划片机的总体规划及x、θ轴设计(编辑修改稿)

划片机的总体规划及x、θ轴设计(编辑修改稿)内容摘要：

IC 封装的分类 封装主要分为 DIP 双列直插和 SMD 贴片封装两种。 从结构方面，封装经历了最早期的晶体管 TO（如 TO8 TO92）封装发展到了双列直插封装，随后由 PHILIP 公司开发出 8 了 SOP小外型封装，以后逐渐派生出 SOJ（ J型引脚小外形封装）、 TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、 SSOP（缩小型 SOP） 、 TSSOP（薄的缩小型 SOP）及 SOT（小外形晶体管）、 SOIC（小外形集成电路）等。 从材料介质方面，包括金属、陶瓷、塑料、塑料，目前很多高强度工作条件需求的电路如军工和宇航级别仍有大量的金属封装。 封装大致经过了如下发展进程： 结构方面： TO－ DIP－ PLCC－ QFP－ BGA － CSP； 材料方面：金属、陶瓷－ 陶瓷、塑料－ 塑料； 引脚形状：长引线直插－ 短引线或无引线贴装－ 球状凸点； 装配方式：通孔插装－ 表面组装－ 直接安装。 具体封装形式 （ 1） SOP/SOIC 封装 SOP 是英文 Small Outline Package 的缩写，即小外形封装。 SOP封装技术由 1968～ 1969 年菲利浦公司开发成功，以后逐渐派生出 SOJ（ J型引脚小外形封装）、 TSOP（薄小外形封装）、 VSOP（甚小外形封装）、 SSOP（缩小型 SOP）、 TSSOP（薄的缩小型 SOP）及 SOT（小外形晶体管）、 SOIC（小外形集成电路）等。 （ 2） DIP 封装 DIP 是英文 Double Inline Package 的缩写，即双列直插式封装。 插装型封装之一，引脚从封装两侧引出，封装材料有 塑料和陶瓷两种。 DIP 是最普及的插装型封装，应用范围包括标准逻辑 IC，存贮器 LSI，微机电路等。 （ 3） PLCC 封装 PLCC 是英文 Plastic Leaded Chip Carrier 的缩写，即塑封 J引线芯片封装。 PLCC 封装方式，外形呈正方形， 32 脚封装，四周都有管脚，外形尺寸比 DIP封装小得多。 PLCC 封装适合用 SMT 表面安装技术在 PCB上安装布线，具有外形尺寸小、可靠性高的优点。 （ 4） TQFP 封装 TQFP 是英文 thin quad flat package 的缩写，即薄塑封四角扁平封装。 四边扁平封装 （ TQFP）工艺能有效利用空间，从而降低对印刷电路板空间大小的要求。 由于缩小了高度和体积，这种封装工艺非常适合对空间要求较高的应用，如 PCMCIA 卡和网络器件。 几乎所有 ALTERA 的 CPLD/FPGA 都有 TQFP 封装。 （ 5） PQFP 封装 PQFP 是英文 Plastic Quad Flat Package 的缩写，即塑封四角扁平封装。 PQFP 封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式，其引脚数一般都在 100 以上。 （ 6） TSOP 封装 TSOP 是英文 Thin Small Outline Package 的缩写，即薄型小尺寸封装。 TSOP 内存封装技术的一个典型特征就是在封装芯片的周围做出引脚， TSOP 适合用SMT 技术（表面安装技术）在 PCB（印制电路板）上安装布线。 TSOP 封装外形尺寸时， 9 寄生参数 (电流大幅度变化时，引起输出电压扰动 ) 减小，适合高频应用，操作比较方便，可靠性也比较高。 （ 7） BGA 封装 BGA 是英文 Ball Grid Array Package 的缩写，即球栅阵列封装。 20世纪 90 年代随着技术的进步，芯片集成度不断提高， I/O 引脚数急剧增加，功耗也随之增 大，对集成电路封装的要求也更加严格。 为了满足发展的需要， BGA 封装开始被应用于生产。 采用 BGA 技术封装的内存，可以使内存在体积不变的情况下内存容量提高两到三倍， BGA 与 TSOP 相比，具有更小的体积，更好的散热性能和电性能。 BGA 封装技术使每平方英寸的存储量有了很大提升，采用 BGA 封装技术的内存产品在相同容量下，体积只有 TSOP 封装的三分之一；另外，与传统 TSOP 封装方式相比， BGA 封装方式有更加快速和有效的散热途径。 划片机的工作原理 金刚石划片机的工作原理 金刚 石划片机的工作原理如图 1 所示。 金刚石划片机是通过高速旋转的金刚石刀片对基板进行切割，而传统的激光划片采用脉冲激光在陶瓷上沿直线打一系列互相衔接的盲孔，孔的深度只需要陶瓷厚度的 1∕ 3到 1∕ 4 ，由于应力集中，陶瓷材料沿此线即可折断。 所以金刚石划片工艺优势在于划片精度高，基板边缘整齐，而使用激光划片机的基板边缘粗糙，精度难以控制。 图 1 金刚石划片机原理 激光划片机的工作原理 10 激光划片机由激光晶体、电源驱动与控制系统、冷却系统、光学扫描聚集系统、真空泵、切割控制系统、二维运动工作台、 计算机等组成。 控制台上有电源、真空泵、冷却水、紧急停止等的开关按钮和电流调节旋钮等。 工作台面上布有气孔，气孔与真空泵相连，打开真空泵后电池片就被吸附在控制台上，使电池片在切割过程中保持平整并不易移动。 激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。 激光束通过聚焦后，在焦点处产生数千度甚至上万度的高温，使其能加工所有的材料。 激光划片机通过聚焦镜把激光束聚焦在电池片的表面，形成高功率密度光斑 (约 1000000w／ mm2)，使硅片表面材料瞬间气化并在运动过程中形成一定深度的沟槽，由于沟槽处应力集中，所以使电池片很 容易沿沟槽整齐断开。 “激光划片”为非接触加工，划片效应是通过表层的物质蒸发出深层物质，或是通过光能作用导致物质的化学键断裂而划出痕迹。 因此，用激光切割太阳能电池片，能较好地防止电池片的损伤和对电池片的污染，提高电池片的利用率。 砂轮划片机的工作原理 砂轮划片机是精密切割专用设备。 被切割的工件通常是圆形或正方形的薄、脆、硬 硅片，切割前大片的尺寸最小是直径为小 50~的圆形片，最大是边长为 200~的正 方形片，切割后小粒子的尺寸最小是边长为 ~的正方形。 切割后小粒子的形状有 正方形、 长方形和正六边形。 它主要采用超薄金刚石刀片作为划切加工刃具，主轴带动刀具高速旋转，通过强力磨削对集成电路基片，以及各种硬脆材料进行高精度开槽和分割。 11 第三章 划片机原理方案和结构方案设计 划片机设计方案的论证 根据设计要求划片机的划片速度为 0 到 300mm/s,再结合第一、二章及下表表 2 所示，本次划片机的设计选择为砂轮划片机；由于对 X 轴的导轨精度要求较高，可选用 THK超精密直线导轨，通过滚珠丝杠带动滑板沿 X 方向运动；对θ轴传动系统要求要有准确的分度，可以实现小分辨率，能进行微调，这需要很高的传动比，因此θ轴传动部件确定为有较大传动比的蜗轮蜗杆传动。 表 2 三种划片机的技术比较 指标 分类 金刚石划片 激光划片 砂轮划片 加工速度 46mm/s 150mm/s 300mm/s 加工深度 3～ 10μ m ～ 100μ m ～ 100μ m 加工宽度 3～ 10μ m 20～ 25μ m ≤刀片厚度 +10μ m 划片效果 裂纹大 有热损耗 只有微小裂纹 成品率 60～ 70% 70～ 80% 98% 12 噪音 小 大 较小 其他 硅片厚度为小片尺 寸的 1/4 以下 有黏着灰尘的问题 需要切削液、压缩空气 划片机的原理方案及结构方案设计 按照上述工作原理和基本功能要求 ,主机运动就是砂轮刀片与承载工件的承片台两者之间的相对运动。 砂轮划片机总体结构方案可有许多种 ,下面列出四种典型方案进行比较 ， 如表 3 所示。 第一种方案中承片台 除了作 X 一 Y 十字运动外， ,还要作 Z 向上下、 θ 向旋转运动，四重结构，结构复杂，机器的自重大，运动惯性大，影响定位精度，所以不宜采用。 第二种方案中承片台除了作 X 一 Y 十字运动外，还要作 θ 向旋转运动，结构比第一种稍简单，但同样存在运动惯性大，影响定位精度的缺点，不宜采用。 第三种方案中 ,承片台只作 X 一 Y 十字运动，结构相对简单。 但砂轮刀片除自转外，还要作 Z 向上下、 θ 向旋转运动，结构相对复杂，而且冷却液的出口与砂轮刀片的相对位置是固定的，随着砂轮刀片的旋转，冷却液出口也在旋转，这就增加了防水的难度。 防止水的泄露，对划 片机来说是非常重要的环节，因为水的泄露会导致精密零部件的腐蚀，最后导致整台设备很快丧失精度，无法使用。 因此，这种方案不宜采用。 第四种方案中 ,承片台只作 X 向进给运动和旋转运动 ,结构较简单。 砂轮刀片虽然除了要作自转外，还要做 Y 向进给以及上下运动，但结构也较简单，而且砂轮刀片的运动范围比较小，防止水的泄露要容易的多，所以最终决定采用这种结构方案。 表 3 砂轮划片机总体结构方案比较表 序号 承片台的运动动 结构复杂程度度 砂轮刀片的运动动 防水性能能 总体布局局 1 X+Y+Z+θ 复杂 自转 好 不好 2 X+Y+θ 较复杂 自转 +Z 好 不好 3 X+Y 较简单 自转 +Z+θ 不好 不好 4 X+θ 较简单 自转 +Y+Z 好 好 晶片通过吸附固定在晶片承载台上，晶片承载台与θ轴一起安放在 X轴运动滑台上， 13 X 轴导轨带动滑台做往复运动，以完成单元晶片的切割，对 X 轴的导轨精度要求较高，可选用 THK 超精密直线导轨，导轨行走平行度为 m/300mm,丝杠导程为 5mm。 电机选用额定转速为 3000r/min 的交流伺服电机。 θ轴系统的功能是带动承片台顺、逆时针旋转，旋转范围为177。 100176。 对θ轴传动系统 要求要有准确的分度，可以实现小分辨率，能进行微调，这需要很高的传动比，因此θ轴传动部件确定为有较大传动比的蜗轮蜗杆传动。 综上所述，总传动系统示意图如下图图 2 所示。 其中， X 轴通过交流伺服电机带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠通过连接块将晶片承载台沿着直线导轨即 X 轴方向运动；θ轴传动系统由步进电机通过一对蜗轮蜗杆副带动。