毕业设计（论文）-半导体晶片切割机设计.docx

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1、题目：半导体晶片切割机设计摘要芯片封装是三大半导体行业之一。包装工艺包括：划线，粘膜，超声波焊接，包装，测试，包装。晶片切割机就是芯片封装生产线上一个器件，不过这可是第一个关键器件，它的功能是将生产的晶圆加以切割，做成单元器件，并为下一个单元晶片的接合做准备。然而，因为和国外技术的差距比较大，所以中国晶片切割机基本上都是从外国购买的。为了让中国拥有自己研发制作的晶片切割机，详细设计了晶片切割机机的整体规划和其中的关键部件。在阐明划线工艺要求的基础上，我们先确定了晶片切割机的主要功能，设计了晶片切割机各部分的原理。然后，列出了四种不同的结构方案，分别分析它们的优缺点，仔细比较后选择其中的最优方案

2、。最终完成了晶片切割机整体规划。在下一步中，每个零件结构的初步设计都按照划线过程的要求进行，包括各轴的传输方案和相关的结构参数。然后，根据主体的要求，对晶片切割机的四个轴进行精心设计。通过计算，完成X,。，Y, Z轴的螺母机构的选择类型、导轨选择。最后，完成晶片切割机X, 9 , Y, Z轴的装配图。关键字：晶片切割机；总体规划；结构设计；滚珠丝杠；步进电机；滚动直线导轨摘要IAbstract错误!未定义书签。1绪论11.1 课题背景及研究意义11.2 国内外相关研究情况11.3 晶片切割机的发展过程21.4 晶片切割机的工作原理31.5 本课题的主要内容42晶片切割机的总体方案设计52.1

3、晶片切割机的原理方案设计52.1.1 晶片切割机X、Y、Z轴的原理方案设计52.1.2 晶片切割机9轴的原理方案设计52.2 晶片切割机的结构方案设计网62.3 方案可行性分析83晶片切割机结构参数的初步设计及相关计算93.1 晶片切割机主轴的参数的初步设计园93.2 原动机参数的初步的设计93.3 晶片切割机X轴参数的初步设计103.4 晶片切割机0轴参数的初步设计103.5晶片切割机Y轴的初步设计103.6 晶片切割机Z轴的初步设计104晶片切割机x、e 丫、z轴机械结构具体设计114.1 X轴机械结构的设计及计算114.1.1 X轴伺服电机的选型114.1.2 X轴滚珠丝杠的选型114.

4、1.3 X轴直线导轨的选型134.2 。轴机械结构的设计及计算144.2.1 蜗杆蜗轮副的主要参数选择144.2.2 步进电机的选型174239轴方向的晶片工作台幅面尺寸174.2.4 X轴方向移动滑台幅面尺寸174.3 Z轴机械结构的设计及计算184.3.1 Z轴滚珠丝杠的设计18432 Z轴电机的选型214.3.3 Z轴导轨的选型234.4 Y轴机械结构的设计和计算24441Y轴滚珠丝杠的设计244.4.2 Y轴电机的选型254.4.3 Y轴导轨的选型26IEI5.1夹紧装置的设计275.2气路系统设计275.3水路系统设计28结论29致谢30参考文献30毕业设计（论文）知识产权声明错误!

5、未定义书签。毕业设计（论文）独创性声明.错误!未定义书签。附录错误!未定义书签。1绪论1绪论1.1 课题背景及研究意义芯片封装是三大半导体行业之一。随后的包装过程包括：划线，粘膜，超声波焊接，包装，测试，包装。晶片切割机是芯片封装线上一个设施，但是这个设备是第一个关键器件，其用途是将制造好的晶片切割成一个单元，并准备进行下一步。切割芯片的尺寸通常是3到6个芯片，单元晶片的外观有两种，也可以说是一种，一是矩形，另一个就是多边形。目前，中国的半导体封装设备都是来自进口的，它们主要来自美国、日本、新加坡引进。为了让中国尽快的拥有自己的芯片封装设备，研究组从没有放弃对IC封装设备晶片切割机方面的研究。

6、因此，本专业论文题目为“半导体晶片切割机设计”，拥有很大的学术研究价值，有着重要的意义，未来应用发展也有着很好的前景。1.2 国内外相关研究情况在国外，七十年代初晶片切割机横空出世，开启了晶片切割机的新纪元，诞生以来，它的发展速度像火箭般飞快，涉及的方面也越来越广泛，各种各样相继出现。一开始，外国只有三个国家制作生产晶片切割机，发达国家美国对这方面很早就有研究，英国同时也没有放弃这方面研究，日本是紧追其后赶着研究，就是在这样时代，在当时最多也就只有五家公司有能力制造晶片切割机，但是现在不同了，俄罗斯也开始生产研究，台湾加入了其中的行列，中国作为发展中的国家也不甘落后，也开始创造晶片切割机，晶片

7、切割机生产厂家已经发展到十几家。这和以前相比较很明显有了前所未有的进步。目前，国外的切割机制造商已经拥有很多，其中最著名得有四家公司，谁也没想到的是日本在这方面的研究成果突使得高速划片后，断面的边缘不仅会十分光滑，而且非常平直，切割槽宽仅2. 5 口 m。我国真的开始开发晶片切割机，可能在七十年代。1982年，中国终于拥有了自的封装设备，第一台砂轮晶片切割机，这意味着中国在封装道路上迈出了关键性的一步。结束了我国多年对进口的晶片切割机需求，开创了半导体行业上自给自足的历史性转折。到目前国内也已经发展了很多厂商，其中最让人熟知的就是中国电子科技集团公司45研究所和武汉三电设备制造 有限公司。当然

8、还有一些其他的厂商例如，西安杰盛电子科技有限公司，沉阳仪器科学研究院，上海福安工厂自动化有限公司。在国内，晶片切割机最先进的技术，还属中国电子科技集团45研究所，它采用了当时最新的技术，对芯片的质量提高了很多。它是如何提高芯片质量呢？主要从芯片的抗弯强度，同时也让晶圆的正负轮减少了。这个技术当时叫做恒转矩变频技术。在这样的技术爆发的时代，国内专家夜以继日的研究，最终在在2004年时，研发一台精密自动切割机，并命名它的型号是HP801。这个晶片切割机不仅在硅片的直径做了突破，同时也在硅片上的芯片数量做出了突破，芯片的输出效率也得到提高，并达到了实用，定位精度10uni。同时其他国内厂商并没有放弃

9、研究，其中最突出的还属沉阳仪器科学研究院，他们当时切割晶圆的行程和国际水平仅仅只是差了 50. 8mm,（当时国际水平是203. 2mm）精度达到了 5 H m/350mm，但是在切割速度上就需要有待继续钻研了，和国际水平相差甚远。虽然还有很大的差距，但是不能否认国内在晶片切割机设备上的努力钻研的成果。在2010年1月3日，苏州天宏激光有限公司在激光划片有了突破性研究，值得引人注目的是他把槽宽度降低到了 3nm,这在当时国内是相当艰难的，这个技术的成熟也让他们推出了国内首款晶片激光切割机，并取名为TH-321激光晶片切割机。从国内外现状来看，尽管国内产商努力研究，但是国内划片机的划片尺寸、切割

10、速度及定位精度还是达不到国际先进水平，划片槽的宽度也一直再紧追国际水准，虽然还有着很大的差距,但我国仍一直在晶片切割机研究方面努力钻研。1.3 晶片切割机的发展过程晶片切割机发展可以分为三个阶段，金刚石划片、激光划片和砂轮划片是晶片切割机根据其划片方法的发展过程分类的叫（1）金刚石划片这是最早的划线方法，也是现在使用最少的方法，机会可以说被淘汰了。使用尖锐的金刚石尖端加以切割，以约50克的固定载荷切割出小片的分割线，加上弯曲力矩将其分成小块的。金刚石切割线也有一定的范围，通常它的宽度为6-8pm,深度为5pm。如果划线芯片时，打破薄膜可能会破裂，小片边缘不整齐，碎片不能顺利进行。划片的成品产量

11、在很大程度上由两个因素决定，一是取决于金刚石尖端的加工精度，二是它的锋利度。(2)激光划片第二代划片是激光划线。激光划线是激光脉冲在硅表面照射，这些被照射的部分硅就会因为被照射温度升高，这个温度大概有10000C。高温，并在瞬间气化或熔化,然后这样就会让硅片留下沟槽,再沿着这些沟槽分开。当激光划片时，在硅晶片的表面上会粘附一些硅粉，因此必须对硅晶片进行一定的处理，它上面的灰尘如果不处理的话就会影响精度。激光划线的方法高于金刚石切割，因此在一段时间内取代了金刚石切割。(3)砂轮划片第三代晶片切割机是砂轮晶片切割机。砂轮切片机采用了最新的研究成果,它是采用高速运行的静液压主轴驱动刀片，通过控制光栅

12、和导轨系统，刀片定位在材料的加工中，最终形成深度和宽度的切口。刀片的工作效率是由划线速度决定的，并且如果连续地提高切割速度，就会产生一定的影响，则切割过程中就会产生不稳定的刀具速度。切割速度和待加工材料的硬度有着很大的关系，如硅片表面材料的硬度很大的话，这就会直接影响切割速度。切割深度过大时切割超硬材料会对刀片产生很大影响，对刀片的正常使用十分不利，最终影响刀片寿命。三种划线技术的比较如表1.1所示。从表1.1可以看出，砂轮划线不论从哪个指标里相比较，相对于其他两种加工技术具有突出优势，可以说是目前所达到的最高水准，因此砂轮划片是目前的主流加工技术。表L1加工工艺比较金刚石划片激光划片砂轮划片

13、加工速度46mm/s150mm/s300mm/s加工深度310|amlOO.m100|jm加工宽度310|am2025|jmW刀片厚度+10nm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%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1.4 晶片切割机的工作原理1.4.1 金刚石晶片切割机的工作原理金刚石切割机是切割基板的，它是通过高速旋转的金刚石刀片，而传统的激光划片和金刚石划片就有很大的不同，它使用的是脉冲激光，在陶瓷中沿直线打一系列盲孔，但是盲孔的深度有一点要求，大概是陶瓷厚度为1/3至1/4,因为应力集中，沿线的陶瓷材料可以

14、折断。因此，金刚石切割工艺的优点有两方面比较突出，一是高精度切割，二是基板边缘整齐。1.4.2 激光晶片切割机的工作原理激光划线机由八大部分组成。其中的控制面板有着一些按钮或者旋钮，工作表面上覆盖有气孔，气孔和真空泵连接，在电池片吸附在控制台上的时候，就是因为打开了真空泵，使划片过程中的芯片保持平稳而难以移动。激光是不用接触就可以的加工的，这样就有一个好处就是他没有机械冲压力，工件不容易变形。它通过光能迫使物质的化学键断裂，然后划出痕迹。主要用于太阳能电池板的切割，热影响是非常小的，划片精度相当之高。1.4.3 砂轮晶片切割机的工作原理精密切割设备我们通常选择砂轮。切割工件通常有两种形状，一个是切割前尺寸大小最小直径为50圆形，另一个是最大边为方形200的平方的方形。切割后的小颗粒的形状也有三种，它们分别为方形，矩形和六边形。它的切割刀具主要采用超薄金刚石刀片，主轴驱动高速旋转刀具，通过强力磨削对集成电路基片进行高精度开槽，或者对各种硬脆材料进行高精度分割。1.5 本课题的主要内容结合前期的工作及本课题的实际情况，本文的主要研究内容如下：(1)通过调查相关资料，然后参考分析，了解IC封装，最后对晶片切割机的工作原理也做了相关理解；(2)做好原理方案设计，然后在做好结构方案设计，最后确定最终实施方