砂輪劃片機(jī)非接觸式測高準(zhǔn)確度的分析研究

郝 靖，張振敏，李鵬飛，王英杰

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

精密砂輪劃片機(jī)主要用于硅集成電路、發(fā)光二極管、鈮酸鋰、壓電陶瓷、砷化鎵、藍(lán)寶石、氧化鋁、氧化鐵、石英、玻璃、陶瓷及太陽能電池片等材料的劃切加工，國內(nèi)稱其為精密砂輪切割機(jī)。

劃片機(jī)上通常由控制系統(tǒng)、主機(jī)、空氣靜壓主軸、X軸、Y軸和Z軸等主要單元模塊組成，這些單元模塊從不同的方面影響著切割材料的精度。劃片機(jī)加工精度除受自身的性能和工藝參數(shù)影響外，還有一個(gè)非常重要的因素就是刀片的磨損程度。砂輪刀片在切割不同材料的同時(shí)，自身也會(huì)有不同程度的磨損，刀片的磨損對(duì)切割效果及產(chǎn)品的品質(zhì)有很大影響，甚至?xí)?duì)設(shè)備或產(chǎn)品有一定的破壞，因此需要根據(jù)劃切材料的工藝特性及切割行走距離定期對(duì)刀片的磨損量進(jìn)行測量并對(duì)切割進(jìn)刀量進(jìn)行補(bǔ)償，以保證劃切效果的一致性。刀片磨損量通過接觸式測高和非接觸式測高進(jìn)行測量計(jì)算[1]。

1 接觸式測高

接觸式測高是承載空氣靜壓主軸的Z向機(jī)構(gòu)低速向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的刀片與承片臺(tái)接觸瞬間形成導(dǎo)通回路，控制器記錄Z向坐標(biāo)并控制Z向機(jī)構(gòu)立刻向上運(yùn)動(dòng)回到設(shè)定的安全位置避免損壞承片臺(tái)，如圖1所示，控制器通過獲得的Z向坐標(biāo)與初始坐標(biāo)值比對(duì)計(jì)算出刀刃露出量，兩次接觸測高數(shù)據(jù)之差即為刀片磨損量，通常需要進(jìn)行多次接觸式測高后計(jì)算出平均值作為最終磨損量并對(duì)進(jìn)刀量進(jìn)行補(bǔ)償。

2 非接觸式測高

在實(shí)際切割產(chǎn)品的過程中，由于承片臺(tái)上吸附著晶片，無法直接使用接觸式測高來測量刀片磨損量，需要使用非接觸式測高來測量。非接觸式測高通過刀片最低點(diǎn)邊緣遮擋對(duì)射式光纖傳感器，當(dāng)高靈敏度光纖放大器檢測到遮光量達(dá)到設(shè)定閥值時(shí)輸出信號(hào)給控制器，控制器同時(shí)獲得遮擋瞬時(shí)的Z向坐標(biāo)并計(jì)算出刀刃露出量，同時(shí)Z向機(jī)構(gòu)立刻向上運(yùn)動(dòng)回到設(shè)定的安全高度[2]，如圖2所示。

圖2 非接觸式測高原理

3 非接觸式測高偏差

在設(shè)備生產(chǎn)過程中，由于零件加工誤差、裝配誤差和元器件質(zhì)量等因素，無法嚴(yán)格保證主軸中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡線（即刀片最低邊緣點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡線）與光纖檢測中心點(diǎn)在一條直線上，二者必然在垂直于主軸中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡線方向有一定的偏差ΔX（如圖3所示），因此，非接觸式測高時(shí)遮擋光纖的刀片邊緣部位不一定是其最低點(diǎn)，檢測值必然與真實(shí)磨損量有一定的偏差，如果以此數(shù)據(jù)直接作為刀片磨損量值，就會(huì)造成切割進(jìn)刀量補(bǔ)償?shù)恼`差。那么水平偏差值ΔX對(duì)非接觸式測高偏差值ΔP有多大影響呢？

圖3 非接觸式測高水平偏差

如圖4所示，設(shè)定變量為：

圖4 非接觸式測高偏差計(jì)算

R為刀片磨損前半徑（可測量）；

ΔX為光纖檢測點(diǎn)水平偏差（變量）；

ΔR為真實(shí)磨損量（接觸測高測量值）；

ΔR'為非接觸測高計(jì)算磨損量（計(jì)算值）；

ΔP為非接觸測高偏差值（計(jì)算值）；

Γ為檢測偏差率（計(jì)算值）。

根據(jù)三角函數(shù)得出以下公式：

以常用刀片規(guī)格尺寸R=24 mm、25 mm、26 mm、27 mm、28 mm及設(shè)定實(shí)際磨損量ΔR=10 μm為條件，光纖檢測點(diǎn)水平偏差ΔX分別為0.5 mm、2 mm、5 mm、10 mm情況下計(jì)算得出以下偏差數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1、表2、表3、表4的數(shù)據(jù)生成非接觸式測高偏差值ΔP的變化趨勢圖（如圖5所示），從圖5可以看出，當(dāng)光纖檢測點(diǎn)水平偏差值ΔX一定時(shí)，非接觸式測高偏差值ΔP隨刀片半徑尺寸增大而逐漸減小。而當(dāng)?shù)镀霃匠叽缫欢〞r(shí)，非接觸式測高偏差值ΔP隨光纖檢測點(diǎn)水平偏差值ΔX增大而增大。當(dāng)光纖檢測點(diǎn)水平偏差值ΔX≤5 mm時(shí)，非接觸式測高偏差值ΔP＜0.25 μm。

圖5 非接觸式測高偏差趨勢

表1 水平偏差0.5 mm時(shí)的檢測偏差

表2 水平偏差2 mm時(shí)的檢測偏差

表3 水平偏差5 mm時(shí)的檢測偏差

表4 水平偏差10 mm時(shí)的檢測偏差

4 實(shí)測數(shù)據(jù)

DFD6362是DISCO公司生產(chǎn)的一款300 mm（12英寸）雙軸全自動(dòng)晶圓劃片機(jī)，是成熟度比較高的機(jī)型，使用該款機(jī)器進(jìn)行連續(xù)多次接觸式測高和非接觸式測高，獲得實(shí)測數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示。

圖6 DFD6362接觸式測高采集數(shù)據(jù)

圖7 DFD63632非接觸式測高采集數(shù)據(jù)測高次數(shù)/次

由圖6和圖7中的測高數(shù)據(jù)可以分析得出該機(jī)型接觸式測高的重復(fù)精度為4 μm，非接觸式測高的重復(fù)精度為3 μm。

5 結(jié)束語

根據(jù)使用DAD6362劃片機(jī)進(jìn)行的接觸式測高和非接觸式測高的實(shí)測數(shù)據(jù)，與表1～4中非接觸式測高偏差計(jì)算值對(duì)比后可知，當(dāng)光纖檢測點(diǎn)水平偏差值ΔX≤5 mm時(shí)，非接觸式測高理論偏差值（ΔP=0.2244 μm）與其實(shí)測精度數(shù)據(jù)（3 μm）的比值小于8%，此條件下水平安裝誤差對(duì)非接觸式測高的準(zhǔn)確度影響很小，基本可以忽略不計(jì)。

非接觸式測高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性除了受安裝誤差影響外，還受到主機(jī)Z向系統(tǒng)定位精度、Z向分辨率以及光纖放大器靈敏度的影響，優(yōu)化匹配各項(xiàng)參數(shù)能夠提高檢測的準(zhǔn)確度。