• 關(guān)鍵詞： 激光切割控制系統(tǒng)
• 摘要：半導(dǎo)體芯片切割控制精度要求非常高，目前國(guó)內(nèi)基本上用的都是進(jìn)口設(shè)備。此為我公司為某半導(dǎo)體廠家開發(fā)的設(shè)備。

1、系統(tǒng)選型

（1）慣量計(jì)算

X軸負(fù)載慣量：Jx=Mx(P /2π)2

              = 20.2×（0.005/2×3.14）

              = 0.128×10-4 kgm2

Y軸負(fù)載慣量：Jy=My(P/2π)2

              =2.9×（0.005/2×3.14）2

                       = 0.0184×10-4 kgm2

滾珠絲杠：  J2 = πρLBDB4/32

              = 0.405×10-4 kgm2

X軸電機(jī)負(fù)載慣量： JLX = Jx  J2=0.533×10-4 kgm2

Y軸電機(jī)負(fù)載慣量： JLY= Jy  J2=0.4234×10-4 kgm2

400w電機(jī)慣量：Jm4= 0.26×10-4 kgm2

750w電機(jī)慣量：Jm7=0.87×10-4 kgm2

（2）扭矩計(jì)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(lái)計(jì)算。

電機(jī)轉(zhuǎn)速：NL = VL/P=15/0.005 = 3000（min-1）

              = 3000 × 2π / 60=314 rad

加速度：a  = NL/t =3140 rad/s2

X軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩：TLX=μMgP / 2πη

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

Y軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩：TLY=μMgP / 2πη

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

X軸啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：Tpx = (JLX +  Jm7)●a +TLX

= 0.441   0.035 = 0.476 Nm

Y軸啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：Tpy = (JLY + Jm4)●a +TLY

= 0.215    0.00304 = 0.218 Nm

X軸制動(dòng)轉(zhuǎn)矩：Tsx =  (JLX +Jm7)●a +- TL

                       =0.441-0.035=0.406Nm

Y軸制動(dòng)轉(zhuǎn)矩：Tsy =  (JLY + Jm4)●a + - TL

=  0.215 - 0.00304 = 0.212 Nm

通過(guò)以上的計(jì)算選用的是松下MHMD400w和MSMD750w的交流伺服電機(jī)，該型號(hào)輸出慣量適合，運(yùn)行更平穩(wěn)。X軸用的是750w的伺服系統(tǒng)，額定扭矩為2.4Nm；而Y軸用400w的伺服系統(tǒng)，額定扭矩為1.3Nm；這兩款的額定轉(zhuǎn)速都為3000rps；所選伺服的慣量及扭矩都能使載體平穩(wěn)的運(yùn)行。

（3）盤式電機(jī)選型

由于在盤式伺服上要放的是一個(gè)鋁制的圓盤，圓盤規(guī)格(R=150mm  M=1kg  實(shí)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(zhuǎn)π/2需要的時(shí)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(shí)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(nèi)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(zhuǎn)速度是5rps、分辨率是720000 ppr。該盤式伺服的定位精度是±90s，重復(fù)定位精度是±18s，外加絕對(duì)值選項(xiàng)定位精度可達(dá)±15s、重復(fù)定位精度±1.8s。360度=1296000s，圓盤周長(zhǎng) L=πR=3.14×150=471000um，則角度1s=0.363um弧長(zhǎng)，所以當(dāng)定位精度為15s時(shí)圓盤的弧長(zhǎng)精度可達(dá)到5.445um。

1.1實(shí)現(xiàn)功能

1、原點(diǎn)復(fù)歸

2、激光功率檢測(cè)

3、芯片切割

1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部分由精密直線位移平臺(tái),交流伺服電機(jī),盤式伺服電機(jī),直線光柵,伺服驅(qū)動(dòng)器 及極限保護(hù)傳感器組成。

如圖1-1所示, 精密直線位移平臺(tái),盤式伺服電機(jī)均以行程中心為中點(diǎn)對(duì)中安裝。X軸配 備750w交流伺服電機(jī)及直線光柵,Y軸配備400w交流伺服電機(jī),XY軸兩側(cè)各安裝2個(gè)極限保護(hù)傳感器(行程開關(guān)或光藕)。

 1.3設(shè)備圖片

 2 控制過(guò)程

 芯片切割

選擇所要切割芯片的型號(hào)，以安全門關(guān)閉為觸發(fā)信號(hào)，真空閥打開，工作臺(tái)中心由(0,-90,0)處移動(dòng)至(0,0,0)處，手動(dòng)X Y軸使監(jiān)視器十字線對(duì)準(zhǔn)芯片切割區(qū)域中心，按ON鍵工作臺(tái)移動(dòng)至(0,-45,0)處，手動(dòng)A軸旋轉(zhuǎn)校直芯片，按ON鍵工作臺(tái)移動(dòng)至(0,45,0)處再次校直芯片，如此反復(fù)直至芯片校直。長(zhǎng)按ON鍵使工作臺(tái)回到(0,0,0)點(diǎn)處，手動(dòng)X Y軸使監(jiān)視器十字線對(duì)準(zhǔn)芯片切割區(qū)域中心，長(zhǎng)按ON鍵切割程序啟動(dòng)，氮?dú)忾y和排風(fēng)電機(jī)開啟。

圖2-1因芯片尺寸為4英寸，設(shè)定程序外圓為4.3英寸(110mm)，工作臺(tái)由中心移動(dòng)至外圓時(shí)，激光R-shutter關(guān)閉，由外圓開始切割時(shí)，激光R-shutter開啟。

切割過(guò)程中可按OFF鍵暫停程序，手動(dòng)調(diào)整X Y A軸位置，調(diào)整期間R-shutter關(guān)閉，按ON鍵程序啟動(dòng)，R-shutter開啟，繼續(xù)切割。

切好一面后，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)90?，繼續(xù)切割。

整張芯片切割結(jié)束后, 激光器R-shutter，氮?dú)忾y，真空閥及排風(fēng)電機(jī)均關(guān)閉，工作臺(tái)返回至(0,-90,0)處，安全門打開，工作流程結(jié)束。

3 操作界面

4 結(jié)束語(yǔ)

由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，需要制造高集成、高性能的半導(dǎo)體晶圓，推動(dòng)了晶圓激光切割技術(shù)的發(fā)展。半導(dǎo)體的切割精度直接影響到芯片的成本、質(zhì)量以及各種性能，當(dāng)前國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體芯片激光切割機(jī)主要由外國(guó)壟斷。

北京阿沃德自動(dòng)化設(shè)備有限責(zé)任公司憑借自己在運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)的多年的設(shè)備制造技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和高性能的產(chǎn)品，為客戶研發(fā)定制的控制系統(tǒng)和設(shè)備通過(guò)反復(fù)芯片校直，使得定位準(zhǔn)確，切割精度高，控制靈活，完全可替代進(jìn)口設(shè)備，得到用戶好評(píng)。