雙面研磨機(jī)下定盤平面度不良原因分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

馮博

摘 ?要：本文分析了雙面研磨機(jī)下定盤平面度不良的幾種原因，并從零件設(shè)計(jì)、加工方式、組裝、工藝等幾方面分析了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及現(xiàn)象的設(shè)計(jì)與實(shí)際缺陷，并用SolidWorks軟件對(duì)下定盤安裝座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化以及對(duì)工藝修磨進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：雙面研磨機(jī);下定盤;平面度不良;原因分析;設(shè)計(jì)改進(jìn);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(duì)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(qū)域【1】。平面度誤差是形位誤差項(xiàng)目之一，也是限制實(shí)際被測(cè)面相對(duì)理想平面變動(dòng)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。其測(cè)量與評(píng)定對(duì)有平面度公差要求的零件合格性的判定和對(duì)提高零件的加工精度都有著重要意義。雙面研磨機(jī)主要用于硅片、石英晶體、玻璃、陶瓷、藍(lán)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(dǎo)纖維、計(jì)算機(jī)儲(chǔ)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(jī)主要用于高精密平坦化研磨領(lǐng)域，可滿足半導(dǎo)體芯片制造、高精密陶瓷零部件、精密光學(xué)零部件、高平坦度薄金屬件等的生產(chǎn)加工需要。

伴隨著目前產(chǎn)品高精度化的趨勢(shì)，市場(chǎng)對(duì)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(dǎo)體研磨的雙面研磨機(jī)今后將可以在各種領(lǐng)域得以應(yīng)用。在設(shè)備的整機(jī)精度中，下定盤作為結(jié)構(gòu)上的重要組成部件，其平面度尤為重要，直接影響加工產(chǎn)品的精度。下定盤的平面度越好，產(chǎn)品TTV（Total Thickness Variation，是晶圓在最終測(cè)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(zhì)量優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)之一【3】）越好，加工的質(zhì)量越有保證。本文針對(duì)實(shí)際檢驗(yàn)、使用過程中發(fā)生的下定盤平面度不良的現(xiàn)象，進(jìn)行產(chǎn)生不良的原因分析并提出改進(jìn)的方案。

2、下定盤平面度不良的原因分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.1基本結(jié)構(gòu)參數(shù)及精度要求

雙面研磨機(jī)下定盤安裝結(jié)構(gòu)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(dòng)旋轉(zhuǎn)，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(dòng)載體里面的工件轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jī)安裝后下定盤平面度要求≤0.03mm;

（3）下定盤安裝座跳動(dòng)≤0.03mm;

（4）整機(jī)安裝跳動(dòng)≤0.05mm;

（5）加工產(chǎn)品（6寸硅片）TTV值≤2μ。

2.2現(xiàn)象描述及不良原因分析

目前雙面研磨機(jī)下定盤平面度從零件本身的加工、檢驗(yàn)到整機(jī)組裝后對(duì)下定盤平面度的再次測(cè)量，以及對(duì)加工產(chǎn)品的試驗(yàn)結(jié)果等多種形式的反饋，都沒有達(dá)到基本參數(shù)的精度要求。針對(duì)這一現(xiàn)象，為了能夠最終滿足產(chǎn)品加工精度的要求，分析了導(dǎo)致下定盤平面度不良的原因可能有以下幾個(gè)：

1.定盤零件自身的平面度不良

設(shè)備對(duì)產(chǎn)品加工的能力不足導(dǎo)致產(chǎn)品平面度不良。又由于工件裝夾、運(yùn)輸、搬運(yùn)等動(dòng)作對(duì)零件會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，最終組裝在整機(jī)上時(shí)，平面度精度會(huì)有所降低。

2.下定盤安裝座的強(qiáng)度與變形

設(shè)備上現(xiàn)有下定盤安裝座上表面是由6根筋板組成，支撐整個(gè)下定盤，在研磨工件時(shí)，受上定盤向下給予的一定壓力后所產(chǎn)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(zhuǎn)，軸承內(nèi)圈整體外圈分體式結(jié)構(gòu)主要適用于要求內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)精度的場(chǎng)合，外圈旋轉(zhuǎn)相對(duì)差一些，影響下定盤安裝座及下定盤的平面度。

4.整機(jī)安裝的跳動(dòng)

雙面研磨機(jī)整個(gè)設(shè)備組裝后的累積誤差和跳動(dòng)，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(huì)反應(yīng)到下定盤表面，導(dǎo)致平面度不良。

5.定盤表面有雜質(zhì)

由于安裝環(huán)境為普通室內(nèi)非無塵空間，整機(jī)安裝后，定盤表面有較大顆粒或雜質(zhì)影響平面度。

6.定盤凹凸不平

設(shè)備正常工作運(yùn)行一段時(shí)間后，由于研磨工藝參數(shù)的配比、太陽輪與外齒輪的內(nèi)外轉(zhuǎn)速不同、施加壓力的大小和時(shí)間、研磨液流量及速度等因素，導(dǎo)致定盤研磨一段時(shí)間后，盤體表面會(huì)出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象，導(dǎo)致平面度不良。

2.3設(shè)計(jì)及工藝改進(jìn)

針對(duì)雙面研磨機(jī)現(xiàn)有的現(xiàn)象以及可能產(chǎn)生不良的原因，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)及工藝方面做了如下改進(jìn)：

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(shè)備的精度，至少要比被加工工件精度高幾個(gè)等級(jí)。其次是工件裝夾對(duì)加工的影響。再簡單的工件，裝夾不合理也會(huì)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(yīng)力，機(jī)械應(yīng)力以及工件加工后結(jié)構(gòu)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(shí)間后，達(dá)到零件本身平面度要求0.02mm。

2.下定盤安裝座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

下定盤安裝座材質(zhì)為灰鑄鐵HT300澆鑄成型，原結(jié)構(gòu)上有6根筋板支撐下定盤，用連接銷連接，連接銷2個(gè)增加到4個(gè)，防止下定盤旋轉(zhuǎn)時(shí)竄動(dòng)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，將6根筋板改12根筋板，增加接觸面積的同時(shí)，支撐強(qiáng)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(jīng)應(yīng)力分析計(jì)算，原6根筋下定盤安裝座變形量為4.54μm，現(xiàn)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(jié)構(gòu)上選外圈整體內(nèi)圈分體式結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)主要適用于要求外圈旋轉(zhuǎn)精度的場(chǎng)合，外圈旋轉(zhuǎn)精度最大0.025mm，軸承跳動(dòng)減小，整機(jī)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(jī)時(shí)，對(duì)每一個(gè)零件的組裝過程進(jìn)行把控，對(duì)軸承、主軸、齒輪等重要零件安裝時(shí)設(shè)計(jì)工裝輔助配合，按照要求進(jìn)行組裝，保證精度跳動(dòng)在可控范圍之內(nèi)。同時(shí)設(shè)計(jì)一臺(tái)修面機(jī)，由電機(jī)、導(dǎo)軌、砂輪等重要部分組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)砂輪對(duì)整機(jī)安裝后下定盤安裝座表面的平面度進(jìn)行安裝面重新修整，以達(dá)到精度要求的0.03mm以內(nèi)。

5.清除定盤表面雜質(zhì)

整機(jī)安裝后，移入無塵環(huán)境進(jìn)行整機(jī)清洗，用無塵布和刷子將表面雜質(zhì)清洗掉。

2.4設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)后使用情況

經(jīng)過上述設(shè)計(jì)改進(jìn)后，我們首先對(duì)下定盤自身的精度進(jìn)行了測(cè)量，用平坦度儀測(cè)量的定盤平面度最大值為0.019mm。其次在雙面研磨機(jī)整機(jī)組裝完成后，用千分表對(duì)下定盤安裝座測(cè)量的跳動(dòng)為內(nèi)圈0.03mm，外圈0.01mm;整機(jī)下定盤表面測(cè)量跳動(dòng)內(nèi)圈0.015mm，外圈0.03mm;整機(jī)安裝后平坦度儀測(cè)量下定盤平面度最大值為0.023mm;試驗(yàn)加工30片6寸硅片，檢測(cè)TTV值均小于2μ;所有測(cè)量結(jié)果均滿足精度要求。

3、結(jié)論

本文對(duì)雙面研磨機(jī)下定盤平面度不良可能存在的幾種現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果找出了原因提出了改進(jìn)方案。通過對(duì)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(duì)下定盤安裝座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及組裝過程及終端精度控制，提高了整機(jī)下定盤表面的精度;通過對(duì)清除定盤表面雜質(zhì)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(jìn)后的試驗(yàn)結(jié)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(jī)要求的范圍之內(nèi)，加工產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及組裝工藝等方面都應(yīng)不斷分析不斷改進(jìn)，提高平面度的同時(shí)，提高整機(jī)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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