划片机空气静压电主轴径向轴承的设计

2012-07-04李战伟刘婷婷

电子工业专用设备 2012年5期

李战伟，刘婷婷

(北京中电科电子装备有限公司，北京100176)

划片机是集成电路封装工艺线上的关键设备，是将晶圆沿切割道分割成独立芯片的设备。空气静压电主轴是划片机强力磨削的执行部件，其轴线旋转精度和运转的平稳性直接影响划片机的切割精度，是划片机的核心部件[1]。

空气静压电主轴采用空气轴承支承，具有转速高、精度高、摩擦损耗小、寿命长等优点；但由于其承载小、刚度低、容易出现气锤振动或涡动等缺点导致了空气静压电主轴抗干扰能力低，工作稳定性差[2]。本文采用表压比法[3]对划片机空气静压电主轴径向轴承进行设计计算，确定径向轴承结构参数。

1 表压比法设计方法

径向轴承承载力和刚度是划片机空气静压电主轴关键性能指标，径向轴承承载力和刚度主要取决于设计时选用的表压比Kg。表压比Kg是孔式节流下游压力。

按无量纲表压表示的形式，表压比表达式为：

其中：pd为节流末端压力，pa为环境压力，ps为供气压力，见图1 所示；

β 为节流压力比，β=pd/ps；as=pa/ps，1/as为无量纲供气压力。

图1 典型径向轴承结构形式

当轴承供压表压ps-pa或as=pa/ps给定后，由式（1）得到的表压比Kg就决定了节流末端压力pd或pd-pa值，即确定了气膜的初始压力边界值。给定轴承几何条件，通过求解即可得到轴承间隙气膜的压力分布，以及轴承刚度和承载力。因此，表压比Kg是设计的第一主参数。

2 表压比Kg 确定

对于空气轴承，节流压力比β 存在临界值βcr＝0.528，当β≤βcr时，节流进气孔发生堵塞；即表压比Kg也存在临界值Kgcr：

当Kg≤Kgcr时，节流进气孔发生堵塞。对于供气压力ps=0.55 MPa，排气到大气的空气轴承（即pa=0.101 MPa），其临界表压比为：

径向轴承刚度随表压比变化曲线，见图2 所示。由图2 可以看出，在表压比小于0.8 的范围内，轴承刚度随着表压比的变大而增大，当表压比Kg≥0.8 时，轴承刚度不再增加，并且容易出现自激涡动现象，所以表压比取值范围在0.42～0.8。为避免出现节流进气孔堵塞并得到较高的刚度值，选用表压比Kg=0.6。

图2 径向轴承刚度随表压比变化曲线

3 确定径向轴承关键尺寸

3.1 轮廓尺寸L 和D 的确定

径向轴承轮廓尺寸主要是径向轴承的长度L和轴承直径D。对应不同D-L 值的载荷和流量曲线，见图3 所示。

由图2 可以得到，轴承直径D=26 mm，长度L=40 mm，无量纲供气压力，偏心率ε=0.5

图3 对应不同D-L 的载荷与流量曲线

轴承间隙2h0=30 μm 时，径向轴承刚度为：

其承载能力和径向轴承刚度可以满足空气静压电主轴径向承载力和刚度的设计要求。

3.2 节流器类型及尺寸的确定

节流器是空气静压电主轴轴承设计的关键部分，节流器是使压力为ps的压缩空气进入轴承间隙前，产生节流效果，使出口压力（即轴承气膜入口压力pd）相对稳定，从而形成具有一定承载力及刚度的稳定润滑气膜，支承转轴实现高转速下稳定工作的一种结构。

高速空气静压电主轴常用的节流器类型主要有小孔节流器和环面节流器两种，见图4 所示。

对于给定轴承间隙和表压比情况下，小孔节流器比环面节流器承载力和刚度大，并且在控制高速涡动上，小孔节流器优于环面节流器，因此径向轴承选用小孔节流器。

小孔节流器直径d 与对应轴承间隙h0的关系见图5 所示。

图4 常用节流器类型

图5 小孔节流器d0-2h0 曲线

由图5 可以看出，径向轴承选用单排8 孔或者双排1/4 位置双排8 孔结构，并且0.6，2h0=25.4 μm 时小孔直径d=0.125 mm。当无量纲供气压力，圆周方向节流孔数量N，节流孔长径比L/D，小孔轴向位置l/L 变化时，小孔节流器直径d0的修正曲线见图6 所示，图中为标准条件下的d0值。