劃片機(jī)空氣靜壓電主軸材料選用及加工工藝研究

賈月明，張 偉

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

劃片機(jī)是集成電路封裝過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備，以強(qiáng)力磨削為切割機(jī)理，將晶圓分割成單個(gè)的電路單元。劃片機(jī)空氣靜壓電主軸采用空氣軸承支撐，變頻電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，將轉(zhuǎn)軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)鍵過(guò)盈聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)了主軸的零傳動(dòng)。空氣靜壓電主軸能在極高轉(zhuǎn)速下工作，是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力磨削的執(zhí)行單元，其旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性直接影響劃片機(jī)的精度[1]。隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，晶圓尺寸的持續(xù)增大和切割槽寬度的不斷減小對(duì)劃片機(jī)及其空氣靜壓電主軸提出了越來(lái)越高的要求。為保證空氣靜壓電主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)具有優(yōu)良的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和轉(zhuǎn)矩傳遞能力，其零部件加工精度和表面質(zhì)量要求十分苛刻，加工難度很大，精密加工已經(jīng)成為電主軸的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[2]。優(yōu)化主軸材料選用并確定合理的加工工藝，進(jìn)行關(guān)鍵零件的精密加工，可有效實(shí)現(xiàn)劃片機(jī)主軸設(shè)計(jì)的高精度和高穩(wěn)定性，對(duì)提高劃片機(jī)品質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有十分重要的意義。

1 主軸結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求

1.1 主軸結(jié)構(gòu)

劃片機(jī)工作時(shí)，空氣靜壓電主軸帶動(dòng)金剛石刀片高速旋轉(zhuǎn)，并對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的晶圓進(jìn)行切割。劃片機(jī)主軸結(jié)構(gòu)如圖1所示，在加工過(guò)程中受自身重力、切削力、切削熱和振動(dòng)等因素影響。

圖1 劃片機(jī)主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 技術(shù)要求

轉(zhuǎn)軸是劃片機(jī)主軸的關(guān)鍵零件之一，如圖2所示，其加工精度直接影響劃片機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)行平穩(wěn)性。下面以轉(zhuǎn)軸為例分析劃片機(jī)主軸關(guān)鍵零件的技術(shù)要求。

圖2 轉(zhuǎn)軸零件示意圖

(1)主要表面尺寸精度要求極高。劃片機(jī)主軸的主要表面分為三類，一類是與圓柱空氣軸承形成氣膜的外圓軸頸，另一類是與平面空氣軸承形成氣膜的軸肩，還有一類是與刀架形成安裝定位的錐面。前兩類主要表面尺寸公差在微米級(jí)，后一類要求錐面接觸率很高。

(2)主要表面位置精度要求苛刻。劃片機(jī)主軸的外圓軸頸對(duì)軸心線的同軸度允差、軸肩兩端面對(duì)軸心線的垂直度允差、以及錐面對(duì)軸心線的徑向跳動(dòng)允差均在微米級(jí)。

(3)表面粗糙度要求嚴(yán)格。為滿足劃片機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)精度的需要，其加工表面具有嚴(yán)格的表面粗糙度要求，部分表面只有通過(guò)精磨才能實(shí)現(xiàn)。

2 主軸材料選用

2.1 材料選用基本原則

設(shè)計(jì)劃片機(jī)主軸的機(jī)械零件時(shí)，首先要選擇材料，如何合理地選用材料是一項(xiàng)很重要的工作[3]。材料選用不僅影響主軸的可靠性，而且影響主軸的生產(chǎn)效率和質(zhì)量成本。劃片機(jī)主軸材料選用基本原則如表1所示。

表1 劃片機(jī)主軸材料選用基本原則

2.2 劃片機(jī)主軸選材

劃片機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)精度及熱穩(wěn)定性等工作性能直接影響晶圓的劃切品質(zhì)，因此在材料選用過(guò)程中必須考慮劃片機(jī)主軸的載荷條件、運(yùn)行精度、工作環(huán)境等因素。主軸工作時(shí)，電機(jī)熱損耗及空氣軸承氣膜的剪切摩擦發(fā)熱勢(shì)必產(chǎn)生熱變形，有熱穩(wěn)定性要求；主軸外錐面在裝卸刀架時(shí)，存在相對(duì)摩擦，有較高的硬度和耐磨性要求；同時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的刀體與冷卻水接觸必然形成水霧，所以有耐蝕性要求。

劃片機(jī)主軸技術(shù)要求高，加工難度很大，大多數(shù)零件都必須經(jīng)過(guò)精密磨削加工來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此材料的磨削加工性和熱處理工藝性是材料選用的重要因素。

根據(jù)材料選用基本原則以及劃片機(jī)主軸的性能要求，軸套類零件可選擇合金鋼，如38CrMoAl、1Cr18Ni9等；空氣軸承可選擇不銹鋼、硅青銅、多孔質(zhì)材料等；刀架可選擇輕質(zhì)、高強(qiáng)度且耐腐蝕的鈦合金。

3 主軸加工工藝設(shè)計(jì)

劃片機(jī)主軸的關(guān)鍵工藝是轉(zhuǎn)軸的加工工藝。轉(zhuǎn)軸屬于長(zhǎng)軸類零件，在工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)并承受切削力，同時(shí)對(duì)徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)等均有極高的要求，其加工過(guò)程比較復(fù)雜。下面以轉(zhuǎn)軸為例闡述劃片機(jī)主軸關(guān)鍵零件的加工工藝設(shè)計(jì)過(guò)程。

3.1 加工階段劃分

根據(jù)轉(zhuǎn)軸圖樣特征及精度要求，其加工過(guò)程可以分為3個(gè)加工階段，即粗加工階段、半精加工階段和精加工階段。其中：粗加工階段包括粗車(chē)外圓、加工頂尖孔等，主要目的是用大的切削用量切除大部分余量，把毛坯加工成接近工件的最終形狀和尺寸，只留下少量的加工余量；半精加工階段包括半精車(chē)外圓等，主要目的是為精加工做好準(zhǔn)備，尤其為精加工做基面準(zhǔn)備。對(duì)于一些要求不高的表面，如窄空刀槽等，在這個(gè)階段加工到圖樣規(guī)定的要求；精加工階段包括精磨外圓、軸肩、錐面等，主要目的是把各表面都加工到圖樣規(guī)定的要求。粗加工、半精加工和精加工階段的劃分大體以熱處理為界。

3.2 熱處理安排

轉(zhuǎn)軸的熱處理，要根據(jù)其材料選用和技術(shù)要求進(jìn)行確定。熱處理次數(shù)的多少取決于主軸的精度要求、經(jīng)濟(jì)性以及熱處理效果。劃片機(jī)主軸一般經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)、真空淬火和時(shí)效處理等熱處理工序。

轉(zhuǎn)軸的調(diào)質(zhì)處理，安排在粗車(chē)之后進(jìn)行，目的是獲得均勻細(xì)密的回火索氏體組織，使轉(zhuǎn)軸具有很高的韌性和足夠的強(qiáng)度，具備優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。轉(zhuǎn)軸的真空淬火，安排在半精車(chē)之后進(jìn)行，目的是在變形小和氧化少的同時(shí)提高轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，滿足轉(zhuǎn)軸的各種性能要求。轉(zhuǎn)軸的時(shí)效處理，安排在精磨之前進(jìn)行，目的是消除加工的內(nèi)應(yīng)力，提高轉(zhuǎn)軸的尺寸穩(wěn)定性，使其能夠長(zhǎng)期保持精度。

另外，為防止熱處理過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)子從轉(zhuǎn)軸上脫落，其高溫?zé)崽幚砉ば虮仨毎才旁跓崽邹D(zhuǎn)子前進(jìn)行，這樣可以有效避免硅鋼片與鑄鋁風(fēng)葉松動(dòng)和受熱發(fā)生扭曲變形。

3.3 定位基準(zhǔn)選擇

合理地選擇定位基準(zhǔn)，對(duì)于保證轉(zhuǎn)軸的尺寸精度、位置精度和表面質(zhì)量具有決定性的作用。轉(zhuǎn)軸各外圓表面和錐面等對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線的同軸度，軸肩端面對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線的垂直度是其位置精度的主要項(xiàng)目，這些表面的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是兩頂尖孔軸線。加工過(guò)程中以兩頂尖孔為定位基準(zhǔn)，既符合基準(zhǔn)重合原則，又能使基準(zhǔn)統(tǒng)一。采用兩頂尖孔定位，在一次裝夾中可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸多個(gè)外圓和端面的加工，具有較高的生產(chǎn)效率。工序中的半精車(chē)、粗磨、半精磨、精磨轉(zhuǎn)軸各外圓表面和軸肩端面等，都是以兩頂尖孔作為定位基準(zhǔn)的。

兩頂尖孔的形狀誤差、位置誤差、表面粗糙度的超差，都會(huì)導(dǎo)致頂尖與頂尖孔之間接觸率較低，造成頂尖支承剛度不足而引起轉(zhuǎn)軸軸線發(fā)生變動(dòng)，因此在轉(zhuǎn)軸經(jīng)過(guò)一道熱處理后，應(yīng)修研兩頂尖孔，提高頂尖孔的定位精度，以確保轉(zhuǎn)軸的加工精度。

3.4 加工工藝路線擬定

在轉(zhuǎn)軸加工階段劃分、熱處理安排和定位基準(zhǔn)選擇的基礎(chǔ)上，擬定轉(zhuǎn)軸的加工工藝路線如下：下料→粗車(chē)→調(diào)質(zhì)→半精車(chē)→真空淬火→研中心孔→粗磨→半精磨→時(shí)效處理→熱壓轉(zhuǎn)子→研中心孔→精磨→檢驗(yàn)，其中精磨工序加工工藝如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)軸精磨工序的加工工藝

4 結(jié) 論

劃片機(jī)是集成電路關(guān)鍵封裝設(shè)備之一，空氣靜壓電主軸是劃片機(jī)的核心執(zhí)行部件，主軸材料選用及加工工藝直接關(guān)系到劃片機(jī)主軸的運(yùn)行精度及可靠性。本文對(duì)主軸材料選用及加工工藝進(jìn)行了初步探討，并在設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中進(jìn)行了實(shí)踐。用戶工藝驗(yàn)證的數(shù)據(jù)表明，劃片機(jī)空氣靜壓電主軸運(yùn)行穩(wěn)定，振動(dòng)小，噪聲低，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，取得了預(yù)期的應(yīng)用效果。

[1]王明權(quán)，衛(wèi)桁.劃片機(jī)高速空氣靜壓電主軸關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010(6):16-20.

[2]黃紅武，熊萬(wàn)里，陸名彰，等.高速大功率精密電主軸中的關(guān)鍵技術(shù)[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，29(5):49-54.

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