1目錄摘 要 1第一章 緒論 .21.1 課題的研究背景 21.2 劃片機(jī)的發(fā)展過程 21.3 三種劃片機(jī)的技術(shù)比較 31.4 國內(nèi)外劃片機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 41.5 劃片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 51.6 砂輪劃片機(jī)的基本功能與系統(tǒng)構(gòu)成 51.7 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 6第二章 IC 封裝的介紹及劃片機(jī)的工作原理 72.1 IC 封裝的介紹 .72.2 劃片機(jī)的工作原理 8第三章 劃片機(jī)原理方案和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) .113.1 劃片機(jī)設(shè)計(jì)方案的論證 113.2 劃片機(jī)的原理方案及結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 11第四章 劃片機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算 .144.1 原動(dòng)機(jī)參數(shù)的初步的設(shè)計(jì) 144.2 X 軸參數(shù)的初步設(shè)計(jì) 144.3 θ 軸參數(shù)的初步設(shè)計(jì) .144.4 支承和導(dǎo)軌的確定 144.5 砂輪主軸的確定 15第五章 劃片機(jī) X、θ 軸機(jī)械結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì) 165.1 X 軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算 165.2 θ 軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算 .18總結(jié) 25參 考 文 獻(xiàn) 261劃片機(jī)的總體規(guī)劃及 X、θ 軸設(shè)計(jì)學(xué) 生：指導(dǎo)教師：學(xué)院摘 要：IC 封裝是半導(dǎo)體三大產(chǎn)業(yè)之一，劃片機(jī)是 IC 后封裝線上的第一道關(guān)鍵設(shè)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(zhǔn)備。劃片機(jī)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(dǎo)體封裝設(shè)備所用的劃片機(jī)，還主要從美國、日本、新加坡引進(jìn)。為了促進(jìn)劃片機(jī)的國產(chǎn)化,本課題組開展了 IC 封裝設(shè)備劃片機(jī)的研制工作。因此把“劃片機(jī)的總體規(guī)劃及X、θ 軸設(shè)計(jì)”作為本次本科畢業(yè)論文的課題，既有較大的學(xué)術(shù)價(jià)值，又有廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：晶片；劃片機(jī)；半導(dǎo)體；切割 。 Abstract: IC encapsulation is one of the three largest industries in semiconductor, and 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 the 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 promote the localization of wafer incision,This research group has carried out the development of IC encapsulation equipment.So we put The overall planning of wafer incision and its design of X,θ axis as the subject research of undergraduate thesis,it has great academic value and broad application prospects.Keyword: chip; wafer incision; semiconductor; cut.2第一章 緒論1.1 課題的研究背景IC 封裝是半導(dǎo)體三大產(chǎn)業(yè)之一(器件設(shè)計(jì)、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(cè)、包裝。劃片機(jī)是 IC 后封裝線上的第一道關(guān)鍵設(shè)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(zhǔn)備。劃片機(jī)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(dǎo)體封裝設(shè)備(如劃片機(jī)、粘片機(jī)、金絲球焊機(jī)等)還主要從美國、日本、新加坡引進(jìn)。為了促進(jìn) IC 封裝設(shè)備的國產(chǎn)化，本課題組開展了 IC 封裝設(shè)備劃片機(jī)的研制工作。因此把“劃片機(jī)的總體規(guī)劃及 X、θ 軸設(shè)計(jì)”作為本科論文的課題，既有較大的學(xué)術(shù)價(jià)值，又有廣闊的應(yīng)用前景 [7]。1.2 劃片機(jī)的發(fā)展過程劃片技術(shù)是集成電路后封裝的一道工序，劃片機(jī)的劃片方法根據(jù)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。（1）金剛石劃片這是最早出現(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(shí)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(shí)出現(xiàn)切屑，掰片時(shí)就可能裂開，小片的邊緣又不整齊，分片就不能順利進(jìn)行。金剛石尖有圓錐形(l 點(diǎn)式)、四方錐形(4 點(diǎn)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取決于金剛石尖端的加工精度及其鋒利性的保持情況。（2）激光劃片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(huì)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(jìn)行分開的方法。激光劃片時(shí)，硅粉會(huì)粘在硅片表面上，所以還必須對(duì)硅片上的灰塵進(jìn)行必要的處理。該方法劃硅片比金剛石劃片的3成品率高，所以曾經(jīng)在一個(gè)時(shí)期內(nèi)替代了金剛石劃片。但激光劃片對(duì)工藝條件十分敏感。激光功率、劃片速度、焦點(diǎn)位置、氣流壓力等參數(shù)的波動(dòng)或變化都會(huì)影響劃片質(zhì)量，致使劃片深度尺寸不均勻，導(dǎo)致分片時(shí)容易碎片，降低成品率，增加了成本。同時(shí)激光劃片時(shí)，高溫對(duì)熱組織區(qū)內(nèi)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(duì)于其他的劃片技術(shù)來說，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhǔn)、光滑，能夠在每片晶圓上制作并切割出更多數(shù)量的芯片。(3)砂輪劃片第三代劃片機(jī)是砂輪劃片機(jī)。砂輪劃片機(jī)是利用高速運(yùn)轉(zhuǎn)的空氣靜壓主軸帶動(dòng)刀片，通過光柵尺和導(dǎo)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的切口 [1]。砂輪劃片工藝質(zhì)量與主軸轉(zhuǎn)速、切割速度、刀片厚度等都有一定的關(guān)系。相對(duì)合理的主軸轉(zhuǎn)速能有效地控制刀片在隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的相對(duì)震動(dòng)、有利于刀片在切割時(shí)的徑向穩(wěn)定性，從而提高切割質(zhì)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(huì)變得不好控制。切割速度會(huì)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(shí)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。1.3 三種劃片機(jī)的技術(shù)比較三種劃片技術(shù)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(duì)其他兩種加工技術(shù)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，因此砂輪劃片是目前的主流加工技術(shù)。表 1 三種劃片機(jī)的技術(shù)比較指標(biāo)分類金剛石劃片 激光劃片 砂輪劃片加工速度 46mm/s 150mm/s 300mm/s加工深度 3～10μm ～100μm ～100μm加工寬度 3～10μm 20～25μm ≤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 有黏著灰塵的問題 需要切削液、壓縮空氣4寸的 1/4 以下1.4 國內(nèi)外劃片機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀在國外，劃片機(jī)自七十年代初問世以來，發(fā)展非常迅速，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，品種也在不斷增加。剛開始時(shí)，只有日本、英國、美國三個(gè)國家的四、五個(gè)公司制造劃片機(jī)，而如今俄羅斯、臺(tái)灣、中國大陸也都制造出了劃片機(jī)，劃片機(jī)制造廠家己經(jīng)發(fā)展到十多個(gè)公司 [2]。目前,國外生產(chǎn)劃片機(jī)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(chǎn)的劃片機(jī)只是用來切割晶體管半導(dǎo)體硅片,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(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。日本 DISCO 公司生產(chǎn)的劃片機(jī)占世界劃片機(jī)銷量的 80%,代表著當(dāng)今劃片機(jī)的較高水平。該公司在 2002 年 12 月推出了 DFD636O 型劃片機(jī)，該機(jī)最大劃片尺寸達(dá) 3O0mm(12 英寸),劃片槽寬度達(dá)到 20μm 切割速度高達(dá) 600mm/s,定位精度最高達(dá) 0.003mm。JPsereezAssoeiateS 公司生產(chǎn)紫外(UV)激光劃片機(jī),可用于切割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(dòng)操作臺(tái),獲得了較高的速度和加速度,斷面邊緣光滑平直，而且劃片槽僅有2.5μm 寬。我國真正研制劃片機(jī)的時(shí)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(tái)國產(chǎn)化的砂輪劃片機(jī),結(jié)束了當(dāng)時(shí)我國劃片機(jī)完全依賴進(jìn)口的局面。國產(chǎn)劃片機(jī)設(shè)備制造商主要有:中國電子科技集團(tuán)公司第 45 研究所、沈陽儀表科學(xué)研究院、西安捷盛電子技術(shù)有限責(zé)任公司、上海富安工廠自動(dòng)化有限公司、武漢三工光電設(shè)備制造有限公司。我國的劃片機(jī)主要以中國電子科技集團(tuán)第 45 研究所為代表,該研究所從 1994 年開始先后生產(chǎn)了 HP602 型(150mm)精密自動(dòng)劃片機(jī),該款劃片機(jī)采用恒力矩變頻分相調(diào)速技術(shù),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(qiáng)度,從而提高了芯片的質(zhì)量,工作臺(tái)采用滾動(dòng)導(dǎo)軌；在此基礎(chǔ)上于 2004 年研制了 HP801 型(200mm)精密自動(dòng)劃片機(jī),在增大硅晶圓片一的直徑的同時(shí),也增加了硅晶圓片上芯片的數(shù)量,提高了芯片產(chǎn)出的效率,并達(dá)到了實(shí)用化,定位精度為士 10μm；而后又研制了 KS780 等型號(hào)的劃片機(jī)。沈陽儀表科學(xué)研究院研制了 ZSHS 型自動(dòng)砂輪劃片機(jī),精度達(dá)到了士 5μm μm /35Omm,切割晶圓的行程為 152.4mm,與當(dāng)時(shí)國際上 203.2mm 有很大的差距,切割速度為 150mm/S,與當(dāng)時(shí)的國外先進(jìn)的劃片速度 300mlm/s 還相差很大。目前,國產(chǎn)新型的雙軸 200mm(8 英寸)精密5自動(dòng)劃片機(jī),也已進(jìn)入了實(shí)用化階段,劃片槽寬度達(dá)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(jī) TH 一 321 型激光劃片機(jī),采用高精度的兩維直線電機(jī)工作臺(tái)及直驅(qū)旋轉(zhuǎn)平臺(tái),劃片槽寬度降低到 3μm。武漢三工光電設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的晶圓激光劃片機(jī),采用數(shù)控的工作方式,最大線切害速度為140ｍｍ/S,定位精度為士 10μm。1.5 劃片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)伴隨著電子技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，國際半導(dǎo)體業(yè)的生產(chǎn)已發(fā)生了巨大變化。集成電路由大規(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(gè)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(duì)于以金剛石砂輪為刃具的強(qiáng)力磨削加工工藝來說，已進(jìn)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(gè)國家（地區(qū)）建有 160 多條 8 英寸生產(chǎn)線，7 個(gè)國家（地區(qū)）建有 12 英寸生產(chǎn)線。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(jià)值大幅增加，給劃片機(jī)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(shè)備的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，加工制造更加困難。為了適應(yīng)集成電路的發(fā)展，劃片設(shè)備技術(shù)和工藝有了較快發(fā)展。最初的砂輪劃片機(jī)只是半自動(dòng)設(shè)備，控制系統(tǒng)采用的是單片機(jī)，容量小，設(shè)備的功能較少，設(shè)備的加工精度也不高。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在國外已有全自動(dòng)的砂輪劃片機(jī)，一般由主機(jī)部分、自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、自動(dòng)上下片、自動(dòng)清洗 4 個(gè)單元組成。砂輪劃片機(jī)的控制系統(tǒng)已開始采用工控機(jī)控制系統(tǒng)，控制功能增強(qiáng)；采用光柵測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)控制各軸的精密分度定位，步進(jìn)定位精度小于 0.003mm；采用 CCD 光學(xué)對(duì)準(zhǔn)顯微鏡進(jìn)行自動(dòng)圖像識(shí)別，自動(dòng)圖形對(duì)準(zhǔn)。目前日本的 DISCO 公司又推出了引領(lǐng)劃片機(jī)潮流、代表劃片機(jī)最高技術(shù)水平的雙軸對(duì)裝式12 英寸的全自動(dòng)劃片機(jī)，并逐漸進(jìn)入實(shí)用化階段。1.6 砂輪劃片機(jī)的基本功能與系統(tǒng)構(gòu)成從劃片的要求出發(fā),砂輪劃片機(jī)應(yīng)具備以下一些功能和裝置：1.具有能進(jìn)行精確平行線切割的機(jī)構(gòu),所以砂輪刀片或承載工件的承片臺(tái)應(yīng)能作 X 一 Y運(yùn)動(dòng)。2.為了切割不同深度的工件和讓刀的需要,應(yīng)具有能進(jìn)行高度調(diào)整的機(jī)構(gòu),所以砂輪刀片6或承片臺(tái)應(yīng)能作 Z 運(yùn)動(dòng)。3.為了進(jìn)行兩個(gè)以上方向的切割,應(yīng)具有能進(jìn)行轉(zhuǎn)向的機(jī)構(gòu),所以砂輪刀片或承片臺(tái)應(yīng)能作 θ 向運(yùn)動(dòng)。4.為了固定薄脆工件,應(yīng)具有合適的夾緊裝置。5.應(yīng)具有高轉(zhuǎn)速、高精度的砂輪刀片驅(qū)動(dòng)裝置——中頻空氣靜壓電主軸。6.圖形對(duì)準(zhǔn)裝置——光學(xué)顯微鏡及其調(diào)整機(jī)構(gòu),精確切割帶有圖形的工件。7.空氣壓縮機(jī)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。8.上、下冷卻水裝置,提供充足的冷卻液。9.滿足生產(chǎn)率和精度要求的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、相應(yīng)的硬件以及控制軟件。1.7 本課題的主要研究?jī)?nèi)容(1) 通過調(diào)研和參閱相關(guān)資料，了解 IC 封裝及劃片機(jī)的工作原理； (2) 完成原理方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，確定實(shí)施方案； (3) 對(duì)劃片機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)，并完成相關(guān)的計(jì)算； (4) 完成劃片機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) X、θ 軸進(jìn)行具體設(shè)計(jì)；（X 軸效行程大于 180mm,劃片速度0-300mm/s; θ 轉(zhuǎn)臺(tái):轉(zhuǎn)角為±100°，轉(zhuǎn)角最小分辨率小于 8 角秒） ； (5) 完成裝配圖和零件圖。 7第二章 IC 封裝的介紹及劃片機(jī)的工作原理2.1 IC 封裝的介紹2.1.1 IC 封裝的概念I(lǐng)C 封裝，就是指把硅片上的電路管腳,用導(dǎo)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(dǎo)體集成電路芯片用的外殼。它不僅起著安裝、固定、密封、保護(hù)芯片及增強(qiáng)電熱性能等方面的作用，而且還通過芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)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(dǎo)線與其他器件相連接，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的連接。因?yàn)樾酒仨毰c外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對(duì)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(yùn)輸。由于封裝技術(shù)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(shè)計(jì)和制造，因此它是至關(guān)重要的。2.1.2 IC 封裝的分類封裝主要分為 DIP 雙列直插和 SMD 貼片封裝兩種。從結(jié)構(gòu)方面，封裝經(jīng)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（小外形集成電路）等。從材料介質(zhì)方面，包括金屬、陶瓷、塑料、塑料，目前很多高強(qiáng)度工作條件需求的電路如軍工和宇航級(jí)別仍有大量的金屬封裝。 封裝大致經(jīng)過了如下發(fā)展進(jìn)程： 結(jié)構(gòu)方面：TO－DIP－PLCC－QFP－BGA －CSP； 材料方面：金屬、陶瓷－陶瓷、塑料－塑料； 引腳形狀：長(zhǎng)引線直插－短引線或無引線貼裝－球狀凸點(diǎn)； 裝配方式：通孔插裝－表面組裝－直接安裝 。2.1.3 具體封裝形式（1） 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(shù)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。 8（2） 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(cè)引出，封裝材料有塑料和陶瓷兩種。DIP 是最普及的插裝型封裝，應(yīng)用范圍包括標(biāo)準(zhǔn)邏輯 IC，存貯器 LSI，微機(jī)電路等。（3） 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(shù)在 PCB 上安裝布線，具有外形尺寸小、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。 （4） 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(duì)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(duì)空間要求較高的應(yīng)用，如 PCMCIA 卡和網(wǎng)絡(luò)器件。幾乎所有 ALTERA 的 CPLD/FPGA 都有 TQFP 封裝。（5） PQFP 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(xì)，一般大規(guī)?；虺笠?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。 （6） TSOP 封裝 TSOP 是英文 Thin Small Outline Package 的縮寫，即薄型小尺寸封裝。TSOP 內(nèi)存封裝技術(shù)的一個(gè)典型特征就是在封裝芯片的周圍做出引腳， TSOP 適合用 SMT 技術(shù)（表面安裝技術(shù)）在 PCB（印制電路板）上安裝布線。TSOP 封裝外形尺寸時(shí)，寄生參數(shù)(電流大幅度變化時(shí)，引起輸出電壓擾動(dòng)) 減小，適合高頻應(yīng)用，操作比較方便，可靠性也比較高。 （7） BGA 封裝 BGA 是英文 Ball Grid Array Package 的縮寫，即球柵陣列封裝。20世紀(jì) 90 年代隨著技術(shù)的進(jìn)步，芯片集成度不斷提高，I/O 引腳數(shù)急劇增加，功耗也隨之增大，對(duì)集成電路封裝的要求也更加嚴(yán)格。為了滿足發(fā)展的需要，BGA 封裝開始被應(yīng)用于生產(chǎn)。 采用 BGA 技術(shù)封裝的內(nèi)存，可以使內(nèi)存在體積不變的情況下內(nèi)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(shù)使每平方英寸的存儲(chǔ)量有了很大提升，采用 BGA 封裝技術(shù)的內(nèi)存產(chǎn)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 封裝方式有更加快速和有效的散熱途徑。2.2 劃片機(jī)的工作原理2.2.1 金剛石劃片機(jī)的工作原理9金剛石劃片機(jī)的工作原理如圖 1 所示。金剛石劃片機(jī)是通過高速旋轉(zhuǎn)的金剛石刀片對(duì)基板進(jìn)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(yīng)力集中，陶瓷材料沿此線即可折斷。所以金剛石劃片工藝優(yōu)勢(shì)在于劃片精度高，基板邊緣整齊，而使用激光劃片機(jī)的基板邊緣粗糙，精度難以控制。圖 1 金剛石劃片機(jī)原理2.2.2 激光劃片機(jī)的工作原理激光劃片機(jī)由激光晶體、電源驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、光學(xué)掃描聚集系統(tǒng)、真空泵、切割控制系統(tǒng)、二維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)、計(jì)算機(jī)等組成。控制臺(tái)上有電源、真空泵、冷卻水、緊急停止等的開關(guān)按鈕和電流調(diào)節(jié)旋鈕等。工作臺(tái)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(tái)上，使電池片在切割過程中保持平整并不易移動(dòng)。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(diǎn)處產(chǎn)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(jī)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／mm2)，使硅片表面材料瞬間氣化并在運(yùn)動(dòng)過程中形成一定深度的溝槽，由于溝槽處應(yīng)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(yīng)是通過表層的物質(zhì)蒸發(fā)出深層物質(zhì)，或是通過光能作用導(dǎo)致物質(zhì)的化學(xué)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(duì)電池片的污染，提高電池片的利用率。2.2.3 砂輪劃片機(jī)的工作原理砂輪劃片機(jī)是精密切割專用設(shè)備。被切割的工件通常是圓形或正方形的薄、脆、硬10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(zhǎng)為 200~的正方形片，切割后小粒子的尺寸最小是邊長(zhǎng)為 0.2~的正方形。切割后小粒子的形狀有正方形、長(zhǎng)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具，主軸帶動(dòng)刀具高速旋轉(zhuǎn)，通過強(qiáng)力磨削對(duì)集成電路基片，以及各種硬脆材料進(jìn)行高精度開槽和分割。11第三章 劃片機(jī)原理方案和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)3.1 劃片機(jī)設(shè)計(jì)方案的論證根據(jù)設(shè)計(jì)要求劃片機(jī)的劃片速度為 0 到 300mm/s,再結(jié)合第一、二章及下表表 2 所示，本次劃片機(jī)的設(shè)計(jì)選擇為砂輪劃片機(jī)；由于對(duì) X 軸的導(dǎo)軌精度要求較高，可選用THK 超精密直線導(dǎo)軌，通過滾珠絲杠帶動(dòng)滑板沿 X 方向運(yùn)動(dòng)；對(duì) θ 軸傳動(dòng)系統(tǒng)要求要有準(zhǔn)確的分度，可以實(shí)現(xiàn)小分辨率，能進(jìn)行微調(diào)，這需要很高的傳動(dòng)比，因此 θ 軸傳動(dòng)部件確定為有較大傳動(dòng)比的蝸輪蝸桿傳動(dòng)。表 2 三種劃片機(jī)的技術(shù)比較指標(biāo)分類金剛石劃片 激光劃片 砂輪劃片加工速度 46mm/s 150mm/s 300mm/s加工深度 3～10μm ～100μm ～100μm加工寬度 3～10μm 20～25μm ≤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3.2 劃片機(jī)的原理方案及結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)按照上述工作原理和基本功能要求,主機(jī)運(yùn)動(dòng)就是砂輪刀片與承載工件的承片臺(tái)兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。砂輪劃片機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案可有許多種,下面列出四種典型方案進(jìn)行比較，如表 3 所示。第一種方案中承片臺(tái)除了作 X 一 Y 十字運(yùn)動(dòng)外，,還要作 Z 向上下、θ 向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，四重結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)器的自重大，運(yùn)動(dòng)慣性大，影響定位精度，所以不宜采用。第二種方案中承片臺(tái)除了作 X 一 Y 十字運(yùn)動(dòng)外，還要作 θ 向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)比第一種稍簡(jiǎn)單，但同樣存在運(yùn)動(dòng)慣性大，影響定位精度的缺點(diǎn)，不宜采用。12第三種方案中,承片臺(tái)只作 X 一 Y 十字運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。但砂輪刀片除自轉(zhuǎn)外，還要作 Z 向上下、θ 向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而且冷卻液的出口與砂輪刀片的相對(duì)位置是固定的，隨著砂輪刀片的旋轉(zhuǎn)，冷卻液出口也在旋轉(zhuǎn)，這就增加了防水的難度。防止水的泄露，對(duì)劃片機(jī)來說是非常重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗男孤稌?huì)導(dǎo)致精密零部件的腐蝕，最后導(dǎo)致整臺(tái)設(shè)備很快喪失精度，無法使用。因此，這種方案不宜采用。第四種方案中,承片臺(tái)只作 X 向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。砂輪刀片雖然除了要作自轉(zhuǎn)外，還要做 Y 向進(jìn)給以及上下運(yùn)動(dòng)，但結(jié)構(gòu)也較簡(jiǎn)單，而且砂輪刀片的運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)方案。表 3 砂輪劃片機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案比較表序號(hào) 承片臺(tái)的運(yùn)動(dòng)動(dòng) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度度 砂輪刀片的運(yùn)動(dòng)動(dòng)防水性能能總體布局局1 X+Y+Z+θ 復(fù)雜 自轉(zhuǎn) 好 不好2 X+Y+θ 較復(fù)雜 自轉(zhuǎn)+Z 好 不好3 X+Y 較簡(jiǎn)單 自轉(zhuǎn)+Z+ θ 不好 不好4 X+θ 較簡(jiǎn)單 自轉(zhuǎn)+Y+Z 好 好晶片通過吸附固定在晶片承載臺(tái)上，晶片承載臺(tái)與 θ 軸一起安放在 X 軸運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)上，X 軸導(dǎo)軌帶動(dòng)滑臺(tái)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以完成單元晶片的切割，對(duì) X 軸的導(dǎo)軌精度要求較高，可選用 THK 超精密直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌行走平行度為 3.5μm/300mm,絲杠導(dǎo)程為5mm。電機(jī)選用額定轉(zhuǎn)速為 3000r/min 的交流伺服電機(jī)。 θ 軸系統(tǒng)的功能是帶動(dòng)承片臺(tái)順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)范圍為±100°。對(duì) θ 軸傳動(dòng)系統(tǒng)要求要有準(zhǔn)確的分度，可以實(shí)現(xiàn)小分辨率，能進(jìn)行微調(diào)，這需要很高的傳動(dòng)比，因此 θ 軸傳動(dòng)部件確定為有較大傳動(dòng)比的蝸輪蝸桿傳動(dòng)。綜上所述，總傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如下圖圖 2 所示。其中，X 軸通過交流伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠通過連接塊將晶片承載臺(tái)沿著直線導(dǎo)軌即 X 軸方向運(yùn)動(dòng)；θ 軸傳動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)通過一對(duì)蝸輪蝸桿副帶動(dòng)承片臺(tái)順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)范圍為±100°。θ 軸部件安裝在 X 軸系統(tǒng)上，與 X軸一起運(yùn)動(dòng)。13圖 2 劃片機(jī)原理及結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)14第 4 章 劃片機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算4.1 原動(dòng)機(jī)參數(shù)的初步的設(shè)計(jì)原動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)機(jī)器完成預(yù)定功能的動(dòng)力源。由于本機(jī)需要有 X、Y、Z、θ 四個(gè)方向互不相干的運(yùn)動(dòng)，所以需要有四個(gè)原動(dòng)機(jī)，但根據(jù)本課題的要求，只需要對(duì) X 、θ 兩個(gè)方向的動(dòng)力頭進(jìn)行設(shè)計(jì)。在 θ 方向上，根據(jù)本機(jī)負(fù)載不大，主要要求精密分度的特點(diǎn)，原動(dòng)機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)總的位移量是嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)，或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于輸入指令脈沖的頻率 [l7];同時(shí)在其工作頻段內(nèi)，可以從一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換到另一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在 X 方向上，采用伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精確位移、精確定位，伺服電機(jī)選用 Panasonic 公司生產(chǎn)的交流伺服電機(jī),額定轉(zhuǎn)速 3000r/min,在額定轉(zhuǎn)速下 X 導(dǎo)軌最大位移速度為 500mm/s 。4.2 X 軸參數(shù)的初步設(shè)計(jì)根據(jù)課題要求 X 軸有效行程大于 180mm，初步設(shè)計(jì) X 軸有效行程為 250mm 左右，劃片速度范圍為 0 到 300mm/s；直線導(dǎo)軌選用上銀直線導(dǎo)軌，兩直線導(dǎo)軌的間距為 140mm,滾珠絲杠導(dǎo)程初選為 5mm ，作為精密傳動(dòng)絲杠，其受力較小，采用類比法，按以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定絲杠公稱直徑為 d=20mm。4.3 θ 軸參數(shù)的初步設(shè)計(jì)θ 軸傳動(dòng)系統(tǒng)要求要有準(zhǔn)確的分度，可以實(shí)現(xiàn)小分辨率，能進(jìn)行微調(diào)，這需要很高的傳動(dòng)比，因此 θ 軸傳動(dòng)部件確定為有較大傳動(dòng)比的蝸輪蝸桿傳動(dòng)。θ 轉(zhuǎn)臺(tái):轉(zhuǎn)角±100°,轉(zhuǎn)角最小分辨率為 5 角秒,即 5/3600 度。4.4 支承和導(dǎo)軌的確定保持構(gòu)件之間作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的零件稱為支承,又叫軸承;保持構(gòu)件之間作相對(duì)移動(dòng)的零件稱為導(dǎo)軌。支承和導(dǎo)軌類型繁多,按摩擦性質(zhì)可分為:滑動(dòng)摩擦支承和導(dǎo)軌、滾動(dòng)摩擦支承和導(dǎo)軌、彈性摩擦支承和導(dǎo)軌、流體摩擦支承和導(dǎo)軌以及磁懸浮支承和導(dǎo)軌等。砂輪劃片機(jī)對(duì)支承的基本要求主要是要有較高的旋轉(zhuǎn)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(gè)方面。15與滑動(dòng)支承軸承相比,滾動(dòng)支承軸承的摩擦系數(shù)小,軸向尺寸小,啟動(dòng)靈活,效率高,可采用預(yù)緊方法消除軸承內(nèi)部間隙,增加軸承的剛性,提高回轉(zhuǎn)精度,潤(rùn)滑方便,維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單,批量生產(chǎn)、價(jià)格便宜、互換性好,支承對(duì)軸頸沒有損傷。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(zhuǎn)角范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn),不能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),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(shè)備和過濾系統(tǒng),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高,也限制了其應(yīng)用。因此本機(jī)的支承全部選用滾動(dòng)軸承。本機(jī)對(duì)導(dǎo)軌的基本要求主要是要較高的導(dǎo)向精度、運(yùn)動(dòng)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(duì)溫度變化不敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本要低。與確定滾動(dòng)摩擦支承理由相同,導(dǎo)軌也選用滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌。滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌摩擦阻力小,運(yùn)動(dòng)靈活平穩(wěn),不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象,耐磨損,壽命長(zhǎng),對(duì)溫度變化不敏感。導(dǎo)軌形式選用圓柱面導(dǎo)軌,圓柱面導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工工藝性好,容易得到較高的加工精度。4.5 砂輪主軸的確定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(zhuǎn)速應(yīng)為:n=V/πD=80xl000x60/3.14x50.8≈30000r/min實(shí)際工作中,要求驅(qū)動(dòng)砂輪刀片旋轉(zhuǎn)的主軸轉(zhuǎn)速極限必須超過 30000r/min。這樣高的轉(zhuǎn)速若采用普通機(jī)械支承,將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的摩擦熱,導(dǎo)致精度、壽命受損等嚴(yán)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(nèi)最先進(jìn)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(duì)使用環(huán)境和使用部位沒有任何污染。同時(shí),氣體軸承具有回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速高(轉(zhuǎn)速最高可達(dá) 40 0000——50 0000r/min),精度高,振動(dòng)小,無磨損,運(yùn)轉(zhuǎn)性能可靠,可獲得平穩(wěn)高速的線速度,并可長(zhǎng)期保持高精度狀態(tài)。16第 5 章 劃片機(jī) X、θ 軸機(jī)械結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)5.1 X 軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算5.1.1 X 軸伺服電機(jī)的選型絲杠輸送的總質(zhì)量 W 約為 15 kg,實(shí)際摩擦系數(shù) μ 約為 0.12,機(jī)械效率 η 約為0.9。絲杠螺距 BP 為 5 mm,減速比 GL 為 1/1,X 軸方向無外部作用力 F.則對(duì)電機(jī)軸換算的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL為 ??m015.102g?????NGLBPFL???容量選擇時(shí)必須滿足以下條件: ??MLJ7.0RT式中： 為電機(jī)額定慣性矩；10 為進(jìn)行高頻定位時(shí)的系數(shù)； 為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；0.7 為安MJ RT全因子。計(jì)算得： mkg????5102.NTR4以低慣量伺服電機(jī)為例,查詢選型樣本得到 MSMD042G1 符合要求。相關(guān)參數(shù)為:J M =2.6x10-5 kg·m, TR =1.3 N·m.最大轉(zhuǎn)矩 TAC =3.8 N·m.故伺服電機(jī)的選型結(jié)果為MSMD042G1 型伺服電機(jī),其額定轉(zhuǎn)速為 3000r/min ,最高轉(zhuǎn)速為 5000r/min。5.1.2 X 軸滾珠絲杠的選型1.參數(shù)與結(jié)構(gòu)的選定滾珠絲杠的主要參數(shù)有:絲杠直徑 d、螺距 S、絲杠螺紋長(zhǎng)度 Ls 和絲杠總長(zhǎng)等。(1) 確定滾珠絲杠的導(dǎo)程所選伺服電機(jī)為 MSMD042G1 型,其額定轉(zhuǎn)速為 3000r/min ,最高轉(zhuǎn)速為5000r/min，X 向的最大運(yùn)動(dòng)速度為 300mm/s,故絲杠導(dǎo)程為 mniVP6.3axh??其中 i 為傳動(dòng)比，由于伺服電機(jī)與滾珠絲杠直接連接，故 i=1。17因此選擇滾珠絲杠的導(dǎo)程為 Ph =5mm 。（2）確定滾珠絲杠的額定載荷滾動(dòng)導(dǎo)軌承重時(shí)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為 0.12，靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)差不多相等，靜摩擦系數(shù)也取 0.12，則導(dǎo)軌靜摩擦力為： 38N5410.2fg0 ?????mF?f 為導(dǎo)軌滑塊的密封阻力，按 4 個(gè)滑塊計(jì)算，每個(gè)滑塊密封阻力為 5N。由于劃片阻力很小，可以忽略，故滾珠絲杠的當(dāng)量載荷為 m382minax??滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速為；其中in/102nminaxrm?hpv60?按滾珠絲杠副預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算額定動(dòng)載荷為 2.49110382180610633am ?????caWmhfFlCLh 為預(yù)期工作時(shí)間；fw 為負(fù)荷系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊時(shí)取 1；fa 為精度系數(shù)；fc 為可靠性系數(shù)，一般選取 1；按滾珠絲杠副預(yù)期運(yùn)行距離計(jì)算額定的載荷 8.649350233am ??????cawmhfFPLC（3） 滾珠絲杠副的兩個(gè)固定支承之間的距離????hPl14~2.1?其中 l 為 X 軸有效行程，l=250mm；經(jīng)計(jì)算取 L=390mm 。（4） 滾珠絲杠最小螺紋底徑mLF5.078.dmin???公稱直徑 d 作為精密傳動(dòng)絲杠，其受力較小，采用類比法，按以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定絲杠的公稱直徑為 d=20mm 。查得型號(hào)為 SFU02005-4 的滾珠絲杠滿足要求，其導(dǎo)程為 5mm,公稱直徑為 20mm,動(dòng)18額定負(fù)荷為 1130kgf。由于滾珠絲杠用于高精度的傳遞相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以滾珠絲杠副的精度等級(jí)確定為 1 級(jí)，其精度為 6μm/300mm 。滾珠絲杠采用兩軸承座支承，兩軸承座之間的距離為 390mm 。5.1.3 X 軸直線導(dǎo)軌的選型由上面的計(jì)算知滾珠絲杠的公稱直徑為 20mm,故直線導(dǎo)軌選用上銀 HGW 20CA 型號(hào)的直線導(dǎo)軌。導(dǎo)軌主要用來保證各運(yùn)動(dòng)部件的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的，因此對(duì)導(dǎo)軌的精度要求主要是導(dǎo)向精度，本機(jī)對(duì)導(dǎo)軌的精度要求為：導(dǎo)軌的不直線度不大于 0.004mm/100mm;兩導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的不平行度不大于 0.005mm/100mm;導(dǎo)軌采用過贏裝配，形成預(yù)加負(fù)載。過贏量為 0.006mm;導(dǎo)軌淬火后硬度為 HRC60~64;導(dǎo)軌表面的粗糙度應(yīng)小于Ra=0.2μm 。5.2 θ 軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算θ 軸傳動(dòng)系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)通過蝸桿、蝸輪副帶動(dòng)承片臺(tái)順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)范圍為-100°~ +100°。對(duì) θ 軸傳動(dòng)系統(tǒng)的性能要求是轉(zhuǎn)角定位精度、反向間隙和重復(fù)定位精度。蝸桿、蝸輪副是 θ 軸傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，下面主要討論蝸桿蝸輪副的設(shè)計(jì)。5.2.1 蝸桿蝸輪副的主要參數(shù)選擇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(jìn)行蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般先根據(jù)傳動(dòng)的用途和對(duì)傳動(dòng)比的要求，選定蝸桿頭數(shù)Z1，和蝸輪齒數(shù) Z2，其次根據(jù)傳動(dòng)力矩的大小和使用條件確定模數(shù) m，同時(shí)選定蝸桿特性系數(shù) q，以上四個(gè)參數(shù)確定后，蝸輪蝸桿其它幾何尺寸可根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式求出。1. 蝸桿頭數(shù) Z1 和蝸輪齒數(shù) Z2本機(jī)要求的轉(zhuǎn)角分辨率為 8″，所采用的步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角為 1.5°，所以傳動(dòng)比應(yīng)為:i≥1.5°×60×60/8″＝675，實(shí)際設(shè)計(jì)中取 i=680。由于傳動(dòng)比大，所以蝸桿頭數(shù)確定為 1，即:蝸桿頭數(shù) Z1=1蝸輪齒數(shù) Z2 = iZ1 = 680192. 模數(shù) m 和蝸桿特性系數(shù) q蝸桿和蝸輪嚙合時(shí)，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mal=mt2 ，蝸輪的端面模數(shù)規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，采用類比法，查標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)確定模數(shù)為0.2，即:m=0.2 ，為了減少滾刀的數(shù)目，有利于滾刀的標(biāo)準(zhǔn)化，還規(guī)定了對(duì)應(yīng)于一定模數(shù)的蝸桿分度圓直徑，即對(duì) 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=d l / m。當(dāng)模數(shù) m=0.2 時(shí)，查標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)選取蝸桿特性系數(shù)為 24，即:q=62.5 。3. 蝸桿蝸輪副主要幾何尺寸計(jì)算蝸桿蝸輪副主要幾何尺寸計(jì)算列于表表 4 。表 4 蝸桿蝸輪副主要幾何尺寸名稱 符號(hào) 計(jì)算公式 得數(shù)蝸桿分度圓直徑 d1 qm??1d12.5mm蝸桿分度圓上升角 λ z1tanrc?55′蝸桿齒頂圓直徑 da1 ,21????aahd12.9mm蝸桿軸面頂隙系數(shù) C﹡ 5.0?蝸桿齒根圓直徑 dn ??mCa??1f 12mm蝸桿螺紋部分長(zhǎng)度 L 2z6.??15蝸輪分度圓直徑 d2 2d??136mm蝸輪齒頂圓直徑 da2 haa?136.4mm蝸輪齒根圓直徑 df2 ??mCf ??2 135.5mm蝸輪外圓直徑 dw2 daw?136.8mm蝸輪螺旋角 β 2 ???2 55′蝸輪寬度 b 175.0ba9.5mm20蝸輪輪齒包角 2θ ?70~452??70°中心距 a ??2azqm?74.25mm4. 蝸桿蝸輪副設(shè)計(jì)首先確定蝸桿螺紋部分的長(zhǎng)度：查手冊(cè)知：普通圓柱蝸桿：Z 1=1，2 時(shí)，b≥(12+0.1Z 2)m ；Z 1=3，4 時(shí)，b≥(13+0.1Z 2)m ；ZC1 蝸桿：b≈2.5m 2?ZC3 蝸桿：當(dāng) x2＜1，Z 1=1，2 時(shí)，b≥(12.5+0.1Z 2)m；當(dāng) x2≥1，Z 1=1，2 時(shí)，b≥(13+0.1Z 2)m；當(dāng) x2＜1，Z 1=3，4 時(shí)，b≥(13.5+0.1Z 2)m；當(dāng) x2≥1，Z 1=3，4 時(shí)，b≥(14+0.1Z 2)m；綜上所述，選擇蝸桿的螺紋部分的長(zhǎng)度為 b≥(12+0.1 x 680) x 0.2=16mm,取蝸桿長(zhǎng)度為 b=20mm 。蝸桿蝸輪副工作圖如圖圖 3 所示。21圖 3 蝸桿蝸輪副工作圖步進(jìn)電機(jī)通過彈性聯(lián)軸節(jié)直接帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸桿每轉(zhuǎn)一周，蝸輪轉(zhuǎn)過一個(gè)齒。蝸桿利用兩個(gè)面對(duì)面安裝的角軸承作軸向定位，利用調(diào)整墊來消除軸承之間的間隙，并預(yù)緊軸承，以此提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度和增加軸承裝置的剛性。蝸輪利用向心球軸承進(jìn)行中心定位，以提高旋轉(zhuǎn)的靈活性。4.1 蝸輪蝸桿副中彈性聯(lián)軸器的選擇由于所選電機(jī)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(hào)為 KH7-20 。4.2 蝸輪蝸桿副中軸承的選擇根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)，詳見圖紙，選擇軸承的型號(hào)為角接觸球軸承 7200B GB/T292-94 。5.2.2 蝸桿蝸輪副傳動(dòng)誤差的計(jì)算及精度分析傳動(dòng)誤差是由四個(gè)大小不同的偏心對(duì)轉(zhuǎn)角誤差的影響引起的，而且這四個(gè)偏心的相對(duì)位置(相位 )是隨機(jī)的。但當(dāng)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(zhuǎn)速同步旋轉(zhuǎn)，因此運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)理論來計(jì)算傳動(dòng)鏈的誤差時(shí)，應(yīng)根據(jù)平面上四個(gè)隨機(jī)矢量的合成原理來進(jìn)行計(jì)算。實(shí)踐證明，在影響傳動(dòng)誤差的四個(gè)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(gè)因素在精心設(shè)計(jì)、精心加工和裝配的條件下影響較小，有時(shí)可忽略不計(jì)。因此輸出的傳動(dòng)誤差△θt 可按下式計(jì)算： 2t8.4mzFtc???式中 Ftc ——傳動(dòng)切向綜合誤差， Ftc =50μm秒76.180.5.t ??ztc轉(zhuǎn)角 100°時(shí)的誤差為：秒.201t??????整個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn) 100°時(shí)的轉(zhuǎn)角誤差為：0.99 秒???2221s 8.045.t由于轉(zhuǎn)角誤差 Δθs＜8′，故從計(jì)算結(jié)果來看，設(shè)計(jì)的蝸輪蝸桿副的旋轉(zhuǎn)角度能夠滿足設(shè)備的使用要求。5.2.3 步進(jìn)電機(jī)的選型1. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的選擇22大致說來，扭力在 0.8N.m 以下，選擇 20、28、35、39、42(電機(jī)的機(jī)身直徑或方度，單位：mm);扭力在 1N.m 左右的，選擇 57 電機(jī)較為合適。扭力在幾個(gè) N.m 或更大的情況下，就要選擇 86、110、130 等規(guī)格的步進(jìn)電機(jī)。故 θ 軸步進(jìn)電機(jī)選擇 42mm步進(jìn)電機(jī)。2. 步進(jìn)電機(jī)相數(shù)的選擇兩相步進(jìn)電機(jī)成本低，步距角最少 1.8 度，低速時(shí)的震動(dòng)較大，高速時(shí)力矩下降快，適用于高速且對(duì)精度和平穩(wěn)性要求不高的場(chǎng)合；三相步進(jìn)電機(jī)步距角最少 1.2 度，振動(dòng)比兩相步進(jìn)電機(jī)小，低速性能好于兩相步進(jìn)電機(jī)，最高速度比兩相步進(jìn)電機(jī)高百分之30 至 50，適用于高速且對(duì)精度和平穩(wěn)性要求較高的場(chǎng)合；5 相步進(jìn)電機(jī)步距角更小，低速性能好于 3 相步進(jìn)電機(jī)，但成本偏高，適用于中低速段且對(duì)精度和平穩(wěn)性要求較高的場(chǎng)合。由于 θ 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)精度為 8″，對(duì)精度要求較高，故選用 5 相步進(jìn)電機(jī)。綜合以上的敘述，選擇步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為 SS1701E08A ，電機(jī)靜力矩為 130mNm 。5.2.3 θ 軸方向的晶片工作臺(tái)幅面尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)要求，θ 軸方向的晶片工作臺(tái)幅面尺寸為 200 X 200mm 。5.2.4 X 軸方向移動(dòng)滑臺(tái)幅面尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)要求，X 軸方向移動(dòng)滑臺(tái)幅面尺寸為 300 X 300mm 。5.3 夾緊裝置的設(shè)計(jì)由于被切割的硅片是平面度極高的薄脆片，普通的機(jī)械裝夾方式極易造成硅片的損傷,所以夾緊采用負(fù)壓方式將硅片吸附于工作臺(tái)上。負(fù)壓夾緊就是通過將硅片與承片臺(tái)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(tái)上。這樣裝夾即方便、效率高，又清潔，不損傷硅片。本機(jī)利用真空發(fā)生器獲得真空，從而產(chǎn)生負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)工件夾緊這個(gè)功能。真空發(fā)生器是利用高速氣流噴射時(shí)的引射現(xiàn)象產(chǎn)生真空的。負(fù)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。23圖 4 真空發(fā)生原理示意圖5.3.1 氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)具有空氣壓縮機(jī)、壓力調(diào)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(jí)過濾器,過濾精度可達(dá)到 0.03μm 。為保護(hù)電主軸不抱軸,應(yīng)具有氣電聯(lián)鎖裝置,當(dāng)未給主軸供氣或氣壓不符合要求時(shí),電主軸應(yīng)不能啟動(dòng),在運(yùn)轉(zhuǎn)中的電主軸應(yīng)從工作狀態(tài)退出,并立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。氣路系統(tǒng)示意圖如圖 5 所示。圖 5 氣路系統(tǒng)示意圖5.3.2 水路系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)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(shí)冷卻水的供給，不工作時(shí)水路關(guān)閉。為保證工作時(shí)有充足的水流，應(yīng)具有水電聯(lián)鎖裝置，當(dāng)未供水或水壓不符合要24求時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)不能進(jìn)行切割操作，在運(yùn)轉(zhuǎn)中的系統(tǒng)應(yīng)從工作狀態(tài)退出。水路系統(tǒng)示意圖如圖 6 所示。圖 6 水路系統(tǒng)示意圖25總結(jié)本文系統(tǒng)地論述了精密砂輪劃片機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)理論技術(shù)，當(dāng)前,微電子產(chǎn)業(yè)無疑是信息產(chǎn)業(yè)的核心和基礎(chǔ)。信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展使微電子產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)、國防等方面發(fā)揮越來越重要的作用。其發(fā)展快慢,技術(shù)水平高低,直接影響到國民經(jīng)濟(jì)信息化的進(jìn)程,已成為衡量一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展及綜合國力的重要標(biāo)志。IC 封裝設(shè)備劃片機(jī)的研制成功,對(duì)于微電子封裝系列的國產(chǎn)化,甚至對(duì)于整個(gè)微電子行業(yè)設(shè)備的國產(chǎn)化,都具有重要的意義。26參 考 文 獻(xiàn)[1] 姚道俊.砂輪劃片工藝的實(shí)踐與提高[J].集成電路通訊，2005，(6):35 一 37.[2] 袁惠珠.精密砂輪劃片機(jī)的設(shè)計(jì)及精度分析 7D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2004.[3] 馮曉國,張景和,張乘嘉,等.IC 封裝設(shè)備劃片機(jī)的研制[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，(4):50 一 52.[4] 謝中生.DISCO 會(huì)社與其具有世界領(lǐng)先水平的劃片機(jī)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，1996，(4):40 一41.[5] 袁慧珠.劃片機(jī)定位精度的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2003，(7):51 一 52.[6] 候飛.劃片機(jī)工作臺(tái)精確定位控制技術(shù)研究[D].西安，西安工業(yè)大學(xué)，2012.[7] 楊云龍,劉金榮.全自動(dòng)劃片機(jī)自動(dòng)識(shí)別對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2001,(110):46一 4.[8] 俞忠飪.我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J].微細(xì)加工技術(shù),1998,(1):1 一 6.[9] 宮崎.Ic 制造上諸多問題[J].機(jī)械研究,1969,21(2):69 一 73.[10] 王春明,胡倫驥等.激光切割前沿輻射與切割質(zhì)量關(guān)系的初探「J〕.中國機(jī)械程,2001,(7):312.[11] 呂宇強(qiáng),胡明,吳淼,張之圣,劉志剛. 熱紅外探測(cè)器的最新進(jìn)展[J]. 壓電與聲光, 2006, 28(4):407-410.[12] 王明權(quán).HP 一 602 型精密自動(dòng)劃片機(jī)誤差分析與精度分配[J].電子工業(yè)專業(yè)設(shè)備,1999(2):18一 23.27[13] 李超波, 焦斌斌, 石莎莉, 葉甜春, 陳大鵬, 張青川, 郭哲穎, 董鳳良, 伍小平. 基于 MEMS 技術(shù)的紅外成像焦平面陣列[J]. 半導(dǎo)體學(xué)報(bào), 2006, 27(1):150-155.[14] 楊云龍.HP-801 精密自動(dòng)劃片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2004,33（6）：60-62.[15] 周延祐，李中行.電主軸技術(shù)講座 第二講 電主軸的基本參數(shù)與結(jié)構(gòu) （一）[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2003（7）：64~67.[16] 曾天翔.電子設(shè)備測(cè)試性及診斷技術(shù).北京:航空工業(yè)出版社,1996.[17] 王大翊.自動(dòng)測(cè)試設(shè)備接口裝置研究和夾具設(shè)計(jì)技術(shù).電子測(cè)量及儀器學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.蘭州,2002.[18] 于功敬、張韜. VXI 通用測(cè)試軟件框架結(jié)構(gòu)的研究.計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制,1999,7(3).[19] 四通全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器使用手冊(cè).2004.[20] 嚴(yán)愛珍.機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.