切割機(jī)空氣靜壓電主軸止推軸承的設(shè)計(jì)

李戰(zhàn)偉，郭 東，蘇紅偉

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

集成電路封裝工藝線上的切割機(jī)是將晶圓沿切割道分割成獨(dú)立芯片的精密加工設(shè)備，采用強(qiáng)力磨削的工作機(jī)理?？諝忪o壓電主軸是切割機(jī)強(qiáng)力磨削的執(zhí)行單元，其性能直接影響切割機(jī)的切割效率、切割崩邊、切割道寬精度指標(biāo)，是切割機(jī)的核心部件。

空氣靜壓電主軸采用氣浮軸承支承，具有轉(zhuǎn)速高、精度高、無污染、摩擦損耗小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于晶圓切割[1]。但空氣靜壓電主軸具有承載小、剛度低、容易出現(xiàn)氣錘振動(dòng)或渦動(dòng)等缺點(diǎn)，對主軸止推軸承的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本文采用表壓比法對切割機(jī)空氣靜壓電主軸止推軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定止推軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 表壓比法設(shè)計(jì)

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，其表達(dá)式為：

式(1)中，pd為節(jié)流末端壓力，pa為環(huán)境壓力，ps為供氣壓力，β為節(jié)流壓力比，β=pd/ps；αs=pa/ps，1/αs為無量綱供氣壓力，如圖1所示。

圖1 典型止推軸承結(jié)構(gòu)形式

承載力和剛度是切割機(jī)空氣靜壓電主軸的關(guān)鍵性能指標(biāo)，當(dāng)軸承供壓表壓ps-pa或αs=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壓力邊界值。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。

2 止推軸承指標(biāo)要求及表壓比Kg的確定

就承載力和剛度的計(jì)算，設(shè)計(jì)止推軸承比設(shè)計(jì)徑向軸承要容易，但自激不穩(wěn)定性（即“氣錘”振動(dòng)）和氣體消耗量大，加大了止推軸承的設(shè)計(jì)難度。按最大剛度設(shè)計(jì)時(shí)，一般取Kg=0.69[2]。

3 確定止推軸承關(guān)鍵尺寸

3.1 輪廓尺寸r1和r2的確定

止推軸承輪廓尺寸主要是止推軸承的外徑r2和內(nèi)徑r1。對應(yīng)不同r1-r2值的載荷和流量曲線[3]，如圖2所示。

由圖2可以得到，軸承內(nèi)徑2r1=26 mm，外徑2r2=39 mm，進(jìn)氣孔圓周直徑當(dāng)軸承間隙h0=12.7μm時(shí)，單個(gè)止推軸承的承載力為168 N，氣體流量為56.64 L/min。

該流量對于切割機(jī)空氣靜壓電主軸止推軸承來講偏高（通常徑向軸承和止推軸承氣體流量之和約80 L/min），為降低氣體流量，軸承間隙減小為h0=10μm，此時(shí)氣體流量為：

軸承間隙的減小，也有利于提高止推軸承剛度和主軸工作穩(wěn)定性，改善晶圓切割品質(zhì)，其不利影響就是提高了軸承的加工精度要求，而這在加工上是可以保證的。

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，如圖3所示。

圖3 常用節(jié)流器類型

在穩(wěn)定性方面，環(huán)面節(jié)流器優(yōu)于小孔節(jié)流器。特別是對于止推軸承，由于小孔節(jié)流器存在凹穴，且凹穴深度的一致性難以控制，容易產(chǎn)生氣錘振動(dòng)，因此空氣靜壓電主軸止推軸承選用環(huán)面節(jié)流器。

節(jié)流器直徑d與軸承間隙h的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖4 中心小孔節(jié)流止推軸承節(jié)流器直徑d-h曲線（ps=ps/pa=4.4，Kg=0.69）

當(dāng)圓周方向節(jié)流孔數(shù)n=8時(shí)，小孔節(jié)流器直徑為：

考慮到無量綱供氣壓力的變化，小孔節(jié)流器直徑d的修正曲線如圖5所示，圖5中d為已得到的0.21 mm。

圖5 小孔節(jié)流器直徑修正曲線

根據(jù)圖5可以得到=6、n=8時(shí)，小孔節(jié)流器直徑d0=0.21×1.22=0.26 mm，取值0.25 mm。

3.3 均壓槽結(jié)構(gòu)參數(shù)

在切割機(jī)空氣靜壓電主軸止推軸承設(shè)計(jì)時(shí)，通常會增加周向均壓槽。均壓槽可以提高空氣靜壓軸承的承載力和剛度[4]，降低渦流引起的微振動(dòng)[5]，但均壓槽增加了氣容，均壓槽內(nèi)部氣容與氣膜總體積之比過大時(shí)易引起氣錘振動(dòng)。切割機(jī)空氣靜壓電主軸止推軸承均壓槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 切割機(jī)空氣靜壓電主軸止推軸承均壓槽結(jié)構(gòu)

均壓槽的槽寬b和槽深δ推薦為[6]：

為避免產(chǎn)生氣錘振動(dòng)，選取均壓槽寬b=0.5 mm，槽深δ=0.05 mm。

止推軸承按照以上參數(shù)設(shè)計(jì)，裝配后止推軸承部分出現(xiàn)氣錘振動(dòng)。經(jīng)計(jì)算此時(shí)均壓槽內(nèi)部氣容與氣膜總體積之比為38%，認(rèn)定均壓槽尺寸推薦值偏大。通過研磨止推軸承端面，減小槽深至δ=0.015～0.020 mm時(shí)，氣錘振動(dòng)消失，此時(shí)均壓槽內(nèi)部氣容與氣膜總體積之比為11%～15%，因此將止推軸承均壓槽深修正值改為0.015～0.020 mm。

4 結(jié)束語

采用表壓比法對切割機(jī)空氣靜壓電主軸止推軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。為得到最大剛度值，止推軸承表壓比Kg確定為0.69，通過計(jì)算，確定軸承內(nèi)徑2r1=26 mm，外徑2r2=39 mm，進(jìn)氣孔圓周直徑2r=32 mm，軸承間隙h0=10μm；通過進(jìn)一步分析確定止推軸承采用環(huán)面節(jié)流器，節(jié)流孔數(shù)n=8，小孔節(jié)流器直徑d0=0.25 mm；經(jīng)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定止推軸承采用周向均壓槽，槽寬b為0.5 mm，槽深δ為0.015～0.020 mm。