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• 關鍵詞： 激光切割控制系統
• 摘要：半導體芯片切割控制精度要求非常高，目前國內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的設備。

1、系統選型

（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軸啟動轉矩：Tpx = (JLX +  Jm7)●a +TLX

= 0.441   0.035 = 0.476 Nm

Y軸啟動轉矩：Tpy = (JLY + Jm4)●a +TLY

= 0.215    0.00304 = 0.218 Nm

X軸制動轉矩：Tsx =  (JLX +Jm7)●a +- TL

                       =0.441-0.035=0.406Nm

Y軸制動轉矩：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。X軸用的是750w的伺服系統，額定扭矩為2.4Nm；而Y軸用400w的伺服系統，額定扭矩為1.3Nm；這兩款的額定轉速都為3000rps；所選伺服的慣量及扭矩都能使載體平穩的運行。

（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實現功能

1、原點復歸

2、激光功率檢測

3、芯片切割

1.2系統設計

 機構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軸使監視器十字線對準芯片切割區域中心，按ON鍵工作臺移動至(0,-45,0)處，手動A軸旋轉校直芯片，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軸使監視器十字線對準芯片切割區域中心，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，手動調整X Y A軸位置，調整期間R-shutter關閉，按ON鍵程序啟動，R-shutter開啟，繼續切割。

切好一面后，工作臺旋轉90?，繼續切割。

整張芯片切割結束后, 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，工作流程結束。

3 操作界面

4 結束語

由于半導體產業的迅猛發展，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展。半導體的切割精度直接影響到芯片的成本、質量以及各種性能，當前國內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的多年的設備制造技術經驗和高性能的產品，為客戶研發定制的控制系統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。