畢業(yè)設計（論文）-半導體晶片切割機設計

緒論1.1課題背景及研究意義芯片封裝是三大半導體行業(yè)之一。隨后的包裝過程包括：劃線，粘膜，超聲波焊接，包裝，測試，包裝。晶片切割機是芯片封裝線上一個設施，但是這個設備是第一個..關鍵.器件，其用途是將制造.好的晶片切割成一個.單元，并準備進.行下一步。切割芯片的尺寸通常是3到6個芯片，單元晶片的外觀有兩種，也可以說是一種，一是矩形，另一個就是多邊形。目前，中國的半導體封裝設備都是來自進口的，它們主要來自美國、日本、新加坡引進[1]。為了讓中國盡快的擁有自己的芯片封裝設備，研究組從沒有放棄對IC封裝設備晶片切割機方面的研究。因此，本專業(yè)論文題目為“半導體晶片切割機設計”，擁有很大的學術研究價值，有著重要的意義，未來應用發(fā)展也有著很好的前景。1.2國內(nèi)外相關研究情況在國外，七十年代初晶片切割機橫空出世，開啟了晶片切割機的新紀元，誕生以來，它的發(fā)展速度像火箭般飛快，涉及的方面也越來越廣泛，各種各樣相繼出現(xiàn)。一開始，外國只有三個國家制作生產(chǎn)晶片切割機，發(fā)達國家美國對這方面很早就有研究，英國同時也沒有放棄這方面研究，日本是緊追其后趕著研究，就是在這樣時代，在當時最多也就只有五家公司有能力制造晶片切割機，但是現(xiàn)在不同了，俄羅斯也開始生產(chǎn)研究，臺灣加入了其中的行列，中國作為發(fā)展中的國家也不甘落后，也開始創(chuàng)造晶片切割機，晶片切割機生產(chǎn)廠家已經(jīng)發(fā)展到十幾家。這和以前相比較很明顯有了前所未有的進步。目前，國外的切割機制造商已經(jīng)擁有很多，其中最著名得有四家公司，誰也沒想到的是日本在這方面的研究成果突出，特別當時的日本DISCO世界聞名，東京精密TSK的這方面研究力度也很大，還要另外兩個公司也相當有名那就是以色列ADT和英國流星公司。當?shù)谝粋€生產(chǎn)的晶片切割機.問世，他只能只用于切割半.導體晶圓，而且只能切割硅.片尺寸還很小，大約只有3英寸?，F(xiàn)在不同了，它不僅可以.切割硅，還可以切割其他.薄，脆，硬的材料，有了更多越來.越廣泛的應用。大約能占世界晶片切割機銷量的80％都是來自日本的一個公司，那個公司就是DISCO公司，當然銷量一定程度也代表了質量，代表了技術，代表了目前晶片切割機一個巔峰的水平。JPsereezAssoeiateS公司也生產(chǎn)了一個晶片切割機，它是紫外激光晶片切割機，而它的切割范圍也有一定的限制，目前可用于切割300mm的，它采用355nm或266nm短脈沖UV激光光源，同時也采用高性能，超精準氣動控制臺，這樣就會使得高速劃片后，斷面的邊緣不僅會十分光滑，而且非常平直，切割槽寬僅2.5μm[2]。我國真的開始開發(fā)晶片切割機，可能在七十年代。1982年，中國終于擁有了自西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）的封裝設備，第一臺砂輪晶片切割機，這意味著中國在封裝道路上邁出了關鍵性的一步。結束了我國多年對進口的晶片切割機需求，開創(chuàng)了半導體行業(yè)上自給自足的歷史性轉折。到目前國內(nèi)也已經(jīng)發(fā)展了很多廠商，其中最讓人熟知的就是中國電子科技集團公司45研究所和武漢三電設備制造有限公司[3]。當然還有一些其他的廠商例如，西安杰盛電子科技有限公司，沉陽儀器科學研究院，上海福安工廠自動化有限公司。在國內(nèi)，晶片切割機最先進.的技術，還屬中國電子科技集團45研究所，它采用了當時最新的技術，對芯片的質量提高了很多。它是如何提高芯片質量呢？主要從芯片的抗彎強度，同時也讓晶圓的正負輪減少了。這個技術當時叫做恒轉矩變頻技術。在這樣的技術爆發(fā)的時代，國內(nèi)專家夜以繼日的研究，最終在在2004年時，研發(fā)一臺精密自動切割機，并命名它的型號是HP801。這個晶片切割機不僅在硅片的直徑做了突破，同時也在硅片上的芯片數(shù)量做出了突破，芯片的輸出效率也得到提高，并達到了實用，定位精度±10μm。同時其他國內(nèi)廠商并沒有放棄研究，其中最突出的還屬沉陽儀器科學研究院，他們當時切割晶圓的行程和國際水平僅僅只是差了50.8mm，（當時國際水平是203.2mm）精度達到了±5μm/35Omm,但是在切割速度上就需要有待繼續(xù)鉆研了，和國際水平相差甚遠。雖然還有很大的差距，但是不能否認國內(nèi)在晶片切割機設備上的努力鉆研的成果。在2010年1月3日，蘇州天宏激光有限公司在激光劃片有了突破性研究，值得引人注目的是他把槽寬度降低到了3μm，這在當時國內(nèi)是相當艱難的，這個技術的成熟也讓他們推出了國內(nèi)首款晶片激光切割機，并取名為TH-321激光晶片切割機。從國內(nèi)外現(xiàn)狀.來看,盡管國內(nèi).產(chǎn)商努力研究，但是國內(nèi)劃片.機的劃片尺寸、切割速度及.定位精度還是達不到國際.先進水平,劃片槽的寬度也一直再緊追國際水準，雖然還有著很大的差距,但我國仍一直在晶片切割機研究方面努力鉆研。1.3晶片切割機的發(fā)展過程晶片切割機發(fā)展可以分為三個階段，金剛石劃片、激光劃片和砂輪劃片是晶片切割機根據(jù)其劃片方法的發(fā)展過程分類的[3]。（1）金剛石劃片這是最早的劃線方法，也是現(xiàn)在使用最少的方法，機會可以說被淘汰了。使用尖銳的金.剛石尖端加以.切割，以約50克的固.定載荷切割出小.片的分割線，加上彎曲力.矩將其分成小塊的。金剛石切割線也有一定的范圍，通常它的寬度為6-8μm，深度為5μm。如果劃線芯片時，打破薄.膜可能.會破裂，小片邊緣不整齊，碎片不能.順利進行。劃片的成品產(chǎn)量在很大程度上由兩個因素決定，一是取決于金剛石尖端的加工精度，二是它的鋒利度。（2）激光劃片第二代劃片是.激光劃線。激光劃線是激.光脈沖在硅表面照射，這些被照射的部分硅.就會因為被.照射溫度升高，這個溫度大概有.10000℃高溫，并在瞬間氣化或熔化，然后這樣就會讓硅片留下溝槽，再沿著這些溝槽分開。當激光劃片時，在硅晶片的表面上.會粘附一.些硅粉，因此必須對硅晶.片進行一定的處理，它上面的灰塵如果不處理的話就會影響精度。激光劃線的方法高于金剛石切割，因此在一段時間內(nèi)取代了金剛石切割。(3)砂輪劃片第三代晶片切割機.是砂輪晶片切割機。砂輪切片機采用了.最新的研究成果，它是采用高速.運行的靜液.壓主軸驅動刀片，通過控制光柵.和導軌系統(tǒng)，刀片定位在材料的加工中，最終形成.深度和寬度的切口。刀片的工作效率是由劃線速度決定的，并且如果連續(xù)地提高切割速度，就會產(chǎn)生一定的影響，則切割過程中就會產(chǎn)生不穩(wěn)定的刀具速度。切割速.度和待加.工材料的硬度.有著很大的關系，如硅片表面材料的硬度很大的話，這就會直接影響切割速度。切割深度過大時切割超硬材料會對刀片產(chǎn)生很大影響，對刀片的正常使用十分不利，最終影響刀片壽命[4]。三種劃線技術的比較如表1.1所示。從表1.1可以看出，砂輪劃線不論從哪個指標里相比較，相對于其他兩種加工技術具有突出優(yōu)勢，可以說是目前所達到的最高水準，因此砂輪劃片是目前的主流加工技術[5]。表1.1加工工藝比較指標 分類金剛石劃片激光劃片砂輪劃片加工速度46mm/s150mm/s300mm/s加工深度3～10μm～100μm～100μm加工寬度3～10μm20～25μm刀片厚度+10μm劃片效果裂紋大有熱損耗只有微小裂紋成品率60～70%70～80%98%噪音小大較小其他硅片厚度為小片尺寸的1/4以下有黏著灰塵的問題需要切削液、壓縮空氣1.4晶片切割機的工作原理1.4.1金剛石晶片切割機的工作原理金剛石切割機是.切割基板的，它是通過高速旋.轉的金剛石刀片，而傳統(tǒng).的激光劃片和金剛石劃片.就有很大的不同，它使用的是脈沖激光，在陶瓷中沿直線打一系列盲孔，但是盲孔的深度有一點要求，大概是陶瓷厚度為1/3至1/4，因為應力集中，沿線的陶瓷材料可以1.4.2激光晶片切割機的工作原理激光劃線機由八大部分組成。其中的控制面板有著一些按鈕或者旋鈕，工作表面上覆蓋有氣孔，氣孔和真空泵連接，在電池片吸附在控制臺上的時候，就是因為打開了真空泵，使劃片過程中的芯片保持平穩(wěn)而難以移動。激光是不用接觸就可以的加工的，這樣就有一個好處就是他沒有機械沖壓力，工件不容易變形。它通過光能迫使物質的化學鍵斷裂，然后劃出痕跡。主要用于1.4.3砂輪晶片切割機的工作原理精密切割設備我們.通常選擇砂輪。切割工件通常有.兩種形狀，一個是切割前尺寸大小最小直徑為.50圓形，另一個是最大邊為方形.200的平方的方形。切割后的小顆粒的.形狀也有三種，它們分別為方形，矩形和六邊形。它的切割刀具主要采用超薄金剛石刀片，主軸驅動.高速旋轉刀具，通過強力磨削.對集成1.5本課題的主要內(nèi)容結合前期的.工作及本課.題的實際情況，本文的主(1)通過調查相關資料，然后參考分析，了解IC封裝，最后對晶片切割機的工作原理也做了相關理解；(2)做好原理方.案設計，然后在做好結構方.(3)對晶片切割機進行了最初設計，確定一些最初結構參數(shù)，并完成相關計算；(4)對晶片切割機的機械結構X、θ、Y和Z軸四個軸分別進行詳細設計；（其中Y≥250mm，Z軸≥(5)完成裝配圖和零件圖。2劃片機的總體方案設計2晶片切割機的總體方案設計2.1晶片切割機的原理方案設計2.1.1晶片切割機X、Y、Z軸的原理方案設計晶片切割機X和Y軸主要完成平行切割，Z則主要完成切割深度。他們都主要的是完成往復直線運動。可以做往復直線運動的機構很多，比如曲柄滑.塊機構，凸輪機構.，齒條機構.，螺桿驅動機構.，氣缸，液壓缸等.多種。但是由.于需要精確定位，其中有三種機構.就不能滿足要求，他們分別是曲柄滑塊機構，凸輪機構和齒條機構。又考慮經(jīng)濟情況，氣缸，液壓缸需要建立獨立的泵站，不僅增加了成本，還要控制系統(tǒng)改變復雜[7]。因此就只剩下滾珠絲杠考慮，滾珠絲杠傳動廣泛應用于送料系統(tǒng)，不僅傳動比大，而且它的精度也很高，結構也相對2.1.2晶片切割機θ軸的原理方案設計晶片切割機的θ軸，它是切割兩個以上方向，順時針運動或者逆時針運動，并且執(zhí)行θ軸的旋轉以驅動工作臺，切割特定方向的芯片。因此，θ軸要實現(xiàn)往復運動，而且還可以達到自鎖的目的。這就必須要有一個準確的索引，可以實現(xiàn)小分辨率，可以進行微調等[8]。很高傳動比才能達到要求，因此選擇了具有較大傳動比的渦輪蝸桿傳動。綜上所述，畫出了總傳動系統(tǒng)示意圖，如圖2.1所示。其中1承片臺2砂輪刀片3Z向絲杠4Y步進電機5Y滾珠絲杠6Z向步進電機7?向步進電機8滑動平臺9X軸伺服電機10滾珠絲杠11直線導軌12蝸輪蝸桿圖2.1總傳動系統(tǒng)示意2.2晶片切割機的結構方案設計[10]方案的原理.已經(jīng)確定，實現(xiàn)方案的原理有各.種方案，每個方案都有.自己的優(yōu).點和缺點。其中，晶片切割機主軸，芯片固定方式，定位模式，控制方式，冷卻保護方案已經(jīng)確定，因此其結構已經(jīng)確定[11]。晶片切割機機的X，Y，Z和θ軸具有不同的布局模式。四種方案如表2.1所示。表2.1結構方案比較表序號承片臺的運動結構復雜程度砂輪刀片的運動防水性能總體布局1X+Y+Z+θ復雜自轉好不好2X+Y+θ較復雜自轉+Z好不好3X+Y較簡單自轉+Z+θ不好不好4X+θ較簡單自轉+Y+Z好好第一種方案的.原理圖如圖.2.1所示。除了XY交.叉運動外，托架還有Z方向上下，θ向.旋轉運動，四結構，復.雜結構，機器自.身重量大，定位精.度的影響，不應該采用。第二種方案的原理圖如圖2.2所示。除了XY交叉運動之外，托架也沿θ方向旋轉。該結構比第一個稍微簡單一些，但運動慣性也很大，影響定位精度的缺點，不應該使用。圖2.1方案一示意圖圖2.2方案二示意圖第三種方案的原理圖如圖2.3所示。工作室只是X-Y交叉運動，結構比較簡單。但輪葉除了旋轉外，還可以為Z上下擺動，θ向旋轉運動，結構比較復雜，因此，不應該使用。第四種方案的原理圖如圖2.4所示。承載臺只有X進給和θ旋轉，結構簡單。雖然磨輪刀片除了旋轉外，還要做Y和Z的上下運動，但結構比較簡單，所以最終決定這個結構方案。圖2.3方案三示意圖圖2.4方案四示意圖2.3方案可行性分析方案的確定是在某一個背景下，驅使人們?nèi)パ芯?，去趕追世界潮流。在這個科技強國的時代背景下，我國一直努力鉆研。我們都知道人思考是需要大腦，那么機器用的是什么呢？當然是cpu，cpu的性能直接影響整體性能。我們最了解還屬電腦和手機，這兩個機器讓我們深刻的知道一個好的cpu相當于奔騰的寶馬，可以肆意的奔跑。玩游戲的時候極其卡頓，黑屏，藍屏整個程序直接崩潰，是一件讓人瘋狂的事；當然不止游戲，從事畫圖工作的人，電腦沒有一定的cpu是跑不起來的。而cpu制造工藝的最后一步也是最關鍵的一步就是cpu的封裝技術。好的封裝技術當然離不開好的芯片，所以研究芯片的封裝是十分必要的，芯片的封裝的第一個關鍵性設備，也就是前面已經(jīng)做了了解，國內(nèi)芯片封裝技術和國外差距十分大。就西安來說，最開始的三星半導，再到后來的立成半導，最后的華天科技，只有三家公司從事芯片封裝，一個韓國的，一個臺灣的，為什么只有這么三家，我們本土的就只有一家，說到底還是我們沒有那方面的技術。芯片封裝涉及極廣，就第一道產(chǎn)線的晶片切割機都是外國的，盡管我國一直努力研究但是還是有著很大的差距。用著別人的永遠超越不了別人，要想進一步發(fā)展就要獨立自主的生產(chǎn)制造劃片，緊追國際水平，日本一個小小島國，而我大中華這么多人，總有一天我們會趕追國際水平。因此晶片切割機研究是十分必要的，同時方案也是必要的。上面淺談了方案的建設背景和研究的必要性，下面從晶片切割機的方案的可行性進行分析。先從原理上分析，把運動合理分配，承載臺只有X進給和θ旋轉，而刀片做Y和Z的上下運動，上面所選的結果結構簡單，當然也能完成設計的要求，經(jīng)分析這個原理上是合理的。下來就是選擇每個方向運動的動力源，傳動裝置，經(jīng)一番查閱分別選擇了合適的。因此，技術方面是可行的。綜合以上考慮經(jīng)濟和環(huán)保方面也是可行的。3劃片機結構參數(shù)的初步設計及相關計算3晶片切割機結構參數(shù)的初步設計及相關計算3.1晶片切割機主軸的參數(shù)的初步設計[12]要確定砂輪切割機的主軸參數(shù)，必須首先確定砂輪切割機刀片形式。砂輪劃線機使用刀刃的外邊緣（外徑）實現(xiàn)切割，根據(jù)點的形式：硬刀和軟刀。硬刀由刀片和法蘭制成，軟刀需要使用法蘭夾緊。根據(jù)組合.點：鎳.基刀，燒.刀，樹.脂刀。切片.機一般選擇刀.片直.徑φ50-φ100mm鎳基刀和樹脂刀。對于晶圓在IC封裝中切割，一般采用鎳基硬刀。其中，鎳基刀是其直徑一般為50mm的鎳基粘合劑電鍍金剛砂[13]。此外，它具有壽命長，刀刃幾何保持良好，精度高，切割質量高，可生產(chǎn)0.015毫米薄刀等。鎳基刀的厚度通常為0.015-0.1mm，其中選擇0.020mm。對于φ50mm鎳基刀，主軸轉速通常建議為3萬?3.5萬r/min，當然也有一個最高轉速，最高4萬r/min。因此，晶片切割機的主軸轉速最后選了最高的。已經(jīng)決定選擇砂輪刀片用電主軸來驅動，電主軸可以分為三大類，我們主要是利用它強大的磨削。因為劃片是很強的磨削加工，所以選擇電主軸要在磨削種類中選取。選擇國內(nèi)最高水準的空氣靜壓電主軸，它的轉速相當之高，最低可以達到40wr/min最高可以達到50wr/min。它的運轉速度十分穩(wěn)定，因此可以得到平穩(wěn)的線速度。他還可以長時間保持高精度，滿足電主軸潤.滑方式.有三種，一般常用的是油氣.潤滑，還要兩.種不經(jīng)常使用，它們是油脂.潤滑和油.霧潤滑。油脂.潤滑速度應較低對于上述選擇的參數(shù)，可以選擇專門用于生產(chǎn)高速切割機的洛陽軸研.究技術，型號.92GD40Q。其中，速度40000r/min，功率0.75kw，電壓220v，適用于具有高速主.軸的晶圓切割機。3.2原動機參數(shù)的初步的設計原動機是驅動機器完成預.期功能的.電源。因為機器需.要X，Y，Z，θ四.個方向的不.相關運動，所以需要有四個原.動機，根據(jù)局部載荷不大，主要要求的特點是.精密.分度，原動機采用步進電機。步進電機的總位.移精度等于輸入指令脈沖.的數(shù)量，或平均速度與輸入.指令脈沖的頻率成正比[16]。同時，可以在其工作頻帶的運動狀態(tài)下從一個運動狀態(tài)穩(wěn)定地切換到另一運動狀態(tài)。在X方向，伺服電機可用于實現(xiàn)精確位移，精確定位，伺服電機選擇松下生產(chǎn)交流伺服電機，額定轉速3000r/min，額定轉速X軌最大位移速度為500mm/s，其它3.3晶片切割機X軸參數(shù)的初步設計根據(jù)X>400mm的要求，X軸有效行程的初始設計為450mm左右，劃線速度范圍為0?300mm/s;線性導軌選擇在銀線性導軌上，兩個直線導軌間距為140mm，導程為5mm，作為精密傳動絲桿，力小，采用類比法，根據(jù)以往的設計經(jīng)驗，確定螺桿的公稱直徑d=20mm3.4晶片切割機θ軸參數(shù)的初步設計θ軸驅動系統(tǒng)需要精確的分度，實現(xiàn)小分辨率，微調，這需要高傳動比，因此θ軸驅動被識別為具有較大傳動比的蝸輪蝸桿傳動[17]。θ轉臺：±120°，轉角的最小分辨率選3.5晶片切割機Y軸的初步設計因為Y軸系統(tǒng)的作.用是驅動高.速主軸做切.割進給運動，也就是說，根據(jù)單位尺.寸的尺寸逐.步運動。在X軸完成往.復運動后，Y軸導軌.驅動高速主軸.運行單位晶圓.尺寸距離，以完成下一個切割線。Y軸要求結構剛度高，運行平穩(wěn)，位移分辨率高，整個軌道的累積誤差?。?μm/400mm）。因此，為了滿足使用要求，為了降低成本，Y軸選擇步進電機驅動，滾珠絲杠螺母機構為傳動機構，螺桿有效行程250mm，最初確定為300mm，引線5mm處。導軌選擇滾動直線導軌，導軌間距最初確定為200mm，長度600mm。3.6晶片切割機Z軸的初步設計Z軸系統(tǒng)是在劃線過程中驅動高速主軸提升刀刀運動的過程中的作用。X軸驅動臺往復運動一次，Z軸驅動剪刀也上下升降，完成單元切片段切割。Z軸的要求是重復定位精度，以確保晶片切割深度的一致性[18]。因此，為了滿足精度要求，為了降低開發(fā)成本，Z軸選擇步進電機驅動，滾珠絲杠螺母機構作為進給機構，螺桿的有效行程為100mm，初步確定為150，先導初步2mm。導軌初步選擇滾動直線導軌，軌道寬度初始確定為220mm，長度300mm。4劃片機X、θ、Y、Z軸機械結構具體設計4晶片切割機X、θ、Y、Z軸機械結構具體設計4.1X軸機械結構的設計及計算4.1.1X軸伺服電機的選型輸送機的總質量W=15kg，實際摩擦系數(shù)μ=0.12，機械效率η=0.9。螺距BP=5mm，減速比GL=1/1，X軸方向無外力F。則（4.1）（4.2）在容量.選擇的時.侯.必.須滿足下面.條件:其中是電機額定慣性矩；10是進行高頻定位時的系數(shù)；是電機額.定轉矩；0.7是安全因子；TL是電機.軸換算的負.載轉矩。計算得：因此選擇的伺服電機需要滿足上面范圍，查詢選.型樣本，發(fā)現(xiàn)松.下的伺服電機.MSMD042G1的參數(shù)為JM=2.6×10-5kg?m2,很明顯.滿足要求。它的最大扭矩TAC=3.8N?m，額.定轉速為3000r/min，最大轉.速為50004.1.2X軸滾珠絲杠的選型1.參數(shù)與結構的選定確定滾珠絲杠的導程松下的伺服電型號是MSMD042G1,它的參數(shù)如下n額定=3000rmin,nmax（4.3）其中Vmax是X軸方向的最大運動速度,因此選擇滾珠絲杠的導程為Ph（2）確定滾珠絲杠的額定載荷當滾動導軌承受載荷的時候，滑動摩擦系數(shù)=0.12，一般情況看靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)是相等的，所以靜摩擦系數(shù)也和滑動摩擦系數(shù)取一樣，則導軌靜摩擦力為：（4.4）f是導軌滑塊的密封阻力，有4個滑塊，所以按4個計算，而一個滑塊的密封阻力是5N,那么劃片阻力很小，基本可以忽略不計，因此滾珠絲杠的當量載荷為（4.5）

滾珠絲杠螺母副的平均轉速為；其中（4.6）按滾珠.絲杠.副預期.工作時間計.算額定動.載荷為（4.7）Lh為預期.工作時間；fw為負荷系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊時取1fa為精度系數(shù)；fc為可靠性系數(shù)，一般選取1（3）滾珠絲杠.副的兩個固.定支承之.間的距離（4.8）其中l(wèi)為X軸有效行程，l=450mm；經(jīng)計算取L=556mm，滾珠絲杠采用的是兩軸承座支承，這兩個軸承座它們之間的距離為556mm。(4)滾珠絲杠最小螺紋底徑（4.9）(5)確定滾珠絲杠螺紋長度LLS應該滿足LS=l+2Le+其中Le為滿足設備行程要求后留出來的余量，一般它的取值在5mm到10mm之間H是螺母的高度這里取值51mm經(jīng)計算LS=521mm綜合公稱直徑.d作為精.密傳動.絲杠，它的受.力較小，按照以前.設計的.經(jīng)驗，最終決定絲.杠的公.稱直徑為d=20mm。經(jīng)查滾珠絲杠有一個的型號十分滿足要求，它的型號就是SFU02005-4，它的導程是5mm,公稱直徑是20mm。滾珠絲桿的零件圖如圖5.1圖4.1滾珠絲桿4.1.3X軸直線導軌的選型根據(jù)上面的計算，滾珠絲杠的公稱直徑是20mm,有個上銀的直線導軌符合要求，它的型號是上銀HGW20CA型號的直線導軌。銀直線導軌的零件圖如圖5.2圖4.2銀直線導軌4.2θ軸機械結構的設計及計算θ軸方向的傳動系.統(tǒng)是由所選的步.進電機通過.蝸輪蝸桿的傳.動，使之.帶.動承片臺順時針.運動與逆時針運動，它的旋轉.范圍是-120。~120。渦輪蝸桿.是θ軸傳動.的關鍵部件4.2.1蝸桿蝸輪副的主要參數(shù)選擇蝸輪蝸桿需要求.的主要參.數(shù)有四個，它們分別是.的.m，q，蝸桿.頭數(shù)Zl和蝸桿齒.數(shù)Z2等。在蝸桿傳動.裝置的設計中，首先選.擇蝸.桿頭Z1的數(shù).量，然后選擇蝸桿.齒Z2的數(shù)量，它們選擇都是.根據(jù)傳動目的.和傳動比。其次，再確定模數(shù)m，隨之確定特征系數(shù)q，然而這兩個參數(shù)的選擇是根據(jù)傳動扭矩的大小和狀況來。上面的四.個參數(shù)確定后，就需要確.定其他.尺寸了，其他幾何尺寸的.渦輪蝸桿，我們可.以根據(jù)其相應的公式計算得出。（1）蝸桿頭數(shù)Z1和蝸輪齒數(shù)Z2轉角分辨率為8″，我們選擇的步進電機，它的步進角為1.5°，所以傳動比:i≥1.5°×60×60/8″＝675，實際設計取i=680.蝸桿頭數(shù)Z1=1蝸輪齒數(shù)Z（2）模數(shù)m和蝸桿特性系數(shù)q在中間.平面上，蝸桿與蝸輪.嚙合時，蝸桿的軸.向模數(shù)和蝸.輪端面的模數(shù)，有著很大關系，它們是相.等的，即ma1=mt2，蝸輪.的端模數(shù).定義我們都知道，也就是我們.常說的標準模數(shù)，查標準手冊.用類比法，最終確定模.數(shù)為0.2，即：m=0.2，為了減少滾.刀的數(shù)量，這樣做有利于滾.刀的標準化，而且還提供了一定模數(shù)的蝸.桿分度.圓直徑，這樣也就對蝸桿的特性.系數(shù)加了限制，蝸桿特性.系數(shù)就是d1/m（dl—蝸桿分度圓直徑），這個比值.就是蝸桿特.征系數(shù)q，q=d1/m。當m=0.2時，（3）蝸桿蝸輪副主要幾何尺寸計算表4.1列出了蝸桿蝸輪.副主.要幾何尺寸計算。名稱符號計算公式得數(shù)蝸桿分度圓直徑d112.5mm蝸桿分度圓上升角λ55′蝸桿齒頂圓直徑da112.9mm蝸桿軸面頂隙系數(shù)C﹡蝸桿齒根圓直徑dn12mm蝸桿螺紋部分長度L15蝸輪分度圓直徑d2136mm蝸輪齒頂圓直徑da2136.4mm蝸輪齒根圓直徑df2135.5mm蝸輪外圓直徑dw2136.8mm蝸輪螺旋角β255′蝸輪寬度b9.5mm蝸輪輪齒包角2θ70°中心距a74.25mm（4）蝸桿蝸輪副設計首先確定蝸桿螺紋部分的長度：查手冊知：普通圓柱蝸桿：Z1=1，2時，b≥(12+0.1Z2)mZ1=3，4時，b≥(13+0.1Z2)mZC1蝸桿：b≈2.5mZC3蝸桿：當x2＜1，Z1=1，2時，b≥(12.5+0.1Z2當x2≥1，Z1=1，2時，b≥(13+0.1Z2)m；當x2＜1，Z1=3，4時，b≥(13.5+0.1Z2)m；當x2≥1，Z1=3，4時，b≥(14+0.1Z2)m；綜上所述，選擇蝸桿的螺紋部分的長度為b≥(12+0.1x680)x0.2=16mm,取蝸桿長度為蝸桿蝸輪如圖蝸桿4.3和蝸輪4.4圖4.3蝸桿圖圖4.4渦輪圖4.2.2步進電機的選型1.步進電機轉矩的選擇扭矩<0.8N.m，基本就在20,28,35,39,42（電機體直徑或平方度，單位：mm）它們中間選擇;扭矩在1N.m左右的時候，選擇57馬達更合適。扭矩在幾個N.m以上，就需要在86,110,130等步進電機的規(guī)格中選擇最合適的。所以選擇42mm步進電機。2.步進電機相數(shù)的選擇在兩相步.進電機、三相.步進電機和五.相步進電機.三個比較之后，綜合考慮下，最終確定步.進電機的相.數(shù)為五，所以采用.5相步進電機。綜合以上的敘述，發(fā)現(xiàn)日本山社有個步進電機十分合適，它的型號為SS1701E08A，電機靜力矩為130mNm。4.2.3θ軸方向的晶片工作臺幅面尺寸依據(jù)設計要求，設計θ軸方向的晶片工作臺，它的幅面尺寸為200X200mm。如圖圖4.5晶片工作臺4.2.4X軸方向移動滑臺幅面尺寸根據(jù)設計要求，X軸方向移動滑臺幅面尺寸為300X300mm。如下圖4圖4.6移動滑臺4.3Z軸機械結構的設計及計算4.3.1Z軸滾珠絲杠的設計（1）確定滾珠絲杠的導程要求Z軸的重復定位精度小于4μm，而分辨率=，選擇了一個步進電機，它的步進角是，所以絲杠的導程為：=（2）滾珠絲杠當量.載荷與當量轉.速的計算Z軸主要抬刀和落刀的運動，因此絲杠的工作時間很小。由于Z軸最大行程100mm，抬落刀速度100mm/s，X軸的有效行程要求是大于400mm，而要求的劃片速度是300mm/s，所以在一個工作行程內(nèi)，絲杠的工作時間為0.6s，靜止時間為1.2s。其中絲杠工作轉速也就是電機的轉速，它們是相等的，根據(jù)前面算的可以知道=3000r/min，靜止轉速=0r/min；由于絲杠只有一種工作轉速，所以就可以確定工作轉速的工作時間所占工作總時間的百分比，用公式表示如下：=100%，所以可計算Z軸的當量轉速如下：Z軸在抬刀落刀過程中，滾珠絲杠的軸向載荷為，其主要包含主軸電機的重力、Z向溜板的重力以及溜板和導軌的摩擦力，其中，，，是每個.滑塊的密.封阻力，像這.樣的滑塊一共.有四個，而每個這樣.滑塊的密封阻力大概約為5N，所以：=為了更好的承受載荷，加大Z軸的承載能力，將取為180N。因為Z軸絲桿只有一種工作轉速，所以其軸向最大載荷和最小載荷相等（3）確定預期的額定動載荷依據(jù)滾珠絲.杠螺母的預期運.行的距離進行.計算，根據(jù)最大軸向.載荷計算，有三種方法來確定預期的動態(tài)載荷，根據(jù)滾珠絲杠的預期運行時間計算。根據(jù)滾珠絲杠螺母的預期工作時間計算。（N）為預期工作時間；為載荷性質系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊時取1；為精度系數(shù)，1、為可靠性系數(shù)，一般選取1；（4）確定允許的最小螺紋底徑必須滿足下式：其中是滾珠絲.杠螺母.副的允許軸.向變形量由于Z軸的重復定位精度要求低于4絲杠選擇的支.撐方式是兩.端支承，因為選擇了兩.端支承，所以螺.紋底徑的估算公式如下：其中：E為彈性模量（），一般滾珠絲杠取是導軌的靜摩擦力（N），L為滾珠絲杠螺母副的兩個支承之間的距離（mm）（5）選擇滾珠循環(huán)方式表4.2對滾珠在不同的方式比較循環(huán)，因為Z軸重復定位精度要求較高，而主軸在切割時保證了Z軸剛度要求的切削深度的一致性更高，綜合比較，選擇固定內(nèi)循環(huán)的內(nèi)循環(huán)。表4.2滾珠絲杠副不同循環(huán)方式的比較（6）選擇滾珠絲杠副的預緊類型滾珠絲杠一對預.緊.型.雙螺母齒.差.預.緊，雙螺母墊片預緊，雙螺母螺紋預緊，單螺母.位移鉛.預負荷和單螺母增.加.球.預緊力，雙螺母墊片有很大的優(yōu)點，它不僅預緊.結構簡單，而且緊實可靠，軸向尺寸合適，適（7）滾珠絲杠型號的確定經(jīng)查滾珠絲杠的型號JF1602-4滿足要求，它的導程是2mm,公稱直徑是16mm,動額定動載荷是3.5KN。滾珠絲桿的零件圖如圖44.7滾珠絲桿（8）滾珠絲杠的精度等級因為Z軸的切割.深度需要被.確保一.致性，而且對重.復定位精.度也有很大的要.求，因此，選擇一級精度。（9）確定滾珠絲杠副的支承滾珠絲杠的支承形式選擇的是支撐一端固定與一端鉸鏈，因為固.定端.需要承受軸向還要承受.徑向載荷，所以采用角.接觸.球軸承，軸承型號7201AC;而鉸鏈只需要承受.徑向載荷，因此選擇.4.3.2Z軸電機的選型Z軸.選擇的原動機是步進電機，其選擇，首先需要計算的負載等效轉動慣量就是轉換為電機軸的，然后在各種等效負載轉矩下.計算所需條件，然后根據(jù)步.進電機最大.靜態(tài)扭矩.和啟動、運行.矩.頻.特性等選擇.合適的步進.電機，具體步驟如下。（1）等效負載轉動.慣量和等效負.載轉矩的計算其中，是等效負載轉動慣量；是等效轉動慣量（軸向負載的為絲杠的等效轉動慣量；其中，是等效負載轉矩；為軸向載荷；為絲杠導程；為傳動比，它的值取1；為傳動機械效率，取值為0.9；（2）快速空.載啟動等效轉.矩的計算其中，是電機快.速空載啟動.的等.效轉矩為加速轉矩（快速空載啟動時折算到電機軸上，單位）為摩擦轉矩（快速空載啟動時折算到電機軸上，單位）為其他附加轉矩（）加速轉矩的計算：其中，為電機轉軸的角加速度（）；為電機的轉速；為電機加速所用時間（一般在0.3-為傳動鏈的總效率，一般取0.7-其中，是折.算到電.機軸.上的.摩擦力矩G為移動部件的重量；為導軌的當量摩擦系數(shù)；（滾動導軌取0.003為絲杠導程；為傳動鏈的總效率；為傳動比。由于通常的值相對和的值較小，因此?？珊雎圆挥?，所以。（3）最大工作負載等效轉矩的計算最大工作負載等效轉矩的計算公式為其中，為等效負載轉矩，由于晶片切割機的力度是非常小的，所以基本可以忽略不計，所以；為摩擦.轉矩（），由于劃片.機的力.度的.力度是.非常小的，所以基本可以忽略不計，所以；為其他附加轉矩（）。（4）步進電機型號的選擇由于使用等于大于.最大工作負載等.效轉矩負載的切割.等效轉矩來劃片，所以根據(jù)最大工.作負載.扭矩當.量的選擇，可以及時啟.動切割。查詢資料.發(fā)現(xiàn)利時90BYG系.列中的90BYG550B-SAKRML-0301型步進電機.滿足要求，它的相數(shù)為5，步進角是，保持轉.矩大于4.0，定位轉矩是0.2，轉動慣量是0.00045很明顯它是大于，因此最終決定選擇此型號步進電機。另外，由于Z軸.選.擇的傳動是滾珠絲杠傳動，其無法自.鎖，而且Z軸.豎直布置，因此需要設置自.鎖機構，為了簡化機構.設計，本機采用電機來實現(xiàn)自鎖。該步進電機的定.位轉矩0.2大于，所以，Z軸的自.鎖要求4.3.3Z軸導軌的選型（1）確定導軌的使用條件據(jù)對應于表4.3導軌的承載能力和經(jīng)驗關系，為了使一個緊湊的結構，由于Z軸的軸向載荷為180N，負荷小，查閱得相關的文檔，規(guī)格導軌為8，它是HSR8RM形式。表4.3導軌承載量與導軌規(guī)格對應的經(jīng)驗關系承載量/KN0-33-55-1010-2525-5050-80導軌規(guī)格303545556585（2）滑塊載荷的計算滑塊載荷的計算公式如下：其中，為合成載荷，為縱向載荷，為橫向載荷，因為在橫向Z軸關于絲杠對稱布置，所以滑塊所受橫向載荷很小。其中，P1為Z軸重心到絲杠的垂直距離；為豎直方向兩滑塊的重心距；為Z軸部件的重力。所以，（3）導軌額定壽命的計算其中，為所選導軌的額定動載荷；為載荷系數(shù)，無外部沖擊或振動的低速運動，其值為1-1.5，這里取為1；上面計算的導軌使用壽命為64345m很明顯是大于50km，因此導軌的設計可以達到要求。4.4Y軸機械結構的設計和計算4.4.1Y軸滾珠絲杠的設計（1）確定滾珠絲杠的導程類比z軸可以得絲杠的導程為：===5mm（2）滾珠絲杠當量載荷與當量轉速的計算Y軸的當量轉速如下：滾珠絲杠的軸向載荷，為溜板和導軌的摩擦力，為Z軸的軸向載荷為Z軸電機的重力，為Z軸導軌的重力，其中，，所以=最終取值為30N。這樣它的驅動能力高點。（3）確定預期的額定動載荷依據(jù)滾珠絲.杠螺母的.預期運行.的距離.進行計.算，根據(jù)最大.軸向.載荷計算，有三種方法來確定預期的動態(tài)載荷，根據(jù)滾珠絲杠的預期運行時間計算。根據(jù)滾珠絲杠螺母的預期工作時間計算。（N）為預期工作時間；為載荷性質系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊時取1為精度系數(shù)，1、為可靠性系數(shù)，一般選取1；（4）確定允許的最小螺紋底徑由于Y軸的重復定位精度要求低于4絲杠的支撐方式為兩端支承，所以螺紋底徑的估算公式如下：其中：E為彈性模量（），一般滾珠絲杠取為估算的滾珠絲杠螺母副允許的最大軸向變形量；為導軌的靜摩擦力（N），，其中為靜摩擦系數(shù)，W為移動部件的總重量（N）；LL。（5）選擇滾珠循環(huán)方式由于Y軸重復定位精度要求較高，而主軸在切割時保證了芯片的一致性，Y軸剛度要求較高，所以綜合比較，選擇球循環(huán)進行固定內(nèi)循環(huán)。（6）選擇的預緊類型Y軸滾珠絲杠副仔細斟酌之后選擇雙螺母墊片預緊方式。（7）滾珠絲杠副型號的確定經(jīng)查滾珠絲杠的型號FSI20-5T3滿足要求，查詢相關資料，可以知道它的導程是5mm,公稱直徑是20mm,動額定動載荷是8.3KN（8）滾珠絲杠的精度等級由于Y.軸.對.切.割.深.度有要求，那些深度的.一致性它需.要被確保，并且.有著較高.的重復.定位精度.的要求，因此，選擇C1級精度。（9）確定滾珠絲杠副的支承滾珠絲杠的支承形式選擇的是支撐一端.固.定與一端.鉸.鏈，因為固定.端.需要承受軸向還要承受徑向載荷，所以采用角.接觸.球軸承;而鉸鏈只需要承受.徑向載荷，因此選擇了深溝球軸承。4.4.2Y軸電機的選型（1）等效負載轉動慣量和等效負載轉矩的計算（2）快速空載.啟動等.效轉矩的計算。（3）最大工作負載等效轉矩的計算（4）步進電機型號的選擇由于使用等于大.于最大工作.負載.等效轉矩負.載的切割.等效轉矩.來劃片，所以根據(jù)最大.工.作負載扭.矩.當量.的選擇，可以及時啟動切割。查詢資料.發(fā)現(xiàn)利時90BYG系列.中的90BYG550B-SAKRML-0301型步進電.機滿足要求，它的相數(shù)為5，步進角是，保持轉矩大于4.0，定位轉矩是0.2，轉動慣量是0.00045很明顯它是大于，因此最終決定選擇此型號步進電機。4.4.3Y軸導軌的選型（1）確定導軌的使用條件由于垂直于導軌的Y軸上的載荷為330N，所以載荷小。為了讓結構緊湊起來，查閱參考相關手冊，最終選擇了THK公司的負載式滾動線性導軌，軌道尺寸為10，根據(jù)導軌的承載能力與導軌之間的關系，該型號HSR10RM規(guī)格見表4-2。（2）滑塊載荷計算由于Z軸為關于Y軸.溜.板.對.稱布置，因此，Y軸.導軌上的負.載只是Y軸滑板的.重量。由于Y軸只管.前后運動，所以加.速/減速性能不高，并且不考慮因為加速或者減速引起的動態(tài)負載?？v向載荷計算如下：其中，為（Z軸系統(tǒng)的重力）；為（Z軸的軸向載荷）；為（Z軸電機的重力）；為（Z軸導軌的重力）。所以，（3）導軌額定壽命的計算為載荷系數(shù)，（無外部沖擊或振動的低速運動，其值為1-1.5）為了提高Y軸的承載能力，這里取為1.2；所設計的導軌的壽命是67837，很明顯是大于50km，因此是可以達到使用要求的。5劃片機其它裝置的設計5晶片切割機其它裝置的設計西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）5.1夾緊裝置的設計通常被加工的硅片平面度十分高，而且薄脆，這樣就會導致不能使用普通機械的裝加方式，因為十分容易讓硅片損傷，查閱相關資料發(fā)現(xiàn)，本文采用負壓的方式，把硅片吸附在工作臺[19]。最終選擇真空發(fā)生器，這樣就可以得到真空，也就可以產(chǎn)生負壓，加緊硅片也就問題不大了。負壓的通.斷情況，是可以.通過電.磁閥控.制，真空發(fā)生原.理的示.意圖.如圖6.1所示。圖6.1真空發(fā)生原理示意圖5.2氣路系統(tǒng)設計主軸選用的是靜壓空氣電主軸，但是它的工作環(huán)境有著很大要求，它需要恒定壓力潔凈的壓縮空氣，氣路系統(tǒng)相應也就必須有空氣壓縮機，還要有壓力調節(jié)閥和空氣過濾的裝置[20]?？諝膺^.濾裝置的過濾精度可以.達到.0.03μm，那是因為它采用了除.油，以及除水.和除塵的電主軸通常會抱軸，這個問題讓我們很是困擾，經(jīng)過一番艱苦研究增加了一個裝置，這個裝置是氣電聯(lián)鎖裝置，它有一個很好的優(yōu)點就是，你看把它當一個開關，當沒有給主軸供氣，或者氣壓沒有達到要求，這個開關就會閉合，電主軸也就不會啟動，正在工作的電主軸就會從工作狀態(tài)退出來，而且馬上停止運轉。5.3水路系統(tǒng)設計高速運轉后的電主軸和工作后的刀片都是需要冷卻的，沖洗砂輪刀片，清洗工件上的硅粉，這就需要設計水路系統(tǒng)，需要設置上下水的裝置?？刂粕纤耐〝嗲闆r，最終決定采用電磁閥。切割時候需要冷卻水的時