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高精半导体芯片激光切割控制系统

摘要:半导体芯片切割控制精度要求非常高,目前国内基本上用的都是进口设备。此为我公司

为某半导体厂家开发的设备。

关键词:芯片 激光切割 高精度

1、系统选型

(1)惯量计算

X 轴负载惯量:J x =Mx(P /2π) 2

= 20.2×(0.005/2×3.14)

= 0.128×10 -4 kgm 2

Y 轴负载惯量:J y =My(P/2π) 2

=2.9×(0.005/2×3.14) 2

= 0.0184×10 -4 kgm 2

滚珠丝杠: J 2 = πρL B D B 4 /32

= 0.405×10 -4 kgm 2

X 轴电机负载惯量: J LX = J x + J 2 =0.533×10 -4 kgm 2

Y 轴电机负载惯量: J LY = J y + J 2 =0.4234×10 -4 kgm 2

400w 电机惯量:J m4 = 0.26×10 -4 kgm 2

750w 电机惯量:J m7= 0.87×10 -4 kgm 2

(2)扭矩计算

由于需要的行程速度是 100mm/s 到 150mm/s,这次速度将以 250mm/s=15m/min 来计算。

电机转速: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/s 2

X 轴负载转矩:T LX =μMgP / 2πη

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

Y 轴负载转矩:T LY =μMgP / 2πη

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

X 轴启动转矩:T px = (J LX + J m7 ) ● a + + T LX

= 0.441 + 0.035 = 0.476 Nm

Y 轴启动转矩:T py = (J LY + J m4 ) ● a + + T LY

= 0.215 + 0.00304 = 0.218 Nm

X 轴制动转矩:Tsx = (J LX + J m7 ) ● a + - T L

=0.441-0.035=0.406Nm

Y 轴制动转矩:Tsy = (J LY + J m4 ) ● a + - T L

= 0.215 - 0.00304 = 0.212 Nm

通过以上的计算选用的是松下 MHMD400w 和 MSMD750w 的交流伺服电机,该型号输出惯量适合,运行更平稳。X 轴用的是 750w 的伺服系统,额定扭矩为 2.4Nm;而 Y 轴用 400w 的伺服系统,额定扭矩为 1.3Nm;这两款的额定转速都为 3000rps;所选伺服的惯量及扭矩都能使载体平稳的运行。

(3)盘式电机选型

由于在盘式伺服上要放的是一个铝制的圆盘,圆盘规格(R=150mm M=1kg 实心):

圆盘惯量 J=1/2×M×(D/2)²=1/2×1×(150/2)²=0.0028125 kgm2

扭矩 T=角加速度 a×惯量 J

圆盘转π/2 需要的时间是 4s,平均角速度 V=π/2÷4=0.3925rad/s

则:角加速度=角速度 V/加速时间 t=0.3925×0.01=39.25rad/s²

则:扭矩 T=39.25×0.0028125=0.1104Nm

由于惯量要匹配,盘式伺服承受物体的惯量和盘式伺服自身的惯量的比例在 1:10 之内是最理想的,所以所选的盘式伺服 ND110-50F 自身的惯量是 0.00034 kgm2、额定扭矩是 2.4Nm 最大扭矩是 7.2Nm、回转速度是 5rps、分辨率是 720000 ppr。该盘式伺服的定位精度是±90s,重复定位精度是±18s,外加绝对值选项定位精度可达±15s、重复定位精度±1.8s。360 度=1296000s,圆盘周长 L=πR=3.14×150=471000um,则角度 1s=0.363um 弧长,所以当定位精度为 15s 时圆盘的弧长精度可达到 5.445um。

1.1 实现功能

1、原点复归

2、激光功率检测

3、芯片切割

1.2 系统设计

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机构运动部分由精密直线位移平台,交流伺服电机,盘式伺服电机,直线光栅,伺服驱动器及极限保护传感器组成。

1.3 设备图片

如图 1-1 所示, 精密直线位移平台,盘式伺服电机均以行程中心为中点对中安装。X 轴配备 750w 交流伺服电机及直线光栅,Y 轴配备 400w 交流伺服电机,XY 轴两侧各安装 2 个极限保护传感器(行程开关或光藕)。

1.3 设备图片

image.png

2 控制过程

芯片切割

2 控制过程

芯片切割

选择所要切割芯片的型号,以安全门关闭为触发信号,真空阀打开,工作台中心由(0,-90,0)

处移动至(0,0,0)处,手动 X Y 轴使监视器十字线对准芯片切割区域中心,按 ON 键工作台移

动至(0,-45,0)处,手动 A 轴旋转校直芯片,按 ON 键工作台移动至(0,45,0)处再次校直芯片,

如此反复直至芯片校直。长按 ON 键使工作台回到(0,0,0)点处,手动 X Y 轴使监视器十字线

对准芯片切割区域中心,长按 ON 键切割程序启动,氮气阀和排风电机开启。

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图 2-1 因芯片尺寸为 4 英寸,设定程序外圆为 4.3 英寸(110mm),工作台由中心移动至外圆时,激光 R-shutter 关闭,由外圆开始切割时,激光 R-shutter 开启。切割过程中可按 OFF 键暂停程序,手动调整 X YA 轴位置,调整期间 R-shutter 关闭,按ON 键程序启动,R-shutter 开启,继续切割。

image.png

切好一面后,工作台旋转 90,继续切割。

image.png

整张芯片切割结束后, 激光器 R-shutter,氮气阀,真空阀及排风电机均关闭,工作台返回至(0,-90,0)处,安全门打开,工作流程结束。

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4 结束语

由于半导体产业的迅猛发展,需要制造高集成、高性能的半导体晶圆,推动了晶圆激光切割技术的发展。半导体的切割精度直接影响到芯片的成本、质量以及各种性能,当前国内的半导体芯片激光切割机主要由外国垄断。北京阿沃德自动化设备有限责任公司凭借自己在运动控制行业的多年的设备制造技术经验和高性能的产品,为客户研发定制的控制系统和设备通过反复芯片校直,使得定位准确,切割精度高,控制灵活,完全可替代进口设备,得到用户好评。