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机械设计制造及自动化（机电）专业毕业设计（论文）论文题目 硅单晶片有蜡抛光工艺自动贴片设备设计学生姓名 方勇华 学 号 20081330070981 指导教师 姜献华 专 业 机械设计制造及自动化（机电）年 级 2008年春季 学 校 浙江电大开化分校 浙江广播电视大学毕业设计（论文）目 录第一章 硅抛光片基本概念和工艺介绍11.1 硅单晶抛光片的定义11.2 有蜡抛光片工艺常用配件简介11.3 目前使用有蜡抛光片工艺简介及特点2第2章 本设计的任务和目的32.1 自动贴片的设计任务和目的32.2 自动与手动贴片工艺对比3第3章 制定设备基本要求33.1完成生产需要的设备基本参数要求33.2 机械方向的基本要求43.3 电气方向的基本要求43.4 管道设计的基本要求4第4章 根据设备基本要求制定具体设计方案44.1陶瓷盘自动搬运和加热控制的利用44.2整机机架的设计54.3陶瓷盘旋转托盘转速和传动的设计54.4陶瓷盘旋转角度的设计64.5陶瓷盘托盘及与主轴联接设计64.6托盘主轴承受压力的设计74.7取硅片时中心定位设计74.8取硅片部分设计84.9压硅片气缸设计94.10压片气囊设计94.11电气控制设计104.12局部环境设计10第5章自动运行过程详解10结论13参考文献13硅单晶片有蜡抛光工艺自动贴片设备设计摘要：当今社会以进入了电子信息的时代，微处理芯片的发明彻底改变了世界，微电子、信息技术的水平己被视为一个国家现代化水平的重要标志。IC级硅单晶抛光片是半导体芯片和功率集成电路的主体功能材料，也是多种高能探测器和特殊功率器件等的主体功能材料。在目前国内刚开始研发硅单晶抛光片的初期，需要硅行业产家自己开发一些简单实用的设备，对生产工艺进行初步的研究和探索，以便为将来批量生产提供确实可行的生产依据。硅单晶片抛光工艺是IC级半导体晶片加工中最关键的生产环节，本自动贴片设备就是针对解决硅片抛光生产中，有蜡抛光生产工艺出现问题。关键词：硅单晶片 有蜡抛光 自动贴片绪论本设计为硅单晶片抛光片无蜡抛光工艺生产设备，设计的目是为了改善有蜡抛光生产工艺的参数提高产品质量和稳定性并有效降低生产成本和工人劳动强度。本设计设备所需完成的生产工作，是基于有蜡抛光生产工艺手工操作全过程演变而来。本文将简单介绍硅单晶片有蜡抛光生产工艺流程，着重讲解本设备机械自动化各部件的设计思路、设计目和本设计设备的工作原理和自动化运行全过程。本设备在功能设计方向，充分考虑生产需要和人身、产品、设备的安全。本设备在自动化设计方向，充分利用了中央广播电视大学本科学习所掌握的机械自动技术。第一章 硅抛光片基本概念和工艺介绍1.1 硅单晶抛光片的定义硅单晶抛光片的定义：通过化学和机械作用，来获得的表面无损伤、平整、光亮镜面的硅单晶硅片，称为硅单晶抛光片。 硅单晶抛光片有许多定性的参数如TTV、TIR、STIR、TAPER等，因为下游产品的要求不同，没有一个确定的数值。1.2 有蜡抛光片工艺常用配件简介硅单晶抛光片在使用手动贴片的有蜡抛光工艺生产过程中，常用到一些设备或工具，通过了解常用设备或工具的性能，能更好的了解硅片自动贴片设备对有蜡抛光工艺带来的影响和提高。在手动贴片有蜡抛光工艺中，常用的设备或工具有：1陶瓷盘：为直径520mm 、重量为15kg陶瓷材质的圆盘.作用是固定待抛光的单晶硅硅片。2自制带有耐高温橡胶垫的金属杆：长约1500mm.凸起的耐高温橡胶垫直径比与配用硅片的直径略大，配合金属杆用来压需要固定在陶瓷盘上的硅片。3抛光机是抛光生产关键设备：作用是固定并带动贴有硅片的陶瓷旋转，并能进行对陶瓷盘加压、水、抛光液、抛光时间等一系列控制。4其它辅助工具：如搬高温陶瓷盘的石棉手套，对陶瓷进行清洁的酒精和洁净室专用无尘布，贴片中用来便于定位的强光灯。在使用自动贴片设备进行操作中，除了陶瓷盘和抛光机必需的设备外，别的都不需要使用。1.3 目前使用有蜡抛光片工艺简介及特点硅单晶抛光工艺：是通过化学腐蚀和机械磨擦，从而获得表面平整，无损伤的镜面，以显露出完美的晶体原子排列面，改善硅片如TTV、TAR、STAR等重要参数。硅单晶抛光片的抛光工艺可分为：有蜡贴片抛光和无蜡贴片抛光两种。因本自动贴片设备是针对本人所在公司的生产需要而设计的，且本设备所需要完成的工作，仅是替代有蜡抛光生产工艺中所需完成的手动操作，所以发下只介绍有蜡抛光工艺中本设计所替代的手动操作步骤。手动操作的步骤为：1将清洗后的陶瓷把搬运至加热盘上加热，等待陶瓷盘加热至120C左右。2将背面涂有蜡的硅片贴在陶瓷盘表面，中间贴每一片硅片时需要不断检查陶瓷盘或硅片背面是否有颗粒沾染。3移动贴好硅片还是高温状态的陶瓷盘至另一操作平台。因需要在陶瓷盘未冷却之前压实硅片，此操作快速且要注意安全。4两名操作人员拿一根中间固定有耐高温橡胶垫的横杆用力压硅片，两名操作人员需要配合默契，一片一片的压。这是手动贴片过程最关键环节，如果操作不当，前面的操作要全部重来，还需重新清洗硅片和陶瓷盘。5待陶瓷盘温度降至适合上抛光机进行抛光的温度时，上抛光机进行抛光工序。在人工手动贴片的过程中，存在了以下主要缺点：1手动贴硅片于陶瓷盘表面时，因为不好定位，难免出现背面蜡己熔化，还需要移动硅片的情况，这样部分蜡粘在陶瓷盘上，硅片与陶瓷盘之间的蜡己不均匀，贴片后出现粘接不牢或压紧后与陶瓷表面不平行。2人身体部位过多的与硅片接触或身体过多的在陶瓷盘上方操作，都使硅片或陶瓷盘沾污过多的颗粒，使压紧硅片后，出现硅片局部的向上凸起。3两名操作人员同时做下压动作，难免出现配合不默契或用力不均，使硅片表面与陶瓷盘表面的平行度差。4操作人员劳动强度大。5人为操作生产工艺稳定性差，工艺参数无法控制，产量和成品率太低。第2章 设计任务和目的 2.1设计任务和目的 本设计目的和任务，就是使用一台自动化机电设备，完成整个单晶硅片在陶瓷盘上的贴片工作，并且执行的结果要比人工操作方法在操作和工艺方面要有所提高。能通过一名操作人员简单的操作就能完成整个贴片过程，整个贴片操作过程可以做到硅片不与人体接触，从放入硅片后到所有硅片有效的贴在陶瓷盘上出来完全自动完成，这样就对自动贴片设备提出了基本的要求：1要求操作方便。通过一名操作人员简单的操作，能完成整个从放入硅片到整陶瓷盘硅片贴好全过程。2要求自动化程度高。操作人员在整个生产过程中不能与硅片有直接接触。3要求设备有局部环境净化能力，使其硅片减少颗粒沾污，有效提高产品质量和成品率。4要求设备运行稳定，便于设置和控制工艺参数。5要求操作安全，低成本，便于维修。2.2 自动与手动贴片工艺对比自动贴片设备与手动贴片的对比可以明显发现，自动设备存在诸多优点:1操作简单，劳动强度大大降低。2因为不与人体接触和有局部净化能力，其颗粒沾污大大减少，有效提高产品质量和成品率。3人为因素的排除，在生产过程中改进生产工艺，能及时有效的得到工艺参数和控制产品的稳定性。 4减少操作人员，减少中间清洁、搬运等操作。有效提高产量，明显降低生产成本。第3章 设备设计要求3.1完成生产需要的设备基本参数要求在硅单晶片有蜡抛光生产工艺过程中，有一些需要必需保证的参数，以保证不同规格的硅片贴片至抛光各工序工作的顺利完成。如贴片的压力需要在200-500N可调，陶瓷盘要加热至1205C，因不同直径的硅片在陶瓷盘上贴的数量不同，要求每盘贴片数量可调，3.2 机械设计基本要求根据机械整个运动过程，机械方面基本要求有：1根据陶瓷盘上硅片需要承受最大500N左右的压力，固定机架需要设计牢固和稳定。 2有自动搬动陶瓷盘从加热位置到贴片位置，再到人工取陶瓷盘位置的功能。3要有自动取片到贴至陶瓷盘上的功能。4根据陶瓷盘是圆形的特点，要求陶瓷盘要有可以旋转的功能。5要求固定在陶瓷盘上的硅片，平整度要明显好于手工贴片。6要有局部环境净化的功能。3.3 电气控制设计基本要求根据设备自动运行控制方向的需要，电气部分的基本要求：1电气控制简单，易于识别，操作方便。2要有警急停止和暂停功能，及控制时的互锁功能，保证工作和人身安全。3根据陶瓷盘需要加热的工艺要求，要有温度控制在1205C的控制功能。4根据不同直径硅片贴在陶瓷盘上数量不同的要求，要有贴片计数的功能。5其它机械运动过程所需的电气控制支持6操作安全考虑，电气控制电力电源电压采用人体安全电压及以下等级。3.4 管道设计基本要求管道设计的基本要求有：1局部环境净化所需的排风管径和排风量的计算。2局部净化功能所需的排风管道设计安装方法。3取片时所用真空管道的设计。4机械运动所需空气动力管道设计。第4章 根据设备基本要求制定具体设计方案 4.1 陶瓷盘自动搬运和加热控制的利用陶瓷盘的自动搬动和加热的温度控制的机构，是利用公司内原有一台旧设备的装置进行改造。原有旧设备有，利用电气控制电磁阀，压缩空气作为动力，气缸执行动作，往复动作搬运陶瓷盘往一个方向运动的功能。原有旧设备还具有加热功能，仅就现需要的1205C的温度范围，加装温控表。由于原设备较大，且可能未来还要使用，本设计部分尺寸将以旧设备来确定，以便配套使用。参与贴片全过程的部分旧设备控制也单独控制，而不去改动旧设备控制线路。4.2 整机机架的设计机架采用立方体结构，四边立柱和机架横梁使用材料为5X50mm国标方型钢管，机架的横梁所处平面使用10mm以上钢板焊接，并在钢板上焊接加强筋。因为机架需要与旧设备相联接，机架的具体尺寸以旧设备尺寸为准。如图4-1，此设计能达到以下目的：1机架能保证安装所有机械电气部件。2重型钢构设计，能保证贴片设备部件承受气缸压力，能平稳运行。3设计机架尺寸能保证与旧的陶瓷盘加热装置相匹配，便于实现自动化运行。图4-14.3 陶瓷盘旋转托盘转速和传动的设计陶瓷盘旋转托盘的传动设计，使用减速电机、主动齿轮和从动齿轮，利用金属链条传递扭力，轴中心以外球面调心轴承固定。陶瓷盘托盘的转速控制在小于1r/min ，因为按常用的4”硅片为例，陶瓷转动一圈要贴13片硅片，控制小于1r/min的速度才能准确有效的定位。如图4-2：此设计目的为：利用减速电机和主从动齿轮的变比，能控制陶瓷盘托盘的转速。使用金属链条的设计，能降低安装精度，以便于零件的加工和安装。采用外球面调心轴承便于轴中心定位的自行调节，且外球面调心轴承的轴承座在市场上方便购买，这样能保证轴承的安装方便和不用另外加工轴承座而降低了成本。图4-24.4 陶瓷盘旋转角度的设计 瓷盘旋转角度的设计,此设计目的是为保证陶瓷盘托盘按规定角度和次数进行旋转，以满足不同尺寸硅片的贴片加工需要。以常用的4”硅片为例，一陶瓷盘要贴13片硅片，就需要电机转动规定次数还能精确定位。本设计利用槽型光电传感器配合金属加工的刻度盘实现自动运行的驱动信号控制。工作原理为：当光电传感器识别刻度盘状态后，作出相应的通或断动作，控制线路识别控制信号，驱动电机旋转到下一刻度位置，进行下一位置的贴片工作，贴片完成由控制线路完成再次识别、旋转、贴片的循环工作。见图4-3图4-34.5 陶瓷盘托盘及与主轴联接设计陶瓷盘托盘及与主轴联接设计：1陶瓷盘托盘采用40mm厚钢材制成，与陶瓷盘接触面纵横方向都有数条排列均匀的沟槽，沟槽深度为10mm。2主轴使用细牙螺纹联接方式与中间的联接件相联，联接件通过丝杆与托盘相联接。如图4-4此设计目的为：1陶瓷盘托盘的厚度和表面的沟槽能有效防止托盘的受热变形。2使用丝杆连接，零件可以分别加工，单一零件使用加工材料相对小，有效降低加工成本。3主轴细牙螺纹与主轴连接件相配合，能有效减小零件配合之间的间隙，减小了由于陶瓷盘受力点不在中心而带来的影响。图4-44.6 托盘主轴承受压力的设计托盘主轴承受下压力的设计，因陶瓷托盘受力点不在主轴中心，且受力不均，在正常工作时主轴就需承受来自不同方向的力。此主轴上部的中心固定采用推力角接触轴承，如图4-4。推力角接触轴承就是为解决轴在运动过程中承受轴向和径向力而设计的，此处采用推力角接触轴承同样很好的解决了主轴在工作中需承受不同方向力的受力问题。4.7 取硅片时中心定位设计取硅片时中心定位设计，此装置采用金属材料加工，中心加工为一锥形设计，锥形上大下小，锥形底部直径略大于配用硅片的直径。整个定位装置底部加工一圆周凸起设计，凸起的圆与锥形圆同心。如需生产不同直径规格的硅片时，需同时更换配用的此定位装置，因目前生产常用硅片直径为4”、 5”和 6”，所以更换和加工并不会很麻烦。见图4-5。此定位装置的设计解决了：1定位装置底部圆形凸起设计，解决了定位装置自身在主机架上的定位，在更换不同规格定位装置时，保证了使用不同直径硅片还能处在同一个中心位置，便于设备取片。2倒锥形的设计在人工操作放入硅片时，硅片能自行沿壁下落到锥形底部，这样就保证了硅片的中心定位的要求，而不会有人工放片不准的影响。图4-54.8取硅片部分设计取硅片部分设计，取片部分采用了两只行程能满足要求的气缸，并在两只气缸上安装用于采集自动控制信号的行程开关，在上下运动气缸最底部安装一只由耐高温橡胶制成的吸盘，如图4-6。此设计能达到的目的为：（1）两只气缸的配合使用，能保证机械手往上下左右四个方向运动的需要。（2）由于陶瓷盘是经过加热处理的，使用耐高温橡胶吸盘的设计，保证了与高温接触部件自身的安全稳定的运行要求。（3）使用吸盘和真空的设计，起到了机械手取片的目的，从而能够自如搬运硅片。（4）气缸和行程开关的设计再配用自动电气控制线路，能保证硅片从向下取片吸住硅片向上向左向下放下硅片向上向右向下取片的全部循环自动搬动的需要。图4-64.9压硅片气缸设计压硅片气缸的设计，根据工艺参数压片压力要在200-500N范围内可调和设备使用单位内压缩空气动力源0-0.6Mpa的实际情况，计算应采用气缸活塞的直径.A:气缸面积m2 。p:压缩空气气体压力Mpa.1. 气缸活塞所需最小面积计算气缸推力计算公式：F=AP式中：F气缸推力，F=500 （N） A活塞面积，单位： mm2 P压缩空气压力，P=0.6 (MPa)A=F/P=500/0.6=833.3 mm22. 气缸活塞所需最小直径根据A=D2/4计算气缸活塞所需最小直径D=32.5 (mm)压片工作需采用至少为32.5mm以上直径活塞的气缸。气缸工作压力调节，通过压缩空气管道调压阀控制，气缸固定在托盘上方的龙门架上，龙门架开200mm长方形槽，可以对气缸进行位置上的调节。此设计保证了使用不同压力在不同位置对不同直径硅片进行贴片操作的需要。4.10 压片气囊设计压片气囊的设计为一只金属加工的圆形部件，圆形上部中心加工有与压片气缸活塞相配的内螺纹。圆形侧面加工有进压缩空气的进气口。进气使用调压阀控制压力，金属加工件底部均匀加工有很多网孔状压缩空气出气口。气囊采用耐高温硬橡胶类材料制做，气囊整个包住圆形金属件的地底，在金属加工件外圆一周使用抱箍将橡胶固定。当接入压缩空气气囊会向外鼓起，关闭压缩空气橡胶的弹性，会使气囊慢慢排出气体，恢复原状。如图所示4-7。此设计的目的为：1金属材质压头中间采用内螺纹与气缸紧密固定，直径大于所压硅片直径20mm，当压不同直径硅片时，方便更换。2压头侧面有压缩空气进气孔，用来鼓起气囊。压头往气囊充气的底面为均匀网孔设计，这样保证当气囊有压扁的趋势时，压头的排气均匀的排出，保证与硅片接触面各点的压力相同，这样的贴片平整度高。3气囊的压缩空气通过调压阀调节，可以保证不同压力的使用需要。而且通过调压阀将气囊压力小于压片气缸的压力，气囊内压力在受到气缸压力时，能将气囊内气体压回到管道或从固定位置漏掉，当气囊慢慢压扁的同时，保证了会有一个平面与硅片接触。4气囊凸起呈弧形，当下压接触硅片时中心点先接触，所力面由中心往外扩张，这样能有效挤掉硅片与陶瓷盘接触面可能留有的空气。图4-74.11电气控制设计电气设计的原则为利用资源降低成本，操作简单，维修方便，安全第一。以此原则设计的电气控制线路有以下特点：1.为了降低成本，先收集查看现有资料情况，决定做用以继电器、接触器为主的控制元器进行设计。2.设备贴片部份的电气自动操作只需按动三个按钮，配合旧的陶瓷盘搬运设备就能完成自动运行全过程，操作非常方便。3.继电器控制电路对于现在的维修人员更为熟悉，这样能保证维修的方便。4.在人身和设备安全方面的设计，控制线咱除主电路以外，其它控制线四季都采用24V控制线路，这样人身和设备的安全有了更大的保障。4.12局部环境设计局部环境的设计，根据自动贴片设备的外型尺寸，设计一只防尘罩，防尘罩侧边不防碍操作部位开孔，设计排风管道接口，接入公司动力排风系统。防尘罩的材料选用透明PVC材质，这样营造局部环境的同时，还能便于观察设备运行状态。防尘罩的设计目的就是为了防尘，这样能有效的减少环境内颗粒进入到硅片与陶瓷盘之间的接触面内。第5章 自动运行过程详解根据设计构想，自动运行操作过程如下：1. 检查设备无异常，打开设备电源、真空开关、压缩空气阀门。2. 将陶瓷盘搬至旧陶瓷盘搬运设备上加热，至120C左右，这个加热时间一般在5分钟内完成。3. 操作旧设备搬运陶瓷盘动作的按钮，机械手将陶瓷盘从贴片设备右边搬运至贴片机托盘位置，贴片机测陶瓷盘位置传感器测得信号。4. 启动贴片机启动按钮，不论取片机械手处于什么位置，些都会复位至硅片中心定位装置上方，机械手的位置被传感器识别。5. 操作人员检查硅片放入硅片中心定位锥形装置内，锥形装置底部传感器测得信号，取片机械手向下取片。6. 然后机械手通过各部位传感器完成，吸取硅片向上保持吸住硅片向左保持吸住硅片向下断开真空阀放下硅片至陶瓷盘机械手向上向右到硅片中心定位装置上方的循环动作。同时在取走硅片后，操作人员可以再次放硅片入中心定位装备，等待下一次的机械手取片动作。7. 在机械手取片的往复动作的同时，陶瓷盘接收到每放下一片硅片的信号，就旋转规定的角度，等待下一次接收硅片的信号。8. 压片气缸接收陶瓷盘旋转后信号，做出一次向下压片的动作，移动到气缸下限位位置传感器时返回，等待下一次的旋转结束的信号。9. 当参与取硅片自动控制的计数器接收到规定数量时，停止机械取片的动作，既使再次放硅片到硅片中心定位装置内，机械手也不会去取片，等待操作人员先按停止再次按启动按钮，设备会再次驱动机械手再次计数。10. 当参与压片气缸动作计数的计数器达到规定数量时，会切断控制线路的主电源。11. 此时贴片设备部份操作以完成，按下旧陶瓷盘搬运设备按钮，将贴好片的陶瓷盘从贴片设备左边搬离贴片机托盘，同时将在贴片过程中以加热完成的陶瓷盘从贴片设备右边搬至托盘。12. 按下贴片设备停止按钮，复位。再按启动按钮，对陶瓷盘再次进行贴片操作。贴片设备部份自动运行过程框图，如图5-1所示：机自动运行过程框图接通电源贴片计数器信号取片计数器信号陶瓷盘信号启动取片气缸 往上取片气缸 往上真空信号NO取片计数器计数贴片气缸往上贴片计数器 计数贴片气缸往下电机转动113圈取片气缸往下取片气缸 往左真空信号 Yes取片气缸 往下取片气缸往右 图5-1结论本设计的自动运行成功，有效的提高了硅单晶抛光片的各项工艺参数；明显降低了工人的劳动强度，提高了工作效率；提高局部环境等级，提高了产品成品率的同时降低后继工艺的工艺难度；设备稳定运行，消除人为因素干扰，更改生产工艺有了有效的依据；减少中间环节、物资损耗和操作人员，明显降低了生产成本。毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的自动机械设备设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。邓小平说：“科学技术是生产力，而且是第一生产力”。机械自动化设备的出现，大大加快了设会经济前进的步伐，改善了人民的生活水平。这些正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只要是生产生活的需要就因该开动脑筋去解决，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国的四化服务。参考文献 1 张厥宗. 硅单晶抛光片的加工技术.M北京：化学工业出版社，2005 2 王以伦. 液压气动技术.M北京：中央广播电视大学出版社，20023 李海副. 机械制图.M北京：中国劳动出版社出版，19924 赵仁良. 电力拖动控制线路. 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