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關鍵詞：
激光切割控制系統(tǒng)
- 摘要：半導體芯片切割控制精度要求非常高，目前國內(nèi)基本上用的都是進口設備。此為我公司為某半導體廠家開發(fā)的設備。
1、系統(tǒng)選型
（1）慣量計算
X軸負載慣量：Jx=Mx(P /2π)2
= 20.2×（0.005/2×3.14）
= 0.128×10-4 kgm2
Y軸負載慣量：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軸電機負載慣量： JLX = Jx J2=0.533×10-4 kgm2
Y軸電機負載慣量： JLY= Jy J2=0.4234×10-4 kgm2
400w電機慣量：Jm4= 0.26×10-4 kgm2
750w電機慣量：Jm7=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(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軸啟動轉(zhuǎn)矩：Tpx = (JLX + Jm7)●a +TLX
= 0.441 0.035 = 0.476 Nm
Y軸啟動轉(zhuǎn)矩：Tpy = (JLY + Jm4)●a +TLY
= 0.215 0.00304 = 0.218 Nm
X軸制動轉(zhuǎn)矩：Tsx = (JLX +Jm7)●a +- TL
=0.441-0.035=0.406Nm
Y軸制動轉(zhuǎn)矩：Tsy = (JLY + Jm4)●a + - TL
= 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(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(guī)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(zhuǎn)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(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(xiàn)功能
1、原點復歸
2、激光功率檢測
3、芯片切割
1.2系統(tǒng)設計
機構(gòu)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(qū)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(cè)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(fā)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(jiān)視器十字線對準芯片切割區(qū)域中心，按ON鍵工作臺移動至(0,-45,0)處，手動A軸旋轉(zhuǎn)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(jiān)視器十字線對準芯片切割區(qū)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(diào)整X Y A軸位置，調(diào)整期間R-shutter關閉，按ON鍵程序啟動，R-shutter開啟，繼續(xù)切割。
切好一面后，工作臺旋轉(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(jié)束。
3 操作界面
4 結(jié)束語
由于半導體產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，需要制造高集成、高性能的半導體晶圓，推動了晶圓激光切割技術的發(fā)展。半導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，當前國內(nèi)的半導體芯片激光切割機主要由外國壟斷。
北京阿沃德自動化設備有限責任公司憑借自己在運動控制行業(yè)的多年的設備制造技術經(jīng)驗和高性能的產(chǎn)品，為客戶研發(fā)定制的控制系統(tǒng)和設備通過反復芯片校直，使得定位準確，切割精度高，控制靈活，完全可替代進口設備，得到用戶好評。
