切割機空氣靜壓電主軸止推軸承的設計

李戰偉，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是將晶圓沿切割道分割成獨立芯片的精密加工設備，采用強力磨削的工作機理。空氣靜壓電主軸是切割機強力磨削的執行單元，其性能直接影響切割機的切割效率、切割崩邊、切割道寬精度指標，是切割機的核心部件。

空氣靜壓電主軸采用氣浮軸承支承，具有轉速高、精度高、無污染、摩擦損耗小、壽命長等優點，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、容易出現氣錘振動或渦動等缺點，對主軸止推軸承的設計提出了更高的要求。本文采用表壓比法對切割機空氣靜壓電主軸止推軸承進行設計計算，確定止推軸承結構參數。

1 表壓比法設計

表壓比Kg是孔式節流下游壓力按無量綱表壓表示的形式，其表達式為：

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

圖1 典型止推軸承結構形式

承載力和剛度是切割機空氣靜壓電主軸的關鍵性能指標，當軸承供壓表壓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 止推軸承指標要求及表壓比Kg的確定

就承載力和剛度的計算，設計止推軸承比設計徑向軸承要容易，但自激不穩定性（即“氣錘”振動）和氣體消耗量大，加大了止推軸承的設計難度。按最大剛度設計時，一般取Kg=0.69[2]。

3 確定止推軸承關鍵尺寸

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和內徑r1。對應不同r1-r2值的載荷和流量曲線[3]，如圖2所示。

由圖2可以得到，軸承內徑2r1=26 mm，外徑2r2=39 mm，進氣孔圓周直徑當軸承間隙h0=12.7μm時，單個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定性，改善晶圓切割品質，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 節流器類型及尺寸的確定

節流器是空氣靜壓電主軸軸承設計的關鍵部分，節流器是使壓力為ps的壓縮空氣進入軸承間隙前，產生節流效果，使出口壓力（即軸承氣膜入口壓力pd）相對穩定，從而形成具有一定承載力及剛度的穩定潤滑氣膜，支承轉軸實現高轉速下穩定工作的一種結構。

高速空氣靜壓電主軸常用的節流器類型主要有小孔節流器和環面節流器兩種，如圖3所示。

圖3 常用節流器類型

在穩定性方面，環面節流器優于小孔節流器。特別是對于止推軸承，由于小孔節流器存在凹穴，且凹穴深度的一致性難以控制，容易產生氣錘振動，因此空氣靜壓電主軸止推軸承選用環面節流器。

節流器直徑d與軸承間隙h的對應關系如圖4所示。

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

當圓周方向節流孔數n=8時，小孔節流器直徑為：

考慮到無量綱供氣壓力的變化，小孔節流器直徑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 小孔節流器直徑修正曲線

根據圖5可以得到=6、n=8時，小孔節流器直徑d0=0.21×1.22=0.26 mm，取值0.25 mm。

3.3 均壓槽結構參數

在切割機空氣靜壓電主軸止推軸承設計時，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[5]，但均壓槽增加了氣容，均壓槽內部氣容與氣膜總體積之比過大時易引起氣錘振動。切割機空氣靜壓電主軸止推軸承均壓槽結構設計如圖6所示。

圖6 切割機空氣靜壓電主軸止推軸承均壓槽結構

均壓槽的槽寬b和槽深δ推薦為[6]：

為避免產生氣錘振動，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設計，裝配后止推軸承部分出現氣錘振動。經計算此時均壓槽內部氣容與氣膜總體積之比為38%，認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，氣錘振動消失，此時均壓槽內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 結束語

采用表壓比法對切割機空氣靜壓電主軸止推軸承進行設計計算。為得到最大剛度值，止推軸承表壓比Kg確定為0.69，通過計算，確定軸承內徑2r1=26 mm，外徑2r2=39 mm，進氣孔圓周直徑2r=32 mm，軸承間隙h0=10μm；通過進一步分析確定止推軸承采用環面節流器，節流孔數n=8，小孔節流器直徑d0=0.25 mm；經理論計算和實驗驗證，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。