0 引言

   半導體芯片切割控制精度要求非常高，目前國內基本上用的基本上都是進口設備。此為我公司為某半導體廠家開發的設備。

1、系統選型

（1）慣量計算

X軸負載慣量：J_x=Mx(P /2π)²

               = 20.2×（0.005/2×3.14）

               = 0.128×10^-4 kgm²

Y軸負載慣量：J_y=My(P/2π)²

               =2.9×（0.005/2×3.14）²

                        = 0.0184×10^-4 kgm²

 滾珠絲杠：  J₂ = πρL_BD_B⁴/32

               = 0.405×10^-4 kgm²

 X軸電機負載慣量： J_LX = J_x+ J₂=0.533×10^-4 kgm²

Y軸電機負載慣量： J_LY= J_y+ J₂=0.4234×10^-4 kgm²

 400w電機慣量：J_m4= 0.26×10^-4 kgm²

 750w電機慣量：J_m7=0.87×10^-4 kgm²

（2）扭矩計算

 由于需要的行程速度是100mm/s到150mm/s，這次速度將以250mm/s=15m/min來計算。

電機轉速：N_L = V_L/P=15/0.005 = 3000（min^-1）

               = 3000 × 2π / 60=314 rad

加速度：a₊ = N_L/t =3140 rad/s²

X軸負載轉矩：T_LX=μMgP / 2πη

              =0.2×20.2×9.8×0.005/2×3.14×0.9=0.035 Nm

Y軸負載轉矩：T_LY=μMgP / 2πη

              =0.2×2.9×9.8×0.005/2×3.14×0.9=0.00304 Nm

X軸啟動轉矩：T_px = (J_LX + J_m7)●a₊ + T_LX

= 0.441 + 0.035 = 0.476 Nm

Y軸啟動轉矩：T_py = (J_LY + J_m4)●a₊ + T_LY

= 0.215  + 0.00304 = 0.218 Nm

X軸制動轉矩：Tsx =  (J_LX+ J_m7)●a₊ - T_L

                        =0.441-0.035=0.406Nm

Y軸制動轉矩：Tsy =  (J_LY + J_m4)●a₊ - T_L

=  0.215 - 0.00304 = 0.212 Nm

通過以上的計算選用的是松下MHMD400w和MSMD750w的交流伺服電機，該型號輸出慣量適合，運行更平穩。X軸用的是750w的伺服系統，額定扭矩為2.4Nm；而Y軸用400w的伺服系統，額定扭矩為1.3Nm；這兩款的額定轉速都為3000rps；所選伺服的慣量及扭矩都能使載體平穩的運行。

（3）盤式電機選型

由于在盤式伺服上要放的是一個鋁制的圓盤，圓盤規格(R=150mm  M=1kg  實心)：

圓盤慣量J=1/2×M×（D/2）2=1/2×1×（150/2）2=0.0028125 kgm2

扭矩T=角加速度a×慣量J  

圓盤轉π/2需要的時間是4s  平均角速度V=π/2÷4=0.3925rad/s

則   角加速度=角速度V/加速時間t=0.3925×0.01=39.25rad/s2

則   扭矩T=39.25×0.0028125=0.1104Nm   

由于慣量要匹配，盤式伺服承受物體的慣量和盤式伺服自身的慣量的比例在1：10之內是最

理想的，所以所選的盤式伺服ND110-50F自身的慣量是0.00034 kgm2、額定扭矩是2.4Nm最大扭矩是7.2Nm、回轉速度是5rps、分辨率是720000 ppr。該盤式伺服的定位精度是±90s，重復定位精度是±18s，外加絕對值選項定位精度可達±15s、重復定位精度±1.8s。

360度=1296000s   圓盤周長 L=πR=3.14×150=471000um  則角度1s=0.363um弧長

所以當定位精度為15s時圓盤的弧長精度可達到5.445um。

1.1實現功能

   1、原點復歸

   2、激光功率檢測

   3、芯片切割

1.2系統設計

機構運動部分由精密直線位移平臺,交流伺服電機,盤式伺服電機,直線光柵,伺服驅動器及極限保護傳感器組成.

如圖1-1所示, 精密直線位移平臺,盤式伺服電機均以行程中心為中點對中安裝.X軸配備750w交流伺服電機及直線光柵,Y軸配備400w交流伺服電機,XY軸兩側各安裝2個極限保護傳感器(行程開關或光藕).

1.3設備圖片

2 控制過程

芯片切割

    選擇所要切割芯片的型號,以安全門關閉為觸發信號,真空閥打開,工作臺中心由(0,-90,0)處移動至(0,0,0)處,手動X Y軸使監視器十字線對準芯片切割區域中心,按ON鍵工作臺移動至(0,-45,0)處,手動A軸旋轉校直芯片,按ON鍵工作臺移動至(0,45,0)處再次校直芯片,如此反復直至芯片校直.長按ON鍵使工作臺回到(0,0,0)點處, 手動X Y軸使監視器十字線對準芯片切割區域中心,長按ON鍵切割程序啟動,氮氣閥和排風電機開啟.

           圖2-1

圖2-1因芯片尺寸為4英寸,設定程序外圓為4.3英寸(110mm).工作臺由中心移動至外圓時，激光R-shutter關閉,由外圓開始切割時, 激光R-shutter開啟.

切割過程中可按OFF鍵暫停程序,手動調整X Y A軸位置,調整期間R-shutter關閉,按ON鍵程序啟動, R-shutter開啟,繼續切割.

切好一面后,工作臺旋轉90°,繼續切割.

   圖2-3

    整張芯片切割結束后, 激光器R-shutter,氮氣閥,真空閥及排風電機均關閉,工作臺返回至(0,-90,0)處,安全門打開,工作流程結束.

3 操作界面

4 結束語

   此設備控制靈活，定位精度高，完全可替代進口設備，得到用戶好評。