向的動力

58、頭進行設計。在θ方向上，根據本機負載不大，主要要求精密分度的特點，原動機采用步進電機。步進電機總的位移量是嚴格等于輸入的指令脈沖數(shù)，或其平均轉速嚴格正比于輸入指令脈沖的頻率[l7];同時在其工作頻段內，可以從一種運動狀態(tài)穩(wěn)定地轉換到另一種運動狀態(tài)。在X方向上，采用伺服電機可以實現(xiàn)精確位移、精確定位，伺服電機選用Panasonic公司生產的交流伺服電機,額定轉速3000r/min,在額定轉速下X導軌最大位移速度為500mm/s 。<

59、/p><p>　　4.2 X軸參數(shù)的初步設計</p><p>　　根據課題要求X軸有效行程大于180mm，初步設計X軸有效行程為250mm左右，劃片速度范圍為0到300mm/s；直線導軌選用上銀直線導軌，兩直線導軌的間距為140mm,滾珠絲杠導程初選為5mm ，作為精密傳動絲杠，其受力較小，采用類比法，按以往的設計經驗，確定絲杠公稱直徑為d=20mm。</p><p>

60、;　　4.3 θ軸參數(shù)的初步設計</p><p>　　θ軸傳動系統(tǒng)要求要有準確的分度，可以實現(xiàn)小分辨率，能進行微調，這需要很高的傳動比，因此θ軸傳動部件確定為有較大傳動比的蝸輪蝸桿傳動。θ轉臺:轉角±100°,轉角最小分辨率為5角秒,即5/3600度。</p><p>　　4.4 支承和導軌的確定</p><p>　　保持構件之間作相對轉動的

61、零件稱為支承,又叫軸承;保持構件之間作相對移動的零件稱為導軌。支承和導軌類型繁多,按摩擦性質可分為:滑動摩擦支承和導軌、滾動摩擦支承和導軌、彈性摩擦支承和導軌、流體摩擦支承和導軌以及磁懸浮支承和導軌等。砂輪劃片機對支承的基本要求主要是要有較高的旋轉精度、摩擦力矩較小、有足夠的剛度、耐磨性要好、成本要低等幾個方面。</p><p>　　與滑動支承軸承相比,滾動支承軸承的摩擦系數(shù)小,軸向尺寸小,啟動靈活,效率高,可采

62、用預緊方法消除軸承內部間隙,增加軸承的剛性,提高回轉精度,潤滑方便,維護保養(yǎng)簡單,批量生產、價格便宜、互換性好,支承對軸頸沒有損傷。</p><p>　　在彈性摩擦支承中,由于彈性元件的彈性變形范圍限制了彈性支承只能在不大的轉角范圍內偏轉,不能連續(xù)運轉,因此使用范圍非常有限。在流體摩擦支承中,需要一套供壓設備和過濾系統(tǒng),結構復雜,成本較高,也限制了其應用。因此本機的支承全部選用滾動軸承。</p>&

63、lt;p>　　本機對導軌的基本要求主要是要較高的導向精度、運動要靈活、平穩(wěn)、低速無爬行現(xiàn)象、耐磨性要好、有足夠的剛度、對溫度變化不敏感、結構簡單、成本要低。與確定滾動摩擦支承理由相同,導軌也選用滾動摩擦導軌。滾動摩擦導軌摩擦阻力小,運動靈活平穩(wěn),不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象,耐磨損,壽命長,對溫度變化不敏感。導軌形式選用圓柱面導軌,圓柱面導軌結構簡單,加工工藝性好,容易得到較高的加工精度。</p><p>　　4.5

64、 砂輪主軸的確定</p><p>　　由于砂輪刀片的切割線速度V必須大于80m/s,砂輪刀片的外徑為D=50.8mm,所以砂輪刀片的轉速應為:</p><p>　　n=V/πD=80xl000x60/3.14x50.8≈30000r/min</p><p>　　實際工作中,要求驅動砂輪刀片旋轉的主軸轉速極限必須超過30000r/min。</p><

65、;p>　　這樣高的轉速若采用普通機械支承,將會產生嚴重的摩擦熱,導致精度、壽命受損等嚴重問題。因此,支承采用了流體摩擦支承中的氣體靜壓支承,主軸采用國內最先進的中頻空氣靜壓電主軸。氣體靜壓支承幾乎無摩擦、無磨損、不發(fā)熱,對使用環(huán)境和使用部位沒有任何污染。同時,氣體軸承具有回轉精度高和耐低溫、高溫及輻射等優(yōu)良特性。因此,空氣靜壓電主軸轉速高(轉速最高可達40 0000——50 0000r/min),精度高,振動小,無磨損,運轉性能

66、可靠,可獲得平穩(wěn)高速的線速度,并可長期保持高精度狀態(tài)。</p><p>　　劃片機X、θ軸機械結構具體設計</p><p>　　5.1 X軸機械結構的設計及計算</p><p>　　5.1.1 X軸伺服電機的選型</p><p>　　絲杠輸送的總質量W約為15 kg,實際摩擦系數(shù)μ約為0.12,機械效率η約為0.9。絲杠螺距BP為5 mm

67、,減速比GL為1/1,X軸方向無外部作用力F.則對電機軸換算的負載轉矩TL為</p><p>　　容量選擇時必須滿足以下條件:</p><p>　　式中：為電機額定慣性矩；10為進行高頻定位時的系數(shù)；為電機額定轉矩；0.7為安全因子。</p><p><b>　　計算得： </b></p><p>　　以低慣量伺服電機為

68、例,查詢選型樣本得到MSMD042G1符合要求。相關參數(shù)為:JM =2.6x10-5 kg·m, TR =1.3 N·m.最大轉矩TAC =3.8 N·m.故伺服電機的選型結果為MSMD042G1型伺服電機,其額定轉速為3000r/min ,最高轉速為5000r/min。</p><p>　　5.1.2 X軸滾珠絲杠的選型</p><p>　　1.參數(shù)與結構

69、的選定</p><p>　　滾珠絲杠的主要參數(shù)有:絲杠直徑d、螺距S、絲杠螺紋長度Ls和絲杠總長等。</p><p><b>　　確定滾珠絲杠的導程</b></p><p>　　所選伺服電機為MSMD042G1型,其額定轉速為3000r/min ,最高轉速為5000r/min，X向的最大運動速度為300mm/s,故絲杠導程為</p>

70、<p>　　其中i為傳動比，由于伺服電機與滾珠絲杠直接連接，故i=1。</p><p>　　因此選擇滾珠絲杠的導程為Ph =5mm 。</p><p>　　（2）確定滾珠絲杠的額定載荷</p><p>　　滾動導軌承重時的滑動摩擦系數(shù)為0.12，靜摩擦系數(shù)與動摩擦系數(shù)差不多相等，靜摩擦系數(shù)也取0.12，則導軌靜摩擦力為：</p><

71、p>　　f為導軌滑塊的密封阻力，按4個滑塊計算，每個滑塊密封阻力為5N。</p><p>　　由于劃片阻力很小，可以忽略，故滾珠絲杠的當量載荷為</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的平均轉速為</p><p><b>　?。黄渲?lt;/b></p><p>　　按滾珠絲杠副預期工作時間計算額定動載荷為</p>

72、;<p>　　Lh 為預期工作時間；</p><p>　　fw為負荷系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊時取1；</p><p><b>　　fa 為精度系數(shù)；</b></p><p>　　fc 為可靠性系數(shù)，一般選取1；</p><p>　　按滾珠絲杠副預期運行距離計算額定的載荷</p><p>　　

73、滾珠絲杠副的兩個固定支承之間的距離</p><p>　　其中l(wèi)為X軸有效行程，l=250mm；</p><p>　　經計算取L=390mm 。</p><p>　　滾珠絲杠最小螺紋底徑</p><p>　　公稱直徑d作為精密傳動絲杠，其受力較小，采用類比法，按以往的設計經驗，確定絲杠的公稱直徑為d=20mm 。</p><

74、p>　　查得型號為SFU02005-4的滾珠絲杠滿足要求，其導程為5mm,公稱直徑為20mm,動額定負荷為1130kgf。</p><p>　　由于滾珠絲杠用于高精度的傳遞相對運動，所以滾珠絲杠副的精度等級確定為1級，其精度為6μm/300mm 。</p><p>　　滾珠絲杠采用兩軸承座支承，兩軸承座之間的距離為390mm 。</p><p>　　5.1.3

75、 X軸直線導軌的選型</p><p>　　由上面的計算知滾珠絲杠的公稱直徑為20mm,故直線導軌選用上銀HGW 20CA型號的直線導軌。</p><p>　　導軌主要用來保證各運動部件的相對位置和相對運動精度的，因此對導軌的精度要求主要是導向精度，本機對導軌的精度要求為：導軌的不直線度不大于0.004mm/100mm;兩導軌在垂直平面內的不平行度不大于0.005mm/100mm;導軌采用

76、過贏裝配，形成預加負載。過贏量為0.006mm;導軌淬火后硬度為HRC60~64;導軌表面的粗糙度應小于Ra=0.2μm 。</p><p>　　5.2 θ軸機械結構的設計及計算</p><p>　　θ軸傳動系統(tǒng)是由步進電機通過蝸桿、蝸輪副帶動承片臺順、逆時針旋轉，旋轉范</p><p>　　圍為-100°~ +100°。對θ軸傳動系統(tǒng)的性能要

77、求是轉角定位精度、反向間隙和重復定位精度。蝸桿、蝸輪副是θ軸傳動系統(tǒng)的關鍵部件，下面主要討論蝸桿蝸輪副的設計。</p><p>　　5.2.1 蝸桿蝸輪副的主要參數(shù)選擇</p><p>　　蝸桿蝸輪副的主要參數(shù)有模數(shù)m、蝸桿特性系數(shù)q、蝸桿頭數(shù)Zl和蝸輪齒數(shù)Z2等。進行蝸輪蝸桿傳動設計時，一般先根據傳動的用途和對傳動比的要求，選定蝸桿頭數(shù)Z1，和蝸輪齒數(shù)Z2，其次根據傳動力矩的大小和使用

78、條件確定模數(shù)m，同時選定蝸桿特性系數(shù)q，以上四個參數(shù)確定后，蝸輪蝸桿其它幾何尺寸可根據相應的計算公式求出。</p><p>　　1. 蝸桿頭數(shù)Z1和蝸輪齒數(shù)Z2</p><p>　　本機要求的轉角分辨率為8″，所采用的步進電機步進角為1.5°，所以傳動比應為:i≥1.5°×60×60/8″＝675，實際設計中取i=680。由于傳動比大，所以蝸桿頭數(shù)確

79、定為1，即:</p><p><b>　　蝸桿頭數(shù)Z1=1</b></p><p>　　蝸輪齒數(shù)Z2 = iZ1 = 680</p><p>　　2. 模數(shù)m和蝸桿特性系數(shù)q</p><p>　　蝸桿和蝸輪嚙合時，在中間平面上，蝸桿的軸向模數(shù)與蝸輪的端面模數(shù)相等，即</p><p>　　mal=m

80、t2 ，蝸輪的端面模數(shù)規(guī)定為標準模數(shù)，采用類比法，查標準手冊確定模數(shù)為</p><p>　　0.2，即:m=0.2，為了減少滾刀的數(shù)目，有利于滾刀的標準化，還規(guī)定了對應于一定模數(shù)的蝸桿分度圓直徑，即對dl / m(dl——蝸桿分度圓直徑)的比值加以限制，該比值稱為蝸桿特性系數(shù)q，q=dl / m。當模數(shù)m=0.2時，查標準手冊選取蝸桿特性系數(shù)為24，即:q=62.5 。</p><p>　

81、　蝸桿蝸輪副主要幾何尺寸計算</p><p>　　蝸桿蝸輪副主要幾何尺寸計算列于表表4 。</p><p>　　表4 蝸桿蝸輪副主要幾何尺寸</p><p><b>　　蝸桿蝸輪副設計</b></p><p>　　首先確定蝸桿螺紋部分的長度：</p><p><b>　　查手冊知：&l

82、t;/b></p><p>　　普通圓柱蝸桿：Z 1=1，2時，b≥(12+0.1Z2)m ；</p><p>　　Z 1=3，4時，b≥(13+0.1Z2)m ；</p><p>　　ZC1蝸桿：b≈2.5m</p><p>　　ZC3蝸桿：當x2＜1，Z1=1，2時，b≥(12.5+0.1Z2)m；</p><p

83、>　　當x2≥1，Z1=1，2時，b≥(13+0.1Z2)m；</p><p>　　當x2＜1，Z1=3，4時，b≥(13.5+0.1Z2)m；</p><p>　　當x2≥1，Z1=3，4時，b≥(14+0.1Z2)m；</p><p>　　綜上所述，選擇蝸桿的螺紋部分的長度為b≥(12+0.1 x 680) x 0.2=16mm,取蝸桿長度為b=20mm

84、。</p><p>　　蝸桿蝸輪副工作圖如圖圖3所示。</p><p>　　圖3 蝸桿蝸輪副工作圖</p><p>　　步進電機通過彈性聯(lián)軸節(jié)直接帶動蝸桿旋轉，蝸桿每轉一周，蝸輪轉過一個齒。蝸桿利用兩個面對面安裝的角軸承作軸向定位，利用調整墊來消除軸承之間的間隙，并預</p><p>　　緊軸承，以此提高軸承的旋轉精度和增加軸承裝置的剛性。蝸

85、輪利用向心球軸承進行中</p><p>　　心定位，以提高旋轉的靈活性。</p><p>　　4.1 蝸輪蝸桿副中彈性聯(lián)軸器的選擇</p><p>　　由于所選電機的輸出軸為D型軸，且輸出功率較小，可以選用D型孔聯(lián)軸器，D型孔聯(lián)軸器型號為KH7-20 。</p><p>　　4.2 蝸輪蝸桿副中軸承的選擇</p><p

86、>　　根據軸的結構，詳見圖紙，選擇軸承的型號為角接觸球軸承7200B GB/T292-94 。</p><p>　　5.2.2 蝸桿蝸輪副傳動誤差的計算及精度分析</p><p>　　傳動誤差是由四個大小不同的偏心對轉角誤差的影響引起的，而且這四個偏心的相對位置(相位)是隨機的。但當蝸輪一旦制造和安裝完畢之后，各相位就固定不變了，而且是以同一轉速同步旋轉，因此運用概率統(tǒng)計理論來計

87、算傳動鏈的誤差時，應根據平面上四個隨機矢量的合成原理來進行計算。</p><p>　　實踐證明，在影響傳動誤差的四個方面的因素中，蝸桿蝸輪副本身的制造誤差影響最大，其它三個因素在精心設計、精心加工和裝配的條件下影響較小，有時可忽略不計。因此輸出的傳動誤差△θt可按下式計算：</p><p>　　式中Ftc ——傳動切向綜合誤差，F(xiàn)tc =50μm</p><p>&

88、lt;b>　　秒</b></p><p>　　轉角100°時的誤差為：</p><p><b>　　秒</b></p><p>　　整個系統(tǒng)轉100°時的轉角誤差為：</p><p><b>　　0.99秒</b></p><p>　　由

89、于轉角誤差Δθs＜8′，故從計算結果來看，設計的蝸輪蝸桿副的旋轉角度能夠滿足設備的使用要求。</p><p>　　5.2.3 步進電機的選型</p><p>　　1. 步進電機轉矩的選擇</p><p>　　大致說來，扭力在0.8N.m以下，選擇20、28、35、39、42(電機的機身直徑或方度，單位：mm);扭力在1N.m左右的，選擇57電機較為合適。扭力在幾個

90、N.m或更大的情況下，就要選擇86、110、130等規(guī)格的步進電機。故θ軸步進電機選擇42mm步進電機。</p><p>　　2. 步進電機相數(shù)的選擇</p><p>　　兩相步進電機成本低，步距角最少1.8 度，低速時的震動較大，高速時力矩下降快，適用于高速且對精度和平穩(wěn)性要求不高的場合；三相步進電機步距角最少1.2度，振動比兩相步進電機小，低速性能好于兩相步進電機，最高速度比

91、兩相步進電機高百分之30至50，適用于高速且對精度和平穩(wěn)性要求較高的場合；5相步進電機步距角更小，低速性能好于3相步進電機，但成本偏高，適用于中低速段且對精度和平穩(wěn)性要求較高的場合。由于θ軸的轉動精度為8″，對精度要求較高，故選用5相步進電機。</p><p>　　綜合以上的敘述，選擇步進電機的型號為SS1701E08A ，電機靜力矩為130mNm 。</p><p>　　5.2.3 θ

92、軸方向的晶片工作臺幅面尺寸</p><p>　　根據設計要求，θ軸方向的晶片工作臺幅面尺寸為200 X 200mm 。</p><p>　　5.2.4 X軸方向移動滑臺幅面尺寸</p><p>　　根據設計要求，X軸方向移動滑臺幅面尺寸為300 X 300mm 。</p><p><b>　　夾緊裝置的設計</b>&l

93、t;/p><p>　　由于被切割的硅片是平面度極高的薄脆片，普通的機械裝夾方式極易造成硅片的損傷,所以夾緊采用負壓方式將硅片吸附于工作臺上。負壓夾緊就是通過將硅片與承片臺接觸面間的空氣抽出,形成真空,在大氣的作用下將工件夾緊在承片臺上。這樣裝夾即方便、效率高，又清潔，不損傷硅片。</p><p>　　本機利用真空發(fā)生器獲得真空，從而產生負壓來實現(xiàn)工件夾緊這個功能。真空發(fā)生</p>

94、<p>　　器是利用高速氣流噴射時的引射現(xiàn)象產生真空的。負壓的通斷通過電磁閥來控制。真空發(fā)生原理示意圖如圖4所示。</p><p>　　圖4 真空發(fā)生原理示意圖</p><p><b>　　氣路系統(tǒng)設計</b></p><p>　　為給靜壓空氣電主軸提供壓力恒定、潔凈的壓縮空氣,氣路系統(tǒng)應具有空氣壓縮</p><

95、;p>　　機、壓力調解閥和空氣過濾裝置。空氣過濾裝置采用除油、除水、除塵四級過濾器,過</p><p>　　濾精度可達到0.03μm 。</p><p>　　為保護電主軸不抱軸,應具有氣電聯(lián)鎖裝置,當未給主軸供氣或氣壓不符合要求</p><p>　　時,電主軸應不能啟動,在運轉中的電主軸應從工作狀態(tài)退出,并立即停止運轉。氣路</p><p&

96、gt;　　系統(tǒng)示意圖如圖5所示。</p><p>　　圖5 氣路系統(tǒng)示意圖</p><p>　　5.3.2 水路系統(tǒng)設計</p><p>　　為了冷卻靜壓電主軸和砂輪刀片、沖洗砂輪刀片和工件上的硅粉，應具有上、下水裝置。采用電磁閥來控制上水的通斷，以保證切割時冷卻水的供給，不工作時水路關閉。 為保證工作時有充足的水流，應具有水電聯(lián)鎖裝置，當未供水或水壓

97、不符合要求時，系統(tǒng)應不能進行切割操作，在運轉中的系統(tǒng)應從工作狀態(tài)退出。水路系統(tǒng)示意圖如</p><p><b>　　圖6所示。</b></p><p>　　圖6 水路系統(tǒng)示意圖</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　本文系統(tǒng)地論述了精密砂輪劃片機的機械設計理論技術，當前,微

98、電子產業(yè)無疑是信息產業(yè)的核心和基礎。信息產業(yè)的飛速發(fā)展使微電子產業(yè)在國民經濟、國防等方面發(fā)揮越來越重要的作用。其發(fā)展快慢,技術水平高低,直接影響到國民經濟信息化的進程,已成為衡量一個國家工業(yè)發(fā)展及綜合國力的重要標志。IC封裝設備劃片機的研制成功,對于微電子封裝系列的國產化,甚至對于整個微電子行業(yè)設備的國產化,都具有重要的意義。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p&

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