晶片双面精密研磨机设计

1、晶片双面精密研磨机设计摘 要：本研磨机是一台是能够对4英寸的晶片进行双面精密研磨的机器，所加工的晶片是光电子领域使用的人工晶体基片(如蓝宝石、水晶、硅、碳化硅等)。设计的主要任务是进行晶片双面精密研磨机的总体设计、传动系统设计和加载系统设计。加载方式采用气缸加载，加载压力的变化过程呈斜线式上升。在开始和结束时压力都要尽量减小，从而降低了上研磨盘的振动对工件造成的不良影响。为了使研磨过程中晶片运动轨迹复杂化，晶片放在保持架内，保持架成为由中心齿轮和齿圈所构成的差动轮系中的行星齿轮。使晶片的运动是行星运动和自转运动的合成运动。通过改变中心轴和空心轴的运动参数，即可获得不同的行星轮的运动轨迹。为使晶

2、片研磨有较高的研磨效率，研磨盘表面加工有深3的十字形槽。此外，根据研磨机的工作原理，设计了它的控制系统。将气动控制系统与电气控制系统联合控制，实现了研磨压力的精确控制，且工作效率高，安全可靠。通过研究双面研磨的加工机理，分析了双面研磨的运动过程，并运用计算机模拟了研磨运动轨迹，使研磨运动轨迹能达到研磨痕迹均匀并且不重叠。因此，加工后的晶体有很高的平面度，且两端面有较高的平行度。关键词：双面研磨；研磨机设计；晶片；计算机仿真本设计来自：完美毕业设计网登陆网站联系客服远程截图或者远程控观看完整全套论文图纸设计客服QQ：8191040The Design of Double-Side Wafer P

3、recisionLapping Machine Abstract: The lapping machine is a double-side precision lapping machine, which is able to double-sided lapping 4 inches of wafers. The processing wafers are artificial crystal substrates, which are used in the area of photoelectron, such as sapphire, quartz, silicon, silicon

4、 carbide and other artificial crystal. The major task of this design is to achieve the overall design, the transmission system design and the loading system design for double-side wafer precision lapping machine. Loading mode used air cylinder to load. The change of the loading pressures process was

5、 rose as oblique line expression. At the beginning and the end, the loading pressure must be minimized. Thereby, the vibration on the lapping plate will be reduced. And the impact on the work piece will be reduced. To realize the wafers complicated movement tracks, wafers are put on the cage inside.

6、 Cage becomes the planetary gear, which consists of the center gear and ring gear that constitute the differential gear train. So the movement of wafer is consisted of planetary motion and spin motion. As long as changing the motion parameters of the center axis and the hollow axis, the different mo

7、vement tracks of the cage will appear. To enable wafers have a high lapping efficiency, there are cruciform grooves which deep are 3mm on the surface of the lapping plate.Further, the control system have been designed based on the operational principle of the lapping machine. By combination of the p

8、neumatic control system and the electronic control system, the precisely control for pressure is realized. So the lapping machine is high in working efficiency and working on the safe side.Through study the processing mechanism and the motion process of double-side lapping, the lapping movement trac

9、ks are simulated by computer. So lapping movement tracks can achieve uniformity and are not the same. Therefore, the processed crystal has a high degree of planar and parallel on the two sides. Key words: Double-side lapping; Lapping Machine; Wafer; Computer Simulation目 录1 前言12 晶片双面精密研磨机的总体设计32.1 制定

10、晶片双面精密研磨机的工艺分析32.1.1 单面研磨方式32.1.2 双面研磨方式32.1.3 晶片双面精密研磨机的工艺分析42.2确定晶片双面精密研磨机的总体结构方案43 晶片双面精密研磨机的传动系统设计53.1 传动系统的选择53.2 传动系统零件设计53.2.1 电动机的选择53.2.2 带传动的设计计算53.2.3 减速器的选择83.2.4 齿轮传动的设计83.2.5 链传动的选择83.2.6 轴承的选择103.3 传动系统设计计算和校核103.3.1 轴的设计计算和强度刚度校核103.3.2齿轮的强度计算和校核144 晶片双面精密研磨机的加载系统设计184.1 加载形式的选择184.2

11、 加载系统零件设计184.2.1 气缸的选择184.2.2 研磨盘的设计184.2.3 行星轮的设计194.3 加载系统有关计算和校核204.3.1 研究研磨压力对研磨效果的影响205 晶片双面精密研磨机的控制系统设计225.1 气动控制系统225.1.1 气动控制系统及工作原理225.2 电气控制系统236 晶片双面研磨运动过程分析及计算机仿真266.1 晶片双面研磨的加工机理266.2 研磨运动轨迹方程的建立276.3 及四者关系的确定286.4 计算机仿真结果及讨论297 结论31参考文献32致 谢33附录：双面研磨轨迹仿真程序清单34附录：附件清单361 前言机械制造技术的迅速发展主要

12、体现在提高加工精度与生产率两个方面。随着材料科学技术的发展，新材料在各种元器件中得到了越来越广泛的应用，人们对加工精度的要求也越来越高。它与当代一些主要科学技术的发展有密切的关系，是当代科学发展的一个重要环节，而且，超精密加工技术的发展促进了机械、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展15。美国、英国和日本的超精密加工技术在国际上处于领先地位，这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高15。我国的超精密加工技术在20世纪70年代末期有了长足进步，20世纪80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的

13、主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等15 10。经过数十年的发展，现在超精密研磨技术已不仅仅是一种孤立的加工方法和单纯的工艺问题，而成为一项包含内容极其广泛的系统工程。它不仅需要超精密的设备和工具、超稳定的环境条件，还需要有经验的工人和熟练的加工技术。只有将各个领域的技术成就集结起来，才有可能达到材料加工的高要求7。回顾过去的20世纪，人类取得的每一项重大科技成果,无不与制造技术，尤其与超精密加工技术密切相关。在某种意义上，超精密加工担负着支持最新科学发现和发明的重要使命15。超精密研磨技术是特别指选用粒径只有几纳米的研磨微粉作为研磨磨料，用注入磨料的研

14、具来去除微量的工件材料以达到高的几何精度(优于 ) 和优良表面粗糙度() 的方法，它可以实现镜面加工和高精度加工7。其技术目标主要有两类，一类是为降低表面粗糙度或提高尺寸精度；另一类是为实现功能材料元件的功能，要求解决与高精度相匹配的表面粗糙度和极小的变质层问题15。超精密加工技术发展趋势是向更高精度、更高效率方向发展，不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。超精密加工技术向微小型器件加工方向发展,超精密加工机床向纳米级加工发展；向新型材料的超精密加工方向发展；超精密测量向纳米级精度发展。21世纪前10年将是超精密加工技术达到和完成纳米加工技术的关键10年6。本次毕业设计的课题来源于

15、江苏高校自然科学基础研究项目半导体照明衬底基片超精密抛光技术研究，国家高新技术新材料产业化重大专项年产70万片23英寸蓝宝石衬底基片及其光学元件制备的产业化。所设计的晶片双面精密研磨机能够对4英寸人工晶片进行高质量平行平面的研磨，被加工零件的材料是光电子领域使用的人工晶体晶片，如蓝宝石、水晶、硅、碳化硅等。并使加工后人工晶体晶片的平面度为10微米，平行度也为10微米。且能对多种人工晶体进行大批大量生产。随着通讯、信息产业的迅速发展，各种光电子元件得到惊人的发展并趋于高性能化。为此，对光电子元件的关键零件的材料和加工精度提出了新的要求。要求基片晶体材料具有优良的压电、光电和热电性能；对元件基片加

16、工精度的要求甚至达到纳米级；要求基片晶格具有无畸变的超光滑无损伤表面。基片表面存在任何微小缺陷都会破坏晶体材料表面性能，甚至导致结晶构造的变化，影响元件的工作精度和可靠性。此外，还要求高的加工成品率。因此，要满足现代光电子元件苛刻的精度和表面质量要求，超精密加工技术及其设备的发展迫在眉睫12。我的主要设计任务是进行晶片双面精密研磨机的总体设计、传动系统设计和加载系统设计。所设计的研磨机能满足加工要求，保证加工精度，运转平稳，工作可靠，结构简单，装卸方便，便于维修和调整。定位方式为用地脚螺栓与地面固定，为了降低制造成本，使用的零部件大多采用通用部件。各动力部件能够用电气控制。由电动机通过带轮驱动

17、蜗轮蜗杆减速器，经过蜗轮蜗杆减速器减速之后由齿轮输出。再通过齿轮传动和链传动分别驱动中心轴、托盘和齿圈，得到3个不同的运动形式。以保证与齿圈和中心齿轮啮合的工件保持架成行星轮形式，使工件在研磨时的运动是行星运动和自转运动的合成运动。加载部分采用气缸加载，通过上研磨盘施加到晶片上，进行研磨运动。所设计的这台晶片双面精密研磨机具有以下特点和性能：a）上下研磨盘做相反方向运动，工件在载体内作既公转又自转的游星运动。摩擦阻力小，不损伤工件，而且两面均匀磨削，生产效率高；b）游星轮损耗小，损耗量较一般研磨机减少三分之二；c）游星轮自转方向可改变，从而实现自动修正上、下研磨盘片面度误差；d）采用无级变速电

18、机，功率足，起、停平稳；e）研磨压力分重、中、轻三种方式控制；f）研磨合理，运转过程中无渗漏研磨液现象；g）操作方便，运转灵活，加工精度及生产效率高。本次毕业设计，是对以前所学的专业知识的巩固和总结，提高了综合运用水平和分析问题解决问题的能力，并熟悉了机床设计的总体过程，能够解决在设计中的基本问题，并提出相应的解决方案。也使我对研磨技术有了新的认识，在精密加工和研磨技术方面有了一定的了解，掌握了双面研磨的工作原理，了解到了一些相关的新技术、新设备，来设计出满足加工要求，并能保证加工精度的晶片双面精密研磨机。2 晶片双面精密研磨机的总体设计2.1 制定晶片双面精密研磨机的工艺分析研磨加工，是在刚

19、性研具表面注入磨料，在一定压力下，通过研具与工件的相对滑动，借助磨粒的微切削作用去除被加工表面微量材料的精密加工方法4。精密加工的发展趋势是向着高精度、高效率、微型化以及数控自动一体化方向发展。高精度平面的精密加工是机械加工的一大难题，随着科学技术的不断发展，特别是精密机械工业的发展，可靠、高效和高精度的平面加工显得尤为重要，况且研磨机磨削工件时，研磨盘同时在随磨削损耗而变化。因此，如何确保研磨盘的精度在所需精度范围内，是高精度平面加工的关键。超薄晶体零件的高精度、高质量和低成本等加工要求，对超精密加工技术的发展提出了新的需求。精密平面研磨可以采用单面研磨或双面研磨方式加工。2.1.1 单面研

20、磨方式对于易碎的脆性材料平行薄片工件，目前均采用单面研磨加工。因为当工件的厚度只有几十微米时，工件与研磨盘紧密接触会使加工阻力增大，从而引起薄片工件的破损。单面研磨的工作示意图如图2-1所示。被加工晶片粘贴于工件盘上，研磨盘由电机带动以一恒定的转速做匀速圆周运动，工件盘与被加工晶片在受到与研磨盘之间的摩擦力作用，由静止到以一恒定的角速度作匀速转动12。图2-1 单面研磨工作示意图2.1.2 双面研磨方式进行高质量平行平面研磨时使用双面研磨方式。双面研磨法能避免由夹具的粘结误差及薄片工件两面的应力差引起的变形问题。双面研磨的结构简图如图2-2所示。研磨的工件放在工件行星轮内，上下均有研磨盘。研磨

21、垫固定在上研磨盘和下研磨盘的表面，被加工晶片放在由中心齿轮和内齿圈组成的差动轮系内。研磨压力则由气缸加压上研磨盘实现。为减少研磨时晶片所受的作用力，一般使上研磨盘和下研磨盘分别以大小相等、方向相反的角速度旋转。晶片的运动由行星轮带动，同时在上、下研磨盘研磨压力的作用下产生自转，因此晶片的运动是行星运动和自转运动的合成运动。图2-2 双面研磨机结构简图2.1.3 晶片双面精密研磨机的工艺分析由于所加工的工件是4英寸的人工晶体，工件厚度为，并能对其进行双面精密研磨，加工后人工晶体晶片的平面度为10微米，平行度也为10微米。为满足加工要求和保证加工精度，并考虑到所设计的研磨机应运转平稳，工作可靠，结

22、构简单，装卸方便，便于维修和调整，应采用双面研磨加工方式。2.2确定晶片双面精密研磨机的总体结构方案研磨机外形尺寸为96010002100，重量为2000。研磨机通过地脚螺栓与地面固定。为了方便控制，晶片双面精密研磨机各动力部件用电气控制。为得到均匀不重复的研磨轨迹，工件保持架制成行星轮形式，外面和齿圈啮合，里面和中心齿轮啮合。这样，通过中心齿轮和齿圈的运动，使工件在研磨时的运动是行星运动和自转运动的合成运动。所以研磨机必须要有3个运动，即下研磨盘的转动、中心齿轮的运动和外齿圈的运动。3 晶片双面精密研磨机的传动系统设计3.1 传动系统的选择齿轮3研磨机由电动机通过带轮带动蜗轮蜗杆减速器，经过蜗轮蜗杆减速器减速之后由齿轮4输出，再通过齿轮传动驱动各运动部件各自转动。研磨机的传动示意图如图3-1所示。蜗轮蜗杆减速器电动机双联齿轮齿轮4链轮2链轮1齿轮1齿轮2图3-1 研磨机传动示意图3.2 传动系统零件设计带传动能缓冲和吸振，传动平稳，噪声小，适合中心距较大的传动，结构简单，制造安装和维护较为方便，用于速度较高的场合。应此在高速级选用带传动17。齿轮传动的传动