1、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。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖賃軔朧。1、系统选型惯量、扭矩计算聞創沟燴鐺險爱氇谴净祸測樅。（ 1）惯量计算X 轴负载惯量： Jx=Mx(P/2 )2= 20.2 （0.005/2 3.14）= 0.128 10-4kgm2Y 轴负载惯量： Jy=My(P/2 )2=2.9 （ 0.005/2 3.14） 2= 0.0184 10-4kgm2滚珠丝杠：J2 = LBDB4/32= 0.40510-4kgm2X 轴电机负载惯量：JLX = Jx+ J2=0.5
2、3310-4kgm2Y 轴电机负载惯量：JLY= Jy+ J2=0.423410-4kgm2400w 电机惯量： Jm4= 0.26 10-4kgm2750w 电机惯量： Jm7=0.87 10-4kgm2 （ 2）扭矩计算由于需要的行程速度是100mm/s 到 150mm/s，这次速度将以諍锩瀨濟溆塹籟婭骒東。X 轴负载重量Mx ：20.2kgY 轴负载重量My ：2.9kg滚轴丝杠螺距P：5mm额定转速：3000(min -1 )摩擦系数：=0.2机械效率：=0.9加速时间：t=0.01s负载速度：V L =15m/min250mm/s=15m/min 来计算。 残骛楼电机转速： NL =
3、 VL/P=15/0.005 = 3000 （ min-1）= 3000 2 / 60=314 rad加速度： a+ = NL/t=3140 rad/s2X 轴负载转矩： TLX= MgP/ 2 =0.2 20.2 9.8 0.005/2 3.14 0.9=0.035 NmY 轴负载转矩： TLY= MgP/ 2 =0.2 2.9 9.8 0.005/2 3.14 0.9=0.00304 NmX 轴启动转矩： Tpx = (JLX +Jm7) a+TLX=0.441 + 0.035 = 0.476 NmY 轴启动转矩： Tpy = (JL Y +Jm4) a+TLY =0.215 + 0.00
4、304 = 0.218 NmX 轴制动转矩： Tsx =(JLX+Jm7) a+-TL=0.441-0.035=0.406NmY 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。酽锕极額閉镇桧猪訣锥顧荭钯。（ 3）盘式
5、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=150mmM=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 /2需要的时间是4s平均角速度V=/2 4=0.3925rad/s1 / 5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=39.250.0028125=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
6、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 720XX0ppr 。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。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑诒尔肤。360 度 =1296000s圆盘周长L= R=3.14 150=471000um则角度 1s=0.363um 弧长 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔點鉍杂。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400W伺服电机Y轴伺服驱动A轴伺服驱动Li
7、mit 传感器 *4直线光栅人机界面运动控制PLC控制器器X轴伺服驱动750W伺服电机XYA盘式伺服电机手轮ONOFF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.厦礴恳蹒骈時盡继價骚卺癩龔。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).茕桢广鳓鯡选块网羈泪镀齐鈞。1.3 设备图片2 / 52 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
8、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. 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴縈诘聾。Laser OFFLaser ON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
9、至外圆时，激光 R-shutter 关闭 ,由外圆开始切割时 , 激光 R-shutter 开启 .籟丛妈羥为贍偾蛏练淨槠挞曉。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 .預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴買闥龅。3 / 5切好一面后 ,工作台旋转继续切割 .Laser OFF返回 (0,90)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 .渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦鋇絨钞。3 操作界面4 / 54 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。5 / 5
