高精半导体芯片激光切割控制系统

 高精半导体芯片激光切割控制系统

0 引言

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基本上都是进口设备。此为我公司为某半导体厂家开发的设备。

1、系统选型 

惯量、扭矩计算

（1）惯量计算

X轴负载惯量：Jx=Mx(P /2π)2

               = 20.2×（0.005/2×3.14）

               = 0.128×10-4 kgm2

Y轴负载惯量：Jy=My(P/2π)2

               =2.9×（0.005/2×3.14）2

                        = 0.0184×10-4 kgm2

 滚珠丝杠：  J2 = πρLBDB4/32

               = 0.405×10-4 kgm2

 X轴电机负载惯量： JLX = Jx+ J2=0.533×10-4 kgm2

Y轴电机负载惯量： JLY= Jy+ J2=0.4234×10-4 kgm2

 400w电机惯量：Jm4= 0.26×10-4 kgm2

 750w电机惯量：Jm7=0.87×10-4 kgm2

（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：NL = VL/P=15/0.005 = 3000（min-1）

               = 3000 × 2π / 60=314 rad

加速度：a+ = NL/t =3140 rad/s2

X轴负载转矩：TLX=μMgP / 2πη 

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

Y轴负载转矩：TLY=μMgP / 2πη 

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

X轴启动转矩：Tpx = (JLX + Jm7)●a+ + TLX

= 0.441 + 0.035 = 0.476 Nm

Y轴启动转矩：Tpy = (JLY + Jm4)●a+ + TLY

= 0.215  + 0.00304 = 0.218 Nm

X轴制动转矩：Tsx =  (JLX+ Jm7)●a+ - TL

                        =0.441-0.035=0.406Nm

Y轴制动转矩：Tsy =  (JLY + Jm4)●a+ - TL

=  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

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.

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

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. 

           图2-1

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 Y A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.

切好一面后,工作台旋转90°,继续切割.

   图2-3

    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.

3 操作界面

4 结束语

   此设备控制灵活，定位精度高，完全可替代进口设备，得到用户好评。