毕业设计（论文）-半导体晶片切割机设计

绪论1.1课题背景及研究意义芯片封装是三大半导体行业之一。随后的包装过程包括：划线，粘膜，超声波焊接，包装，测试，包装。晶片切割机是芯片封装线上一个设施，但是这个设备是第一个..关键.器件，其用途是将制造.好的晶片切割成一个.单元，并准备进.行下一步。切割芯片的尺寸通常是3到6个芯片，单元晶片的外观有两种，也可以说是一种，一是矩形，另一个就是多边形。目前，中国的半导体封装设备都是来自进口的，它们主要来自美国、日本、新加坡引进[1]。为了让中国尽快的拥有自己的芯片封装设备，研究组从没有放弃对IC封装设备晶片切割机方面的研究。因此，本专业论文题目为“半导体晶片切割机设计”，拥有很大的学术研究价值，有着重要的意义，未来应用发展也有着很好的前景。1.2国内外相关研究情况在国外，七十年代初晶片切割机横空出世，开启了晶片切割机的新纪元，诞生以来，它的发展速度像火箭般飞快，涉及的方面也越来越广泛，各种各样相继出现。一开始，外国只有三个国家制作生产晶片切割机，发达国家美国对这方面很早就有研究，英国同时也没有放弃这方面研究，日本是紧追其后赶着研究，就是在这样时代，在当时最多也就只有五家公司有能力制造晶片切割机，但是现在不同了，俄罗斯也开始生产研究，台湾加入了其中的行列，中国作为发展中的国家也不甘落后，也开始创造晶片切割机，晶片切割机生产厂家已经发展到十几家。这和以前相比较很明显有了前所未有的进步。目前，国外的切割机制造商已经拥有很多，其中最著名得有四家公司，谁也没想到的是日本在这方面的研究成果突出，特别当时的日本DISCO世界闻名，东京精密TSK的这方面研究力度也很大，还要另外两个公司也相当有名那就是以色列ADT和英国流星公司。当第一个生产的晶片切割机.问世，他只能只用于切割半.导体晶圆，而且只能切割硅.片尺寸还很小，大约只有3英寸。现在不同了，它不仅可以.切割硅，还可以切割其他.薄，脆，硬的材料，有了更多越来.越广泛的应用。大约能占世界晶片切割机销量的80％都是来自日本的一个公司，那个公司就是DISCO公司，当然销量一定程度也代表了质量，代表了技术，代表了目前晶片切割机一个巅峰的水平。JPsereezAssoeiateS公司也生产了一个晶片切割机，它是紫外激光晶片切割机，而它的切割范围也有一定的限制，目前可用于切割300mm的，它采用355nm或266nm短脉冲UV激光光源，同时也采用高性能，超精准气动控制台，这样就会使得高速划片后，断面的边缘不仅会十分光滑，而且非常平直，切割槽宽仅2.5μm[2]。我国真的开始开发晶片切割机，可能在七十年代。1982年，中国终于拥有了自西安工业大学毕业设计（论文）的封装设备，第一台砂轮晶片切割机，这意味着中国在封装道路上迈出了关键性的一步。结束了我国多年对进口的晶片切割机需求，开创了半导体行业上自给自足的历史性转折。到目前国内也已经发展了很多厂商，其中最让人熟知的就是中国电子科技集团公司45研究所和武汉三电设备制造有限公司[3]。当然还有一些其他的厂商例如，西安杰盛电子科技有限公司，沉阳仪器科学研究院，上海福安工厂自动化有限公司。在国内，晶片切割机最先进.的技术，还属中国电子科技集团45研究所，它采用了当时最新的技术，对芯片的质量提高了很多。它是如何提高芯片质量呢？主要从芯片的抗弯强度，同时也让晶圆的正负轮减少了。这个技术当时叫做恒转矩变频技术。在这样的技术爆发的时代，国内专家夜以继日的研究，最终在在2004年时，研发一台精密自动切割机，并命名它的型号是HP801。这个晶片切割机不仅在硅片的直径做了突破，同时也在硅片上的芯片数量做出了突破，芯片的输出效率也得到提高，并达到了实用，定位精度±10μm。同时其他国内厂商并没有放弃研究，其中最突出的还属沉阳仪器科学研究院，他们当时切割晶圆的行程和国际水平仅仅只是差了50.8mm，（当时国际水平是203.2mm）精度达到了±5μm/35Omm,但是在切割速度上就需要有待继续钻研了，和国际水平相差甚远。虽然还有很大的差距，但是不能否认国内在晶片切割机设备上的努力钻研的成果。在2010年1月3日，苏州天宏激光有限公司在激光划片有了突破性研究，值得引人注目的是他把槽宽度降低到了3μm，这在当时国内是相当艰难的，这个技术的成熟也让他们推出了国内首款晶片激光切割机，并取名为TH-321激光晶片切割机。从国内外现状.来看,尽管国内.产商努力研究，但是国内划片.机的划片尺寸、切割速度及.定位精度还是达不到国际.先进水平,划片槽的宽度也一直再紧追国际水准，虽然还有着很大的差距,但我国仍一直在晶片切割机研究方面努力钻研。1.3晶片切割机的发展过程晶片切割机发展可以分为三个阶段，金刚石划片、激光划片和砂轮划片是晶片切割机根据其划片方法的发展过程分类的[3]。（1）金刚石划片这是最早的划线方法，也是现在使用最少的方法，机会可以说被淘汰了。使用尖锐的金.刚石尖端加以.切割，以约50克的固.定载荷切割出小.片的分割线，加上弯曲力.矩将其分成小块的。金刚石切割线也有一定的范围，通常它的宽度为6-8μm，深度为5μm。如果划线芯片时，打破薄.膜可能.会破裂，小片边缘不整齐，碎片不能.顺利进行。划片的成品产量在很大程度上由两个因素决定，一是取决于金刚石尖端的加工精度，二是它的锋利度。（2）激光划片第二代划片是.激光划线。激光划线是激.光脉冲在硅表面照射，这些被照射的部分硅.就会因为被.照射温度升高，这个温度大概有.10000℃高温，并在瞬间气化或熔化，然后这样就会让硅片留下沟槽，再沿着这些沟槽分开。当激光划片时，在硅晶片的表面上.会粘附一.些硅粉，因此必须对硅晶.片进行一定的处理，它上面的灰尘如果不处理的话就会影响精度。激光划线的方法高于金刚石切割，因此在一段时间内取代了金刚石切割。(3)砂轮划片第三代晶片切割机.是砂轮晶片切割机。砂轮切片机采用了.最新的研究成果，它是采用高速.运行的静液.压主轴驱动刀片，通过控制光栅.和导轨系统，刀片定位在材料的加工中，最终形成.深度和宽度的切口。刀片的工作效率是由划线速度决定的，并且如果连续地提高切割速度，就会产生一定的影响，则切割过程中就会产生不稳定的刀具速度。切割速.度和待加.工材料的硬度.有着很大的关系，如硅片表面材料的硬度很大的话，这就会直接影响切割速度。切割深度过大时切割超硬材料会对刀片产生很大影响，对刀片的正常使用十分不利，最终影响刀片寿命[4]。三种划线技术的比较如表1.1所示。从表1.1可以看出，砂轮划线不论从哪个指标里相比较，相对于其他两种加工技术具有突出优势，可以说是目前所达到的最高水准，因此砂轮划片是目前的主流加工技术[5]。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/s150mm/s300mm/s加工深度3～10μm～100μm～100μm加工宽度3～10μm20～25μm刀片厚度+10μm划片效果裂纹大有热损耗只有微小裂纹成品率60～70%70～80%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1.4晶片切割机的工作原理1.4.1金刚石晶片切割机的工作原理金刚石切割机是.切割基板的，它是通过高速旋.转的金刚石刀片，而传统.的激光划片和金刚石划片.就有很大的不同，它使用的是脉冲激光，在陶瓷中沿直线打一系列盲孔，但是盲孔的深度有一点要求，大概是陶瓷厚度为1/3至1/4，因为应力集中，沿线的陶瓷材料可以1.4.2激光晶片切割机的工作原理激光划线机由八大部分组成。其中的控制面板有着一些按钮或者旋钮，工作表面上覆盖有气孔，气孔和真空泵连接，在电池片吸附在控制台上的时候，就是因为打开了真空泵，使划片过程中的芯片保持平稳而难以移动。激光是不用接触就可以的加工的，这样就有一个好处就是他没有机械冲压力，工件不容易变形。它通过光能迫使物质的化学键断裂，然后划出痕迹。主要用于1.4.3砂轮晶片切割机的工作原理精密切割设备我们.通常选择砂轮。切割工件通常有.两种形状，一个是切割前尺寸大小最小直径为.50圆形，另一个是最大边为方形.200的平方的方形。切割后的小颗粒的.形状也有三种，它们分别为方形，矩形和六边形。它的切割刀具主要采用超薄金刚石刀片，主轴驱动.高速旋转刀具，通过强力磨削.对集成1.5本课题的主要内容结合前期的.工作及本课.题的实际情况，本文的主(1)通过调查相关资料，然后参考分析，了解IC封装，最后对晶片切割机的工作原理也做了相关理解；(2)做好原理方.案设计，然后在做好结构方.(3)对晶片切割机进行了最初设计，确定一些最初结构参数，并完成相关计算；(4)对晶片切割机的机械结构X、θ、Y和Z轴四个轴分别进行详细设计；（其中Y≥250mm，Z轴≥(5)完成装配图和零件图。2划片机的总体方案设计2晶片切割机的总体方案设计2.1晶片切割机的原理方案设计2.1.1晶片切割机X、Y、Z轴的原理方案设计晶片切割机X和Y轴主要完成平行切割，Z则主要完成切割深度。他们都主要的是完成往复直线运动。可以做往复直线运动的机构很多，比如曲柄滑.块机构，凸轮机构.，齿条机构.，螺杆驱动机构.，气缸，液压缸等.多种。但是由.于需要精确定位，其中有三种机构.就不能满足要求，他们分别是曲柄滑块机构，凸轮机构和齿条机构。又考虑经济情况，气缸，液压缸需要建立独立的泵站，不仅增加了成本，还要控制系统改变复杂[7]。因此就只剩下滚珠丝杠考虑，滚珠丝杠传动广泛应用于送料系统，不仅传动比大，而且它的精度也很高，结构也相对2.1.2晶片切割机θ轴的原理方案设计晶片切割机的θ轴，它是切割两个以上方向，顺时针运动或者逆时针运动，并且执行θ轴的旋转以驱动工作台，切割特定方向的芯片。因此，θ轴要实现往复运动，而且还可以达到自锁的目的。这就必须要有一个准确的索引，可以实现小分辨率，可以进行微调等[8]。很高传动比才能达到要求，因此选择了具有较大传动比的涡轮蜗杆传动。综上所述，画出了总传动系统示意图，如图2.1所示。其中1承片台2砂轮刀片3Z向丝杠4Y步进电机5Y滚珠丝杠6Z向步进电机7Ɵ向步进电机8滑动平台9X轴伺服电机10滚珠丝杠11直线导轨12蜗轮蜗杆图2.1总传动系统示意2.2晶片切割机的结构方案设计[10]方案的原理.已经确定，实现方案的原理有各.种方案，每个方案都有.自己的优.点和缺点。其中，晶片切割机主轴，芯片固定方式，定位模式，控制方式，冷却保护方案已经确定，因此其结构已经确定[11]。晶片切割机机的X，Y，Z和θ轴具有不同的布局模式。四种方案如表2.1所示。表2.1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1X+Y+Z+θ复杂自转好不好2X+Y+θ较复杂自转+Z好不好3X+Y较简单自转+Z+θ不好不好4X+θ较简单自转+Y+Z好好第一种方案的.原理图如图.2.1所示。除了XY交.叉运动外，托架还有Z方向上下，θ向.旋转运动，四结构，复.杂结构，机器自.身重量大，定位精.度的影响，不应该采用。第二种方案的原理图如图2.2所示。除了XY交叉运动之外，托架也沿θ方向旋转。该结构比第一个稍微简单一些，但运动惯性也很大，影响定位精度的缺点，不应该使用。图2.1方案一示意图图2.2方案二示意图第三种方案的原理图如图2.3所示。工作室只是X-Y交叉运动，结构比较简单。但轮叶除了旋转外，还可以为Z上下摆动，θ向旋转运动，结构比较复杂，因此，不应该使用。第四种方案的原理图如图2.4所示。承载台只有X进给和θ旋转，结构简单。虽然磨轮刀片除了旋转外，还要做Y和Z的上下运动，但结构比较简单，所以最终决定这个结构方案。图2.3方案三示意图图2.4方案四示意图2.3方案可行性分析方案的确定是在某一个背景下，驱使人们去研究，去赶追世界潮流。在这个科技强国的时代背景下，我国一直努力钻研。我们都知道人思考是需要大脑，那么机器用的是什么呢？当然是cpu，cpu的性能直接影响整体性能。我们最了解还属电脑和手机，这两个机器让我们深刻的知道一个好的cpu相当于奔腾的宝马，可以肆意的奔跑。玩游戏的时候极其卡顿，黑屏，蓝屏整个程序直接崩溃，是一件让人疯狂的事；当然不止游戏，从事画图工作的人，电脑没有一定的cpu是跑不起来的。而cpu制造工艺的最后一步也是最关键的一步就是cpu的封装技术。好的封装技术当然离不开好的芯片，所以研究芯片的封装是十分必要的，芯片的封装的第一个关键性设备，也就是前面已经做了了解，国内芯片封装技术和国外差距十分大。就西安来说，最开始的三星半导，再到后来的立成半导，最后的华天科技，只有三家公司从事芯片封装，一个韩国的，一个台湾的，为什么只有这么三家，我们本土的就只有一家，说到底还是我们没有那方面的技术。芯片封装涉及极广，就第一道产线的晶片切割机都是外国的，尽管我国一直努力研究但是还是有着很大的差距。用着别人的永远超越不了别人，要想进一步发展就要独立自主的生产制造划片，紧追国际水平，日本一个小小岛国，而我大中华这么多人，总有一天我们会赶追国际水平。因此晶片切割机研究是十分必要的，同时方案也是必要的。上面浅谈了方案的建设背景和研究的必要性，下面从晶片切割机的方案的可行性进行分析。先从原理上分析，把运动合理分配，承载台只有X进给和θ旋转，而刀片做Y和Z的上下运动，上面所选的结果结构简单，当然也能完成设计的要求，经分析这个原理上是合理的。下来就是选择每个方向运动的动力源，传动装置，经一番查阅分别选择了合适的。因此，技术方面是可行的。综合以上考虑经济和环保方面也是可行的。3划片机结构参数的初步设计及相关计算3晶片切割机结构参数的初步设计及相关计算3.1晶片切割机主轴的参数的初步设计[12]要确定砂轮切割机的主轴参数，必须首先确定砂轮切割机刀片形式。砂轮划线机使用刀刃的外边缘（外径）实现切割，根据点的形式：硬刀和软刀。硬刀由刀片和法兰制成，软刀需要使用法兰夹紧。根据组合.点：镍.基刀，烧.刀，树.脂刀。切片.机一般选择刀.片直.径φ50-φ100mm镍基刀和树脂刀。对于晶圆在IC封装中切割，一般采用镍基硬刀。其中，镍基刀是其直径一般为50mm的镍基粘合剂电镀金刚砂[13]。此外，它具有寿命长，刀刃几何保持良好，精度高，切割质量高，可生产0.015毫米薄刀等。镍基刀的厚度通常为0.015-0.1mm，其中选择0.020mm。对于φ50mm镍基刀，主轴转速通常建议为3万〜3.5万r/min，当然也有一个最高转速，最高4万r/min。因此，晶片切割机的主轴转速最后选了最高的。已经决定选择砂轮刀片用电主轴来驱动，电主轴可以分为三大类，我们主要是利用它强大的磨削。因为划片是很强的磨削加工，所以选择电主轴要在磨削种类中选取。选择国内最高水准的空气静压电主轴，它的转速相当之高，最低可以达到40wr/min最高可以达到50wr/min。它的运转速度十分稳定，因此可以得到平稳的线速度。他还可以长时间保持高精度，满足电主轴润.滑方式.有三种，一般常用的是油气.润滑，还要两.种不经常使用，它们是油脂.润滑和油.雾润滑。油脂.润滑速度应较低对于上述选择的参数，可以选择专门用于生产高速切割机的洛阳轴研.究技术，型号.92GD40Q。其中，速度40000r/min，功率0.75kw，电压220v，适用于具有高速主.轴的晶圆切割机。3.2原动机参数的初步的设计原动机是驱动机器完成预.期功能的.电源。因为机器需.要X，Y，Z，θ四.个方向的不.相关运动，所以需要有四个原.动机，根据局部载荷不大，主要要求的特点是.精密.分度，原动机采用步进电机。步进电机的总位.移精度等于输入指令脉冲.的数量，或平均速度与输入.指令脉冲的频率成正比[16]。同时，可以在其工作频带的运动状态下从一个运动状态稳定地切换到另一运动状态。在X方向，伺服电机可用于实现精确位移，精确定位，伺服电机选择松下生产交流伺服电机，额定转速3000r/min，额定转速X轨最大位移速度为500mm/s，其它3.3晶片切割机X轴参数的初步设计根据X>400mm的要求，X轴有效行程的初始设计为450mm左右，划线速度范围为0〜300mm/s;线性导轨选择在银线性导轨上，两个直线导轨间距为140mm，导程为5mm，作为精密传动丝杆，力小，采用类比法，根据以往的设计经验，确定螺杆的公称直径d=20mm3.4晶片切割机θ轴参数的初步设计θ轴驱动系统需要精确的分度，实现小分辨率，微调，这需要高传动比，因此θ轴驱动被识别为具有较大传动比的蜗轮蜗杆传动[17]。θ转台：±120°，转角的最小分辨率选3.5晶片切割机Y轴的初步设计因为Y轴系统的作.用是驱动高.速主轴做切.割进给运动，也就是说，根据单位尺.寸的尺寸逐.步运动。在X轴完成往.复运动后，Y轴导轨.驱动高速主轴.运行单位晶圆.尺寸距离，以完成下一个切割线。Y轴要求结构刚度高，运行平稳，位移分辨率高，整个轨道的累积误差小（4μm/400mm）。因此，为了满足使用要求，为了降低成本，Y轴选择步进电机驱动，滚珠丝杠螺母机构为传动机构，螺杆有效行程250mm，最初确定为300mm，引线5mm处。导轨选择滚动直线导轨，导轨间距最初确定为200mm，长度600mm。3.6晶片切割机Z轴的初步设计Z轴系统是在划线过程中驱动高速主轴提升刀刀运动的过程中的作用。X轴驱动台往复运动一次，Z轴驱动剪刀也上下升降，完成单元切片段切割。Z轴的要求是重复定位精度，以确保晶片切割深度的一致性[18]。因此，为了满足精度要求，为了降低开发成本，Z轴选择步进电机驱动，滚珠丝杠螺母机构作为进给机构，螺杆的有效行程为100mm，初步确定为150，先导初步2mm。导轨初步选择滚动直线导轨，轨道宽度初始确定为220mm，长度300mm。4划片机X、θ、Y、Z轴机械结构具体设计4晶片切割机X、θ、Y、Z轴机械结构具体设计4.1X轴机械结构的设计及计算4.1.1X轴伺服电机的选型输送机的总质量W=15kg，实际摩擦系数μ=0.12，机械效率η=0.9。螺距BP=5mm，减速比GL=1/1，X轴方向无外力F。则（4.1）（4.2）在容量.选择的时.侯.必.须满足下面.条件:其中是电机额定惯性矩；10是进行高频定位时的系数；是电机额.定转矩；0.7是安全因子；TL是电机.轴换算的负.载转矩。计算得：因此选择的伺服电机需要满足上面范围，查询选.型样本，发现松.下的伺服电机.MSMD042G1的参数为JM=2.6×10-5kg∙m2,很明显.满足要求。它的最大扭矩TAC=3.8N∙m，额.定转速为3000r/min，最大转.速为50004.1.2X轴滚珠丝杠的选型1.参数与结构的选定确定滚珠丝杠的导程松下的伺服电型号是MSMD042G1,它的参数如下n额定=3000rmin,nmax（4.3）其中Vmax是X轴方向的最大运动速度,因此选择滚珠丝杠的导程为Ph（2）确定滚珠丝杠的额定载荷当滚动导轨承受载荷的时候，滑动摩擦系数=0.12，一般情况看静摩擦系数和动摩擦系数是相等的，所以静摩擦系数也和滑动摩擦系数取一样，则导轨静摩擦力为：（4.4）f是导轨滑块的密封阻力，有4个滑块，所以按4个计算，而一个滑块的密封阻力是5N,那么划片阻力很小，基本可以忽略不计，因此滚珠丝杠的当量载荷为（4.5）

滚珠丝杠螺母副的平均转速为；其中（4.6）按滚珠.丝杠.副预期.工作时间计.算额定动.载荷为（4.7）Lh为预期.工作时间；fw为负荷系数，平稳无冲击时取1fa为精度系数；fc为可靠性系数，一般选取1（3）滚珠丝杠.副的两个固.定支承之.间的距离（4.8）其中l为X轴有效行程，l=450mm；经计算取L=556mm，滚珠丝杠采用的是两轴承座支承，这两个轴承座它们之间的距离为556mm。(4)滚珠丝杠最小螺纹底径（4.9）(5)确定滚珠丝杠螺纹长度LLS应该满足LS=l+2Le+其中Le为满足设备行程要求后留出来的余量，一般它的取值在5mm到10mm之间H是螺母的高度这里取值51mm经计算LS=521mm综合公称直径.d作为精.密传动.丝杠，它的受.力较小，按照以前.设计的.经验，最终决定丝.杠的公.称直径为d=20mm。经查滚珠丝杠有一个的型号十分满足要求，它的型号就是SFU02005-4，它的导程是5mm,公称直径是20mm。滚珠丝杆的零件图如图5.1图4.1滚珠丝杆4.1.3X轴直线导轨的选型根据上面的计算，滚珠丝杠的公称直径是20mm,有个上银的直线导轨符合要求，它的型号是上银HGW20CA型号的直线导轨。银直线导轨的零件图如图5.2图4.2银直线导轨4.2θ轴机械结构的设计及计算θ轴方向的传动系.统是由所选的步.进电机通过.蜗轮蜗杆的传.动，使之.带.动承片台顺时针.运动与逆时针运动，它的旋转.范围是-120。~120。涡轮蜗杆.是θ轴传动.的关键部件4.2.1蜗杆蜗轮副的主要参数选择蜗轮蜗杆需要求.的主要参.数有四个，它们分别是.的.m，q，蜗杆.头数Zl和蜗杆齿.数Z2等。在蜗杆传动.装置的设计中，首先选.择蜗.杆头Z1的数.量，然后选择蜗杆.齿Z2的数量，它们选择都是.根据传动目的.和传动比。其次，再确定模数m，随之确定特征系数q，然而这两个参数的选择是根据传动扭矩的大小和状况来。上面的四.个参数确定后，就需要确.定其他.尺寸了，其他几何尺寸的.涡轮蜗杆，我们可.以根据其相应的公式计算得出。（1）蜗杆头数Z1和蜗轮齿数Z2转角分辨率为8″，我们选择的步进电机，它的步进角为1.5°，所以传动比:i≥1.5°×60×60/8″＝675，实际设计取i=680.蜗杆头数Z1=1蜗轮齿数Z（2）模数m和蜗杆特性系数q在中间.平面上，蜗杆与蜗轮.啮合时，蜗杆的轴.向模数和蜗.轮端面的模数，有着很大关系，它们是相.等的，即ma1=mt2，蜗轮.的端模数.定义我们都知道，也就是我们.常说的标准模数，查标准手册.用类比法，最终确定模.数为0.2，即：m=0.2，为了减少滚.刀的数量，这样做有利于滚.刀的标准化，而且还提供了一定模数的蜗.杆分度.圆直径，这样也就对蜗杆的特性.系数加了限制，蜗杆特性.系数就是d1/m（dl—蜗杆分度圆直径），这个比值.就是蜗杆特.征系数q，q=d1/m。当m=0.2时，（3）蜗杆蜗轮副主要几何尺寸计算表4.1列出了蜗杆蜗轮.副主.要几何尺寸计算。名称符号计算公式得数蜗杆分度圆直径d112.5mm蜗杆分度圆上升角λ55′蜗杆齿顶圆直径da112.9mm蜗杆轴面顶隙系数C﹡蜗杆齿根圆直径dn12mm蜗杆螺纹部分长度L15蜗轮分度圆直径d2136mm蜗轮齿顶圆直径da2136.4mm蜗轮齿根圆直径df2135.5mm蜗轮外圆直径dw2136.8mm蜗轮螺旋角β255′蜗轮宽度b9.5mm蜗轮轮齿包角2θ70°中心距a74.25mm（4）蜗杆蜗轮副设计首先确定蜗杆螺纹部分的长度：查手册知：普通圆柱蜗杆：Z1=1，2时，b≥(12+0.1Z2)mZ1=3，4时，b≥(13+0.1Z2)mZC1蜗杆：b≈2.5mZC3蜗杆：当x2＜1，Z1=1，2时，b≥(12.5+0.1Z2当x2≥1，Z1=1，2时，b≥(13+0.1Z2)m；当x2＜1，Z1=3，4时，b≥(13.5+0.1Z2)m；当x2≥1，Z1=3，4时，b≥(14+0.1Z2)m；综上所述，选择蜗杆的螺纹部分的长度为b≥(12+0.1x680)x0.2=16mm,取蜗杆长度为蜗杆蜗轮如图蜗杆4.3和蜗轮4.4图4.3蜗杆图图4.4涡轮图4.2.2步进电机的选型1.步进电机转矩的选择扭矩<0.8N.m，基本就在20,28,35,39,42（电机体直径或平方度，单位：mm）它们中间选择;扭矩在1N.m左右的时候，选择57马达更合适。扭矩在几个N.m以上，就需要在86,110,130等步进电机的规格中选择最合适的。所以选择42mm步进电机。2.步进电机相数的选择在两相步.进电机、三相.步进电机和五.相步进电机.三个比较之后，综合考虑下，最终确定步.进电机的相.数为五，所以采用.5相步进电机。综合以上的叙述，发现日本山社有个步进电机十分合适，它的型号为SS1701E08A，电机静力矩为130mNm。4.2.3θ轴方向的晶片工作台幅面尺寸依据设计要求，设计θ轴方向的晶片工作台，它的幅面尺寸为200X200mm。如图图4.5晶片工作台4.2.4X轴方向移动滑台幅面尺寸根据设计要求，X轴方向移动滑台幅面尺寸为300X300mm。如下图4图4.6移动滑台4.3Z轴机械结构的设计及计算4.3.1Z轴滚珠丝杠的设计（1）确定滚珠丝杠的导程要求Z轴的重复定位精度小于4μm，而分辨率=，选择了一个步进电机，它的步进角是，所以丝杠的导程为：=（2）滚珠丝杠当量.载荷与当量转.速的计算Z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100mm，抬落刀速度100mm/s，X轴的有效行程要求是大于400mm，而要求的划片速度是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。其中丝杠工作转速也就是电机的转速，它们是相等的，根据前面算的可以知道=3000r/min，静止转速=0r/min；由于丝杠只有一种工作转速，所以就可以确定工作转速的工作时间所占工作总时间的百分比，用公式表示如下：=100%，所以可计算Z轴的当量转速如下：Z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的重力、Z向溜板的重力以及溜板和导轨的摩擦力，其中，，，是每个.滑块的密.封阻力，像这.样的滑块一共.有四个，而每个这样.滑块的密封阻力大概约为5N，所以：=为了更好的承受载荷，加大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（3）确定预期的额定动载荷依据滚珠丝.杠螺母的预期运.行的距离进行.计算，根据最大轴向.载荷计算，有三种方法来确定预期的动态载荷，根据滚珠丝杠的预期运行时间计算。根据滚珠丝杠螺母的预期工作时间计算。（N）为预期工作时间；为载荷性质系数，平稳无冲击时取1；为精度系数，1、为可靠性系数，一般选取1；（4）确定允许的最小螺纹底径必须满足下式：其中是滚珠丝.杠螺母.副的允许轴.向变形量由于Z轴的重复定位精度要求低于4丝杠选择的支.撑方式是两.端支承，因为选择了两.端支承，所以螺.纹底径的估算公式如下：其中：E为弹性模量（），一般滚珠丝杠取是导轨的静摩擦力（N），L为滚珠丝杠螺母副的两个支承之间的距离（mm）（5）选择滚珠循环方式表4.2对滚珠在不同的方式比较循环，因为Z轴重复定位精度要求较高，而主轴在切割时保证了Z轴刚度要求的切削深度的一致性更高，综合比较，选择固定内循环的内循环。表4.2滚珠丝杠副不同循环方式的比较（6）选择滚珠丝杠副的预紧类型滚珠丝杠一对预.紧.型.双螺母齿.差.预.紧，双螺母垫片预紧，双螺母螺纹预紧，单螺母.位移铅.预负荷和单螺母增.加.球.预紧力，双螺母垫片有很大的优点，它不仅预紧.结构简单，而且紧实可靠，轴向尺寸合适，适（7）滚珠丝杠型号的确定经查滚珠丝杠的型号JF1602-4满足要求，它的导程是2mm,公称直径是16mm,动额定动载荷是3.5KN。滚珠丝杆的零件图如图44.7滚珠丝杆（8）滚珠丝杠的精度等级因为Z轴的切割.深度需要被.确保一.致性，而且对重.复定位精.度也有很大的要.求，因此，选择一级精度。（9）确定滚珠丝杠副的支承滚珠丝杠的支承形式选择的是支撑一端固定与一端铰链，因为固.定端.需要承受轴向还要承受.径向载荷，所以采用角.接触.球轴承，轴承型号7201AC;而铰链只需要承受.径向载荷，因此选择.4.3.2Z轴电机的选型Z轴.选择的原动机是步进电机，其选择，首先需要计算的负载等效转动惯量就是转换为电机轴的，然后在各种等效负载转矩下.计算所需条件，然后根据步.进电机最大.静态扭矩.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.载转矩的计算其中，是等效负载转动惯量；是等效转动惯量（轴向负载的为丝杠的等效转动惯量；其中，是等效负载转矩；为轴向载荷；为丝杠导程；为传动比，它的值取1；为传动机械效率，取值为0.9；（2）快速空.载启动等效转.矩的计算其中，是电机快.速空载启动.的等.效转矩为加速转矩（快速空载启动时折算到电机轴上，单位）为摩擦转矩（快速空载启动时折算到电机轴上，单位）为其他附加转矩（）加速转矩的计算：其中，为电机转轴的角加速度（）；为电机的转速；为电机加速所用时间（一般在0.3-为传动链的总效率，一般取0.7-其中，是折.算到电.机轴.上的.摩擦力矩G为移动部件的重量；为导轨的当量摩擦系数；（滚动导轨取0.003为丝杠导程；为传动链的总效率；为传动比。由于通常的值相对和的值较小，因此常可忽略不计，所以。（3）最大工作负载等效转矩的计算最大工作负载等效转矩的计算公式为其中，为等效负载转矩，由于晶片切割机的力度是非常小的，所以基本可以忽略不计，所以；为摩擦.转矩（），由于划片.机的力.度的.力度是.非常小的，所以基本可以忽略不计，所以；为其他附加转矩（）。（4）步进电机型号的选择由于使用等于大于.最大工作负载等.效转矩负载的切割.等效转矩来划片，所以根据最大工.作负载.扭矩当.量的选择，可以及时启.动切割。查询资料.发现利时90BYG系.列中的90BYG550B-SAKRML-0301型步进电机.满足要求，它的相数为5，步进角是，保持转.矩大于4.0，定位转矩是0.2，转动惯量是0.00045很明显它是大于，因此最终决定选择此型号步进电机。另外，由于Z轴.选.择的传动是滚珠丝杠传动，其无法自.锁，而且Z轴.竖直布置，因此需要设置自.锁机构，为了简化机构.设计，本机采用电机来实现自锁。该步进电机的定.位转矩0.2大于，所以，Z轴的自.锁要求4.3.3Z轴导轨的选型（1）确定导轨的使用条件据对应于表4.3导轨的承载能力和经验关系，为了使一个紧凑的结构，由于Z轴的轴向载荷为180N，负荷小，查阅得相关的文档，规格导轨为8，它是HSR8RM形式。表4.3导轨承载量与导轨规格对应的经验关系承载量/KN0-33-55-1010-2525-5050-80导轨规格303545556585（2）滑块载荷的计算滑块载荷的计算公式如下：其中，为合成载荷，为纵向载荷，为横向载荷，因为在横向Z轴关于丝杠对称布置，所以滑块所受横向载荷很小。其中，P1为Z轴重心到丝杠的垂直距离；为竖直方向两滑块的重心距；为Z轴部件的重力。所以，（3）导轨额定寿命的计算其中，为所选导轨的额定动载荷；为载荷系数，无外部冲击或振动的低速运动，其值为1-1.5，这里取为1；上面计算的导轨使用寿命为64345m很明显是大于50km，因此导轨的设计可以达到要求。4.4Y轴机械结构的设计和计算4.4.1Y轴滚珠丝杠的设计（1）确定滚珠丝杠的导程类比z轴可以得丝杠的导程为：===5mm（2）滚珠丝杠当量载荷与当量转速的计算Y轴的当量转速如下：滚珠丝杠的轴向载荷，为溜板和导轨的摩擦力，为Z轴的轴向载荷为Z轴电机的重力，为Z轴导轨的重力，其中，，所以=最终取值为30N。这样它的驱动能力高点。（3）确定预期的额定动载荷依据滚珠丝.杠螺母的.预期运行.的距离.进行计.算，根据最大.轴向.载荷计算，有三种方法来确定预期的动态载荷，根据滚珠丝杠的预期运行时间计算。根据滚珠丝杠螺母的预期工作时间计算。（N）为预期工作时间；为载荷性质系数，平稳无冲击时取1为精度系数，1、为可靠性系数，一般选取1；（4）确定允许的最小螺纹底径由于Y轴的重复定位精度要求低于4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：其中：E为弹性模量（），一般滚珠丝杠取为估算的滚珠丝杠螺母副允许的最大轴向变形量；为导轨的静摩擦力（N），，其中为静摩擦系数，W为移动部件的总重量（N）；LL。（5）选择滚珠循环方式由于Y轴重复定位精度要求较高，而主轴在切割时保证了芯片的一致性，Y轴刚度要求较高，所以综合比较，选择球循环进行固定内循环。（6）选择的预紧类型Y轴滚珠丝杠副仔细斟酌之后选择双螺母垫片预紧方式。（7）滚珠丝杠副型号的确定经查滚珠丝杠的型号FSI20-5T3满足要求，查询相关资料，可以知道它的导程是5mm,公称直径是20mm,动额定动载荷是8.3KN（8）滚珠丝杠的精度等级由于Y.轴.对.切.割.深.度有要求，那些深度的.一致性它需.要被确保，并且.有着较高.的重复.定位精度.的要求，因此，选择C1级精度。（9）确定滚珠丝杠副的支承滚珠丝杠的支承形式选择的是支撑一端.固.定与一端.铰.链，因为固定.端.需要承受轴向还要承受径向载荷，所以采用角.接触.球轴承;而铰链只需要承受.径向载荷，因此选择了深沟球轴承。4.4.2Y轴电机的选型（1）等效负载转动惯量和等效负载转矩的计算（2）快速空载.启动等.效转矩的计算。（3）最大工作负载等效转矩的计算（4）步进电机型号的选择由于使用等于大.于最大工作.负载.等效转矩负.载的切割.等效转矩.来划片，所以根据最大.工.作负载扭.矩.当量.的选择，可以及时启动切割。查询资料.发现利时90BYG系列.中的90BYG550B-SAKRML-0301型步进电.机满足要求，它的相数为5，步进角是，保持转矩大于4.0，定位转矩是0.2，转动惯量是0.00045很明显它是大于，因此最终决定选择此型号步进电机。4.4.3Y轴导轨的选型（1）确定导轨的使用条件由于垂直于导轨的Y轴上的载荷为330N，所以载荷小。为了让结构紧凑起来，查阅参考相关手册，最终选择了THK公司的负载式滚动线性导轨，轨道尺寸为10，根据导轨的承载能力与导轨之间的关系，该型号HSR10RM规格见表4-2。（2）滑块载荷计算由于Z轴为关于Y轴.溜.板.对.称布置，因此，Y轴.导轨上的负.载只是Y轴滑板的.重量。由于Y轴只管.前后运动，所以加.速/减速性能不高，并且不考虑因为加速或者减速引起的动态负载。纵向载荷计算如下：其中，为（Z轴系统的重力）；为（Z轴的轴向载荷）；为（Z轴电机的重力）；为（Z轴导轨的重力）。所以，（3）导轨额定寿命的计算为载荷系数，（无外部冲击或振动的低速运动，其值为1-1.5）为了提高Y轴的承载能力，这里取为1.2；所设计的导轨的寿命是67837，很明显是大于50km，因此是可以达到使用要求的。5划片机其它装置的设计5晶片切割机其它装置的设计西安工业大学毕业设计（论文）5.1夹紧装置的设计通常被加工的硅片平面度十分高，而且薄脆，这样就会导致不能使用普通机械的装加方式，因为十分容易让硅片损伤，查阅相关资料发现，本文采用负压的方式，把硅片吸附在工作台[19]。最终选择真空发生器，这样就可以得到真空，也就可以产生负压，加紧硅片也就问题不大了。负压的通.断情况，是可以.通过电.磁阀控.制，真空发生原.理的示.意图.如图6.1所示。图6.1真空发生原理示意图5.2气路系统设计主轴选用的是静压空气电主轴，但是它的工作环境有着很大要求，它需要恒定压力洁净的压缩空气，气路系统相应也就必须有空气压缩机，还要有压力调节阀和空气过滤的装置[20]。空气过.滤装置的过滤精度可以.达到.0.03μm，那是因为它采用了除.油，以及除水.和除尘的电主轴通常会抱轴，这个问题让我们很是困扰，经过一番艰苦研究增加了一个装置，这个装置是气电联锁装置，它有一个很好的优点就是，你看把它当一个开关，当没有给主轴供气，或者气压没有达到要求，这个开关就会闭合，电主轴也就不会启动，正在工作的电主轴就会从工作状态退出来，而且马上停止运转。5.3水路系统设计高速运转后的电主轴和工作后的刀片都是需要冷却的，冲洗砂轮刀片，清洗工件上的硅粉，这就需要设计水路系统，需要设置上下水的装置。控制上水的通断情况，最终决定采用电磁阀。切割时候需要冷却水的时