劃片機(jī)空氣靜壓電主軸徑向軸承的設(shè)計(jì)

李戰(zhàn)偉，劉婷婷

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

劃片機(jī)是集成電路封裝工藝線上的關(guān)鍵設(shè)備，是將晶圓沿切割道分割成獨(dú)立芯片的設(shè)備?？諝忪o壓電主軸是劃片機(jī)強(qiáng)力磨削的執(zhí)行部件，其軸線旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性直接影響劃片機(jī)的切割精度，是劃片機(jī)的核心部件[1]。

空氣靜壓電主軸采用空氣軸承支承，具有轉(zhuǎn)速高、精度高、摩擦損耗小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)；但由于其承載小、剛度低、容易出現(xiàn)氣錘振動(dòng)或渦動(dòng)等缺點(diǎn)導(dǎo)致了空氣靜壓電主軸抗干擾能力低，工作穩(wěn)定性差[2]。本文采用表壓比法[3]對(duì)劃片機(jī)空氣靜壓電主軸徑向軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定徑向軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 表壓比法設(shè)計(jì)方法

徑向軸承承載力和剛度是劃片機(jī)空氣靜壓電主軸關(guān)鍵性能指標(biāo)，徑向軸承承載力和剛度主要取決于設(shè)計(jì)時(shí)選用的表壓比Kg。表壓比Kg是孔式節(jié)流下游壓力。

按無量綱表壓表示的形式，表壓比表達(dá)式為：

其中：pd為節(jié)流末端壓力，pa為環(huán)境壓力，ps為供氣壓力，見圖1 所示；

β 為節(jié)流壓力比，β=pd/ps；as=pa/ps，1/as為無量綱供氣壓力。

圖1 典型徑向軸承結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)軸承供壓表壓ps-pa或as=pa/ps給定后，由式（1）得到的表壓比Kg就決定了節(jié)流末端壓力pd或pd-pa值，即確定了氣膜的初始?jí)毫吔缰?。給定軸承幾何條件，通過求解即可得到軸承間隙氣膜的壓力分布，以及軸承剛度和承載力。因此，表壓比Kg是設(shè)計(jì)的第一主參數(shù)。

2 表壓比Kg 確定

對(duì)于空氣軸承，節(jié)流壓力比β 存在臨界值βcr＝0.528，當(dāng)β≤βcr時(shí)，節(jié)流進(jìn)氣孔發(fā)生堵塞；即表壓比Kg也存在臨界值Kgcr：

當(dāng)Kg≤Kgcr時(shí)，節(jié)流進(jìn)氣孔發(fā)生堵塞。對(duì)于供氣壓力ps=0.55 MPa，排氣到大氣的空氣軸承（即pa=0.101 MPa），其臨界表壓比為：

徑向軸承剛度隨表壓比變化曲線，見圖2 所示。由圖2 可以看出，在表壓比小于0.8 的范圍內(nèi)，軸承剛度隨著表壓比的變大而增大，當(dāng)表壓比Kg≥0.8 時(shí)，軸承剛度不再增加，并且容易出現(xiàn)自激渦動(dòng)現(xiàn)象，所以表壓比取值范圍在0.42～0.8。為避免出現(xiàn)節(jié)流進(jìn)氣孔堵塞并得到較高的剛度值，選用表壓比Kg=0.6。

圖2 徑向軸承剛度隨表壓比變化曲線

3 確定徑向軸承關(guān)鍵尺寸

3.1 輪廓尺寸L 和D 的確定

徑向軸承輪廓尺寸主要是徑向軸承的長度L和軸承直徑D。對(duì)應(yīng)不同D-L 值的載荷和流量曲線，見圖3 所示。

由圖2 可以得到，軸承直徑D=26 mm，長度L=40 mm，無量綱供氣壓力，偏心率ε=0.5

圖3 對(duì)應(yīng)不同D-L 的載荷與流量曲線

軸承間隙2h0=30 μm 時(shí)，徑向軸承剛度為：

其承載能力和徑向軸承剛度可以滿足空氣靜壓電主軸徑向承載力和剛度的設(shè)計(jì)要求。

3.2 節(jié)流器類型及尺寸的確定

節(jié)流器是空氣靜壓電主軸軸承設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，節(jié)流器是使壓力為ps的壓縮空氣進(jìn)入軸承間隙前，產(chǎn)生節(jié)流效果，使出口壓力（即軸承氣膜入口壓力pd）相對(duì)穩(wěn)定，從而形成具有一定承載力及剛度的穩(wěn)定潤滑氣膜，支承轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作的一種結(jié)構(gòu)。

高速空氣靜壓電主軸常用的節(jié)流器類型主要有小孔節(jié)流器和環(huán)面節(jié)流器兩種，見圖4 所示。

對(duì)于給定軸承間隙和表壓比情況下，小孔節(jié)流器比環(huán)面節(jié)流器承載力和剛度大，并且在控制高速渦動(dòng)上，小孔節(jié)流器優(yōu)于環(huán)面節(jié)流器，因此徑向軸承選用小孔節(jié)流器。

小孔節(jié)流器直徑d 與對(duì)應(yīng)軸承間隙h0的關(guān)系見圖5 所示。

圖4 常用節(jié)流器類型

圖5 小孔節(jié)流器d0-2h0 曲線

由圖5 可以看出，徑向軸承選用單排8 孔或者雙排1/4 位置雙排8 孔結(jié)構(gòu)，并且0.6，2h0=25.4 μm 時(shí)小孔直徑d=0.125 mm。當(dāng)無量綱供氣壓力，圓周方向節(jié)流孔數(shù)量N，節(jié)流孔長徑比L/D，小孔軸向位置l/L 變化時(shí)，小孔節(jié)流器直徑d0的修正曲線見圖6 所示，圖中為標(biāo)準(zhǔn)條件下的d0值。

圖6 小孔節(jié)流器直徑d 修正曲線

偏心率ε=0.5 時(shí)，劃片機(jī)空氣靜壓電主軸要求的載荷系數(shù)為：

3.3 節(jié)流器位置及數(shù)量的確定

徑向軸承的承載能力系數(shù)CL與節(jié)流孔位置l/L 關(guān)系曲線見圖7 所示。

圖7 承載能力系數(shù)CL 與節(jié)流孔位置l/L 關(guān)系曲線

由圖7 可以看出，當(dāng)l/L=1/2，即選用圖1-a結(jié)構(gòu)徑向軸承時(shí)，承載能力無法滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到擴(kuò)散效應(yīng)，即便將節(jié)流孔數(shù)量增加1 倍到16個(gè)孔，承載能力也僅能增加約16%，仍無法滿足設(shè)計(jì)要求。因此劃片機(jī)空氣靜壓電主軸徑向軸承采用圖1-b 結(jié)構(gòu)，雙排進(jìn)氣孔結(jié)構(gòu)，并且l/L=0.2。

噴嘴數(shù)量N 對(duì)承載能力系數(shù)CL的影響見圖8 所示，由圖8 可知，進(jìn)氣孔數(shù)量N=6 時(shí)，承載能力損失約12%?？紤]到擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)徑向軸承承載能力的影響，劃片機(jī)空氣靜壓電主軸徑向軸承單排進(jìn)氣孔數(shù)量確定為N=8。

圖8 噴嘴數(shù)量N 對(duì)承載能力系數(shù)CL 的影響

4 結(jié) 論

本文采用表壓比法，對(duì)劃片機(jī)空氣靜壓電主軸徑向軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。通過分析得到表壓比Kg=0.6，再通過進(jìn)一步計(jì)算確定徑向軸承采用雙排小孔節(jié)流形式，單排孔數(shù)N=8，軸承直徑D=26 mm，軸承長度L = 40 mm，軸承間隙2h0=30 μm，小孔直徑d0=0.13 mm，小孔位置l=8 mm。

[1] 王明權(quán)，王宏智. 全自動(dòng)劃片機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子工業(yè)專業(yè)設(shè)備，2007（2）：28-38.

[2] 王云飛.氣體潤滑理論與氣體軸承設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3] Powell J W 著，丁維剛 譯.空氣靜壓軸承設(shè)計(jì)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1981.