CNC高精半導體晶元激光切割控制系統

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tags: 控制系統    時間:2014-03-12 10:09:38
CNC高精半導體晶元激光切割控制系統簡介
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CNC高精半導體晶元激光切割控制系統正文

0 引言

半導體晶元切割控制精度要求非常高,目前國內基本上用的基本上都是進口設備。此為我公司為某半導體廠家開發的設備。

1、系統選型


X軸負載重量Mx: 20.2kg

Y軸負載重量My: 2.9kg

滾軸絲杠螺距P: 5mm

額定轉速:  3000(min-1)

摩擦係數:  μ =0.2

機械效率:  η=0.9

加速時間: t=0.01s

負載速度:  VL=15m/min

慣量、扭矩計算

(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

由於需要的行程速度是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

由於在盤式伺服上要放的是一個鋁製的圓盤,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

由於慣量要匹配,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、迴轉速度是5rps、解析度是720000 ppr。該盤式伺服的定位精度是±90s,重複定位精度是±18s,外加絕對值選項定位精度可達±15s、重複定位精度±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、晶元切割

1.2系統設計


機構運動部分由精密直線位移平台,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感測器組成.

如圖1-1所示, 精密直線位移平台,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個極限保護感測器(行程開關或光藕).

1.3設備圖片


2 控制過程

晶元切割

選擇所要切割晶元的型號,以安全門關閉為觸發信號,真空閥打開,工作台中心由(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晶元切割區域中心,按ON鍵工作台移動至(0,-45,0)處,手動A軸旋轉校直晶元,按ON鍵工作台移動至(0,45,0)處再次校直晶元,如此反覆直至晶元校直.長按ON鍵使工作台回到(0,0,0)點處, 手動X Y軸使監視器十字線對準晶元切割區域中心,長按ON鍵切割程序啟動,氮氣閥和排風電機開啟.


圖2-1

圖2-1因晶元尺寸為4英寸,設定程序外圓為4.3英寸(110mm).工作台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,工作台旋轉90°,繼續切割.


圖2-3


整張晶元切割結束后, 激光器R-shutter,氮氣閥,真空閥及排風電機均關閉,工作台返回至(0,-90,0)處,安全門打開,工作流程結束.

3 操作界面




4 結束語

此設備控制靈活,定位精度高,完全可替代進口設備,得到用戶好評。

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