直線電機在芯片分選機中的應用

郝 靖，石藝楠

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

芯片分選機是半導體芯片后道封裝工藝中的關鍵設備，其主要功能是將測試后的芯片從晶圓藍膜上取出，然后根據上道工序的測試圖（wafer mapping）放置到不同承載盤中，是微電子行業中的專用設備。目前隨著客戶對產品品質和生產效率的要求不斷提高，以及晶圓尺寸的逐漸增大，芯片分選機正不斷向高兼容性和高效率方向發展。其機構見圖1。

準200 mm芯片自動分選機正是為了滿足客戶的需求而設計開發，該設備不但可以兼容準150 mm和準200 mm晶圓，而且能夠通過更換功能模塊實現兩種規格晶圓藍膜的自動擴膜功能，同時兼容多種格式的mapping圖，能夠滿足用戶的多種需求。

由于兼容的晶圓尺寸較大（準150 mm為準152 mm和 準200 mm為 準203 mm），芯片拾放機構從拾取位置到放置位置所需要運動的距離較大，并且定位精度要求高，而傳統“旋轉伺服電機+滾珠絲杠”結構無法同時實現如此高的運行速度和定位精度，因此具有啟動推力大、加速度大、剛度和定位精度高的直線電機便顯現出了很大的優勢。

圖1 結構示意圖

1 直線電機特點

直線電機與旋轉電機相比，主要有如下幾個特點：一是結構簡單，由于直線電機不需要把旋轉運動變成直線運動的附加裝置，因而使得系統本身的結構大為簡化，質量和體積大大地下降；二是定位精度高，在需要直線運動的地方，直線電機可以實現直接傳動，因而可以消除中間環節所帶來的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微機控制，則還可以大大地提高整個系統的定位精度；三是反應速度快、靈敏度高，隨動性好。直線電機容易做到其動子用磁懸浮支撐，因而使得動子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不直接接觸，這就消除了定、動子間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了系統的靈敏度、快速性和隨動性；四是工作安全可靠、壽命長，直線電機可以實現無接觸傳遞力，機械摩擦損耗幾乎為零，所以故障少，免維修，因而工作安全可靠。

2 拾放機構性能指標要求

芯片拾放機構由兩套運動機構組成，分別驅動拾放頭實現水平（x向）和垂直（z向）兩個方向的高速運動，其運動軌跡如圖2所示。

由于x向運動要求在很短的時間內運行較大的距離，所以在結構設計中采用直線電機驅動拾放機構實現高速高精度運動。x向直線電機需要在0.16 s的時間內推動約2.2 kg的負載移動0.2 m距離，最高速度為2 m/s。根據以上條件進行直線電機的選型分析。

圖2 拾放機構運動軌跡

3 直線電機選型流程

直線電機的選型是一個復雜的過程，通常需要經歷如圖3所示的流程。

4 直線電機選型計算

芯片拾放機構采用直線電機驅動、直線導軌導向的組合形式，根據拾放機構的性能指標要求及運動軌跡規劃描繪直線電機的運動曲線，如圖4所示。

預選定某款U形無鐵芯直線電機，該款直線電機的參數如表1所示。

由上表可知該款直線電機有效行程Sn＝255 mm＞200 mm，滿足設計需要。

圖3 選型流程

圖4 運動曲線

表1 直線電機性能參數

加速度計算：

勻速運行時推力計算：

μ：摩擦系數

g：重力加速度

Fn：電纜拖鏈等損耗推力

加速時間計算：

K：安全系數

要求加速時間0.06 s＞加速時間0.0152 s，因此滿足要求。

加速推力計算:

減速推力計算：

實際推力計算：

持續推力200 N＞實際推力117.19 N（選取安全系數為 1.3，則 1.3×90.15=117.19［N］）。由以上計算結果得出，電機持續推力大于實際推力，因此該款電機滿足選型要求。

5 結束語

本款直線電機已成功應用到準200 mm芯片自動分選機的芯片拾放機構中，經過實際的測試考核，能夠很好地達到機器的各項運行指標。

通過選用直線電機來驅動芯片拾放機構實現高速高精度運動，不僅簡化了機器的結構設計，而且提高了整機的運行效率和穩定性，為滿足客戶的實際需求奠定了基礎。

[1]葉云岳.直線電機原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]蘇州美新精密電機有限公司（Accel Technologies）.直線電機選型手冊[M].南京：蘇州美新，2002.