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：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。
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
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。
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