CN105437067A - 一种超声波空气静压主轴装置及划片机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超声波空气静压主轴装置及划片机，用以解决应用传统切割方法对半导体器件进行切割分离，容易造成刀片钝化、破损及产品掉角、崩边严重的问题。本发明的超声波空气静压主轴装置包括：转子装置，转子装置包括：转子及驱动所述转子旋转的驱动器，且所述转子的一端安装有刀片；与所述转子装置连接的超声波振动装置，所述超声波振动装置将电能转换成机械振动并传输至所述转子处，使转子带动所述刀片沿转子轴向和径向方向进行振动。本发明通过超声波振动装置使刀片和被加工物在刀片的高速运转下，以高加速度状态进行反复碰撞，进而使得被加工物表面产生细小破碎层，大大降低了刀片的加工负荷，防止刀片的钝化，延长刀片的使用寿命。

Description

一种超声波空气静压主轴装置及划片机
技术领域
本发明涉及半导体器件的生产和制造技术领域，特别是涉及一种超声波空气静压主轴装置及划片机。
背景技术
划片机是半导体后封装关键设备，其工作机理是强力磨削，而刀片是强力磨削的执行部件。划片机刀片是环行结构，安装于空气静压轴的电机轴端上，工作时，在空气静压轴电机的驱动下高速旋转进行划切，最高转速达到60000rpm。
由于刀片特殊的工作性质，在划切生产过程中，往往出现刀片钝化的状况，此时如果继续划切，就会影响划切质量，产生崩边崩片等现象，甚至导致废片。
目前普遍采用的做法是，定期对刀片进行磨轮修整，需要磨刀板进行刀片修整，一方面降低生产效率，另一方面加大刀片磨损，减少刀片寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声波空气静压主轴装置及划片机，用以解决应用传统切割方法对半导体器件进行切割分离，容易造成刀片钝化、破损及产品掉角、崩边严重的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种超声波空气静压主轴装置，包括：
转子装置，所述转子装置包括：转子及驱动所述转子旋转的驱动器，且所述转子的一端安装有刀片；
与所述转子装置连接的超声波振动装置，所述超声波振动装置将电能转换成机械振动并传输至所述转子处，使所述转子带动所述刀片沿转子轴向和径向方向进行振动。
其中，所述转子装置还包括：密封轴套，所述密封轴套内设置有压缩空气，所述转子通过所述压缩空气悬浮于所述密封轴套内。
其中，所述超声波振动装置包括：
超声波发生器，所述超声波发生器将工频电压转换为超声频电压；
设置于所述转子上的换能器，所述换能器在所述超声频电压的驱动下产生机械振动，并将所述机械振动向所述转子的两端传输，使所述机械振动形成驻波在所述转子内进行传输。
其中，所述转子包括沿所述转子的径向方向分割而成的第一部分和第二部分，所述换能器设置于所述第一部分和第二部分之间。
其中，所述换能器包括：
电极，所述电极将所述超声波发生器产生的超声频电压传递给压电陶瓷片；
压电陶瓷片，所述压电陶瓷片在所述超声频电压的作用下产生机械振动；
分别与所述压电陶瓷片和所述第一部分连接的前匹配块，所述前匹配块将所述机械振动传输至所述第一部分；
分别与所述压电陶瓷片和所述第二部分连接的后匹配块，所述后匹配块将所述机械振动传输至所述第二部分。
其中，所述电极为铜片或铝片。
其中，上述超声波空气静压主轴装置，还包括：
设置于所述转子的一端、且位于所述驻波波幅处的刀片安装装置，所述刀片通过所述刀片安装装置安装于所述转子上。
其中，上述超声波空气静压主轴装置，还包括：
分别与所述转子和所述刀片安装装置连接、且位于所述驻波波节处的转轴。
其中，所述驱动器包括：
驱动所述转子旋转的电机；及
驱动所述电机旋转的变频器。
本发明的实施例还提供了一种划片机，包括如上所述的超声波空气静压主轴装置。
本发明实施例具有以下有益效果：
本发明实施例的超声波空气静压主轴装置，通过超声波振动装置将电能转换成机械振动并传输至所述转子处，由所述转子带动所述刀片沿转子轴向和径向方向进行振动，使刀片和被加工物在刀片的高速运转下，以高加速度状态进行反复碰撞，进而使得被加工物表面产生细小破碎层，大大降低了刀片的加工负荷，防止刀片的钝化，延长刀片的使用寿命，提高了材料的加工质量，同时简化了产品加工的复杂度。
附图说明
图1为本发明实施例的超声波空气静压主轴装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的超声波空气静压主轴装置中前匹配块和后匹配块的结构示意图；
图3为本发明实施例的划片机控制系统的结构示意图；
图4为本发明实施例的划片机加工半导体器件的流程示意图。
附图标记说明：
11-转子，12-密封轴套，121-进气口，122-排气口，2-刀片，31-电机，32-变频器，4-轴承，5-转轴，6-超声波发生器，71-电极，72-压电陶瓷片，73-前匹配块，74-后匹配块，75-平键结构，8-刀片安装装置。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及附图进行详细描述。
本发明实施例解决应用传统切割方法对半导体器件进行切割分离，容易造成刀片钝化、破损及产品掉角、崩边严重的问题。本发明实施例提供了一种超声波空气静压主轴装置，如图1所示，包括：
转子装置，所述转子装置包括：转子11及驱动所述转子11旋转的驱动器，且所述转子11的一端安装有刀片2；
与所述转子装置连接的超声波振动装置，所述超声波振动装置将电能转换成机械振动并传输至所述转子11处，使所述转子11带动所述刀片2沿转子11轴向和径向方向进行振动。
本发明实施例的超声波空气静压主轴装置，通过超声波振动装置将电能转换成机械振动并传输至所述转子处，由所述转子带动所述刀片沿转子轴向和径向方向进行振动，使刀片和被加工物在刀片的高速运转下，以高加速度状态进行反复碰撞，进而使得被加工物表面产生细小破碎层，大大降低了刀片的加工负荷，防止刀片的钝化，延长刀片使用寿命，提高了材料的加工质量，同时简化了产品加工的复杂度。
进一步地，所述驱动器包括：驱动所述转子11旋转的电机31及驱动所述电机31旋转的变频器32。在变频器32的驱动下，电机31高速旋转,从而带动转子11以0-60000rpm旋转。
进一步地，所述转子装置还包括：密封轴套12，所述密封轴套12内设置有压缩空气，所述转子11通过所述压缩空气悬浮于所述密封轴套12内。
在本发明的具体实施例中，转子11正常工作时，是由轴承4和转轴5进行固定，加工时要求动平衡状态良好，能够承受的转速范围为：0-60000rpm。为了减少转子11在旋转过程中的摩擦阻力，本发明利用压缩空气悬浮转子。具体的，压缩空气从进气口121进入到密闭轴套12中，并且从排气口122进行排气。在工作时，密闭轴套12内的压缩空气在进气口121和排气口122的作用下应该保持动态平衡。本发明实施例的转子通过过滤精度为0.010um以上、范围为0.4-0.6MPa的压缩空气悬浮于密闭空腔中，且在工作状态中不可关闭压缩空气，否则容易造成主轴损坏。
另外，若要使转子11均匀悬浮，高速旋转，且使转子轴心形成驻波，超声波振动利用率达到最大，转子材质需要在一定范围内使用各向同性均匀材质，具体的，上述转子采用刚性不锈钢均匀各向同性介质制造而成。
进一步地，所述超声波振动装置包括：
超声波发生器6，所述超声波发生器6将工频电压转换为超声频电压；
设置于所述转子11上的换能器，所述换能器在所述超声频电压的驱动下产生机械振动，并将所述机械振动向所述转子11的两端传输，使所述机械振动形成驻波在所述转子内进行传输。
在本发明的具体实施例中，转子包括沿所述转子的径向方向分割而成的第一部分和第二部分，所述换能器设置于所述第一部分和第二部分之间。优选地，所述换能器为夹心式压电陶瓷换能器。该夹心式压电陶瓷环能器具体包括：电极71、一对压电陶瓷片72、前匹配块73和后匹配块74，且为了加工和连接导线方便，电极71一般采用导电性能良好的铝片或者铜片，其厚度为2-6mm。所述电极71将所述超声波发生器6产生的超声频电压传递给压电陶瓷片72，所述压电陶瓷片72在所述超声频电压的作用下产生机械振动，并通过前后匹配块将机械振动传递给第一部分和第二部分。
其中，前匹配块73分别与所述压电陶瓷片和所述第一部分连接，并将机械振动传输至所述第一部分；后匹配块74分别与所述压电陶瓷片和所述第二部分连接，并将所述机械振动传输至所述第二部分，所述前匹配块73和所述后匹配块74的结构具体如图2所示，该前匹配块73和后匹配块74具有相同的结构，均包括四个平键结构75，通过平键结构75与转子上开设的键槽连接，实现前后匹配块与转子11的连接。
本发明实施例的超声波振动装置中，超声波发生器是采用开关电源的形式，将工频交流电转化为超声频变化的电压，并将其变化电压加载到压电陶瓷的两个电极上，压电陶瓷安装与转子轴心后端，其厚度随着超声频电压而变化，产生纵向超声波振动，且振动将沿着转子轴心向前后两个方向传播。
本发明实施例的超声波空气静压主轴装置，还包括：刀片安装装置8，所述刀片2通过所述刀片安装装置8安装于所述转子11上。刀片安装装置8是用来固定超声波加工刀片的特殊夹具，安装于转子11轴头一端，该刀片安装装置8采用特殊工艺制造，具有沿轴心振动和径向振动特性，在安装时要求与转子轴心紧密连接，以减少超声波振动能量损失。
另外，超声波振动在两种不同介质中传播时，将发生反射和折射，反射和折射的比率与两种介质密度之比成正比例关系。具体的，转子11可采用优质碳素结构钢或钛合金钢等大密度，刚性好的材质制成。由压电陶瓷发出的超声波振动和反射回来的反射波相叠加，由于转子密度远大于空气密度，故认为超声波振动全部反射，且反射波有半波损失，同时因为压缩空气这一系统的“隔离”作用，仅仅使得转子轴心及其相关部件振动，不会造成整个主轴系统或设备的振动。在特定条件下，发射波和反射波可以达到谐振状态；根据不同划切工艺，通过对超声波发生器频率的控制，可以调节振动波长大小，以达到最优划切状态。
这里，由波的叠加原理可知，两列独立的传播的波，在其传播相遇处的位移等于各列独立波独立传播时位移的矢量和；由波动方程公式：和线性方程叠加原理可知，对于超声振动波y1＝Acos(ωt-kx)和反射波y2＝Acos(ωt+kx)，在转子中相遇时合成波为：y＝y1+y2＝(2Acoskx)cosωt；在形成驻波时：λ为超声波振动波长，k正整数,对于不同材质，其中v为超声波在不同材质中传播的速度，是与材质相关的常数，f为超声波振动的频率；
进一步地，令振幅Aφ＝2Acoskx，当coskx＝±1时，Aφ＝2A，此时当coskx＝0时，Aφ＝0，此时
为达到超声波振动最大利用率，要求刀片安装装置8安装于振幅最大的波腹处转轴5安装于振幅最小波节处其中，i＝0,1,2……。当有其他因素影响上式变化时，必须调整刀片安装装置8和转轴5的安装位置，使其符合上式。本发明实施例将刀片安装装置安装在动能最大处，以获得最好的振动效果，转轴5安装在最小动能处，以获得最好的的固定效果。
进一步地，根据声波特性，若不考虑介质结构阻力和声波折射，对于不同截面的弹性介质，其截面变化与振幅之间的关系为：
根据半导体加工工艺，在划片机应用中，要求刀片安装装置振动值极小，故此主轴设计可不需要变幅装置，只需通过上式确定出转子加工时的截面面积。
本发明实施例的超声波空气静压主轴装置，通过超声波的作用，使得刀片在半径方向和轴向方向产生瞬间轻微的伸缩式振动。通过刀片的振动，能够使加工微粒和被加工物在刀片的高速运转下，以高加速度状态进行反复碰撞，使得被加工物表面产生细小破碎层，同时能够在刀片和被加工物之间产生间隙；此装置能够大大降低刀片的加工负荷，改善加工系统的冷却效果，防止刀片的钝化，延迟刀片使用寿命。
上述超声波空气静压主轴装置，应用于半导体切割设备上，该半导体切割设备可具体为划片机，因此，本发明实施例还提供了一种划片机，包括如上所述的超声波空气静压主轴装置。
具体的，该划片机具有X，Y，Z，Theta运动轴系统，超声波空气静压主轴安装于划片机Y轴和Z轴具有两个自由度的装置上；被加工物位于Theta台上，通过控制X，Y，Theta来确定被加工物的形状，Z来确定被加工物深度；通过控制Y轴步进和Z轴步进，可以用来加工不同大小，深度的半导体器件，通过X轴和Theta，用来控制被加工物的形状和尺寸。且上述划片机的Z运动轴系统可以根据实际需要进行改变，故其超声波空气静压主轴装置的数量在不同类型设备上不同。
如图3所示，划片机的运动控制系统上位机通过运动控制卡与各个驱动器(X驱动器、Y驱动器、Z驱动器、Theta驱动器、主轴驱动器及超声波驱动器)建立通信，进而控制相应的电机运转，并且各部分均有电源模块。
下面具体说明本发明实施例的划片机加工半导体器件的加工过程。
如图4所示，上述加工过程具体包括：
步骤100：通过半导体器件的产品规格参数和具体的加工工艺，确定其加工时运动系统的运动参数：X运动参数，Y运动参数，Z运动参数，Theta运动参数，超声波空气静压主轴运行参数，超声波发生器的运行参数。
步骤101：利用运动控制系统，上位机向各个运动部件发出运动指令，依次确定X，Y，Z，Theta运动位置，主轴转速，超声波发生器的频率。
步骤102：各个电机带动其运动结构运动到相应位置。
步骤103：刀片进行加工作业，完成产品加工。
本发明实施例的超声波空气静压主轴装置及划片机，在工作时，通过超声波发生器，在压电陶瓷产生机械振动，通过微小机械振动的作用，能够使刀片和被加工物在刀片的高速运转下，以高加速度状态进行反复碰撞，使得被加工物表面产生细小破碎层，同时能够在刀片和被加工物之间产生间隙，大大降低刀片的加工负荷，改善加工系统的冷却效果，防止刀片的钝化，延长刀片使用寿命，提高了材料的加工质量，同时简化了产品加工的复杂度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波空气静压主轴装置，其特征在于，包括：
转子装置，所述转子装置包括：转子及驱动所述转子旋转的驱动器，且所述转子的一端安装有刀片；
与所述转子装置连接的超声波振动装置，所述超声波振动装置将电能转换成机械振动并传输至所述转子处，使所述转子带动所述刀片沿转子轴向和径向方向进行振动。
2.根据权利要求1所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，所述转子装置还包括：密封轴套，所述密封轴套内设置有压缩空气，所述转子通过所述压缩空气悬浮于所述密封轴套内。
3.根据权利要求1所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，所述超声波振动装置包括：
超声波发生器，所述超声波发生器将工频电压转换为超声频电压；
设置于所述转子上的换能器，所述换能器在所述超声频电压的驱动下产生机械振动，并将所述机械振动向所述转子的两端传输，使所述机械振动形成驻波在所述转子内进行传输。
4.根据权利要求3所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，所述转子包括沿所述转子的径向方向分割而成的第一部分和第二部分，所述换能器设置于所述第一部分和第二部分之间。
5.根据权利要求4所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，所述换能器包括：
电极，所述电极将所述超声波发生器产生的超声频电压传递给压电陶瓷片；
压电陶瓷片，所述压电陶瓷片在所述超声频电压的作用下产生机械振动；
分别与所述压电陶瓷片和所述第一部分连接的前匹配块，所述前匹配块将所述机械振动传输至所述第一部分；
分别与所述压电陶瓷片和所述第二部分连接的后匹配块，所述后匹配块将所述机械振动传输至所述第二部分。
6.根据权利要求5所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，所述电极为铜片或铝片。
7.根据权利要求3所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，还包括：
设置于所述转子的一端、且位于所述驻波波幅处的刀片安装装置，所述刀片通过所述刀片安装装置安装于所述转子上。
8.根据权利要求7所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，还包括：
分别与所述转子和所述刀片安装装置连接、且位于所述驻波波节处的转轴。
9.根据权利要求1所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，所述驱动器包括：
驱动所述转子旋转的电机；及
驱动所述电机旋转的变频器。
10.一种划片机，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的超声波空气静压主轴装置。
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