畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-半導(dǎo)體晶片切割機(jī)設(shè)計(jì)

緒論1.1課題背景及研究意義芯片封裝是三大半導(dǎo)體行業(yè)之一。隨后的包裝過(guò)程包括：劃線，粘膜，超聲波焊接，包裝，測(cè)試，包裝。晶片切割機(jī)是芯片封裝線上一個(gè)設(shè)施，但是這個(gè)設(shè)備是第一個(gè)..關(guān)鍵.器件，其用途是將制造.好的晶片切割成一個(gè).單元，并準(zhǔn)備進(jìn).行下一步。切割芯片的尺寸通常是3到6個(gè)芯片，單元晶片的外觀有兩種，也可以說(shuō)是一種，一是矩形，另一個(gè)就是多邊形。目前，中國(guó)的半導(dǎo)體封裝設(shè)備都是來(lái)自進(jìn)口的，它們主要來(lái)自美國(guó)、日本、新加坡引進(jìn)[1]。為了讓中國(guó)盡快的擁有自己的芯片封裝設(shè)備，研究組從沒(méi)有放棄對(duì)IC封裝設(shè)備晶片切割機(jī)方面的研究。因此，本專業(yè)論文題目為“半導(dǎo)體晶片切割機(jī)設(shè)計(jì)”，擁有很大的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值，有著重要的意義，未來(lái)應(yīng)用發(fā)展也有著很好的前景。1.2國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況在國(guó)外，七十年代初晶片切割機(jī)橫空出世，開(kāi)啟了晶片切割機(jī)的新紀(jì)元，誕生以來(lái)，它的發(fā)展速度像火箭般飛快，涉及的方面也越來(lái)越廣泛，各種各樣相繼出現(xiàn)。一開(kāi)始，外國(guó)只有三個(gè)國(guó)家制作生產(chǎn)晶片切割機(jī)，發(fā)達(dá)國(guó)家美國(guó)對(duì)這方面很早就有研究，英國(guó)同時(shí)也沒(méi)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(shí)代，在當(dāng)時(shí)最多也就只有五家公司有能力制造晶片切割機(jī)，但是現(xiàn)在不同了，俄羅斯也開(kāi)始生產(chǎn)研究，臺(tái)灣加入了其中的行列，中國(guó)作為發(fā)展中的國(guó)家也不甘落后，也開(kāi)始創(chuàng)造晶片切割機(jī)，晶片切割機(jī)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(jìn)步。目前，國(guó)外的切割機(jī)制造商已經(jīng)擁有很多，其中最著名得有四家公司，誰(shuí)也沒(méi)想到的是日本在這方面的研究成果突出，特別當(dāng)時(shí)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(gè)公司也相當(dāng)有名那就是以色列ADT和英國(guó)流星公司。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)生產(chǎn)的晶片切割機(jī).問(wèn)世，他只能只用于切割半.導(dǎo)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(lái).越廣泛的應(yīng)用。大約能占世界晶片切割機(jī)銷量的80％都是來(lái)自日本的一個(gè)公司，那個(gè)公司就是DISCO公司，當(dāng)然銷量一定程度也代表了質(zhì)量，代表了技術(shù)，代表了目前晶片切割機(jī)一個(gè)巔峰的水平。JPsereezAssoeiateS公司也生產(chǎn)了一個(gè)晶片切割機(jī)，它是紫外激光晶片切割機(jī)，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(shí)也采用高性能，超精準(zhǔn)氣動(dòng)控制臺(tái)，這樣就會(huì)使得高速劃片后，斷面的邊緣不僅會(huì)十分光滑，而且非常平直，切割槽寬僅2.5μm[2]。我國(guó)真的開(kāi)始開(kāi)發(fā)晶片切割機(jī)，可能在七十年代。1982年，中國(guó)終于擁有了自西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的封裝設(shè)備，第一臺(tái)砂輪晶片切割機(jī)，這意味著中國(guó)在封裝道路上邁出了關(guān)鍵性的一步。結(jié)束了我國(guó)多年對(duì)進(jìn)口的晶片切割機(jī)需求，開(kāi)創(chuàng)了半導(dǎo)體行業(yè)上自給自足的歷史性轉(zhuǎn)折。到目前國(guó)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(guó)電子科技集團(tuán)公司45研究所和武漢三電設(shè)備制造有限公司[3]。當(dāng)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(yáng)儀器科學(xué)研究院，上海福安工廠自動(dòng)化有限公司。在國(guó)內(nèi)，晶片切割機(jī)最先進(jìn).的技術(shù)，還屬中國(guó)電子科技集團(tuán)45研究所，它采用了當(dāng)時(shí)最新的技術(shù)，對(duì)芯片的質(zhì)量提高了很多。它是如何提高芯片質(zhì)量呢？主要從芯片的抗彎強(qiáng)度，同時(shí)也讓晶圓的正負(fù)輪減少了。這個(gè)技術(shù)當(dāng)時(shí)叫做恒轉(zhuǎn)矩變頻技術(shù)。在這樣的技術(shù)爆發(fā)的時(shí)代，國(guó)內(nèi)專家夜以繼日的研究，最終在在2004年時(shí)，研發(fā)一臺(tái)精密自動(dòng)切割機(jī)，并命名它的型號(hào)是HP801。這個(gè)晶片切割機(jī)不僅在硅片的直徑做了突破，同時(shí)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(dá)到了實(shí)用，定位精度±10μm。同時(shí)其他國(guó)內(nèi)廠商并沒(méi)有放棄研究，其中最突出的還屬沉陽(yáng)儀器科學(xué)研究院，他們當(dāng)時(shí)切割晶圓的行程和國(guó)際水平僅僅只是差了50.8mm，（當(dāng)時(shí)國(guó)際水平是203.2mm）精度達(dá)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(guó)際水平相差甚遠(yuǎn)。雖然還有很大的差距，但是不能否認(rèn)國(guó)內(nèi)在晶片切割機(jī)設(shè)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(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)是相當(dāng)艱難的，這個(gè)技術(shù)的成熟也讓他們推出了國(guó)內(nèi)首款晶片激光切割機(jī)，并取名為T(mén)H-321激光晶片切割機(jī)。從國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀.來(lái)看,盡管國(guó)內(nèi).產(chǎn)商努力研究，但是國(guó)內(nèi)劃片.機(jī)的劃片尺寸、切割速度及.定位精度還是達(dá)不到國(guó)際.先進(jìn)水平,劃片槽的寬度也一直再緊追國(guó)際水準(zhǔn)，雖然還有著很大的差距,但我國(guó)仍一直在晶片切割機(jī)研究方面努力鉆研。1.3晶片切割機(jī)的發(fā)展過(guò)程晶片切割機(jī)發(fā)展可以分為三個(gè)階段，金剛石劃片、激光劃片和砂輪劃片是晶片切割機(jī)根據(jù)其劃片方法的發(fā)展過(guò)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(jī)會(huì)可以說(shuō)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(shí)，打破薄.膜可能.會(huì)破裂，小片邊緣不整齊，碎片不能.順利進(jìn)行。劃片的成品產(chǎn)量在很大程度上由兩個(gè)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(huì)因?yàn)楸?照射溫度升高，這個(gè)溫度大概有.10000℃高溫，并在瞬間氣化或熔化，然后這樣就會(huì)讓硅片留下溝槽，再沿著這些溝槽分開(kāi)。當(dāng)激光劃片時(shí)，在硅晶片的表面上.會(huì)粘附一.些硅粉，因此必須對(duì)硅晶.片進(jìn)行一定的處理，它上面的灰塵如果不處理的話就會(huì)影響精度。激光劃線的方法高于金剛石切割，因此在一段時(shí)間內(nèi)取代了金剛石切割。(3)砂輪劃片第三代晶片切割機(jī).是砂輪晶片切割機(jī)。砂輪切片機(jī)采用了.最新的研究成果，它是采用高速.運(yùn)行的靜液.壓主軸驅(qū)動(dòng)刀片，通過(guò)控制光柵.和導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生一定的影響，則切割過(guò)程中就會(huì)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(guān)系，如硅片表面材料的硬度很大的話，這就會(huì)直接影響切割速度。切割深度過(guò)大時(shí)切割超硬材料會(huì)對(duì)刀片產(chǎn)生很大影響，對(duì)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(shù)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(gè)指標(biāo)里相比較，相對(duì)于其他兩種加工技術(shù)具有突出優(yōu)勢(shì)，可以說(shuō)是目前所達(dá)到的最高水準(zhǔn)，因此砂輪劃片是目前的主流加工技術(shù)[5]。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/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(wèn)題需要切削液、壓縮空氣1.4晶片切割機(jī)的工作原理1.4.1金剛石晶片切割機(jī)的工作原理金剛石切割機(jī)是.切割基板的，它是通過(guò)高速旋.轉(zhuǎn)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(diǎn)要求，大概是陶瓷厚度為1/3至1/4，因?yàn)閼?yīng)力集中，沿線的陶瓷材料可以1.4.2激光晶片切割機(jī)的工作原理激光劃線機(jī)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(tái)上的時(shí)候，就是因?yàn)榇蜷_(kāi)了真空泵，使劃片過(guò)程中的芯片保持平穩(wěn)而難以移動(dòng)。激光是不用接觸就可以的加工的，這樣就有一個(gè)好處就是他沒(méi)有機(jī)械沖壓力，工件不容易變形。它通過(guò)光能迫使物質(zhì)的化學(xué)鍵斷裂，然后劃出痕跡。主要用于1.4.3砂輪晶片切割機(jī)的工作原理精密切割設(shè)備我們.通常選擇砂輪。切割工件通常有.兩種形狀，一個(gè)是切割前尺寸大小最小直徑為.50圓形，另一個(gè)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(qū)動(dòng).高速旋轉(zhuǎn)刀具，通過(guò)強(qiáng)力磨削.對(duì)集成1.5本課題的主要內(nèi)容結(jié)合前期的.工作及本課.題的實(shí)際情況，本文的主(1)通過(guò)調(diào)查相關(guān)資料，然后參考分析，了解IC封裝，最后對(duì)晶片切割機(jī)的工作原理也做了相關(guān)理解；(2)做好原理方.案設(shè)計(jì)，然后在做好結(jié)構(gòu)方.(3)對(duì)晶片切割機(jī)進(jìn)行了最初設(shè)計(jì)，確定一些最初結(jié)構(gòu)參數(shù)，并完成相關(guān)計(jì)算；(4)對(duì)晶片切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)X、θ、Y和Z軸四個(gè)軸分別進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)；（其中Y≥250mm，Z軸≥(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晶片切割機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)2.1晶片切割機(jī)的原理方案設(shè)計(jì)2.1.1晶片切割機(jī)X、Y、Z軸的原理方案設(shè)計(jì)晶片切割機(jī)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(fù)直線運(yùn)動(dòng)?？梢宰鐾鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)很多，比如曲柄滑.塊機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu).，齒條機(jī)構(gòu).，螺桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu).，氣缸，液壓缸等.多種。但是由.于需要精確定位，其中有三種機(jī)構(gòu).就不能滿足要求，他們分別是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)和齒條機(jī)構(gòu)。又考慮經(jīng)濟(jì)情況，氣缸，液壓缸需要建立獨(dú)立的泵站，不僅增加了成本，還要控制系統(tǒng)改變復(fù)雜[7]。因此就只剩下滾珠絲杠考慮，滾珠絲杠傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于送料系統(tǒng)，不僅傳動(dòng)比大，而且它的精度也很高，結(jié)構(gòu)也相對(duì)2.1.2晶片切割機(jī)θ軸的原理方案設(shè)計(jì)晶片切割機(jī)的θ軸，它是切割兩個(gè)以上方向，順時(shí)針運(yùn)動(dòng)或者逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，并且執(zhí)行θ軸的旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，切割特定方向的芯片。因此，θ軸要實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而且還可以達(dá)到自鎖的目的。這就必須要有一個(gè)準(zhǔn)確的索引，可以實(shí)現(xiàn)小分辨率，可以進(jìn)行微調(diào)等[8]。很高傳動(dòng)比才能達(dá)到要求，因此選擇了具有較大傳動(dòng)比的渦輪蝸桿傳動(dòng)。綜上所述，畫(huà)出了總傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖，如圖2.1所示。其中1承片臺(tái)2砂輪刀片3Z向絲杠4Y步進(jìn)電機(jī)5Y滾珠絲杠6Z向步進(jìn)電機(jī)7?向步進(jìn)電機(jī)8滑動(dòng)平臺(tái)9X軸伺服電機(jī)10滾珠絲杠11直線導(dǎo)軌12蝸輪蝸桿圖2.1總傳動(dòng)系統(tǒng)示意2.2晶片切割機(jī)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)[10]方案的原理.已經(jīng)確定，實(shí)現(xiàn)方案的原理有各.種方案，每個(gè)方案都有.自己的優(yōu).點(diǎn)和缺點(diǎn)。其中，晶片切割機(jī)主軸，芯片固定方式，定位模式，控制方式，冷卻保護(hù)方案已經(jīng)確定，因此其結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定[11]。晶片切割機(jī)機(jī)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(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1X+Y+Z+θ復(fù)雜自轉(zhuǎn)好不好2X+Y+θ較復(fù)雜自轉(zhuǎn)+Z好不好3X+Y較簡(jiǎn)單自轉(zhuǎn)+Z+θ不好不好4X+θ較簡(jiǎn)單自轉(zhuǎn)+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(yùn)動(dòng)外，托架還有Z方向上下，θ向.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，四結(jié)構(gòu)，復(fù).雜結(jié)構(gòu)，機(jī)器自.身重量大，定位精.度的影響，不應(yīng)該采用。第二種方案的原理圖如圖2.2所示。除了XY交叉運(yùn)動(dòng)之外，托架也沿θ方向旋轉(zhuǎn)。該結(jié)構(gòu)比第一個(gè)稍微簡(jiǎn)單一些，但運(yùn)動(dòng)慣性也很大，影響定位精度的缺點(diǎn)，不應(yīng)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(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。但輪葉除了旋轉(zhuǎn)外，還可以為Z上下擺動(dòng)，θ向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此，不應(yīng)該使用。第四種方案的原理圖如圖2.4所示。承載臺(tái)只有X進(jìn)給和θ旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。雖然磨輪刀片除了旋轉(zhuǎn)外，還要做Y和Z的上下運(yùn)動(dòng)，但結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所以最終決定這個(gè)結(jié)構(gòu)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(gè)背景下，驅(qū)使人們?nèi)パ芯浚ペs追世界潮流。在這個(gè)科技強(qiáng)國(guó)的時(shí)代背景下，我國(guó)一直努力鉆研。我們都知道人思考是需要大腦，那么機(jī)器用的是什么呢？當(dāng)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(jī)，這兩個(gè)機(jī)器讓我們深刻的知道一個(gè)好的cpu相當(dāng)于奔騰的寶馬，可以肆意的奔跑。玩游戲的時(shí)候極其卡頓，黑屏，藍(lán)屏整個(gè)程序直接崩潰，是一件讓人瘋狂的事；當(dāng)然不止游戲，從事畫(huà)圖工作的人，電腦沒(méi)有一定的cpu是跑不起來(lái)的。而cpu制造工藝的最后一步也是最關(guān)鍵的一步就是cpu的封裝技術(shù)。好的封裝技術(shù)當(dāng)然離不開(kāi)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(gè)關(guān)鍵性設(shè)備，也就是前面已經(jīng)做了了解，國(guó)內(nèi)芯片封裝技術(shù)和國(guó)外差距十分大。就西安來(lái)說(shuō)，最開(kāi)始的三星半導(dǎo)，再到后來(lái)的立成半導(dǎo)，最后的華天科技，只有三家公司從事芯片封裝，一個(gè)韓國(guó)的，一個(gè)臺(tái)灣的，為什么只有這么三家，我們本土的就只有一家，說(shuō)到底還是我們沒(méi)有那方面的技術(shù)。芯片封裝涉及極廣，就第一道產(chǎn)線的晶片切割機(jī)都是外國(guó)的，盡管我國(guó)一直努力研究但是還是有著很大的差距。用著別人的永遠(yuǎn)超越不了別人，要想進(jìn)一步發(fā)展就要獨(dú)立自主的生產(chǎn)制造劃片，緊追國(guó)際水平，日本一個(gè)小小島國(guó)，而我大中華這么多人，總有一天我們會(huì)趕追國(guó)際水平。因此晶片切割機(jī)研究是十分必要的，同時(shí)方案也是必要的。上面淺談了方案的建設(shè)背景和研究的必要性，下面從晶片切割機(jī)的方案的可行性進(jìn)行分析。先從原理上分析，把運(yùn)動(dòng)合理分配，承載臺(tái)只有X進(jìn)給和θ旋轉(zhuǎn)，而刀片做Y和Z的上下運(yùn)動(dòng)，上面所選的結(jié)果結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)然也能完成設(shè)計(jì)的要求，經(jīng)分析這個(gè)原理上是合理的。下來(lái)就是選擇每個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，傳動(dòng)裝置，經(jīng)一番查閱分別選擇了合適的。因此，技術(shù)方面是可行的。綜合以上考慮經(jīng)濟(jì)和環(huán)保方面也是可行的。3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3晶片切割機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的初步設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算3.1晶片切割機(jī)主軸的參數(shù)的初步設(shè)計(jì)[12]要確定砂輪切割機(jī)的主軸參數(shù)，必須首先確定砂輪切割機(jī)刀片形式。砂輪劃線機(jī)使用刀刃的外邊緣（外徑）實(shí)現(xiàn)切割，根據(jù)點(diǎn)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(diǎn)：鎳.基刀，燒.刀，樹(shù).脂刀。切片.機(jī)一般選擇刀.片直.徑φ50-φ100mm鎳基刀和樹(shù)脂刀。對(duì)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(zhǎng)，刀刃幾何保持良好，精度高，切割質(zhì)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(duì)于φ50mm鎳基刀，主軸轉(zhuǎn)速通常建議為3萬(wàn)?3.5萬(wàn)r/min，當(dāng)然也有一個(gè)最高轉(zhuǎn)速，最高4萬(wàn)r/min。因此，晶片切割機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速最后選了最高的。已經(jīng)決定選擇砂輪刀片用電主軸來(lái)驅(qū)動(dòng)，電主軸可以分為三大類，我們主要是利用它強(qiáng)大的磨削。因?yàn)閯澠呛軓?qiáng)的磨削加工，所以選擇電主軸要在磨削種類中選取。選擇國(guó)內(nèi)最高水準(zhǔn)的空氣靜壓電主軸，它的轉(zhuǎn)速相當(dāng)之高，最低可以達(dá)到40wr/min最高可以達(dá)到50wr/min。它的運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhǎng)時(shí)間保持高精度，滿足電主軸潤(rùn).滑方式.有三種，一般常用的是油氣.潤(rùn)滑，還要兩.種不經(jīng)常使用，它們是油脂.潤(rùn)滑和油.霧潤(rùn)滑。油脂.潤(rùn)滑速度應(yīng)較低對(duì)于上述選擇的參數(shù)，可以選擇專門(mén)用于生產(chǎn)高速切割機(jī)的洛陽(yáng)軸研.究技術(shù)，型號(hào).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(jī)。3.2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).期功能的.電源。因?yàn)闄C(jī)器需.要X，Y，Z，θ四.個(gè)方向的不.相關(guān)運(yùn)動(dòng)，所以需要有四個(gè)原.動(dòng)機(jī)，根據(jù)局部載荷不大，主要要求的特點(diǎn)是.精密.分度，原動(dòng)機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)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(shí)，可以在其工作頻帶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下從一個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定地切換到另一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在X方向，伺服電機(jī)可用于實(shí)現(xiàn)精確位移，精確定位，伺服電機(jī)選擇松下生產(chǎn)交流伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定轉(zhuǎn)速X軌最大位移速度為500mm/s，其它3.3晶片切割機(jī)X軸參數(shù)的初步設(shè)計(jì)根據(jù)X>400mm的要求，X軸有效行程的初始設(shè)計(jì)為450mm左右，劃線速度范圍為0?300mm/s;線性導(dǎo)軌選擇在銀線性導(dǎo)軌上，兩個(gè)直線導(dǎo)軌間距為140mm，導(dǎo)程為5mm，作為精密傳動(dòng)絲桿，力小，采用類比法，根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定螺桿的公稱直徑d=20mm3.4晶片切割機(jī)θ軸參數(shù)的初步設(shè)計(jì)θ軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要精確的分度，實(shí)現(xiàn)小分辨率，微調(diào)，這需要高傳動(dòng)比，因此θ軸驅(qū)動(dòng)被識(shí)別為具有較大傳動(dòng)比的蝸輪蝸桿傳動(dòng)[17]。θ轉(zhuǎn)臺(tái)：±120°，轉(zhuǎn)角的最小分辨率選3.5晶片切割機(jī)Y軸的初步設(shè)計(jì)因?yàn)閅軸系統(tǒng)的作.用是驅(qū)動(dòng)高.速主軸做切.割進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)，根據(jù)單位尺.寸的尺寸逐.步運(yùn)動(dòng)。在X軸完成往.復(fù)運(yùn)動(dòng)后，Y軸導(dǎo)軌.驅(qū)動(dòng)高速主軸.運(yùn)行單位晶圓.尺寸距離，以完成下一個(gè)切割線。Y軸要求結(jié)構(gòu)剛度高，運(yùn)行平穩(wěn)，位移分辨率高，整個(gè)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，螺桿有效行程250mm，最初確定為300mm，引線5mm處。導(dǎo)軌選擇滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌間距最初確定為200mm，長(zhǎng)度600mm。3.6晶片切割機(jī)Z軸的初步設(shè)計(jì)Z軸系統(tǒng)是在劃線過(guò)程中驅(qū)動(dòng)高速主軸提升刀刀運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中的作用。X軸驅(qū)動(dòng)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，Z軸驅(qū)動(dòng)剪刀也上下升降，完成單元切片段切割。Z軸的要求是重復(fù)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(kāi)發(fā)成本，Z軸選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)作為進(jìn)給機(jī)構(gòu)，螺桿的有效行程為100mm，初步確定為150，先導(dǎo)初步2mm。導(dǎo)軌初步選擇滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，軌道寬度初始確定為220mm，長(zhǎng)度300mm。4劃片機(jī)X、θ、Y、Z軸機(jī)械結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)4晶片切割機(jī)X、θ、Y、Z軸機(jī)械結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)4.1X軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算4.1.1X軸伺服電機(jī)的選型輸送機(jī)的總質(zhì)量W=15kg，實(shí)際摩擦系數(shù)μ=0.12，機(jī)械效率η=0.9。螺距BP=5mm，減速比GL=1/1，X軸方向無(wú)外力F。則（4.1）（4.2）在容量.選擇的時(shí).侯.必.須滿足下面.條件:其中是電機(jī)額定慣性矩；10是進(jìn)行高頻定位時(shí)的系數(shù)；是電機(jī)額.定轉(zhuǎn)矩；0.7是安全因子；TL是電機(jī).軸換算的負(fù).載轉(zhuǎn)矩。計(jì)算得：因此選擇的伺服電機(jī)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(jī).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(zhuǎn)速為3000r/min，最大轉(zhuǎn).速為50004.1.2X軸滾珠絲杠的選型1.參數(shù)與結(jié)構(gòu)的選定確定滾珠絲杠的導(dǎo)程松下的伺服電型號(hào)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(yùn)動(dòng)速度,因此選擇滾珠絲杠的導(dǎo)程為Ph（2）確定滾珠絲杠的額定載荷當(dāng)滾動(dòng)導(dǎo)軌承受載荷的時(shí)候，滑動(dòng)摩擦系數(shù)=0.12，一般情況看靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)是相等的，所以靜摩擦系數(shù)也和滑動(dòng)摩擦系數(shù)取一樣，則導(dǎo)軌靜摩擦力為：（4.4）f是導(dǎo)軌滑塊的密封阻力，有4個(gè)滑塊，所以按4個(gè)計(jì)算，而一個(gè)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(jì)，因此滾珠絲杠的當(dāng)量載荷為（4.5）

滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速為；其中（4.6）按滾珠.絲杠.副預(yù)期.工作時(shí)間計(jì).算額定動(dòng).載荷為（4.7）Lh為預(yù)期.工作時(shí)間；fw為負(fù)荷系數(shù)，平穩(wěn)無(wú)沖擊時(shí)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(gè)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(jì)算取L=556mm，滾珠絲杠采用的是兩軸承座支承，這兩個(gè)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(zhǎng)度LLS應(yīng)該滿足LS=l+2Le+其中Le為滿足設(shè)備行程要求后留出來(lái)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(jì)算LS=521mm綜合公稱直徑.d作為精.密傳動(dòng).絲杠，它的受.力較小，按照以前.設(shè)計(jì)的.經(jīng)驗(yàn)，最終決定絲.杠的公.稱直徑為d=20mm。經(jīng)查滾珠絲杠有一個(gè)的型號(hào)十分滿足要求，它的型號(hào)就是SFU02005-4，它的導(dǎo)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(dǎo)軌的選型根據(jù)上面的計(jì)算，滾珠絲杠的公稱直徑是20mm,有個(gè)上銀的直線導(dǎo)軌符合要求，它的型號(hào)是上銀HGW20CA型號(hào)的直線導(dǎo)軌。銀直線導(dǎo)軌的零件圖如圖5.2圖4.2銀直線導(dǎo)軌4.2θ軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算θ軸方向的傳動(dòng)系.統(tǒng)是由所選的步.進(jìn)電機(jī)通過(guò).蝸輪蝸桿的傳.動(dòng)，使之.帶.動(dòng)承片臺(tái)順時(shí)針.運(yùn)動(dòng)與逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，它的旋轉(zhuǎn).范圍是-120。~120。渦輪蝸桿.是θ軸傳動(dòng).的關(guān)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(gè)，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(dòng).裝置的設(shè)計(jì)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(dòng)目的.和傳動(dòng)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(gè)參數(shù)的選擇是根據(jù)傳動(dòng)扭矩的大小和狀況來(lái)。上面的四.個(gè)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(yīng)的公式計(jì)算得出。（1）蝸桿頭數(shù)Z1和蝸輪齒數(shù)Z2轉(zhuǎn)角分辨率為8″，我們選擇的步進(jìn)電機(jī)，它的步進(jìn)角為1.5°，所以傳動(dòng)比:i≥1.5°×60×60/8″＝675，實(shí)際設(shè)計(jì)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(shí)，蝸桿的軸.向模數(shù)和蝸.輪端面的模數(shù)，有著很大關(guān)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(shuō)的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，查標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè).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(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(gè)比值.就是蝸桿特.征系數(shù)q，q=d1/m。當(dāng)m=0.2時(shí)，（3）蝸桿蝸輪副主要幾何尺寸計(jì)算表4.1列出了蝸桿蝸輪.副主.要幾何尺寸計(jì)算。名稱符號(hào)計(jì)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(zhǎng)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(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：Z1=1，2時(shí)，b≥(12+0.1Z2)mZ1=3，4時(shí)，b≥(13+0.1Z2)mZC1蝸桿：b≈2.5mZC3蝸桿：當(dāng)x2＜1，Z1=1，2時(shí)，b≥(12.5+0.1Z2當(dāng)x2≥1，Z1=1，2時(shí)，b≥(13+0.1Z2)m；當(dāng)x2＜1，Z1=3，4時(shí)，b≥(13.5+0.1Z2)m；當(dāng)x2≥1，Z1=3，4時(shí)，b≥(14+0.1Z2)m；綜上所述，選擇蝸桿的螺紋部分的長(zhǎng)度為b≥(12+0.1x680)x0.2=16mm,取蝸桿長(zhǎng)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(jìn)電機(jī)的選型1.步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的選擇扭矩<0.8N.m，基本就在20,28,35,39,42（電機(jī)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(shí)候，選擇57馬達(dá)更合適。扭矩在幾個(gè)N.m以上，就需要在86,110,130等步進(jìn)電機(jī)的規(guī)格中選擇最合適的。所以選擇42mm步進(jìn)電機(jī)。2.步進(jìn)電機(jī)相數(shù)的選擇在兩相步.進(jìn)電機(jī)、三相.步進(jìn)電機(jī)和五.相步進(jìn)電機(jī).三個(gè)比較之后，綜合考慮下，最終確定步.進(jìn)電機(jī)的相.數(shù)為五，所以采用.5相步進(jìn)電機(jī)。綜合以上的敘述，發(fā)現(xiàn)日本山社有個(gè)步進(jìn)電機(jī)十分合適，它的型號(hào)為SS1701E08A，電機(jī)靜力矩為130mNm。4.2.3θ軸方向的晶片工作臺(tái)幅面尺寸依據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)θ軸方向的晶片工作臺(tái)，它的幅面尺寸為200X200mm。如圖圖4.5晶片工作臺(tái)4.2.4X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300X300mm。如下圖4圖4.6移動(dòng)滑臺(tái)4.3Z軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算4.3.1Z軸滾珠絲杠的設(shè)計(jì)（1）確定滾珠絲杠的導(dǎo)程要求Z軸的重復(fù)定位精度小于4μm，而分辨率=，選擇了一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，它的步進(jìn)角是，所以絲杠的導(dǎo)程為：=（2）滾珠絲杠當(dāng)量.載荷與當(dāng)量轉(zhuǎn).速的計(jì)算Z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(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)速也就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，它們是相等的，根據(jù)前面算的可以知道=3000r/min，靜止轉(zhuǎn)速=0r/min；由于絲杠只有一種工作轉(zhuǎn)速，所以就可以確定工作轉(zhuǎn)速的工作時(shí)間所占工作總時(shí)間的百分比，用公式表示如下：=100%，所以可計(jì)算Z軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)速如下：Z軸在抬刀落刀過(guò)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、Z向溜板的重力以及溜板和導(dǎo)軌的摩擦力，其中，，，是每個(gè).滑塊的密.封阻力，像這.樣的滑塊一共.有四個(gè)，而每個(gè)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?yàn)閆軸絲桿只有一種工作轉(zhuǎn)速，所以其軸向最大載荷和最小載荷相等（3）確定預(yù)期的額定動(dòng)載荷依據(jù)滾珠絲.杠螺母的預(yù)期運(yùn).行的距離進(jìn)行.計(jì)算，根據(jù)最大軸向.載荷計(jì)算，有三種方法來(lái)確定預(yù)期的動(dòng)態(tài)載荷，根據(jù)滾珠絲杠的預(yù)期運(yùn)行時(shí)間計(jì)算。根據(jù)滾珠絲杠螺母的預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算。（N）為預(yù)期工作時(shí)間；為載荷性質(zhì)系數(shù)，平穩(wěn)無(wú)沖擊時(shí)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(fù)定位精度要求低于4絲杠選擇的支.撐方式是兩.端支承，因?yàn)檫x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(dǎo)軌的靜摩擦力（N），L為滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)支承之間的距離（mm）（5）選擇滾珠循環(huán)方式表4.2對(duì)滾珠在不同的方式比較循環(huán)，因?yàn)閆軸重復(fù)定位精度要求較高，而主軸在切割時(shí)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(yù)緊類型滾珠絲杠一對(duì)預(yù).緊.型.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.位移鉛.預(yù)負(fù)荷和單螺母增.加.球.預(yù)緊力，雙螺母墊片有很大的優(yōu)點(diǎn)，它不僅預(yù)緊.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且緊實(shí)可靠，軸向尺寸合適，適（7）滾珠絲杠型號(hào)的確定經(jīng)查滾珠絲杠的型號(hào)JF1602-4滿足要求，它的導(dǎo)程是2mm,公稱直徑是16mm,動(dòng)額定動(dòng)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(jí)因?yàn)閆軸的切割.深度需要被.確保一.致性，而且對(duì)重.復(fù)定位精.度也有很大的要.求，因此，選擇一級(jí)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?yàn)楣?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(hào)7201AC;而鉸鏈只需要承受.徑向載荷，因此選擇.4.3.2Z軸電機(jī)的選型Z軸.選擇的原動(dòng)機(jī)是步進(jìn)電機(jī)，其選擇，首先需要計(jì)算的負(fù)載等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就是轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸的，然后在各種等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩下.計(jì)算所需條件，然后根據(jù)步.進(jìn)電機(jī)最大.靜態(tài)扭矩.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)算其中，是等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；是等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（軸向負(fù)載的為絲杠的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；其中，是等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為軸向載荷；為絲杠導(dǎo)程；為傳動(dòng)比，它的值取1；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)算其中，是電機(jī)快.速空載啟動(dòng).的等.效轉(zhuǎn)矩為加速轉(zhuǎn)矩（快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上，單位）為摩擦轉(zhuǎn)矩（快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上，單位）為其他附加轉(zhuǎn)矩（）加速轉(zhuǎn)矩的計(jì)算：其中，為電機(jī)轉(zhuǎn)軸的角加速度（）；為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；為電機(jī)加速所用時(shí)間（一般在0.3-為傳動(dòng)鏈的總效率，一般取0.7-其中，是折.算到電.機(jī)軸.上的.摩擦力矩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為絲杠導(dǎo)程；為傳動(dòng)鏈的總效率；為傳動(dòng)比。由于通常的值相對(duì)和的值較小，因此?？珊雎圆挥?jì)，所以。（3）最大工作負(fù)載等效轉(zhuǎn)矩的計(jì)算最大工作負(fù)載等效轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式為其中，為等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩，由于晶片切割機(jī)的力度是非常小的，所以基本可以忽略不計(jì)，所以；為摩擦.轉(zhuǎn)矩（），由于劃片.機(jī)的力.度的.力度是.非常小的，所以基本可以忽略不計(jì)，所以；為其他附加轉(zhuǎn)矩（）。（4）步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的選擇由于使用等于大于.最大工作負(fù)載等.效轉(zhuǎn)矩負(fù)載的切割.等效轉(zhuǎn)矩來(lái)劃片，所以根據(jù)最大工.作負(fù)載.扭矩當(dāng).量的選擇，可以及時(shí)啟.動(dòng)切割。查詢資料.發(fā)現(xiàn)利時(shí)90BYG系.列中的90BYG550B-SAKRML-0301型步進(jìn)電機(jī).滿足要求，它的相數(shù)為5，步進(jìn)角是，保持轉(zhuǎn).矩大于4.0，定位轉(zhuǎn)矩是0.2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是0.00045很明顯它是大于，因此最終決定選擇此型號(hào)步進(jìn)電機(jī)。另外，由于Z軸.選.擇的傳動(dòng)是滾珠絲杠傳動(dòng)，其無(wú)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(jiǎn)化機(jī)構(gòu).設(shè)計(jì)，本機(jī)采用電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)自鎖。該步進(jìn)電機(jī)的定.位轉(zhuǎn)矩0.2大于，所以，Z軸的自.鎖要求4.3.3Z軸導(dǎo)軌的選型（1）確定導(dǎo)軌的使用條件據(jù)對(duì)應(yīng)于表4.3導(dǎo)軌的承載能力和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，為了使一個(gè)緊湊的結(jié)構(gòu)，由于Z軸的軸向載荷為180N，負(fù)荷小，查閱得相關(guān)的文檔，規(guī)格導(dǎo)軌為8，它是HSR8RM形式。表4.3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/KN0-33-55-1010-2525-5050-80導(dǎo)軌規(guī)格303545556585（2）滑塊載荷的計(jì)算滑塊載荷的計(jì)算公式如下：其中，為合成載荷，為縱向載荷，為橫向載荷，因?yàn)樵跈M向Z軸關(guān)于絲杠對(duì)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(dǎo)軌額定壽命的計(jì)算其中，為所選導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷；為載荷系數(shù)，無(wú)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；上面計(jì)算的導(dǎo)軌使用壽命為64345m很明顯是大于50km，因此導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)可以達(dá)到要求。4.4Y軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算4.4.1Y軸滾珠絲杠的設(shè)計(jì)（1）確定滾珠絲杠的導(dǎo)程類比z軸可以得絲杠的導(dǎo)程為：===5mm（2）滾珠絲杠當(dāng)量載荷與當(dāng)量轉(zhuǎn)速的計(jì)算Y軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)速如下：滾珠絲杠的軸向載荷，為溜板和導(dǎo)軌的摩擦力，為Z軸的軸向載荷為Z軸電機(jī)的重力，為Z軸導(dǎo)軌的重力，其中，，所以=最終取值為30N。這樣它的驅(qū)動(dòng)能力高點(diǎn)。（3）確定預(yù)期的額定動(dòng)載荷依據(jù)滾珠絲.杠螺母的.預(yù)期運(yùn)行.的距離.進(jìn)行計(jì).算，根據(jù)最大.軸向.載荷計(jì)算，有三種方法來(lái)確定預(yù)期的動(dòng)態(tài)載荷，根據(jù)滾珠絲杠的預(yù)期運(yùn)行時(shí)間計(jì)算。根據(jù)滾珠絲杠螺母的預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算。（N）為預(yù)期工作時(shí)間；為載荷性質(zhì)系數(shù)，平穩(wěn)無(wú)沖擊時(shí)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(fù)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(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（N）；LL。（5）選擇滾珠循環(huán)方式由于Y軸重復(fù)定位精度要求較高，而主軸在切割時(shí)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(jìn)行固定內(nèi)循環(huán)。（6）選擇的預(yù)緊類型Y軸滾珠絲杠副仔細(xì)斟酌之后選擇雙螺母墊片預(yù)緊方式。（7）滾珠絲杠副型號(hào)的確定經(jīng)查滾珠絲杠的型號(hào)FSI20-5T3滿足要求，查詢相關(guān)資料，可以知道它的導(dǎo)程是5mm,公稱直徑是20mm,動(dòng)額定動(dòng)載荷是8.3KN（8）滾珠絲杠的精度等級(jí)由于Y.軸.對(duì).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(fù).定位精度.的要求，因此，選擇C1級(jí)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?yàn)楣潭?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(jī)的選型（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（2）快速空載.啟動(dòng)等.效轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。（3）最大工作負(fù)載等效轉(zhuǎn)矩的計(jì)算（4）步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的選擇由于使用等于大.于最大工作.負(fù)載.等效轉(zhuǎn)矩負(fù).載的切割.等效轉(zhuǎn)矩.來(lái)劃片，所以根據(jù)最大.工.作負(fù)載扭.矩.當(dāng)量.的選擇，可以及時(shí)啟動(dòng)切割。查詢資料.發(fā)現(xiàn)利時(shí)90BYG系列.中的90BYG550B-SAKRML-0301型步進(jìn)電.機(jī)滿足要求，它的相數(shù)為5，步進(jìn)角是，保持轉(zhuǎn)矩大于4.0，定位轉(zhuǎn)矩是0.2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是0.00045很明顯它是大于，因此最終決定選擇此型號(hào)步進(jìn)電機(jī)。4.4.3Y軸導(dǎo)軌的選型（1）確定導(dǎo)軌的使用條件由于垂直于導(dǎo)軌的Y軸上的載荷為330N，所以載荷小。為了讓結(jié)構(gòu)緊湊起來(lái)，查閱參考相關(guān)手冊(cè)，最終選擇了THK公司的負(fù)載式滾動(dòng)線性導(dǎo)軌，軌道尺寸為10，根據(jù)導(dǎo)軌的承載能力與導(dǎo)軌之間的關(guān)系，該型號(hào)HSR10RM規(guī)格見(jiàn)表4-2。（2）滑塊載荷計(jì)算由于Z軸為關(guān)于Y軸.溜.板.對(duì).稱布置，因此，Y軸.導(dǎo)軌上的負(fù).載只是Y軸滑板的.重量。由于Y軸只管.前后運(yùn)動(dòng)，所以加.速/減速性能不高，并且不考慮因?yàn)榧铀倩蛘邷p速引起的動(dòng)態(tài)負(fù)載?？v向載荷計(jì)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(jī)的重力）；為（Z軸導(dǎo)軌的重力）。所以，（3）導(dǎo)軌額定壽命的計(jì)算為載荷系數(shù)，（無(wú)外部沖擊或振動(dòng)的低速運(yùn)動(dòng)，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(shè)計(jì)的導(dǎo)軌的壽命是67837，很明顯是大于50km，因此是可以達(dá)到使用要求的。5劃片機(jī)其它裝置的設(shè)計(jì)5晶片切割機(jī)其它裝置的設(shè)計(jì)西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5.1夾緊裝置的設(shè)計(jì)通常被加工的硅片平面度十分高，而且薄脆，這樣就會(huì)導(dǎo)致不能使用普通機(jī)械的裝加方式，因?yàn)槭秩菀鬃尮杵瑩p傷，查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，本文采用負(fù)壓的方式，把硅片吸附在工作臺(tái)[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(fù)壓，加緊硅片也就問(wèn)題不大了。負(fù)壓的通.斷情況，是可以.通過(guò)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(shè)計(jì)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(yīng)也就必須有空氣壓縮機(jī)，還要有壓力調(diào)節(jié)閥和空氣過(guò)濾的裝置[20]?？諝膺^(guò).濾裝置的過(guò)濾精度可以.達(dá)到.0.03μm，那是因?yàn)樗捎昧顺?油，以及除水.和除塵的電主軸通常會(huì)抱軸，這個(gè)問(wèn)題讓我們很是困擾，經(jīng)過(guò)一番艱苦研究增加了一個(gè)裝置，這個(gè)裝置是氣電聯(lián)鎖裝置，它有一個(gè)很好的優(yōu)點(diǎn)就是，你看把它當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)沒(méi)有給主軸供氣，或者氣壓沒(méi)有達(dá)到要求，這個(gè)開(kāi)關(guān)就會(huì)閉合，電主軸也就不會(huì)啟動(dòng)，正在工作的電主軸就會(huì)從工作狀態(tài)退出來(lái)，而且馬上停止運(yùn)轉(zhuǎn)。5.3水路系統(tǒng)設(shè)計(jì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)水路系統(tǒng)，需要設(shè)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(shí)候需要冷卻水的時(shí)