直线电机在芯片分选机中的应用

郝 靖，石艺楠

(北京中电科电子装备有限公司，北京100176)

芯片分选机是半导体芯片后道封装工艺中的关键设备，其主要功能是将测试后的芯片从晶圆蓝膜上取出，然后根据上道工序的测试图（wafer mapping）放置到不同承载盘中，是微电子行业中的专用设备。目前随着客户对产品品质和生产效率的要求不断提高，以及晶圆尺寸的逐渐增大，芯片分选机正不断向高兼容性和高效率方向发展。其机构见图1。

准200 mm芯片自动分选机正是为了满足客户的需求而设计开发，该设备不但可以兼容准150 mm和准200 mm晶圆，而且能够通过更换功能模块实现两种规格晶圆蓝膜的自动扩膜功能，同时兼容多种格式的mapping图，能够满足用户的多种需求。

由于兼容的晶圆尺寸较大（准150 mm为准152 mm和 准200 mm为 准203 mm），芯片拾放机构从拾取位置到放置位置所需要运动的距离较大，并且定位精度要求高，而传统“旋转伺服电机+滚珠丝杠”结构无法同时实现如此高的运行速度和定位精度，因此具有启动推力大、加速度大、刚度和定位精度高的直线电机便显现出了很大的优势。

图1 结构示意图

1 直线电机特点

直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：一是结构简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，质量和体积大大地下降；二是定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度；三是反应速度快、灵敏度高，随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不直接接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；四是工作安全可靠、寿命长，直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工作安全可靠。

2 拾放机构性能指标要求

芯片拾放机构由两套运动机构组成，分别驱动拾放头实现水平（x向）和垂直（z向）两个方向的高速运动，其运动轨迹如图2所示。

由于x向运动要求在很短的时间内运行较大的距离，所以在结构设计中采用直线电机驱动拾放机构实现高速高精度运动。x向直线电机需要在0.16 s的时间内推动约2.2 kg的负载移动0.2 m距离，最高速度为2 m/s。根据以上条件进行直线电机的选型分析。

图2 拾放机构运动轨迹

3 直线电机选型流程

直线电机的选型是一个复杂的过程，通常需要经历如图3所示的流程。

4 直线电机选型计算

芯片拾放机构采用直线电机驱动、直线导轨导向的组合形式，根据拾放机构的性能指标要求及运动轨迹规划描绘直线电机的运动曲线，如图4所示。

预选定某款U形无铁芯直线电机，该款直线电机的参数如表1所示。

由上表可知该款直线电机有效行程Sn＝255 mm＞200 mm，满足设计需要。

图3 选型流程

图4 运动曲线

表1 直线电机性能参数

加速度计算：

匀速运行时推力计算：

μ：摩擦系数

g：重力加速度

Fn：电缆拖链等损耗推力

加速时间计算：

K：安全系数

要求加速时间0.06 s＞加速时间0.0152 s，因此满足要求。

加速推力计算:

减速推力计算：

实际推力计算：

持续推力200 N＞实际推力117.19 N（选取安全系数为 1.3，则 1.3×90.15=117.19［N］）。由以上计算结果得出，电机持续推力大于实际推力，因此该款电机满足选型要求。

5 结束语

本款直线电机已成功应用到准200 mm芯片自动分选机的芯片拾放机构中，经过实际的测试考核，能够很好地达到机器的各项运行指标。

通过选用直线电机来驱动芯片拾放机构实现高速高精度运动，不仅简化了机器的结构设计，而且提高了整机的运行效率和稳定性，为满足客户的实际需求奠定了基础。

[1]叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]苏州美新精密电机有限公司（Accel Technologies）.直线电机选型手册[M].南京：苏州美新，2002.