雙面研磨機下定盤平面度不良原因分析及設計改進

馮博

摘 ?要：本文分析了雙面研磨機下定盤平面度不良的幾種原因，并從零件設計、加工方式、組裝、工藝等幾方面分析了現有結構及現象的設計與實際缺陷，并用SolidWorks軟件對下定盤安裝座結構進行了設計優化以及對工藝修磨進行了研究。

關鍵詞：雙面研磨機;下定盤;平面度不良;原因分析;設計改進;工藝修磨

1、引言

平面度是指基片具有的宏觀凹凸高度相對理想平面的偏差，公差帶是距離為公差值t的兩平行平面之間的區域【1】。平面度誤差是形位誤差項目之一，也是限制實際被測面相對理想平面變動量的一項重要指標。其測量與評定對有平面度公差要求的零件合格性的判定和對提高零件的加工精度都有著重要意義。雙面研磨機主要用于硅片、石英晶體、玻璃、陶瓷、藍寶石、砷化鎵、鈮酸鋰等零件的精研雙面加工，也適用于閥板、閥片、光導纖維、計算機儲存盤及其他片狀金屬、非金屬零件的精研雙面加工【2】。此文所述的雙面研磨機主要用于高精密平坦化研磨領域，可滿足半導體芯片制造、高精密陶瓷零部件、精密光學零部件、高平坦度薄金屬件等的生產加工需要。

伴隨著目前產品高精度化的趨勢，市場對于高精度研磨的需求也逐漸增加。能夠高效高精度研磨各種材料、而不僅限于半導體研磨的雙面研磨機今后將可以在各種領域得以應用。在設備的整機精度中，下定盤作為結構上的重要組成部件，其平面度尤為重要，直接影響加工產品的精度。下定盤的平面度越好，產品TTV（Total Thickness Variation，是晶圓在最終測量值中的最大厚度與最小厚度的差值，稱作晶圓的總百度偏差，是衡量晶圓磨削質量優劣的重要標準之一【3】）越好，加工的質量越有保證。本文針對實際檢驗、使用過程中發生的下定盤平面度不良的現象，進行產生不良的原因分析并提出改進的方案。

2、下定盤平面度不良的原因分析及設計改進

2.1基本結構參數及精度要求

雙面研磨機下定盤安裝結構示意圖如圖1所示，底座固定，軸承座安裝在底座上，下定盤座由交叉滾子軸承帶動旋轉，下定盤安裝在下定盤座上，由連接銷連接，太陽輪與外齒輪帶動載體里面的工件轉動。精度要求如下：

（1）下定盤尺寸φ1460*φ500*φ50mm，自身平面度≤0.02mm;

（2）整機安裝后下定盤平面度要求≤0.03mm;

（3）下定盤安裝座跳動≤0.03mm;

（4）整機安裝跳動≤0.05mm;

（5）加工產品（6寸硅片）TTV值≤2μ。

2.2現象描述及不良原因分析

目前雙面研磨機下定盤平面度從零件本身的加工、檢驗到整機組裝后對下定盤平面度的再次測量，以及對加工產品的試驗結果等多種形式的反饋，都沒有達到基本參數的精度要求。針對這一現象，為了能夠最終滿足產品加工精度的要求，分析了導致下定盤平面度不良的原因可能有以下幾個：

1.定盤零件自身的平面度不良

設備對產品加工的能力不足導致產品平面度不良。又由于工件裝夾、運輸、搬運等動作對零件會產生相應的變形，最終組裝在整機上時，平面度精度會有所降低。

2.下定盤安裝座的強度與變形

設備上現有下定盤安裝座上表面是由6根筋板組成，支撐整個下定盤，在研磨工件時，受上定盤向下給予的一定壓力后所產生變形而影響平面度。

3.交叉圓柱滾子軸承自身精度

下定盤安裝座安裝在交叉圓柱滾子軸承外圈上面旋轉，軸承內圈整體外圈分體式結構主要適用于要求內圈旋轉精度的場合，外圈旋轉相對差一些，影響下定盤安裝座及下定盤的平面度。

4.整機安裝的跳動

雙面研磨機整個設備組裝后的累積誤差和跳動，底座與主軸承座接觸表面的平面度、主軸承座的平行度與同心度、下定盤安裝座平面度與平行度等，最終也會反應到下定盤表面，導致平面度不良。

5.定盤表面有雜質

由于安裝環境為普通室內非無塵空間，整機安裝后，定盤表面有較大顆粒或雜質影響平面度。

6.定盤凹凸不平

設備正常工作運行一段時間后，由于研磨工藝參數的配比、太陽輪與外齒輪的內外轉速不同、施加壓力的大小和時間、研磨液流量及速度等因素，導致定盤研磨一段時間后，盤體表面會出現凹凸不平的現象，導致平面度不良。

2.3設計及工藝改進

針對雙面研磨機現有的現象以及可能產生不良的原因，對應設計及工藝方面做了如下改進：

1.提高零件本身的精度

要提高零件本身的平面度，首先要提高加工設備的精度，至少要比被加工工件精度高幾個等級。其次是工件裝夾對加工的影響。再簡單的工件，裝夾不合理也會造成平面度做不好。再者是加工形式的選擇，刀具的選擇和切削用量的合理分配。還有就是比較合理的工藝，以消除由于熱應力，機械應力以及工件加工后結構變化等原因造成的工件變形，影響到加工后的平面度。此定盤加工后，采取在專用端面定盤磨床上修磨一定時間后，達到零件本身平面度要求0.02mm。

2.下定盤安裝座的結構優化

下定盤安裝座材質為灰鑄鐵HT300澆鑄成型，原結構上有6根筋板支撐下定盤，用連接銷連接，連接銷2個增加到4個，防止下定盤旋轉時竄動。結構設計優化后，將6根筋板改12根筋板，增加接觸面積的同時，支撐強度也有所增加，變形量減少。如圖2所示在12根筋板上表面施加最大壓力值15000N，經應力分析計算，原6根筋下定盤安裝座變形量為4.54μm，現12根筋下定盤安裝座變形量為2.95μm。

3.交叉圓柱滾子軸承自身精度控制

交叉圓柱滾子軸承在結構上選外圈整體內圈分體式結構，此結構主要適用于要求外圈旋轉精度的場合，外圈旋轉精度最大0.025mm，軸承跳動減小，整機安裝后下定盤平面度精度變好。

4.組裝過程及終端精度控制

在組裝整機時，對每一個零件的組裝過程進行把控，對軸承、主軸、齒輪等重要零件安裝時設計工裝輔助配合，按照要求進行組裝，保證精度跳動在可控范圍之內。同時設計一臺修面機，由電機、導軌、砂輪等重要部分組成，電機驅動砂輪對整機安裝后下定盤安裝座表面的平面度進行安裝面重新修整，以達到精度要求的0.03mm以內。

5.清除定盤表面雜質

整機安裝后，移入無塵環境進行整機清洗，用無塵布和刷子將表面雜質清洗掉。

2.4設計和工藝改進后使用情況

經過上述設計改進后，我們首先對下定盤自身的精度進行了測量，用平坦度儀測量的定盤平面度最大值為0.019mm。其次在雙面研磨機整機組裝完成后，用千分表對下定盤安裝座測量的跳動為內圈0.03mm，外圈0.01mm;整機下定盤表面測量跳動內圈0.015mm，外圈0.03mm;整機安裝后平坦度儀測量下定盤平面度最大值為0.023mm;試驗加工30片6寸硅片，檢測TTV值均小于2μ;所有測量結果均滿足精度要求。

3、結論

本文對雙面研磨機下定盤平面度不良可能存在的幾種現象進行了分析，并根據分析結果找出了原因提出了改進方案。通過對下定盤及交叉圓柱滾子軸承的加工方式和選型，提高了零件自身的精度;通過對下定盤安裝座的結構優化及組裝過程及終端精度控制，提高了整機下定盤表面的精度;通過對清除定盤表面雜質和修正盤工藝修磨的方式，控制加工過程中下定盤精度變化。改進后的試驗結果表明，下定盤平面度得到了大大的改善，所有精度都滿足整機要求的范圍之內，加工產品的TTV值也符合客戶要求。由此可見，影響下定盤平面度的因素綜合了很多方面，在結構設計及組裝工藝等方面都應不斷分析不斷改進，提高平面度的同時，提高整機的穩定性。

參考文獻

[1] ?聞邦椿主編，機械設計手冊，第5版，第一卷【M】，機械工業出版社，2010.1.

[2] ?郡司拓，賀賢漢. 雙面研磨機，CN302857422S【P】.2014.

[3] ?劉子陽，常慶麟，崔潔，晶圓磨削中TTV的優化方法【J】。《電子工業專用設備》2019年 第5期.