（开题报告）划片机的总体规划及Y、Z轴设计.doc
划片机的总体规划及Y、Z轴设计【含9张CAD图纸、说明书】
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划片机的总体规划及Y、Z轴设计【含9张CAD图纸、说明书】
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摘 要IC封装是半导体三大产业之一(器件设计、晶片制作和器件封装)。其后封装工序主要包括:划片、粘片、超声球焊、封装、检测、包装。划片机是IC后封装线上的第一道关键设备，其作用是把制作好的晶片切割成单元器件，为下一步单元晶片粘接做好准备。但由于与国外技术存在差距，目前我国高端划片机仍然依赖进口。为了促进IC封装设备的国产化，本设计对划片机进行了总体规划并且对关键零部件进行了详细设计在分析划片工艺要求的基础上，确定了划片机的主要功能，进而进行了划片机的各部分功能的原理方案设计。其次，提出了四种不同的结构方案，并详细对比了其优缺点，然后确定了结构方案设计，完成了划片机的总体规划。接下来，针对划片工艺要求，进行了各部分结构的初步设计，包括各轴的传动方案、支承方案以及相关的结构参数。然后，根据课题要求，对划片机的Y、Z轴进行了详细设计，通过计算，分别完成了Y、Z轴的丝杠螺母机构的选型、电机的选型、导轨的选型。最后，完成了划片机Y、Z轴的装配图。关键字：划片机；总体规划；结构设计；滚珠丝杠；步进电机；滚动直线导轨；AbstractIC packaging is one of the semiconductor industry( device design, wafer fabrication, and packaging ) . Subsequently packaging processes include : dicing , die attach , ultrasonic ball bonding , packaging , testing and packaging. Scribing machine is the key equipment after the first line of the IC package , its role is to make a good wafer into single components , ready for the next unit wafer bonding. But because there is a gap with foreign technology , Chinas high- scribing machine is still dependent on imports. In order to promote the localization of IC packaging equipment , the overall plan and key componentsdetail design of a dicing machine are been done in this design.On the basis of analyzing the dicing process, dicing machine main function is been defined. Then the design of principal program, of each parts function, is been done. Secondly, four different structural schemes are proposed, and a detailed comparison of their advantages and disadvantages is showed in the article, and then the structure of the program design is determine, a master plan dicing machine completed.Next, for the dicing process requirements, a preliminary design of each part of the structure is completed, including the drive shaft of the program, support programs and related structural parameters. Then, according to the task requirements, Y, Z axis dicing machine are designed in detail. By calculating, the Y, the selection of screw nut body, the selection of the motor, and rail are Completed. Finally, the assembly drawing of Z-axis Y-axis are completed.Key words:请键入文字或网站地址，或者上传文档。Hu pin j; zngt guhu; jigu shj; gnzh s gng; b jn dinj; gndng zhxin dogu源语言： 中文Scribing machine; overall planning; structural design; ball screws; stepper motor; rolling linear guide目录1绪论41.1引言41.2划片机的发展过程41.3划片机的国内外发展现状51.4设计任务及要求62划片机的总体方案设计62.1划片机的技术要求62.2划片机的原理方案设计72.2.1划片机砂轮驱动系统的原理方案设计72.2.2划片机X、Y、Z轴的原理方案设计72.2.3划片机轴的原理方案设计72.2.4划片机晶片固定方案设计82.2.5划片机晶片定位方案设计82.2.6划片机的控制方案82.2.7划片机的冷却、保护方案设计82.3划片机的结构方案设计93划片机结构参数的初步设计103.1划片机主轴的参数的初步设计103.2划片机晶片定位机构参数的初步设计113.3划片机晶片固定系统参数的初步设计113.4划片机X轴的初步设计123.5划片机Y轴的初步设计133.6划片机Z轴的初步设计133.7划片机轴的初步设计144划片机轴Z和Y轴的详细设计144.1划片机Z轴的详细设计144.1.1Z轴滚珠丝杠的设计144.1.2Z轴电机的选型164.1.3Z轴导轨的选型174.2划片机Y轴的详细设计184.2.1Y轴滚珠丝杠的设计184.2.2Y轴电机的选型194.2.3Y轴导轨的选型215结束语22致谢221 绪论1.1 引言IC封装是半导体三大产业之一(器件设计、晶片制作和器件封装)。其后封装工序主要包括:划片、粘片、超声球焊、封装、检测、包装。划片机是IC后封装线上的第一道关键设备，其作用是把制作好的晶片切割成单元器件，为下一步单元晶片粘接做好准备。划片机切割晶片的规格一般为3-6英寸晶片，单元晶片的外型一般为矩形或多边形。目前，我国的半导体封装设备(如划片机、粘片机、金丝球焊机等)还主要从美国、日本、新加坡引进。为了促进IC封装设备的国产化，本课题组开展了IC封装设备划片机的研制工作。因此，对划片机进行总体规划并且对关键零部件进行设计，不仅有较大的学术价值，而且有广阔的应用前景。1.2 划片机的发展过程划片技术是集成电路后封装的一道工序，划片机的划片方法根据其发展过程可以分为三种:金刚石划片、激光划片和砂轮划片。（1）金刚石划片这是最早出现的划片方法，是目前用得最少的方法，与划玻璃的原理相同。使用锋利的金刚石尖端，以50克左右的固定载荷划出小片的分割线，再加上弯曲力矩使之分成小片。一般来说，金刚石划片时线条宽度为6-8m、深度为5m，硅表面发生塑性变形，线条周围有微裂纹等。如果划片时出现切屑，掰片时就可能裂开，小片的边缘又不整齐，分片就不能顺利进行。金刚石尖有圆锥形(l点式)、四方锥形(4点式)等。圆锥形的金刚石尖是采用其十二面体晶格上的(111)轴，并将尖端加工成半径2-5m的球面。划片的成品率在很大程度上取决于金刚石尖端的加工精度及其锋利性的保持情况。（2）激光划片第二代划片的方法是激光划片。激光划片就是将激光呈脉冲状照射在硅片表面上，被光照的那一部分硅就会因吸收激光而被加热到10000的高温，并在一瞬间即气化或熔化了，使硅片留下沟槽，然后再沿沟槽进行分开的方法。激光划片时，硅粉会粘在硅片表面上，所以还必须对硅片上的灰尘进行必要的处理。该方法划硅片比金刚石划片的成品率高，所以曾经在一个时期内替代了金刚石划片。但激光划片对工艺条件十分敏感。激光功率、划片速度、焦点位置、气流压力等参数的波动或变化都会影响划片质量，致使划片深度尺寸不均匀，导致分片时容易碎片，降低成品率，增加了成本。同时激光划片时，高温对热组织区内的材料也有很大的影响，从而影响到芯片的性能。但激光划片相对于其他的划片技术来说，结构简单，在切割中和切割后芯片碎裂率少，无论单晶硅片薄厚，切口宽度均小于3m，切口边缘平直、精准、光滑，能够在每片晶圆上制作并切割出更多数量的芯片。(3)砂轮划片第三代划片机是砂轮划片机。砂轮划片机是利用高速运转的空气静压主轴带动刀片，通过光栅尺和导轨系统的控制，将刀刃定位在加工材料上，最终形成具有一定深度和宽度的切口 姚道俊砂轮划片工艺的实践与提高J集成电路通讯，2005，（6）：35-37。砂轮划片工艺质量与主轴转速、切割速度、刀片厚度等都有一定的关系。相对合理的主轴转速能有效地控制刀片在随主轴转动时的相对震动、有利于刀片在切割时的径向稳定性，从而提高切割质量。刀片的切割速度决定工作效率，如果切割速度不断变大，在切割的过程中沿沟槽的刀具的速度也会变得不好控制。切割速度会受制于待加工材料的硬度，如硅晶圆表面材料的硬度直接决定切割速度。如果切割超硬材料时切割深度过大都不利于刀片的正常使用，并最终影响到刀片的寿命。三种划片技术的比较如表1-1所示。由表1-1可以看出，砂轮划片的加工速度、加工深度、加工宽度、加工效果等相对其他两种加工技术具有突出的优点，因此砂轮划片是目前的主流加工技术。表1-1 加工工艺比较指标 分类金刚石划片激光划片砂轮划片加工速度46mm/s150mm/s300mm/s加工深度310m100m100m加工宽度310m2025m刀片厚度+10m划片效果裂纹大有热损耗只有微小裂纹成品率6070%7080%98%噪音小大较小其他硅片厚度为小片尺寸的1/4以下有黏着灰尘的问题需要切削液、压缩空气1.3 划片机的国内外发展现状袁慧珠,李德爱,孙家全,王纪春.ZSH-型自动砂轮划片机J.仪表技术与传感器,1998,12:17-18+33.在国外，划片机自七十年代初问世以来，发展非常迅速，应用领域也越来越广，品种也在不断增加。刚开始时，只有日本、英国、美国三个国家的四、五个公司制造划片机，而如今俄罗斯、台湾、中国大陆也都制造出了划片机，划片机制造厂家己经发展到十多个公司。目前，国外生产划片机的厂商主要有：日本DISCO、东京精密TSK，以色列ADT，以及英国流星Load point公司谢中生.DISCO会社与其具有世界领先水平的划片机J.电子工业专用设备,1996,04:40-42+39.。最初生产的划片机只是用来切割晶体管半导体硅片，只能切割最大为3英寸的硅片。而如今，它不仅可以切割硅片，还可以切割其它的薄、脆、硬材料，应用领域越来越广泛。日本DISCO公司生产的划片机占世界划片机销量的80%，代表着当今划片机的较高水平。该公司在2002年12月推出了DFD636O型划片机，该机最大划片尺寸达300mm(12英寸)，划片槽宽度达到20m。切割速度高达600mm/s，定位精度最高达0.003mm。J P Sercel Associates公司生产紫外(UV)激光划片机，可用于切割300mm直径的单晶硅圆片，采用355nm或266nm的短脉冲UV激光光源，采用了高性能、超精确的气动操作台，获得了较高的速度和加速度，断面边缘光滑平直，而且划片槽仅有2.5m宽。我国真正研制划片机的时间较晚，基本上是从七十年代开始的。1982年我国研制出第一台国产化的砂轮划片机，结束了当时我国划片机完全依赖进口的局面。国产划片机设备制造商主要有：中国电子科技集团公司第45研究所、沈阳仪表科学研究院、西安捷盛电子技术有限责任公司、上海富安工厂自动化有限公司、武汉三工光电设备制造有限公司。我国的划片机主要以中国电子科技集团第45研究所为代表，该研究所从1994年开始先后生产了HP602型(150mm)精密自动划片机，该款划片机采用恒力矩变频分相调速技术，可以减少圆片正反面的崩角情况并能够提高芯片的抗折强度，从而提高了芯片的质量，工作台采用滚动导轨；在此基础上于2004年研制了HP801型(200mm)精密自动划片机，在增大晶圆的直径的同时，也增加了晶圆上芯片的数量，提高了芯片产出的效率，并达到了实用化，定位精度为10m；而后又研制了KS780等型号的划片机 王宏智,王明权.HP-602型精密自动划片机基础技术及功能J.中国集成电路,2002,03:71-72.。沈阳仪表科学研究院研制了ZSH5型自动砂轮划片机，精度达到了5m/350mm，切割晶圆的行程为152.4mm，与当时国际上203.2mm有很大的差距，切割速度为150mm/s，与当时的国外先进的划片速度300mm/s还相差很大。目前，国产新型的双轴200mm(8英寸)精密自动划片机，也已进入了实用化阶段，划片槽宽度达到30-40m。2010年1月3日，苏州天弘激光股份有限公司推出了其第一款晶圆激光划片机TH-321型激光划片机，采用高精度的两维直线电机工作台及直驱旋转平台，划片槽宽度降低到3m。武汉三工光电设备制造有限公司生产的晶圆激光划片机，采用数控的工作方式，最大线切害速度为140/s，定位精度为10m。从国内外现状来看，国内划片机的划片尺寸、切割速度及定位精度还没有达到国际先进的水平，划片槽的宽度也与国外相差很大，所以对划片机进行总体规划并且对其Y、Z轴进行设计具有重要的意义。1.4 设计任务及要求本设计的要求如下：（1） 对划片机进行总体规划，完成原理方案和结构方案设计，确定实施方案；（2） 对划片机进行结构参数的初步设计，并完成相关的计算；（3） 对划片机进行结构参数的初步设计，并完成相关的计算；（4） 完成划片机的机械结构，对Y、Z轴进行具体设计（Y轴:有效行程大于160mm，最小位移分辨率小于2m，步进精度小于4m，全程累积误差小于5m/160mm；Z轴：最大行程30mm，重复定位精度小于2m。）；（5） 完成装配图和零件图。2 划片机的总体方案设计2.1 划片机的技术要求划片机是精密切割专用设备，是IC后封装线上的第一道关键设备，其作用是把制作好的晶片切割成单元器件，为下一步单元晶片粘接做好准备。划片机切割晶片的规格一般为3-6英寸晶片，单元晶片的外形一般为矩形或多边形，如图2-1所示 冯晓国，张景和，张承嘉，何惠阳IC封装设备划片机的研制J仪器仪表学报，2003，S1：50-52。图2-1 单元晶片图形示意图由前述可知，随着划片技术的发展，砂轮划片机因其优异的性能已经成为当今划片工序中的主流加工设备。因此，本文以砂轮划片机作为设计对象。从划片的要求出发，砂轮划片机应具备以下一些功能和装置 袁慧珠.精密砂轮划片机的设计及精度分析D.沈阳工业大学,2004.。（1）砂轮刀片应能做高精度的高速旋转运动，以便完成对晶片的划切。（2）具有能进行精确平行线切割的机构，所以砂轮刀片或承载工件的承片台应能作X-Y向运动。（3）为了切割不同深度的工件和让刀的需要，应具有能进行高度调整的机构，所以砂轮刀片或承片台应能作Z向运动。（4）为了进行两个以上方向的切割，应具有能进行转向的机构，所以砂轮刀片或承片台应能作向运动。（5）为了固定薄脆工件，应具有合适的夹紧装置。（6）精确的对准装置。（7）满足生产率和精度要求的计算机控制系统、相应的硬件以及控制软件。（8）其他辅助装置，如冷却、保护装置等。通过上述分析，基本明确了划片机应该具有的功能，其中图2-2为砂轮划片机的功能结构图。图2-2 划片机功能结构图此外，本课题中对Y轴和Z轴的设计有具体的技术要求，其中，Y轴：有效行程大于160mm，最小位移分辨率小于2m，步进精度小于4m，全程累积误差小于5m/160mm；Z轴：最大行程30mm，重复定位精度小于2m。2.2 划片机的原理方案设计2.2.1 划片机砂轮驱动系统的原理方案设计 划片机是以强力磨削为划切原理，在划片时砂轮以每分钟3万到6万的转速划切晶圆的划切区域，因此，砂轮需要高速主轴来驱动 文赟，王克江，孙敏，杨云龙浅析砂轮划片机划切工艺J电子工业专用设备，2010，06：21-26。如果用普通主轴来实现，则需要使用变速机构，不仅结构复杂，而且由于摩擦的存在，增加了电机的功率损耗。而电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”(Electric Spindle, Motor Spindle)。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。因此，选择电主轴来直接驱动砂轮刀片，可以满足本设计的使用要求。2.2.2 划片机X、Y、Z轴的原理方案设计划片机的X、Y、Z三个轴主要完成划片时的平行线切割和切割不同深度的工件以及让刀等功能，因此它们主要完成往复直线运动。能够实现往复直线运动的机构有多种，如曲柄滑块机构，凸轮机构，齿轮齿条机构，螺旋传动机构，气缸，液压缸等。由于划片时需要精确定位，而曲柄滑块机构、凸轮机构和齿轮齿条机构的传动精度达不到使用要求，气缸、液压缸还要单独设置泵站，不仅增加了成本，而且使控制系统变的复杂。而螺旋传动大量使用在机床的进给系统上，具有传动比大、精度较高、结构简单、传动平稳等优点。因此，选用电动机作为原动机，通过螺旋传动将电机的旋转运动转化为工作台的往复直线运动，可以满足X、Y、Z三个轴的传动要求。图2-3 螺旋传动示意图2.2.3 划片机轴的原理方案设计划片机轴的作用是为了进行两个以上方向的切割，通过轴的旋转，带动砂轮刀片或承片台旋转相对应的角度，从而完成特定方向上的切割。因此，轴要实现往复旋转运动，且能够自锁。此外，要有准确的分度，可以实现小分辨率，能进行微调等。这需要很高的传动比，因此选择具有较大传动比的蜗杆传动。图2-4 蜗轮蜗杆传动示意图2.2.4 划片机晶片固定方案设计由于被切割的晶片是平面度极高的薄脆片，普通的机械装夹方式极易造成硅片的损伤，所以夹紧采用负压方式将硅片吸附于工作台上。负压夹紧就是通过将硅片与承片台接触面间的空气抽出，形成真空，在大气的作用下将工件夹紧在承片台上。该种装夹方式不仅装夹方便，而且效率高、清洁、不损伤硅片。2.2.5 划片机晶片定位方案设计为了在晶片的特定位置上切出沟槽，被切晶片在承片台上的定位必须准确，几乎不允许定位误差的存在，这就要求硅片的定位操作一定要在具有一定放大倍数和高分辨率的监视系统监视下来进行。为此，选择光学定位监视系统作为图形对准装置。划片机的定位系统构成如图2-5所示。其中，光学系统采用内、外置光源可转换的分离视场显微镜+CCD方式。该系统具有独立的微调机构，与主轴同步运动。分离视场显微镜是根据两点确定一条直线的原理，从硅片上相距一定距离的两点分别取像再合成，然后CCD相机获得合成图像。图像采集卡将CCD相机获得的合成图像采集后传递给图像处理软件，图像处理软件将处理结果反馈给计算机控制系统，最后计算机控制系统控制划切工作台的移动，使硅片切割线与X轴移动轨迹相平行，将复杂的图像对准工作变得简单而方便。图2-5 划片机定位系统构成2.2.6 划片机的控制方案 张明明,白宇.ZSH5型自动砂轮划片机控制系统的设计与实现J.电子工业专用设备,2008,07:49-51.划片机的控制任务主要是控制X、Y、Z、轴的精确进给，从而使晶片按要求完成划切。此外，还要完成晶片的装卸及自动夹紧，冷却液的供给，还应该有必要的保护程序。因此，可以采用工控机作为上位机，运动控制卡作为下位机，实现对划片机的控制。2.2.7 划片机的冷却、保护方案设计为了冷却主轴和砂轮刀片、冲洗砂轮刀片和工件上的硅粉，应具有上下水装置。采用电磁阀来控制上水的通断，以保证切割时冷却水的供给，不工作时水路关断。为保证工作时有充足的水流，应具有水电联锁装置，当未供水或水压不符合要求时，系统应不能进行切割操作，在运转中的系统应从工作状态退出，并且将故障状态反馈给上位机，在控制页面给出相应故障提示。此外，对于承片台，如果气路发生故障，则应该停止工作，防止晶片在高速旋转的砂轮作用下飞出，并且在控制页面上给出的相应的故障提示。2.3 划片机的结构方案设计 王宏智. 国产200mm划片机关键机构设计J. 电子工业专用设备,2003,05:18-20.砂轮划片机的原理方案已经确定，而实现原理方案的结构方案有多种，每种方案又各有其优缺点。其中，划片机的主轴、晶片固定方式、定位方式、控制方式、冷却保护方案已经确定，所以它们的结构形式已经确定。而划片机的X、Y、Z、轴却有不同的布局方式 张菊.划片机工作台仿真分析J.电子工业专用设备,2012,01:33-36.，典型的四种方案如表2-1所示。表2-1 结构方案比较表序号承片台的运动结构复杂程度砂轮刀片的运动防水性能总体布局1X+Y+Z+复杂自转好不好2X+Y+较复杂自转+Z好不好3X+Y较简单自转+Z+不好不好4X +较简单自转+Y+Z好好第一种方案的示意图如图2-6所示，承片台除了作X-Y十字运动外，还要作Z向上下、向旋转运动，四重结构，结构复杂，机器的自重大，运动惯性大，影响定位精度，所以不宜采用。第二种方案的示意图如图2-7所示，承片台除了作X-Y十字运动外，还要作向旋转运动，结构比第一种稍简单，但同样存在运动惯性大，影响定位精度的缺点，不宜采用。图2-6 方案一示意图 图2-7 方案二示意图第三种方案的示意图如图2-8所示，承片台只作X-Y十字运动，结构相对简单。但砂轮刀片除自转外，还要作Z向上下、向旋转运动，结构相对复杂，而且冷却液的出口与砂轮刀片的相对位置是固定的，随着砂轮刀片的旋转，冷却液出口也在旋转，这就增加了防水的难度。而防止水的泄露，对划片机来说是非常重要的环节，因为水的泄露会导致精密零部件的腐蚀，最后导致整台设备很快丧失精度，无法使用。因此，这种方案不宜采用。第四种方案的示意图如图2-9所示，承片台只作X向进给运动和向旋转运动，结构较简单。砂轮刀片虽然除了要作自转外，还要做Y向进给以及Z向上下运动，但结构也较简单，而且砂轮刀片的运动范围比较小，防止水的泄露要容易的多，所以最终决定采用这种结构方案。图2-8 方案三示意图 图2-9 方案四示意图3 划片机结构参数的初步设计3.1 划片机主轴的参数的初步设计 王明权,卫桁.划片机高速空气静压电主轴关键技术的研究J.电子工业专用设备,2010,06:16-20.要确定砂轮划片机的主轴参数，首先要确定砂轮划片机的砂轮刀片形式。砂轮划片机用刀的外缘(外径)来实现划切，按形式分：硬刀和软刀。硬刀是将刀片与法兰做成一体，软刀需用法兰盘夹紧。按结合形式分：镍基刀、烧结刀、树脂刀。划片机一般选用的刀片外径为50-100 mm的镍基刀和树脂刀 马岩,袁慧珠,鞠仁忠,孙家全.金刚石砂轮刀片划切过程性能分析与三维建模J.金刚石与磨料磨具工程,2009,05:74-77.。对于IC封装中的硅片划切，一般使用镍基硬刀 甄万财. 砂轮划片机划切技术的研究J. 电子工业专用设备，2004，09：68-71。其中，镍基刀是将金刚砂通过镍基结合剂镀制而成，其外径一般取50mm13。而且，其具有寿命长、刀边缘几何形状保持好、高精度和高质量切割、能制造出0.015 mm薄刀等优点。镍基刀的厚度一般为 0.015-0.1 mm，这里选择0.020mm。对50 mm的镍基刀，主轴速度建议3万-3.5万 r/min，最大4万r/min。因此，可取划片机的主轴速度为4万r/min。在原理方案中，已经确定选择电主轴来驱动砂轮刀片。而电主轴大致可以分为3大类：磨削、铣削、雕铣等。由于划片是强力磨削加工，属于磨削，因此应从磨削大类中选择电主轴。由于电主轴的转速较高，若采用普通机械支承，将会产生严重的摩擦热，导致精度、寿命受损等严重问题。因此，支承采用流体摩擦支承中的气体静压支承，主轴采用国内最先进的中频空气静压电主轴。气体静压支承几乎无摩擦、无磨损、不发热，对使用环境和使用部位没有任何污染。同时，气体轴承具有回转精度高和耐低温、高温及辐射等优良特性。因此，空气静压电主轴转速高（转速最高可达400000-500000r/min），精度高，振动小，无磨损，运转性能可靠，可获得平稳高速的线速度，并可长期保持高精度状态，能满足所设计的砂轮划片机的使用要求。电主轴冷却方式一般有自冷，风冷，水冷和油冷几种方式。其中水冷用的最多，可以根据电主轴的发热量配相应的功率的冷却水系统。空气静压电主轴的结构简图如图3-1所示。图3-1 划片机空气静压电主轴结构简图电主轴的润滑方式一般有油脂润滑，油雾润滑，油气润滑。油脂润滑转速相应要低；油雾，油气润滑转速高，但要配相应润滑系统。根据砂轮划片机的主轴转速，选择油气润滑。针对以上选定参数，可以选择洛阳轴研科技专门为划片机生产的高速电主轴，型号为92GD40Q。其中，转速为40000r/min，功率0.75kw，电压为220v，为硅片切割机用高速电主轴。其中，划片机的结构尺寸如图3-2所示，D=92mm，d=70mm，B=23mm，L1=210mm，L2=362mm。图3-2 划片机电主轴的结构尺寸3.2 划片机晶片定位机构参数的初步设计划片机的定位系统使用的光学系统为分离视场显微镜，其原理为，相距X的两物镜分别拾取硅片上相距X的两个半圆形影像，经一系列的光学合成，在目镜中给出一个合成的圆形影像，这个圆形影像的左右两个半圆形影像分别是硅片上相距X距离的两个半圆形影像的放大。根据两点确定一条直线的原理，调整硅片位置，使两影像中相应的位置对正，硅片就在转台上准确定位了 王宏智.划片机视觉识别系统设计原理分析J.电子工业专用设备,2006,03:51-54.。由此可见，显微镜的物镜间距X与硅片的定位误差成反比，既X越大，硅片定位误差越小 刘晓斌,涂佃柳,柴斌,单福源.面向IC封装的视觉定位系统设计J.电子工业专用设备,2011,03:46-49.。但由于在集成电路生产中硅片的生产是在一定的尺寸范围内进行的，所以说随意地加大X，将使显微镜正常使用的范围缩小。根据既保证硅片在定位时，具有足够高的定位精度，又保证定位监视系统在很大的生产范围内正常使用的原则，通过调查和实际操作试验选定该系统显微镜的物镜间距为40mm 陆宏自动砂轮划片机定位监视系统J仪表技术与传感器，1989，01：9-11。采用Y、Z双向细牙螺杆对显微镜进行焦距和位置微调，如图3-3所示。调整好的显微镜一字线正好与硅片切割线重合 杨云龙,刘金荣.全自动划片机自动识别对准技术的研究J.电子工业专用设备,2004,03:46-48.。图3-3 显微镜安装调整示意图3.3 划片机晶片固定系统参数的初步设计 冯晓国.划片机双真空吸附功能的实现J.液压与气动,2003,07:24-25. 晶片固定是采用真空吸附来进行固定的。真空吸附是利用了喷嘴高速喷射压缩空气，卷吸喷嘴出口周围的空气，从而形成负压、产生吸力的原理。真空吸附的工作原理如图3-4所示。图3-4 真空发生原理图 由于目前砂轮划片机划切的晶片的直径主流是200mm，所以本设计以200mm晶片为加工对象。因此，真空吸盘的直径可初步定为210mm。3.4 划片机X轴的初步设计X轴的原理方案和结构方案已经确定，接下来要对电机、丝杠、导轨三个部分进行设计。（1）电机选择 黄伟,聂东,陈英俊,索来春,黄浩.直线电机在划片机中的应用J.航空精密制造技术,2001,06:8-10.常见的控制电机有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。它们各有其优缺点以及相对应的应用场合。步进电机是将电脉冲信号转换成机械角位移信号的执行元件，每接收一个电脉冲信号，步进电机转过一个步距角。步进电机转子的角位移与输入脉冲的个数成正比，转速与输入脉冲的频率成正比，转向取决于绕组的通电相序。因此，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。步进电机的优缺点如下：电机旋转的角度正比于脉冲数；电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）由于每步的精度在3%-5%，而且不会将一步的误差积累到下一步，因而有较好的位置精度和运动的重复性；优秀的启停和反转响应；由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本较低；仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转；由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。缺点：如果控制不当容易产生共振；难以运转到较高的转速。伺服电机按驱动电源的不同可以分为两种，即直流伺服电动机和交流伺服电动机。直流伺服电动机是一种靠直流供电，其输出转速或转矩能够受输入电压或电流信号控制，并快速响应的电机。它具有良好的启动特性，驱动力矩大，调速范围宽，堵转转矩与控制电压成正比，转速随转矩的增加而近似线性下降，当控制电压为零时能立即停转。因此，在对调速性能要求较高的生产设备中经常采用。而交流伺服电机是用交流信号控制的执行电机。其主要优点是运行平稳、脉动小、低速无振动、调速范围宽、可短时过载、力矩特性好、控制精度高，但是控制方法复杂、价格贵。在同样体积下，交流伺服电机输出功率可比直流伺服电机提高10%-70%。表3-1 步进电机和伺服电机的比较由于X轴的作用是带动晶片做往复运动，以完成单元晶片的切割。对X轴的要求是运行平稳，往返速度要快，对精度要求不高。而步进电机的性价比高，结构简单，维修成本较低。因此，对比以上三种电机，采用步进电机驱动可以更好的满足使用要求。（2）丝杠螺母机构选择丝杠螺母机构按照摩擦性质可以分为滑动丝杠螺母机构和滚动丝杠螺母机构。滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低(30-40)。滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，无自锁功能，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高(92-98)，而且运动平稳、传动精度高，因此在机电一体化系统中得到广泛应用。由于划片机X轴要求运行平稳，往返速度要快，因此选择滚珠丝杠螺母副。由于要求X轴的有效行程大于180mm，因此可以初步选择X轴丝杠的长度为470mm。丝杠导程初步确定为10mm。（3）导轨选择导轨按摩擦性质可以分为滑动导轨、滚动导轨、气（液）体导轨。其中，滚动直线导轨副是在滑块和导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低了两者之间的运动摩擦阻力。其可以实现无间隙运动，从而提高了机械系统的运动刚度，简化了机械结构的设计和制造。因此，X轴选用滚动直线导轨，初步选定两导轨间距200mm，导轨长度400mm。3.5 划片机Y轴的初步设计 袁慧珠.划片机定位精度的设计J.仪表技术与传感器,2003,07:51-52. 因为Y轴系统的作用是带动高速主轴做切割进给运动，即按单元晶片的规格尺寸分步运动。X轴完成一个往复运动后，Y轴导轨带动高速主轴运行一个单元晶片尺寸距离，以便完成下一行的切割。对Y轴的要求是结构刚度高，运行平稳，位移分辨率要高(2m)，导轨全程累积误差要小(5m/160mm)。因此，在满足使用要求的情况下，为了降低成本，Y轴选择步进电机来驱动，滚珠丝杠螺母机构为传动机构，丝杠有效行程160mm，初步确定为320mm，导程为5mm。导轨选择滚动直线导轨，导轨间距初步确定为200mm，长度为380mm。3.6 划片机Z轴的初步设计 杨树文.砂轮划片机z向工作台机械结构关键技术的研究J.电子工业专用设备,2008,05:35-39.Z轴系统的作用是在划片过程中带动高速主轴做抬刀落刀运动。X轴带动工作台往复运动一次，Z轴带动划片刀也上下抬落一次，完成对单元晶片的分段切割。对Z轴的要求是重复定位精度要高，以保证对晶片切割深度的一致性。因此，在满足精度要求的情况下，为了降低开发成本，Z轴选择步进电机进行驱动，滚珠丝杠螺母机构作为进给机构，丝杠有效行程为30mm，初步确定为150，导程初步确定为2mm。导轨初步选择滚动直线导轨，导轨宽度初步确定为220mm，长度为120mm。3.7 划片机轴的初步设计 杨树文.砂轮划片机向机构和传动误差分析J.电子工业专用设备,2009,04:25-29.23 尹志强. 机电一体化系统设计课程设计指导书M.北京：机械工业出版社，2008.24 王金娥. 机电一体化课程设计指导书M.北京：北京大学出版社，2012.25 郝用兴,苗满香,罗小燕. 机电传动控制M.武汉：华中科技大学出版社，2006.26 张桂香. 机电类毕业设计指南M.北京：机械工业出版社，2005.轴主要带动承片台做旋转运动，对其的要求是转角100，转角最小分辨率小于8角秒。因此轴的驱动电机初步选择为步进电机，进给机构采用蜗轮蜗杆机构。由于转角最小分辨率小于8角秒，所以宜采用大传动比，类比同类传动机构，初步确定传动比为200。4 划片机轴Z和Y轴的详细设计4.1 划片机Z轴的详细设计4.1.1 Z轴滚珠丝杠的设计滚珠丝杠的主要参数的计算如下。（1）确定滚珠丝杠的导程本机要求Z轴的重复定位精度小于2m，而分辨率=，所采用的步进电机的步进角为，所以丝杠的导程为：=2mm（2）滚珠丝杠当量载荷与当量转速的计算Z轴主要抬刀和落刀的运动，因此丝杠的工作时间很小。由于Z轴最大行程30mm，抬落刀速度100mm/s，X轴的有效行程大于180mm，划片速度为300mm/s，所以在一个工作行程内，丝杠的工作时间为0.6s，静止时间为1.2s。其中丝杠工作转速=3000r/min，静止转速=0r/min；由于丝杠只有一种工作转速，所以工作转速的工作时间所占工作总时间的百分比为=100%，所以可计算Z轴的当量转速如下：Z轴在抬刀落刀过程中，滚珠丝杠的轴向载荷为，其主要包含主轴电机的重力、Z向溜板的重力以及溜板和导轨的摩擦力，其中，为每个滑块的密封阻力，一共四个滑块，每个滑块的密封阻力约为5N，所以=+=170.3（N）为了提高Z轴的承载能力，将取为180N。因为Z轴丝杆只有一种工作转速，所以其轴向最大载荷和最小载荷相等（3）确定预期的额定动载荷确定预期额定动载荷的方法有三种，分别是按滚珠丝杠副预期工作时间计算、根据滚珠丝杠螺母副的预期运行距离计算、根据最大轴向载荷计算。现根据滚珠丝杠螺母副的预期工作时间进行计算。（N）为预期工作时间；为载荷性质系数，平稳无冲击时取1；为精度系数，1、2、3级精度时为1；为可靠性系数，一般选取1；（4）确定允许的最小螺纹底径滚珠丝杠螺母副的允许轴向变形量必须满足下式：由于Z轴的重复定位精度要求低于2，所以。由于丝杠的支撑方式为两端支承，所以螺纹底径的估算公式如下：其中：E为弹性模量（），一般滚珠丝杠取E=；为估算的滚珠丝杠螺母副允许的最大轴向变形量；为导轨的静摩擦力（N），其中为静摩擦系数，W为移动部件的总重量（N）；L为滚珠丝杠螺母副的两个支承之间的距离（mm），L=有效行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承长度。（5）选择滚珠循环方式表4-1中对滚珠的不同循环方式进行了比较，由于Z轴对重复定位精度要求较高，且主轴在切割时为了保证切割深度的一致，对Z轴的刚度要求也较高，因此，综合比较，选择滚珠循环方式为固定式内循环。表4-1 滚珠丝杠副不同循环方式的比较循环方式内循环外循环浮动式固定式插管式螺旋槽式代号FGCL结构特点滚珠循环链最短，反向灵活，结构紧凑，刚性好，使用可靠，工作寿命长，螺母配合外径较小，扁圆型反向器螺母轴向尺寸最短。滚珠循环链较长，但轴向排列紧凑，轴向尺寸小，螺母配合外径较大（C型较小），刚性较差，但滚珠流畅性好，灵活、轻便。摩擦力矩小小较小较大工艺性较差差好一般制造成本最高较高较低较低使用场合各种高灵敏、高精度、高刚度的进给定位系统重型载荷、高速运动及精密定位系统。在大导程、多头螺纹中显示其独特优点。适用于一般工程机械，不适宜高刚度、高度运动的传动。（6）选择滚珠丝杠副的预紧类型滚珠丝杠副的预紧类型有双螺母齿差预紧、双螺母垫片预紧、双螺母螺纹预紧、单螺母变位导程预紧和单螺母增大钢球预紧，其中双螺母垫片预紧结构简单，预紧可靠，轴向尺寸适中，工艺性好，且适用于高刚度的场合，目前使用广泛。因此，Z轴选择双螺母垫片预紧方式。（7）滚珠丝杠副型号的确定类比相似机构，选择丝杠公称直径为16mm，然后根据上述计算结果，且在保证条件下，查阅相关手册，选择型号为JF1602-4的滚珠丝杠，公称直径为16mm，公称导程为2 mm，丝杠底径为14.6 mm,基本额定动载荷为3.5KN。（8）滚珠丝杠的精度等级由于Z轴需要保证切割深度的一致性，且对重复定位精度要求较高，因此，选择一级精度。（9）确定滚珠丝杠副的支承支承方式选择一端固定，一端铰支，固定端需要承受轴向和径向载荷，选用角接触球轴承，轴承型号为7201AC；铰支端只需承受径向载荷，选择深沟球轴承，轴承型号为6201。 （10）滚珠丝杠螺母副工作图的设计 具体设计见图纸（划片机YZ轴装配图）。4.1.2 Z轴电机的选型Z轴选用的是步进电动机，对其选型时，首先计算负载折算到电机轴上的等效转动惯量，然后分别计算各种工况下所需的等效负载力矩，再根据步进电机最大静转矩和启动、运行矩频特性等选择合适的步进电机，具体步骤如下。（1）等效负载转动惯量和等效负载转矩的计算等效负载转动惯量按下式计算：其中，为轴向负载的等效转动惯量；为丝杠的等效转动惯量；电机驱动丝杠竖直运动的等效负载转矩按下式计算：其中，为轴向载荷；为丝杠导程；为传动比，由于是电机直接驱动丝杠，所以其值为1；为传动机械效率，取值为0.9；（2）快速空载启动等效转矩的计算电机快速空载启动的等效转矩由三部分构成，其计算公式如下：其中，为快速空载启动时折算到电机轴上的加速转矩（）；为快速空载启动时折算到电机轴上的摩擦转矩（）；为其他附加转矩（），例如滚珠丝杠预紧后折算到电机轴上的附加摩擦转矩。加速转矩的计算：其中，为电机转轴的角加速度（）；为电机的转速；为电机加速所用时间，一般在0.3-1s之间选取；为传动链的总效率，一般取0.7-0.85。折算到电机轴上的摩擦力矩的计算：其中，G为移动部件的重量；为导轨的当量摩擦系数，滚动导轨取0.003-0.005；为丝杠导程；为传动链的总效率；为传动比，这里是电机直接驱动丝杠，所以为1。由于通常的值相对和的值较小，因此常可忽略不计，所以。（3）最大工作负载等效转矩的计算最大工作负载等效转矩的计算公式为其中，为最大工作负载时折算到电机轴上的等效负载转矩，因为划片力相对较小，所以；为最大工作负载时折算到电机轴上的摩擦转矩（），因为划片力相对较小，所以；为其他附加转矩（）。（4）步进电机型号的选择由于划片机在划片最大工作负载等效转矩大于快速空载启动等效转矩，所以按照最大工作负载等效转矩进行选型。查阅相关手册，选择90BYG550B-SAKRML-0301型步进电机，相数为5，步距角为，保持转矩4.0大于，定位转矩0.2，转动惯量为0.00045大于，因此，满足使用要求。另外，由于Z轴采用滚珠丝杠机构，其无法自锁，而且Z轴竖直布置，因此需要设置自锁机构，为了简化机构设计，本机采用电机来实现自锁。其中，定位转距是指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，由于混合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转距。该步进电机的定位转矩0.2大于，所以，可以满足Z轴的自锁要求。4.1.3 Z轴导轨的选型（1）确定导轨的使用条件由于Z轴的轴向载荷为180N，该载荷较小，根据表4-2中导轨承载量与导轨规格对应的经验关系，且为了使结构紧凑，查阅相关手册，选择THK公司的四方向等载荷型滚动直线导轨，导轨规格为8，型号为HSR 8RM。表4-2 导轨承载量与导轨规格对应的经验关系承载量/KN0-33-55-1010-2525-5050-80导轨规格303545556585 （2）滑块载荷的计算滑块载荷的计算公式如下：其中，为合成载荷，为纵向载荷，为横向载荷，由于在横向Z轴关于丝杠对称布置，所以滑块所受横向载荷很小，此处将其忽略。每个滑块的纵向载荷计算如下：其中，为Z轴重心到丝杠的垂直距离；为竖直方向两滑块的重心距；为Z轴部件的重力。所以，（3）导轨额定寿命的计算其中，为所选导轨的额定动载荷；为载荷系数，无外部冲击或振动的低速运动，其值为1-1.5，这里取为1；所以，所设计的导轨的寿命为64345m，而一般滚动导轨的额定寿命为50km，所以，所设计的导轨满足使用要求。4.2 划片机Y轴的详细设计4.2.1 Y轴滚珠丝杠的设计滚珠丝杠的主要参数的计算如下。（1）确定滚珠丝杠的导程本机要求Y轴的重复定位精度小于2m，为了提高进给的精确度，这里取为1m，而分辨率=，所采用的步进电机的步进角为，对其进行10细分，所以丝杠的导程为：=5mm（2）滚珠丝杠当量载荷与当量转速的计算Y轴主要划片的分度运动，因此丝杠的工作时间很小。由于Y轴进给速度为100mm/s，X轴的有效行程大于180mm，划片速度为300mm/s，所以在一个工作行程内，丝杠的工作时间为0.6s，静止时间为1.2s。其中丝杠工作转速=3000r/min，静止转速=0r/min；由于丝杠只有一种工作转速，所以工作转速的工作时间所占工作总时间的百分比为=100%，所以可计算Y轴的当量转速如下：Y轴在进给过程中，滚珠丝杠的轴向载荷为，其主要为溜板和导轨的摩擦力，为Z轴的轴向载荷，为Z轴电机的重力，为Z轴导轨的重力，其中，所以=20.66（N）为了提高Y轴的驱动能力，将取为30N。因为Y轴丝杆只有一种工作转速，所以其轴向最大载荷和最小载荷相等（3）确定预期的额定动载荷确定预期额定动载荷的方法有三种，分别是按滚珠丝杠副预期工作时间计算、根据滚珠丝杠螺母副的预期运行距离计算、根据最大轴向载荷计算。现根据滚珠丝杠螺母副的预期工作时间进行计算。（N）为预期工作时间；为载荷性质系数，平稳无冲击时取1；为精度系数，1、2、3级精度时为1；为可靠性系数，一般选取1；（4）确定允许的最小螺纹底径滚珠丝杠螺母副的允许轴向变形量必须满足下式：由于Y轴的重复定位精度要求低于2，所以。由于丝杠的支撑方式为两端支承，所以螺纹底径的估算公式如下：其中：E为弹性模量（），一般滚珠丝杠取E=；为估算的滚珠丝杠螺母副允许的最大轴向变形量；为导轨的静摩擦力（N），其中为静摩擦系数，W为移动部件的总重量（N）；L为滚珠丝杠螺母副的两个支承之间的距离（mm），L=有效行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承长度。（5）选择滚珠循环方式由于Y轴对重复定位精度要求较高，且主轴在切割时为了保证切割晶片的一致性
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