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本科毕业设计(论文)题目：划片机的总体规划及 Y、Z 轴设计划片机的总体规划及 Y、Z 轴设计摘 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。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IY and Z Axis Scribing Machines Overall Planning and DesignAbstractIC 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.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:Scribing machine; Overall planning; Structural design; Ball screws; Stepper motor; Rolling linear guide IIIII目 录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 划片机的发展过程 .11.3 划片机的国内外发展现状 .31.4 设计任务及要求 .42 划片机的总体方案设计 .52.1 划片机的技术要求 .52.2 划片机的原理方案设计 .62.2.1 划片机砂轮驱动系统的原理方案设计 .62.2.2 划片机 X、Y、Z 轴的原理方案设计 .72.2.3 划片机晶片固定方案设计 .72.2.4 划片机晶片定位方案设计 .72.2.5 划片机的控制方案 .72.2.6 划片机的冷却、保护方案设计 .82.3 划片机的结构方案设计 .83 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 Y 轴的初步设计 .113.5 划片机 Z 轴的初步设计 .124 划片机 Z 轴和 Y 轴的详细设计 .144.1 划片机 Z 轴的详细设计 .144.1.1 Z 轴滚珠丝杠的设计 .144.1.2 Z 轴电机的选型 .174.1.3 Z 轴导轨的选型 .194.2 划片机 Y 轴的详细设计 .194.2.1 Y 轴滚珠丝杠的设计 .194.2.2 Y 轴电机的选型 .224.2.3 Y 轴导轨的选型 .23IV5 控制系统设计 .255.1 控制系统设计 .255.1.1 硬件设计 .255.1.2 主控系统设计 .265.1.3 步进电机驱动控制设计 .265.2 Y 轴光栅尺选择 .276 结论 .28参考文献 .29致 谢 .30毕业设计（论文）知识产权声明 .31毕业设计（论文）独创性声明 .3201 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。1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。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。2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/s 150mm/s 300mm/s加工深度 310m 100m 100m加工宽度 310m 2025m 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。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。3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。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 140mm/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。42 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。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。（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，其中表 2.1 轮划片机的功能结构表。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。5表 2.1 划片机功能结构图表高速旋转砂轮平行线切割高度调整多个方向切割工件固定工件对准精度控制辅助功能高速主轴X-Y运动Z向运动向运动晶片位置确定且能保持晶片切割方向的对准控制系统冷却保护等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。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。62.2.2 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。2.2.3 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。2.2.4 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。2.2.5 划片机的控制方案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7位机，实现对划片机的控制。2.2.6 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，典型的四种方案如表 2.2 所示。表 2.2 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1 X+Y+Z+ 复杂 自转 好 不好2 X+Y+ 较复杂 自转+Z 好 不好3 X+Y 较简单 自转+Z+ 不好 不好4 X + 较简单 自转+Y+Z 好 好第一种方案的示意图如图 2.2 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 2.3 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。8主 轴 承 片 台 电 机Z电 机X电 机 Y电 机砂 轮 刀 片 Z电 机 电 机主 轴 承 片 台X电 机 Y电 机砂 轮 刀 片图 2.2 方案一示意图 图 2.3 方案二示意图第三种方案的示意图如图 2.4 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 2.5 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。 X电 机 主 轴 承 片 台 电 机 Z电 机 Y电 机砂 轮 刀 片 主 轴 承 片 台 电 机Z电 机 Y电 机砂 轮 刀 片X电 机图 2.4 方案三示意图 图 2.5 方案四示意图93 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。对于IC 封装中的硅片划切，一般使用镍基硬刀。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 50mm。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。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。103.2 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。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。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。3.3 划片机晶片固定系统参数的初步设计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 3.1 所示。图 3.1 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 Y 轴的初步设计因为 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11380mm。划片机 Y 轴的结构图如图 3.2。图 3.2 划片机 Y 轴结构图3.5 划片机 Z 轴的初步设计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。划片机 Z 轴的结构图如图 3.3。12图 3.3 划片机 Z 轴结构图134 划片机 Z 轴和 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 0L本机要求 Z 轴的重复定位精度小于 2m，而分辨率 = ，036/步 进 角导 程 所采用的步进电机的步进角为 ，所以丝杠的导程为：36.= = =2mm0L步 进 角分 辨 率 /0036./02.（2）滚珠丝杠当量载荷 与当量转速 的计算mFmnZ 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1n2n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：%1q(4.1) min/301rnqnmZ 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1F的重力 、Z 向溜板的重力 以及溜板和导轨的摩擦力 ，其中 ，1G2Gf NG10， ， 为N502 )(3.205402.)510(4)(11ff 2f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） (4.2) 1F21f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maxminaF(4.3) NF18032ain（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。14现根据滚珠丝杠螺母副的预期工作时间进行计算。（N） (4.4) 4.2759108230610603am cnWmhfFLnC为预期工作时间；h为载荷性质系数，平稳无冲击时取 1；wf为精度系数，1、2、3 级精度时为 1；n为可靠性系数，一般选取 1；cf（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：max）重 复 定 位 精 度 （ )2/13/(max由于 Z 轴的重复定位精度要求低于 2 ，所以 。m7.0ax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：(4.5) )(49.27.01329.0039.10maxmax2 LFELFdm 其中：E 为弹性模量（ ） ，一般滚珠丝杠取 E= ；aMP aMP5.为估算的滚珠丝杠螺母副允许的最大轴向变形量；ax为导轨的静摩擦力（N） ， ，其中为静摩擦系数，W 为移动部0FF0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 。 0325)4.12.( L）（有 效 行 程 （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。15表 4.1 滚珠丝杠副不同循环方式的比较内循环 外循环循环方式浮动式 固定式 插管式 螺旋槽式代号 F G C L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amCd,2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 Y、Z 轴装配图） 。164.1.2 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：eqJ(4.6) )(0431.16.05.793214.).20(15( 244120 KgmdLmJBLeq 其中， 为轴向负载的等效转动惯量；LJ为丝杠的等效转动惯量；B电机驱动丝杠竖直运动的等效负载转矩 按下式计算：eqT)(064.9.14.320801 mNiLFTeq 其中， 为轴向载荷；1为丝杠导程；0L为传动比，由于是电机直接驱动丝杠，所以其值为 1；i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1eqT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： 0max1TTfeq其中， 为快速空载启动时折算到电机轴上的加速转矩（ ） ；mN为快速空载启动时折算到电机轴上的摩擦转矩（ ） ；0f 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TmN摩擦转矩。加速转矩 的计算：max(4.7) )(034.8.056341.14.32602ax mNtnJJTaeqeq 其中， 为电机转轴的角加速度（ ） ；2/srad为电机的转速 ；mnmin/r为电机加速所用时间，一般在 0.3-1s
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