摘 要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、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。但由于與國外技術(shù)存在差距，目前我國高端劃片機(jī)仍然依賴進(jìn)口。為了促進(jìn) IC 封裝設(shè)備的國產(chǎn)化，本設(shè)計(jì)對(duì)劃片機(jī)進(jìn)行了總體規(guī)劃并且對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)在分析劃片工藝要求的基礎(chǔ)上，確定了劃片機(jī)的主要功能，進(jìn)而進(jìn)行了劃片機(jī)的各部分功能的原理方案設(shè)計(jì)。其次，提出了四種不同的結(jié)構(gòu)方案，并詳細(xì)對(duì)比了其優(yōu)缺點(diǎn)，然后確定了結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，完成了劃片機(jī)的總體規(guī)劃。接下來，針對(duì)劃片工藝要求，進(jìn)行了各部分結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)，包括各軸的傳動(dòng)方案、支承方案以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后，根據(jù)課題要求，對(duì)劃片機(jī)的 Y、Z 軸進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，通過計(jì)算，分別完成了 Y、Z 軸的絲杠螺母機(jī)構(gòu)的選型、電機(jī)的選型、導(dǎo)軌的選型。最后，完成了劃片機(jī) Y、Z 軸的裝配圖。關(guān)鍵字：劃片機(jī)；總體規(guī)劃；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；滾珠絲杠；步進(jìn)電機(jī)；滾動(dòng)直線導(dǎo)軌；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 , China's high- scribing machine is still dependent on imports. In order to promote the localization of IC packaging equipment , the overall plan and key components＇detail 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 part's 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:Scribing machine; overall planning; structural design; ball screws; stepper motor; rolling linear guide目錄1 緒論 41.1 引言 41.2 劃片機(jī)的發(fā)展過程 41.3 劃片機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 51.4 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 62 劃片機(jī)的總體方案設(shè)計(jì) 62.1 劃片機(jī)的技術(shù)要求 62.2 劃片機(jī)的原理方案設(shè)計(jì) 72.2.1 劃片機(jī)砂輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理方案設(shè)計(jì) 72.2.2 劃片機(jī) X、Y、Z 軸的原理方案設(shè)計(jì) .72.2.3 劃片機(jī) θ 軸的原理方案設(shè)計(jì) 72.2.4 劃片機(jī)晶片固定方案設(shè)計(jì) 82.2.5 劃片機(jī)晶片定位方案設(shè)計(jì) 82.2.6 劃片機(jī)的控制方案 82.2.7 劃片機(jī)的冷卻、保護(hù)方案設(shè)計(jì) 82.3 劃片機(jī)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 93 劃片機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的初步設(shè)計(jì) 103.1 劃片機(jī)主軸的參數(shù)的初步設(shè)計(jì) 103.2 劃片機(jī)晶片定位機(jī)構(gòu)參數(shù)的初步設(shè)計(jì) 113.3 劃片機(jī)晶片固定系統(tǒng)參數(shù)的初步設(shè)計(jì) 113.4 劃片機(jī) X 軸的初步設(shè)計(jì) .123.5 劃片機(jī) Y 軸的初步設(shè)計(jì) .133.6 劃片機(jī) Z 軸的初步設(shè)計(jì) .133.7 劃片機(jī) θ 軸的初步設(shè)計(jì) 144 劃片機(jī)軸 Z 和 Y 軸的詳細(xì)設(shè)計(jì) 144.1 劃片機(jī) Z 軸的詳細(xì)設(shè)計(jì) .144.1.1 Z 軸滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 144.1.2 Z 軸電機(jī)的選型 164.1.3 Z 軸導(dǎo)軌的選型 174.2 劃片機(jī) Y 軸的詳細(xì)設(shè)計(jì) .184.2.1 Y 軸滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 184.2.2 Y 軸電機(jī)的選型 194.2.3 Y 軸導(dǎo)軌的選型 215 結(jié)束語 22致謝 221 緒論1.1 引言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、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 英寸晶片，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，對(duì)劃片機(jī)進(jìn)行總體規(guī)劃并且對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅有較大的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且有廣闊的應(yīng)用前景。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 6-8μm、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 2-5μm 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。三種劃片技術(shù)的比較如表 1-1 所示。由表 1-1 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 1-1 加工工藝比較指標(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1.3 劃片機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 [2]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。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 Load point 公司 [3]。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) 300mm(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。J P Sercel Associates 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 355nm 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)，在增大晶圓的直徑的同時(shí)，也增加了晶圓上芯片的數(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±10μm；而后又研制了 KS780 等型號(hào)的劃片機(jī) [4]。沈陽儀表科學(xué)研究院研制了 ZSH5 型自動(dòng)砂輪劃片機(jī)，精度達(dá)到了±5μm/350mm，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 300mm/s 還相差很大。目前，國產(chǎn)新型的雙軸 200mm(8 英寸) 精密自動(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-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±10μm。從國內(nèi)外現(xiàn)狀來看，國內(nèi)劃片機(jī)的劃片尺寸、切割速度及定位精度還沒有達(dá)到國際先進(jìn)的水平，劃片槽的寬度也與國外相差很大，所以對(duì)劃片機(jī)進(jìn)行總體規(guī)劃并且對(duì)其 Y、Z軸進(jìn)行設(shè)計(jì)具有重要的意義。1.4 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求本設(shè)計(jì)的要求如下：（1） 對(duì)劃片機(jī)進(jìn)行總體規(guī)劃，完成原理方案和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，確定實(shí)施方案；（2） 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；（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)，對(duì) Y、Z 軸進(jìn)行具體設(shè)計(jì)（Y 軸: 有效行程大于160mm，最小位移分辨率小于 2μm，步進(jìn)精度小于 4μm，全程累積誤差小于5μm/160mm； Z 軸：最大行程 30mm，重復(fù)定位精度小于 2μm。 ） ；（5） 完成裝配圖和零件圖。2 劃片機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)2.1 劃片機(jī)的技術(shù)要求劃片機(jī)是精密切割專用設(shè)備，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 英寸晶片，單元晶片的外形一般為矩形或多邊形，如圖 2-1 所示 [5]。圖 2-1 單元晶片圖形示意圖由前述可知，隨著劃片技術(shù)的發(fā)展，砂輪劃片機(jī)因其優(yōu)異的性能已經(jīng)成為當(dāng)今劃片工序中的主流加工設(shè)備。因此，本文以砂輪劃片機(jī)作為設(shè)計(jì)對(duì)象。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 [6]。（1）砂輪刀片應(yīng)能做高精度的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以便完成對(duì)晶片的劃切。（2）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-Y 向運(yùn)動(dòng)。（3）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)，所以砂輪刀片或承片臺(tái)應(yīng)能作 Z 向運(yùn)動(dòng)。（4）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)。（5）為了固定薄脆工件，應(yīng)具有合適的夾緊裝置。（6）精確的對(duì)準(zhǔn)裝置。（7）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。（8）其他輔助裝置，如冷卻、保護(hù)裝置等。通過上述分析，基本明確了劃片機(jī)應(yīng)該具有的功能，其中圖 2-2 為砂輪劃片機(jī)的功能結(jié)構(gòu)圖。晶片分割輔助功能平行線切割高度調(diào)整多個(gè)方向切割工件對(duì)準(zhǔn)工件固定精確控制冷卻保護(hù)等X - Y運(yùn)動(dòng)Z 向運(yùn)動(dòng)θ 向運(yùn)動(dòng)晶片切割方向的對(duì)準(zhǔn)晶片位置確定且能保持控制系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)砂輪高速主軸圖 2-2 劃片機(jī)功能結(jié)構(gòu)圖此外，本課題中對(duì) Y 軸和 Z 軸的設(shè)計(jì)有具體的技術(shù)要求，其中，Y 軸：有效行程大于160mm，最小位移分辨率小于 2μm，步進(jìn)精度小于 4μm，全程累積誤差小于5μm/160mm； Z 軸：最大行程 30mm，重復(fù)定位精度小于 2μm。2.2 劃片機(jī)的原理方案設(shè)計(jì)2.2.1 劃片機(jī)砂輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理方案設(shè)計(jì)劃片機(jī)是以強(qiáng)力磨削為劃切原理，在劃片時(shí)砂輪以每分鐘 3 萬到 6 萬的轉(zhuǎn)速劃切晶圓的劃切區(qū)域，因此，砂輪需要高速主軸來驅(qū)動(dòng) [7]。如果用普通主軸來實(shí)現(xiàn)，則需要使用變速機(jī)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且由于摩擦的存在，增加了電機(jī)的功率損耗。而電主軸是最近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)。高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)取消了帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“ 電主軸”(Electric Spindle, Motor Spindle)。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動(dòng)小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)速高、功率大，簡化機(jī)床設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)主軸定位，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)。因此，選擇電主軸來直接驅(qū)動(dòng)砂輪刀片，可以滿足本設(shè)計(jì)的使用要求。2.2.2 劃片機(jī) X、Y、Z 軸的原理方案設(shè)計(jì)劃片機(jī)的 X、Y、Z 三個(gè)軸主要完成劃片時(shí)的平行線切割和切割不同深度的工件以及讓刀等功能，因此它們主要完成往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有多種，如曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)，齒輪齒條機(jī)構(gòu)，螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，氣缸，液壓缸等。由于劃片時(shí)需要精確定位，而曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度達(dá)不到使用要求，氣缸、液壓缸還要單獨(dú)設(shè)置泵站，不僅增加了成本，而且使控制系統(tǒng)變的復(fù)雜。而螺旋傳動(dòng)大量使用在機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)上，具有傳動(dòng)比大、精度較高、結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。因此，選用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，通過螺旋傳動(dòng)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，可以滿足 X、Y、Z 三個(gè)軸的傳動(dòng)要求。圖 2-3 螺旋傳動(dòng)示意圖2.2.3 劃片機(jī) θ 軸的原理方案設(shè)計(jì)劃片機(jī) θ 軸的作用是為了進(jìn)行兩個(gè)以上方向的切割，通過 θ 軸的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)砂輪刀片或承片臺(tái)旋轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)的角度，從而完成特定方向上的切割。因此，θ 軸要實(shí)現(xiàn)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且能夠自鎖。此外，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)等。這需要很高的傳動(dòng)比，因此選擇具有較大傳動(dòng)比的蝸桿傳動(dòng)。圖 2-4 蝸輪蝸桿傳動(dòng)示意圖2.2.4 劃片機(jī)晶片固定方案設(shè)計(jì)由于被切割的晶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。該種裝夾方式不僅裝夾方便，而且效率高、清潔、不損傷硅片。2.2.5 劃片機(jī)晶片定位方案設(shè)計(jì)為了在晶片的特定位置上切出溝槽，被切晶片在承片臺(tái)上的定位必須準(zhǔn)確，幾乎不允許定位誤差的存在，這就要求硅片的定位操作一定要在具有一定放大倍數(shù)和高分辨率的監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視下來進(jìn)行。為此，選擇光學(xué)定位監(jiān)視系統(tǒng)作為圖形對(duì)準(zhǔn)裝置。劃片機(jī)的定位系統(tǒng)構(gòu)成如圖 2-5 所示。其中，光學(xué)系統(tǒng)采用內(nèi)、外置光源可轉(zhuǎn)換的分離視場顯微鏡+CCD 方式。該系統(tǒng)具有獨(dú)立的微調(diào)機(jī)構(gòu)，與主軸同步運(yùn)動(dòng)。分離視場顯微鏡是根據(jù)兩點(diǎn)確定一條直線的原理，從硅片上相距一定距離的兩點(diǎn)分別取像再合成，然后CCD 相機(jī)獲得合成圖像。圖像采集卡將 CCD 相機(jī)獲得的合成圖像采集后傳遞給圖像處理軟件，圖像處理軟件將處理結(jié)果反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，最后計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制劃切工作臺(tái)的移動(dòng)，使硅片切割線與 X 軸移動(dòng)軌跡相平行，將復(fù)雜的圖像對(duì)準(zhǔn)工作變得簡單而方便。圖 2-5 劃片機(jī)定位系統(tǒng)構(gòu)成2.2.6 劃片機(jī)的控制方案 [8]劃片機(jī)的控制任務(wù)主要是控制 X、Y 、Z、θ 軸的精確進(jìn)給，從而使晶片按要求完成劃切。此外，還要完成晶片的裝卸及自動(dòng)夾緊，冷卻液的供給，還應(yīng)該有必要的保護(hù)程序。因此，可以采用工控機(jī)作為上位機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制卡作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)劃片機(jī)的控制。2.2.7 劃片機(jī)的冷卻、保護(hù)方案設(shè)計(jì)為了冷卻主軸和砂輪刀片、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)斷。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，并且將故障狀態(tài)反饋給上位機(jī)，在控制頁面給出相應(yīng)故障提示。此外，對(duì)于承片臺(tái)，如果氣路發(fā)生故障，則應(yīng)該停止工作，防止晶片在高速旋轉(zhuǎn)的砂輪作用下飛出，并且在控制頁面上給出的相應(yīng)的故障提示。2.3 劃片機(jī)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) [9]砂輪劃片機(jī)的原理方案已經(jīng)確定，而實(shí)現(xiàn)原理方案的結(jié)構(gòu)方案有多種，每種方案又各有其優(yōu)缺點(diǎn)。其中，劃片機(jī)的主軸、晶片固定方式、定位方式、控制方式、冷卻保護(hù)方案已經(jīng)確定，所以它們的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)確定。而劃片機(jī)的 X、Y 、Z、θ 軸卻有不同的布局方式 [10]，典型的四種方案如表 2-1 所示。表 2-1 結(jié)構(gòu)方案比較表序號(hào) 承片臺(tái)的運(yùn)動(dòng) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度 砂輪刀片的運(yùn)動(dòng) 防水性能 總體布局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 較簡單 自轉(zhuǎn) +Z+θ 不好 不好4 X +θ 較簡單 自轉(zhuǎn)+Y+Z 好 好第一種方案的示意圖如圖 2-6 所示，承片臺(tái)除了作 X-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。第二種方案的示意圖如圖 2-7 所示，承片臺(tái)除了作 X-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。 主 軸 承 片 臺(tái) θ 電 機(jī)Z電 機(jī)X電 機(jī) Y電 機(jī)砂 輪 刀 片 Z電 機(jī) θ 電 機(jī)主 軸 承 片 臺(tái)X電 機(jī) Y電 機(jī)砂 輪 刀 片圖 2-6 方案一示意圖 圖 2-7 方案二示意圖第三種方案的示意圖如圖 2-8 所示，承片臺(tái)只作 X-Y 十字運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。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。而防止水的泄露，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。第四種方案的示意圖如圖 2-9 所示，承片臺(tái)只作 X 向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和 θ 向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較簡單。砂輪刀片雖然除了要作自轉(zhuǎn)外，還要做 Y 向進(jìn)給以及 Z 向上下運(yùn)動(dòng)，但結(jié)構(gòu)也較簡單，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。X電 機(jī) 主 軸 承 片 臺(tái)θ 電 機(jī) Z電 機(jī) Y電 機(jī)砂 輪 刀 片 主 軸 承 片 臺(tái)θ 電 機(jī)Z電 機(jī) Y電 機(jī)砂 輪 刀 片X電 機(jī)圖 2-8 方案三示意圖 圖 2-9 方案四示意圖3 劃片機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)3.1 劃片機(jī)主軸的參數(shù)的初步設(shè)計(jì) [11]要確定砂輪劃片機(jī)的主軸參數(shù)，首先要確定砂輪劃片機(jī)的砂輪刀片形式。砂輪劃片機(jī)用刀的外緣(外徑)來實(shí)現(xiàn)劃切，按形式分：硬刀和軟刀。硬刀是將刀片與法蘭做成一體，軟刀需用法蘭盤夾緊。按結(jié)合形式分：鎳基刀、燒結(jié)刀、樹脂刀。劃片機(jī)一般選用的刀片外徑為 φ50-φ100 mm 的鎳基刀和樹脂刀 [12]。對(duì)于 IC 封裝中的硅片劃切，一般使用鎳基硬刀 [13]。其中，鎳基刀是將金剛砂通過鎳基結(jié)合劑鍍制而成，其外徑一般取 50mm13。而且，其具有壽命長、刀邊緣幾何形狀保持好、高精度和高質(zhì)量切割、能制造出 0.015 mm薄刀等優(yōu)點(diǎn)。鎳基刀的厚度一般為 0.015-0.1 mm，這里選擇 0.020mm。對(duì) φ50 mm 的鎳基刀，主軸速度建議 3 萬-3.5 萬 r/min，最大 4 萬 r/min。因此，可取劃片機(jī)的主軸速度為 4 萬 r/min。在原理方案中，已經(jīng)確定選擇電主軸來驅(qū)動(dòng)砂輪刀片。而電主軸大致可以分為 3 大類：磨削、銑削、雕銑等。由于劃片是強(qiáng)力磨削加工，屬于磨削，因此應(yīng)從磨削大類中選擇電主軸。由于電主軸的轉(zhuǎn)速較高，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) 400000-500000r/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，并可長期保持高精度狀態(tài)，能滿足所設(shè)計(jì)的砂輪劃片機(jī)的使用要求。電主軸冷卻方式一般有自冷，風(fēng)冷，水冷和油冷幾種方式。其中水冷用的最多，可以根據(jù)電主軸的發(fā)熱量配相應(yīng)的功率的冷卻水系統(tǒng)?？諝忪o壓電主軸的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 3-1 所示。圖 3-1 劃片機(jī)空氣靜壓電主軸結(jié)構(gòu)簡圖電主軸的潤滑方式一般有油脂潤滑，油霧潤滑，油氣潤滑。油脂潤滑轉(zhuǎn)速相應(yīng)要低；油霧，油氣潤滑轉(zhuǎn)速高，但要配相應(yīng)潤滑系統(tǒng)。根據(jù)砂輪劃片機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速，選擇油氣潤滑。針對(duì)以上選定參數(shù)，可以選擇洛陽軸研科技專門為劃片機(jī)生產(chǎn)的高速電主軸，型號(hào)為92GD40Q。其中，轉(zhuǎn)速為 40000r/min，功率 0.75kw，電壓為 220v，為硅片切割機(jī)用高速電主軸。其中，劃片機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸如圖 3-2 所示，D=92mm，d=70mm，B=23mm，L1=210mm，L2=362mm 。圖 3-2 劃片機(jī)電主軸的結(jié)構(gòu)尺寸3.2 劃片機(jī)晶片定位機(jī)構(gòu)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)劃片機(jī)的定位系統(tǒng)使用的光學(xué)系統(tǒng)為分離視場顯微鏡，其原理為，相距 X 的兩物鏡分別拾取硅片上相距 X 的兩個(gè)半圓形影像，經(jīng)一系列的光學(xué)合成，在目鏡中給出一個(gè)合成的圓形影像，這個(gè)圓形影像的左右兩個(gè)半圓形影像分別是硅片上相距 X 距離的兩個(gè)半圓形影像的放大。根據(jù)兩點(diǎn)確定一條直線的原理，調(diào)整硅片位置，使兩影像中相應(yīng)的位置對(duì)正，硅片就在轉(zhuǎn)臺(tái)上準(zhǔn)確定位了 [14]。由此可見，顯微鏡的物鏡間距 X 與硅片的定位誤差成反比，既 X 越大，硅片定位誤差越小 [15]。但由于在集成電路生產(chǎn)中硅片的生產(chǎn)是在一定的尺寸范圍內(nèi)進(jìn)行的，所以說隨意地加大 X，將使顯微鏡正常使用的范圍縮小。根據(jù)既保證硅片在定位時(shí)，具有足夠高的定位精度，又保證定位監(jiān)視系統(tǒng)在很大的生產(chǎn)范圍內(nèi)正常使用的原則，通過調(diào)查和實(shí)際操作試驗(yàn)選定該系統(tǒng)顯微鏡的物鏡間距為 40mm[16]。采用 Y、Z 雙向細(xì)牙螺桿對(duì)顯微鏡進(jìn)行焦距和位置微調(diào)，如圖 3-3 所示。調(diào)整好的顯微鏡一字線正好與硅片切割線重合 [17]。圖 3-3 顯微鏡安裝調(diào)整示意圖3.3 劃片機(jī)晶片固定系統(tǒng)參數(shù)的初步設(shè)計(jì) [18]晶片固定是采用真空吸附來進(jìn)行固定的。真空吸附是利用了噴嘴高速噴射壓縮空氣，卷吸噴嘴出口周圍的空氣，從而形成負(fù)壓、產(chǎn)生吸力的原理。真空吸附的工作原理如圖 3-4 所示。圖 3-4 真空發(fā)生原理圖由于目前砂輪劃片機(jī)劃切的晶片的直徑主流是 200mm，所以本設(shè)計(jì)以 200mm 晶片為加工對(duì)象。因此，真空吸盤的直徑可初步定為 210mm。3.4 劃片機(jī) X 軸的初步設(shè)計(jì)X 軸的原理方案和結(jié)構(gòu)方案已經(jīng)確定，接下來要對(duì)電機(jī)、絲杠、導(dǎo)軌三個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。（1）電機(jī)選擇 [19]常見的控制電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)以及相對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場合。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移信號(hào)的執(zhí)行元件，每接收一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移與輸入脈沖的個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率成正比，轉(zhuǎn)向取決于繞組的通電相序。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)如下：①電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；②電機(jī)停轉(zhuǎn)的時(shí)候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當(dāng)繞組激磁時(shí)）③由于每步的精度在 3%-5%，而且不會(huì)將一步的誤差積累到下一步，因而有較好的位置精度和運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性；④優(yōu)秀的啟停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；⑤由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命；⑥電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且控制成本較低；⑦僅僅將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)；⑧由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。缺點(diǎn)：①如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振；②難以運(yùn)轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。伺服電機(jī)按驅(qū)動(dòng)電源的不同可以分為兩種，即直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。直流伺服電動(dòng)機(jī)是一種靠直流供電，其輸出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩能夠受輸入電壓或電流信號(hào)控制，并快速響應(yīng)的電機(jī)。它具有良好的啟動(dòng)特性，驅(qū)動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與控制電壓成正比，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而近似線性下降，當(dāng)控制電壓為零時(shí)能立即停轉(zhuǎn)。因此，在對(duì)調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)設(shè)備中經(jīng)常采用。而交流伺服電機(jī)是用交流信號(hào)控制的執(zhí)行電機(jī)。其主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行平穩(wěn)、脈動(dòng)小、低速無振動(dòng)、調(diào)速范圍寬、可短時(shí)過載、力矩特性好、控制精度高，但是控制方法復(fù)雜、價(jià)格貴。在同樣體積下，交流伺服電機(jī)輸出功率可比直流伺服電機(jī)提高 10%-70%。表 3-1 步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的比較由于 X 軸的作用是帶動(dòng)晶片做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以完成單元晶片的切割。對(duì) X 軸的要求是運(yùn)行平穩(wěn)，往返速度要快，對(duì)精度要求不高。而步進(jìn)電機(jī)的性價(jià)比高，結(jié)構(gòu)簡單，維修成本較低。因此，對(duì)比以上三種電機(jī)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以更好的滿足使用要求。（2）絲杠螺母機(jī)構(gòu)選擇絲杠螺母機(jī)構(gòu)按照摩擦性質(zhì)可以分為滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)?；瑒?dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低、具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動(dòng)效率低(30 ％-40％) 。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，無自鎖功能，但其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高(92％-98 ％)，而且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)精度高，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。由于劃片機(jī) X 軸要求運(yùn)行平穩(wěn)，往返速度要快，因此選擇滾珠絲杠螺母副。由于要求X 軸的有效行程大于 180mm，因此可以初步選擇 X 軸絲杠的長度為 470mm。絲杠導(dǎo)程初步確定為 10mm。（3）導(dǎo)軌選擇導(dǎo)軌按摩擦性質(zhì)可以分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、氣（液）體導(dǎo)軌。其中，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是在滑塊和導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉?，使滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大大降低了兩者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力。其可以實(shí)現(xiàn)無間隙運(yùn)動(dòng)，從而提高了機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)剛度，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。因此，X 軸選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，初步選定兩導(dǎo)軌間距 200mm，導(dǎo)軌長度 400mm。3.5 劃片機(jī) Y 軸的初步設(shè)計(jì) [20]因?yàn)?Y 軸系統(tǒng)的作用是帶動(dòng)高速主軸做切割進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即按單元晶片的規(guī)格尺寸分步運(yùn)動(dòng)。X 軸完成一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)后， Y 軸導(dǎo)軌帶動(dòng)高速主軸運(yùn)行一個(gè)單元晶片尺寸距離，以便完成下一行的切割。對(duì) Y 軸的要求是結(jié)構(gòu)剛度高，運(yùn)行平穩(wěn)，位移分辨率要高(2μm) ，導(dǎo)軌全程累積誤差要小(5μm/160mm) 。因此，在滿足使用要求的情況下，為了降低成本，Y 軸選擇步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，絲杠有效行程 160mm，初步確定為 320mm，導(dǎo)程為 5mm。導(dǎo)軌選擇滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌間距初步確定為 200mm，長度為 380mm。3.6 劃片機(jī) Z 軸的初步設(shè)計(jì) [21]Z 軸系統(tǒng)的作用是在劃片過程中帶動(dòng)高速主軸做抬刀落刀運(yùn)動(dòng)。X 軸帶動(dòng)工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，Z 軸帶動(dòng)劃片刀也上下抬落一次，完成對(duì)單元晶片的分段切割。對(duì) Z 軸的要求是重復(fù)定位精度要高，以保證對(duì)晶片切割深度的一致性。因此，在滿足精度要求的情況下，為了降低開發(fā)成本，Z 軸選擇步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)作為進(jìn)給機(jī)構(gòu)，絲杠有效行程為 30mm，初步確定為 150，導(dǎo)程初步確定為 2mm。導(dǎo)軌初步選擇滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌寬度初步確定為 220mm，長度為 120mm。3.7 劃片機(jī) θ 軸的初步設(shè)計(jì) [22]θ 軸主要帶動(dòng)承片臺(tái)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)其的要求是轉(zhuǎn)角±100°，轉(zhuǎn)角最小分辨率小于8 角秒。因此 θ 軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)初步選擇為步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。由于轉(zhuǎn)角最小分辨率小于 8 角秒，所以宜采用大傳動(dòng)比，類比同類傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，初步確定傳動(dòng)比為200。4 劃片機(jī)軸 Z 和 Y 軸的詳細(xì)設(shè)計(jì)4.1 劃片機(jī) Z 軸的詳細(xì)設(shè)計(jì)4.1.1 Z 軸滾珠絲杠的設(shè)計(jì)滾珠絲杠的主要參數(shù)的計(jì)算如下。（1）確定滾珠絲杠的導(dǎo)程 0L本機(jī)要求 Z 軸的重復(fù)定位精度小于 2μm，而分辨率= ，所采用的步進(jìn)036/步 進(jìn) 角導(dǎo) 程 ?電機(jī)的步進(jìn)角為 ，所以絲杠的導(dǎo)程為：036.= = =2mm0L步 進(jìn) 角分 辨 率 /?036./02.?（2）滾珠絲杠當(dāng)量載荷 與當(dāng)量轉(zhuǎn)速 的計(jì)算mFmnZ 軸主要抬刀和落刀的運(yùn)動(dòng)，因此絲杠的工作時(shí)間很小。由于 Z 軸最大行程 30mm，抬落刀速度 100mm/s，X 軸的有效行程大于 180mm，劃片速度為 300mm/s，所以在一個(gè)工作行程內(nèi)，絲杠的工作時(shí)間為 0.6s，靜止時(shí)間為 1.2s。其中絲杠工作轉(zhuǎn)速 =3000r/min，1n靜止轉(zhuǎn)速 =0r/min；由于絲杠只有一種工作轉(zhuǎn)速，所以工作轉(zhuǎn)速 的工作時(shí)間所占工作總2n時(shí)間的百分比為 =100%，所以可計(jì)算 Z 軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)速如下：%1qmin/30rnm?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(jī)的重力 、1F1GZ 向溜板的重力 以及溜板和導(dǎo)軌的摩擦力 ，其中 ， ，2G1fNG0?502?， 為每個(gè)滑塊的密封阻力，一共四個(gè))(3.20540.)51(4)(11ff ???????? 2f滑塊，每個(gè)滑塊的密封阻力約為 5N，所以= + + =170.3（N ）F2f為了提高 Z 軸的承載能力，將 取為 180N。因?yàn)?Z 軸絲桿只有一種工作轉(zhuǎn)速，所以1F其軸向最大載荷 和最小載荷 相等maxminaNFm18032ina???（3）確定預(yù)期的額定動(dòng)載荷確定預(yù)期額定動(dòng)載荷的方法有三種，分別是按滾珠絲杠副預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算、根據(jù)滾珠絲杠螺母副的預(yù)期運(yùn)行距離計(jì)算、根據(jù)最大軸向載荷計(jì)算?，F(xiàn)根據(jù)滾珠絲杠螺母副的預(yù)期工作時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。（N）4.275910823061063am ??????cnWmhfFLC為預(yù)期工作時(shí)間；h為載荷性質(zhì)系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊時(shí)取 1；wf為精度系數(shù)，1、2、3 級(jí)精度時(shí)為 1；nf為可靠性系數(shù)，一般選取 1；cf（4）確定允許的最小螺紋底徑滾珠絲杠螺母副的允許軸向變形量 必須滿足下式：max?）重 復(fù) 定 位 精 度 （ ??)2/1~3(max?由于 Z 軸的重復(fù)定位精度要求低于 2 ，所以 。m??7.0ax?由于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： )(49.27.0139.039.10maxmax2 LFELd ?????????其中：E 為彈性模量（ ） ，一般滾珠絲杠取 E= ；MPaMP510.為估算的滾珠絲杠螺母副允許的最大軸向變形量；ax?為導(dǎo)軌的靜摩擦力（N） ， ，其中為靜摩擦系數(shù)，W 為移動(dòng)部件的總重量0FF0??（N） ；L 為滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)支承之間的距離（mm） ，L=有效行程+安全行程+2 余程+螺?母長度+支承長度 。03~25)4.1~2( L）（有 效 行 程 ??（5）選擇滾珠循環(huán)方式表 4-1 中對(duì)滾珠的不同循環(huán)方式進(jìn)行了比較，由于 Z 軸對(duì)重復(fù)定位精度要求較高，且主軸在切割時(shí)為了保證切割深度的一致，對(duì) Z 軸的剛度要求也較高，因此，綜合比較，選擇滾珠循環(huán)方式為固定式內(nèi)循環(huán)。表 4-1 滾珠絲杠副不同循環(huán)方式的比較內(nèi)循環(huán) 外循環(huán)循環(huán)方式浮動(dòng)式 固定式 插管式 螺旋槽式代號(hào) F G C L結(jié)構(gòu)特點(diǎn)滾珠循環(huán)鏈最短，反向靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好，使用可靠，工作壽命長，螺母配合外徑較小，扁圓型反向器螺母軸向尺寸最短。滾珠循環(huán)鏈較長，但軸向排列緊湊，軸向尺寸小，螺母配合外徑較大（C 型較?。?，剛性較差，但滾珠流暢性好，靈活、輕便。摩擦力矩 小 小 較小 較大工藝性 較差 差 好 一般制造成本 最高 較高 較低 較低使用場合 各種高靈敏、高精度、高剛度的進(jìn)給定位系統(tǒng)重型載荷、高速運(yùn)動(dòng)及精密定位系統(tǒng)。在大導(dǎo)程、多頭螺紋中顯示其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。適用于一般工程機(jī)械，不適宜高剛度、高度運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)。（6）選擇滾珠絲杠副的預(yù)緊類型滾珠絲杠副的預(yù)緊類型有雙螺母齒差預(yù)緊、雙螺母墊片預(yù)緊、雙螺母螺紋預(yù)緊、單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊和單螺母增大鋼球預(yù)緊，其中雙螺母墊片預(yù)緊結(jié)構(gòu)簡單，預(yù)緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好，且適用于高剛度的場合，目前使用廣泛。因此，Z 軸選擇雙螺母墊片預(yù)緊方式。（7）滾珠絲杠副型號(hào)的確定類比相似機(jī)構(gòu)，選擇絲杠公稱直徑為 16mm，然后根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，且在保證條件下，查閱相關(guān)手冊(cè)，選擇型號(hào)為 JF1602-4 的滾珠絲杠，公稱直徑為amCd?,216mm，公稱導(dǎo)程為 2 mm，絲杠底徑為 14.6 mm,基本額定動(dòng)載荷為 3.5KN。（8）滾珠絲杠的精度等級(jí)由于 Z 軸需要保證切割深度的一致性，且對(duì)重復(fù)定位精度要求較高，因此，選擇一級(jí)精度。（9）確定滾珠絲杠副的支承支承方式選擇一端固定，一端鉸支，固定端需要承受軸向和徑向載荷，選用角接觸球軸承，軸承型號(hào)為 7201AC；鉸支端只需承受徑向載荷，選擇深溝球軸承，軸承型號(hào)為6201。（10）滾珠絲杠螺母副工作圖的設(shè)計(jì)具體設(shè)計(jì)見圖紙（劃片機(jī) YZ 軸裝配圖） 。4.1.2 Z 軸電機(jī)的選型Z 軸選用的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，對(duì)其選型時(shí)，首先計(jì)算負(fù)載折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，然后分別計(jì)算各種工況下所需的等效負(fù)載力矩，再根據(jù)步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)、運(yùn)行矩頻特性等選擇合適的步進(jìn)電機(jī)，具體步驟如下。（1）等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 按下式計(jì)算：eqJ )(0431.16.05.793214.).20(1532)( 24400 KgmdLmJBLeq ??????????其中， 為軸向負(fù)載的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；LJ為絲杠的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠豎直運(yùn)動(dòng)的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 按下式計(jì)算：eqT)(064.914.32801 mNiLFTeq ??????其中， 為軸向載荷；1為絲杠導(dǎo)程；0L為傳動(dòng)比，由于是電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠，所以其值為 1；i為傳動(dòng)機(jī)械效率，取值為 0.9；?（2）快速空載啟動(dòng)等效轉(zhuǎn)矩 的計(jì)算1eqT電機(jī)快速空載啟動(dòng)的等效轉(zhuǎn)矩由三部分構(gòu)成，其計(jì)算公式如下： 0max1TTfeq??其中， 為快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速轉(zhuǎn)矩（ ） ；mN?為快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩（ ） ；0f為其他附加轉(zhuǎn)矩（ ） ，例如滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。TmN?加速轉(zhuǎn)矩 的計(jì)算：max )(034.8.056431.13260ax mNtnJTeqe ?????????其中， 為電機(jī)轉(zhuǎn)軸的角加速度（ ） ；2/srad為電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ；mni/r為電機(jī)加速所用時(shí)間，一般在 0.3-1s 之間選??；at為傳動(dòng)鏈的總效率，一般取 0.7-0.85。?折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 的計(jì)算：0fT)(4.18.43220510 mNiGfLTf ??????其中，G 為移動(dòng)部件的重量；為導(dǎo)軌的當(dāng)量摩擦系數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取 0.003-0.005；f為絲杠導(dǎo)程；0L為傳動(dòng)鏈的總效率；?為傳動(dòng)比，這里是電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠，所以為 1。i由于通常 的值相對(duì) 和 的值較小，因此?？珊雎圆挥?jì)，所以0TmaxT0f。)(34.max1Nfeq ????（3）最大工作負(fù)載等效轉(zhuǎn)矩 的計(jì)算2eq最大工作負(fù)載等效轉(zhuǎn)矩 的計(jì)算公式為T)(068.4.06.2 mNTfLeq ??????其中， 為最大工作負(fù)載時(shí)折算到電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ，因?yàn)閯澠ο鄬?duì))(mN?較小，所以 ；eqLT?為最大工作負(fù)載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩（ ） ，因?yàn)閯澠ο鄬?duì)較小，所f ?以 ；0fT為其他附加轉(zhuǎn)矩（ ） 。mN?（4）步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的選擇由于劃片機(jī)在劃片最大工作負(fù)載等效轉(zhuǎn)矩 大于快速空載啟動(dòng)等效轉(zhuǎn)矩 ，所以按2eqT1eqT照最大工作負(fù)載等效轉(zhuǎn)矩 進(jìn)行選型。查閱相關(guān)手冊(cè)，選擇 90BYG550B-SAKRML-03012eqT型步進(jìn)電機(jī)，相數(shù)為 5，步距角為 ，保持轉(zhuǎn)矩 4.0 大于 ，定072./36. mN?)(068.2mNTeq??位轉(zhuǎn)矩 0.2 ，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.00045 大于 ，因此，滿足使用mN? mKg? )(0431.KgJeq?要求。另外，由于 Z 軸采用滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，其無法自鎖，而且 Z 軸豎直布置，因此需要設(shè)置自鎖機(jī)構(gòu)，為了簡化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，本機(jī)采用電機(jī)來實(shí)現(xiàn)自鎖。其中，定位轉(zhuǎn)距是指電機(jī)各相繞組不通電且處于開路狀態(tài)時(shí)，由于混合式電機(jī)轉(zhuǎn)子上有永磁材料產(chǎn)生磁場，從而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距。該步進(jìn)電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩 0.2 大于 ，所以，可以滿足 Z 軸的自鎖mN?)(068.2mNTeq??要求。4.1.3 Z 軸導(dǎo)軌的選型（1）確定導(dǎo)軌的使用條件由于 Z 軸的軸向載荷為 180N，該載荷較小，根據(jù)表 4-2 中導(dǎo)軌承載量與導(dǎo)軌規(guī)格對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，且為了使結(jié)構(gòu)緊湊，查閱相關(guān)手冊(cè)，選擇 THK 公司的四方向等載荷型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌規(guī)格為 8，型號(hào)為 HSR 8RM。表 4-2 導(dǎo)軌承載量與導(dǎo)軌規(guī)格對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系承載量/KN 0-3 3-5 5-10 10-25 25-50 50-80導(dǎo)軌規(guī)格 30 35 45 55 65 85（2）滑塊載荷的計(jì)算滑塊載荷的計(jì)算公式如下： tEP??其中， 為合成載荷， 為縱向載荷， 為橫向載荷，由于在橫向 Z 軸關(guān)于絲杠對(duì)稱EPPtP布置，所以滑塊所受橫向載荷很小，此處將其忽略。每個(gè)滑塊的縱向載荷計(jì)算如下： )(290.08.165)(21)(21001 NlGlFP ????????其中， 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；0l為 Z 軸部件的重力。F所以， )(290.NPE?（3）導(dǎo)軌額定壽命的計(jì)算 )(6435)1290.8(5)(5031 mfCLwEn???其中， 為所選導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷；n為載荷系數(shù)，無外部沖擊或振動(dòng)的低速運(yùn)動(dòng)，其值為 1-1.5，這里取為 1；f所以，所設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌的壽命為 64345m，而一般滾動(dòng)導(dǎo)軌的額定壽命為 50km，所以，所設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌滿足使用要求。4.2 劃片機(jī) Y 軸的詳細(xì)設(shè)計(jì)4.2.1 Y 軸滾珠絲杠的設(shè)計(jì)滾珠絲杠的主要參數(shù)的計(jì)算如下。（1）確定滾珠絲杠的導(dǎo)程 0L本機(jī)要求 Y 軸的重復(fù)定位精度小于 2μm，為了提高進(jìn)給的精確度，這里取為 1μm，而分辨率= ，所采用的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角為 ，對(duì)其進(jìn)行 10 細(xì)分，所以036/步 進(jìn) 角導(dǎo) 程 ? 072.絲杠的導(dǎo)程為：= = =5mm0L步 進(jìn) 角分 辨 率 /0 072./361.?（2）滾珠絲杠當(dāng)量載荷 與當(dāng)量轉(zhuǎn)速 的計(jì)算mFmnY 軸主要?jiǎng)澠姆侄冗\(yùn)動(dòng)，因此絲杠的工作時(shí)間很小。由于 Y 軸進(jìn)給速度為100mm/s，X 軸的有效行程大于 180mm，劃片速度為 300mm/s，所以在一個(gè)工作行程內(nèi)，絲杠的工作時(shí)間為 0.6s，靜止時(shí)間為 1.2s。其中絲杠工作轉(zhuǎn)速 =3000r/min，靜止轉(zhuǎn)速1n=0r/min；由于絲杠只有一種工作轉(zhuǎn)速，所以工作轉(zhuǎn)速 的工作時(shí)間所占工作總時(shí)間的百2n分比為 =100%，所以可計(jì)算 Y 軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)速如下：%1qmin/30rnm?Y 軸在進(jìn)給過程中，滾珠絲杠的軸向載荷為 ，其主要為溜板和導(dǎo)軌的摩擦力 ，2F2f， 為 Z 軸的軸向載荷， 為 Z 軸電)(6.05402.)3(4)(21312 NfGFf ???????? 13G機(jī)的重力， 為 Z 軸導(dǎo)軌的重力，其中 ， ，所以4GNG503?104= =20.66（N）2Ff為了提高 Y 軸的驅(qū)動(dòng)能力，將 取為 30N。因?yàn)?Y 軸絲桿只有一種工作轉(zhuǎn)速，所以2F其軸向最大載荷 和最小載荷 相等maxminaNFm302ina???（3）確定預(yù)期的額定動(dòng)載荷確定預(yù)期額定動(dòng)載荷的方法有三種，分別是按滾珠絲杠副預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算、根據(jù)滾珠絲杠螺母副的預(yù)期運(yùn)行距離計(jì)算、根據(jù)最大軸向載荷計(jì)算?，F(xiàn)根據(jù)滾珠絲杠螺母副的預(yù)期工作時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。（N）9.4510323061063am ??????cnWmhfFLC為預(yù)期工作時(shí)間；h為載荷性質(zhì)系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊時(shí)取 1；wf為精度系數(shù)，1、2、3 級(jí)精度時(shí)為 1；nf為可靠性系數(shù)，一般選取 1；cf（4）確定允許的最小螺紋底徑滾珠絲杠螺母副的允許軸向變形量 必須滿足下式：max?）重 復(fù) 定 位 精 度 （ ??)2/1~3(max?由于 Y 軸的重復(fù)定位精度要求低于 2 ，所以 。m??7.0ax?由于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： )(5.47.0319.039.10maxmax2 LFELd ?????????其中：E 為彈性模量（ ） ，一般滾珠絲杠取 E= ；MPaMP10.2?為估算的滾珠絲杠螺母副允許的最大軸向變形量；ax?為導(dǎo)軌的靜摩擦力（N） ， ，其中為靜摩擦系數(shù)，W 為移動(dòng)部件的總重量0FF0??（N） ；L 為滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)支承之間的距離（mm） ，L=有效行程+安全行程+2 余程+螺?母長度+支承長度 。03~25)4.1~2( L）（有 效 行 程 ??（5）選擇滾珠循環(huán)方式由于 Y 軸對(duì)重復(fù)定位精度要求較高，且主軸在切割時(shí)為了保證切割晶片的一致性，對(duì)Y 軸的剛度要求也較高，因此，綜合比較，選擇滾珠循環(huán)方式為固定式內(nèi)循環(huán)。（6）選擇的預(yù)緊類型Y 軸滾珠絲杠副選擇雙螺母墊片預(yù)緊方式，理由同 Z 軸的選擇。（7）滾珠絲杠副型號(hào)的確定類比相似機(jī)構(gòu)，選擇絲杠公稱直徑為 20mm，然后根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，且在保證條件下，查閱相關(guān)手冊(cè)，選擇型號(hào)為 FSI20-5T3 的滾珠絲杠，公稱直徑為amCd?,220mm，公稱導(dǎo)程為 5 mm，絲杠底徑為 17.324 mm,基本額定動(dòng)載荷為 8.3KN。（8）滾珠絲杠的精度等級(jí)由于 Y 軸需要保證切割深度的一致性，且對(duì)重復(fù)定位精度要求較高，全程累積誤差要小于 5μm/160mm 因此，選擇 C1 級(jí)精度，其在任意 300mm 內(nèi)的導(dǎo)程變動(dòng)值為 5μm，可以滿足使用要求。（9）確定滾珠絲杠副的支承支承方式選擇一端固定，一端鉸支，固定端需要承受軸向和徑向載荷，選用角接觸球軸承，軸承型號(hào)為；鉸支端只需承受徑向載荷，選擇深溝球軸承，軸承型號(hào)為。（10）滾珠絲杠螺母副工作圖的設(shè)計(jì)具體設(shè)計(jì)見圖紙（劃片機(jī) YZ 軸裝配圖） 。4.2.2 Y 軸電機(jī)的選型Y 軸選用的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其選型與 Z 軸的選型類似，具體步驟如下。（1）等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 按下式計(jì)算：eqJ )(0521.2.70.93214.).205(32)( 44010 KgmdLmJBLeq ??????????其中， 為軸向負(fù)載的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；LJ為絲杠的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠豎直運(yùn)動(dòng)的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 按下式計(jì)算：eqT)(027.914.32501NmiLFTeq?????其中， 為軸向載荷；1為絲杠導(dǎo)程；0L為傳動(dòng)比，由于是電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠，所以其值為 1；i為傳動(dòng)機(jī)械效率，取值為 0.9；?（2）快速空載啟動(dòng)等效轉(zhuǎn)矩 的計(jì)算1eqT電機(jī)快速空載啟動(dòng)的等效轉(zhuǎn)矩由三部分構(gòu)成，其計(jì)算公式如下： 0max1TTfeq??其中， 為快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速轉(zhuǎn)矩（ ） ；mN?為快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩（ ） ；0f為