畢業(yè)設計(論文)開題報告題目：劃片機的總體規(guī)劃及 Y、Z 軸設計系 別 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 導 師 年 月 日開 題 報 告 填 寫 要 求1.開題報告作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成。2.開題報告內容必須按教務處統一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網頁上下載）填寫并打?。ń勾蛴≡谄渌埳虾蠹糍N） ，完成后應及時交給指導教師審閱。3.開題報告字數應在 1500 字以上，參考文獻應不少于 15 篇（不包括辭典、手冊，其中外文文獻至少 3 篇） ，文中引用參考文獻處應標出文獻序號， “參考文獻”應按附件中 《參考文獻 “注釋格式”》的要求書寫。4.年、月、日的日期一律用阿拉伯數字書寫，例：“2008 年 11 月 26 日” 。5.開題報告增加封面，封面格式：題目：宋體，加粗，二號；系別等內容格式：宋體，四號，居中。畢業(yè)設計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內外相關研究情況）一、題目背景及研究意義IC 封裝是半導體三大產業(yè)之一(器件設計、晶片制作和器件封裝)。其后封裝工序主要包括:劃片、粘片、超聲球焊、封裝、檢測、包裝。劃片機是 IC 后封裝線上的第一道關鍵設備，其作用是把制作好的晶片切割成單元器件，為下一步單元晶片粘接做好準備。劃片機切割晶片的規(guī)格一般為 3-6 晶片，單元晶片的外型一般為矩形或多邊形。目前，我國的半導體封裝設備(如劃片機、粘片機、金絲球焊機等)還主要從美國、日本、新加坡引進。為了促進 IC 封裝設備的國產化，本課題組開展了IC 封裝設備劃片機的研制工作。因此把“劃片機的總體規(guī)劃及 Y、Z 軸設計”作為本科論文的課題，既有較大的學術價值，又有廣闊的應用前景。二、國內外研究現狀1、劃片技術的發(fā)展劃片技術是集成電路后封裝的一道工序，劃片機的劃片方法根據其發(fā)展過程可以分為三種:金剛石劃片、激光劃片和砂輪劃片。（1）金剛石劃片這是最早出現的劃片方法，是目前用得最少的方法，與劃玻璃的原理相同。使用鋒利的金剛石尖端，以 50 克左右的固定載荷劃出小片的分割線，再加上彎曲力矩使之分成小片。一般來說，金剛石劃片時線條寬度為 6 一 8μm 、深度為 5μm ，硅表面發(fā)生塑性變形，線條周圍有微裂紋等。如果劃片時出現切屑，掰片時就可能裂開，小片的邊緣又不整齊，分片就不能順利進行。金剛石尖有圓錐形(l 點式)、四方錐形(4 點式)等。圓錐形的金剛石尖是采用其十二面體晶格上的(111軸，并將尖端加工成半徑 2 一 5 μm 的球面。劃片的成品率在很大程度上取決于金剛石尖端的加工精度及其鋒利性的保持情況。（2）激光劃片第二代劃片的方法是激光劃片。激光劃片就是將激光呈脈沖狀照射在硅片表面上，被光照的那一部分硅就會因吸收激光而被加熱到 10000℃的高溫，并在一瞬間即氣化或熔化了，使硅片留下溝槽，然后再沿溝槽進行分開的方法。激光劃片時，硅粉會粘在硅片表面上，所以還必須對硅片上的灰塵進行必要的處理。該方法劃硅片比金剛石劃片的成品率高，所以曾經在一個時期內替代了金剛石劃片。但激光劃片對工藝條件十分敏感。激光功率、劃片速度、焦點位置、氣流壓力等參數的波動或變化都會影響劃片質量，致使劃片深度尺寸不均勻，導致分片時容易碎片，降低成品率，增加了成本。同時激光劃片時，高溫對熱組織區(qū)內的材料也有很大的影響，從而影響到芯片的性能。但激光劃片相對于其他的劃片技術來說，結構簡單，在切割中和切割后芯片碎裂率少，無論單晶硅片薄厚，切口寬度均小于3μm，切口邊緣平直、精準、光滑，能夠在每片晶圓上制作并切割出更多數量的芯片。(3)砂輪劃片第三代劃片機是砂輪劃片機。砂輪劃片機是利用高速運轉的空氣靜壓主軸帶動刀片，通過光柵尺和導軌系統的控制，將刀刃定位在加工材料上，最終形成具有一定深度和寬度的切口 [1]。砂輪劃片工藝質量與主軸轉速、切割速度、刀片厚度等都有一定的關系。相對合理的主軸轉速能有效地控制刀片在隨主軸轉動時的相對震動、有利于刀片在切割時的徑向穩(wěn)定性，從而提高切割質量。刀片的切割速度決定工作效率，如果切割速度不斷變大，在切割的過程中沿溝槽的刀具的速度也會變得不好控制。切割速度會受制于待加工材料的硬度，如硅晶圓表面材料的硬度直接決定切割速度。如果切割超硬材料時切割深度過大都不利于刀片的正常使用，并最終影響到刀片的壽命。三種劃片技術的比較如表 1 所示。由表 1 可以看出，砂輪劃片的加工速度、加工深度、加工寬度、加工效果等相對其他兩種加工技術具有突出的優(yōu)點，因此砂輪劃片是目前的主流加工技術。表 1 加工工藝比較指標 分類 金剛石劃片 激光劃片 砂輪劃片加工速度 46mm/s 150mm/s 300mm/s加工深度 3～10μm ～100μm ～100μm加工寬度 3～10μm 20～25μm ?刀片厚度+10μm劃片效果 裂紋大 有熱損耗 只有微小裂紋成品率 60～70% 70～80% 98%噪音 小 大 較小其他 硅片厚度為小片尺寸的 1/4 以下有黏著灰塵的問題 需要切削液、壓縮空氣2、劃片機的國內外發(fā)展現狀在國外，劃片機自七十年代初問世以來，發(fā)展非常迅速，應用領域也越來越廣，品種也在不斷增加。剛開始時，只有日本、英國、美國三個國家的四、五個公司制造劃片機，而如今俄羅斯、臺灣、中國大陸也都制造出了劃片機，劃片機制造廠家己經發(fā)展到十多個公司 [2]。目前,國外生產劃片機的廠商主要有:日本 DISCO、東京精密 TSK,以色列 ADT,以及英國流星 Loadpoint 公司最初生產的劃片機只是用來切割晶體管半導體硅片,只能切割最大為 3 英寸的硅片。而如今,它不僅可以切割硅片,還可以切割其它的薄、脆、硬材料,應用領域越來越廣泛。日本 DISCO 公司生產的劃片機占世界劃片機銷量的 80%,代表著當今劃片機的較高水平。該公司在 2002 年 12 月推出了 DFD636O 型劃片機，該機最大劃片尺寸達 3O0mm(12 英寸),劃片槽寬度達到20μm 切割速度高達 600mm/s,定位精度最高達 0.003mm。JPsereezAssoeiateS 公司生產紫外(UV)激光劃片機,可用于切割 300mm 直徑的單晶硅圓片,采用 355un 或 266nm的短脈沖 UV 激光光源,采用了高性能、超精確的氣動操作臺,獲得了較高的速度和加速度,斷面邊緣光滑平直，而且劃片槽僅有 2.5μm 寬。我國真正研制劃片機的時間較晚,基本上是從七十年代開始的。1982 年我國研制出第一臺國產化的砂輪劃片機,結束了當時我國劃片機完全依賴進口的局面。國產劃片機設備制造商主要有:中國電子科技集團公司第 45 研究所、沈陽儀表科學研究院、西安捷盛電子技術有限責任公司、上海富安工廠自動化有限公司、武漢三工光電設備制造有限公司。我國的劃片機主要以中國電子科技集團第 45 研究所為代表,該研究所從 1994 年開始先后生產了 HP602 型(150mm)精密自動劃片機,該款劃片機采用恒力矩變頻分相調速技術,可以減少圓片正反面的崩角情況并能夠提高芯片的抗折強度,從而提高了芯片的質量,工作臺采用滾動導軌；在此基礎上于 2004 年研制了 HP801 型(200mm)精密自動劃片機,在增大硅晶圓片一的直徑的同時,也增加了硅晶圓片上芯片的數量,提高了芯片產出的效率,并達到了實用化,定位精度為士 10μm；而后又研制了 KS780 等型號的劃片機。沈陽儀表科學研究院研制了 ZSHS 型自動砂輪劃片機,精度達到了士5μm μm /35Omm,切割晶圓的行程為 152.4mm,與當時國際上 203.2mm 有很大的差距,切割速度為 150mm/S,與當時的國外先進的劃片速度 300mlm/s 還相差很大。目前,國產新型的雙軸 200mm(8 英寸)精密自動劃片機,也已進入了實用化階段,劃片槽寬度達到 30～40μm。2010 年 1 月 3 日,蘇州天弘激光股份有限公司推出了其第一款晶圓激光劃片機 TH 一 321 型激光劃片機,采用高精度的兩維直線電機工作臺及直驅旋轉平臺,劃片槽寬度降低到 3μm。武漢三工光電設備制造有限公司生產的晶圓激光劃片機,采用數控的工作方式,最大線切害速度為 140ｍｍ/S,定位精度為士 10μm。從國內外現狀來看,國內劃片機的劃片尺寸、切割速度及定位精度還沒有達到國習際先進的水平,劃片槽的寬度也與國外相差很大,所以對劃片機進行總體規(guī)劃并且對其 Y、Z 軸進行設計具有重要的意義。三、主要研究內容及研究方案(1)通過調研和參閱相關資料，了解 IC 封裝及劃片機的工作原理； (2)完成原理方案設計和結構方案設計，確定實施方案； (3)對劃片機進行結構參數的初步設計，并完成相關的計算； (4)完成劃片機的機械結構 Y、Z 軸進行具體設計；（Y 軸:有效行程大于 160mm,最小位移分辨率小于 2μm,步進精度小于 4μm,全程累積誤差小于 5μm/160mm; Z 軸:最大行程 30mm,重復定位精度小于 2μm。 ） ； (5)完成裝配圖和零件圖。四、本課題研究的重點及難點，前期已開展工作根據劃片的工藝要求，劃片機應具有高剛度、高可靠性、高穩(wěn)定性、高定位精度等，而劃片機的運動方案有許多種，每種方案各有其優(yōu)缺點。因此，在深入分析劃片機的工藝要求、對比不同的運動方案的特點的基礎上，找到影響劃片質量的關鍵點，然后確定總體方案，對提高劃片機的總體性能具有至關重要的作用，也是研究的難點所在。在確定了總體方案之后，根據本課題的任務要求，對 Y 軸和 Z 軸進行設計。Y 軸系統的作用是帶動高速主軸做切割進給運動,即按單元晶片的規(guī)格尺寸分步運動。X軸完成一個往復運動后,Y 軸導軌帶動高速主軸運行一個單元晶片尺寸距離,以便完成下一行的切割。對 Y 軸的要求是結構剛度高,運行平穩(wěn),位移分辨率要高(2Lm),導軌全程累積誤差要小(5Lm/160mm) [3]。因此，Y 軸對傳動精度和定位精度要求比較高，如何確定的 Y 軸的傳動方案是本課題的研究重點及難點。Z 軸系統的作用是在劃片過程中帶動高速主軸做抬刀落刀運動。X 軸帶動工作臺往復運動一次,Z 軸帶動劃片刀也上下抬落一次,完成對單元晶片的分段切割。對 Z 軸的要求是重復定位精度要高,以保證對晶片切割深度的一致性。因此，如何確定 Z 軸的傳動方案，是本課題的研究重點及難點。針對課題要求，前期主要是查閱相關文獻，了解劃片機的國內外發(fā)展現狀及國內外的研究方法，調研了國內外劃片機的性能特點，了解了劃片機的工作原理，明確了劃片機的性能要求，為下一步的設計工作打下了基礎。五、工作方案(1)1-3 周：調研，通過查閱相關文獻和刊物，了解 IC 封裝及劃片機的工作原理，完成開題報告。 (2)4-8 周：完成原理方案設計和結構方案設計，確定擬實施的方案，完成英文資料翻譯。 (3)9-13 周：對劃片機進行結構參數的初步設計，并完成相關的計算；完成劃片機的機械結構 Y、Z 軸進行具體設計；(4)14-18 周：完成設計圖紙，寫出畢業(yè)論文，準備答辯。六、參考文獻[1]姚道俊.砂輪劃片工藝的實踐與提高[J].集成電路通訊，2005，(6):35 一 37.[2]袁惠珠.精密砂輪劃片機的設計及精度分析 7D].沈陽:沈陽工業(yè)大學,2004.[3]馮曉國,張景和,張乘嘉,等.IC 封裝設備劃片機的研制[J].儀器儀表學報，2003，(4):50 一 52.[4]謝中生.DISCO 會社與其具有世界領先水平的劃片機[J].電子工業(yè)專用設備，1996，(4):40 一 41.[5]袁慧珠.劃片機定位精度的設計[J].儀表技術與傳感器，2003，(7):51 一 52.[6]候飛.劃片機工作臺精確定位控制技術研究[D].西安，西安工業(yè)大學，2012.[7]楊云龍,劉金榮.全自動劃片機自動識別對準技術的研究[J].電子工業(yè)專用設備,2001,(110):46 一 4.[8]俞忠飪.我國集成電路產業(yè)的發(fā)展現狀和展望[J].微細加工技術,1998,(1):1 一6.[9]宮崎.Ic 制造上諸多問題[J].機械研究,1969,21(2):69 一 73.[10]王春明,胡倫驥等.激光切割前沿輻射與切割質量關系的初探「J〕.中國機械工程,2001,(7):312.[11]張明明,白宇.ZSHS 自動砂輪劃片機控制程序設計及實現〔Jl.電子工業(yè)專業(yè)設備:2008(162):49 一 54[12]王明權.HP 一 602 型精密自動劃片機誤差分析與精度分配[J].電子工業(yè)專業(yè)設備,1999(2):18 一 23.[13]SeamanFD.MaterialworkingLasersintheUnitedStates=J〕.Proe.eonf.助on,1983:120 一 27.[14]0.Imanakaetal:ObservationofChiPRemovingProeessduringGrindingbyaMiero一 FrachTeehnique,Bull.Electroteeh.Lab.,1968,32(9):907.[15]S.YLuo,Z.W.Wang.StudiesofehiPPil:gmeel1anismsfordiei11gsilieonwaferslJ8.Adva,leedmanufaeturingtec 恤 olgy,2008.35:1206 一 1218.指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）指導教師： 年 月 日 注：1）正文：宋體小四號字，行距 20 磅，單面打??；其他格式與畢業(yè)論文要求相同。2）開題報告由各系集中歸檔保存。3）開題報告引用參考文獻注釋格式可參照附錄 E“畢業(yè)設計（論文）參考文獻樣式”執(zhí)行。不進入正文，可以作為附件放在開題報告后面。所在系審查意見：系主管領導： 年 月 日