超声波振动，且振动将 沿着转子轴屯、向前后两个方向传播。
[0051]本发明实施例的超声波空气静压主轴装置，还包括:刀片安装装置8,所述刀片2通 过所述刀片安装装置8安装于所述转子11上。刀片安装装置8是用来固定超声波加工刀片的 特殊夹具，安装于转子11轴头一端，该刀片安装装置8采用特殊工艺制造，具有沿轴屯、振动 和径向振动特性，在安装时要求与转子轴屯、紧密连接，W减少超声波振动能量损失。
[0052]另外，超声波振动在两种不同介质中传播时，将发生反射和折射，反射和折射的比 率与两种介质密度之比成正比例关系。具体的，转子11可采用优质碳素结构钢或铁合金钢 等大密度，刚性好的材质制成。由压电陶瓷发出的超声波振动和反射回来的反射波相叠加， 由于转子密度远大于空气密度，故认为超声波振动全部反射，且反射波有半波损失，同时因 为压缩空气运一系统的"隔离"作用，仅仅使得转子轴屯、及其相关部件振动，不会造成整个 主轴系统或设备的振动。在特定条件下，发射波和反射波可W达到谐振状态;根据不同划切 工艺，通过对超声波发生器频率的控制，可W调节振动波长大小，W达到最优划切状态。
[0053]运里，由波的叠加原理可知，两列独立的传播的波，在其传播相遇处的位移等于各 列独立波独立传播时位移的矢量和；由波动方程公式：
和线性方程叠加原理 可知，对于超声振动波71= 4(303(〇1：-1〇0和反射波72 = 4(303(〇1+1〇0，在转子中相遇时合成 波为:y=yi+y2=(2Acoskx)COSOt;在形成驻波时：
I人为超声波振动波长，k正整数， 对于不同材质，
'其中V为超声波在不同材质中传播的速度，是与材质相关的常数，f 为超声波振动的频率；
[0化4]进一步地，令振幅A(t)=2Acoskx，当Coskx=±1时，A(t)=2A，此时
；当 Coskx=O时，A(I)=O,此时
。
[0055] 为达到超声波振动最大利用率，要求刀片安装装置8安装于振幅最大的波腹处
，转轴5安装于振幅最小波节处：
，其中，i= 0，l，2……。当有其他因素 影响上式变化时，必须调整刀片安装装置8和转轴5的安装位置，使其符合上式。本发明实施 例将刀片安装装置安装在动能最大处，W获得最好的振动效果，转轴5安装在最小动能处， W获得最好的的固定效果。
[0056]进一步地，根据声波特性，若不考虑介质结构阻力和声波折射，对于不同截面的弹 性介质，其截面变化与振幅之间的关系为：
[0057]根据半导体加工工艺，在划片机应用中，要求刀片安装装置振动值极小，故此主轴 设计可不需要变幅装置，只需通过上式确定出转子加工时的截面面积。
[005引本发明实施例的超声波空气静压主轴装置，通过超声波的作用，使得刀片在半径 方向和轴向方向产生瞬间轻微的伸缩式振动。通过刀片的振动，能够使加工微粒和被加工 物在刀片的高速运转下，W高加速度状态进行反复碰撞，使得被加工物表面产生细小破碎 层，同时能够在刀片和被加工物之间产生间隙;此装置能够大大降低刀片的加工负荷，改善 加工系统的冷却效果，防止刀片的纯化，延迟刀片使用寿命。
[0059] 上述超声波空气静压主轴装置，应用于半导体切割设备上，该半导体切割设备可 具体为划片机，因此，本发明实施例还提供了一种划片机，包括如上所述的超声波空气静压 主轴装置。
[0060] 具体的，该划片机具有X，Y，Z，化eta运动轴系统，超声波空气静压主轴安装于划片 机Y轴和Z轴具有两个自由度的装置上;被加工物位于化eta台上，通过控制X，Y，化eta来确 定被加工物的形状，Z来确定被加工物深度;通过控制Y轴步进和Z轴步进，可W用来加工不 同大小，深度的半导体器件，通过X轴和化eta,用来控制被加工物的形状和尺寸。且上述划 片机的Z运动轴系统可W根据实际需要进行改变，故其超声波空气静压主轴装置的数量在 不同类型设备上不同。
[0061] 如图3所示，划片机的运动控制系统上位机通过运动控制卡与各个驱动器(X驱动 器、Y驱动器、Z驱动器、The化驱动器、主轴驱动器及超声波驱动器)建立通信，进而控制相应 的电机运转，并且各部分均有电源模块。
[0062] 下面具体说明本发明实施例的划片机加工半导体器件的加工过程。
[0063] 如图4所示，上述加工过程具体包括：
[0064] 步骤100:通过半导体器件的产品规格参数和具体的加工工艺，确定其加工时运动 系统的运动参数:X运动参数，Y运动参数，Z运动参数，The化运动参数，超声波空气静压主轴 运行参数，超声波发生器的运行参数。
[0065] 步骤101:利用运动控制系统，上位机向各个运动部件发出运动指令，依次确定X， Y，Z，The化运动位置，主轴转速，超声波发生器的频率。
[0066] 步骤102:各个电机带动其运动结构运动到相应位置。
[0067] 步骤103:刀片进行加工作业，完成产品加工。
[0068] 本发明实施例的超声波空气静压主轴装置及划片机，在工作时，通过超声波发生 器，在压电陶瓷产生机械振动，通过微小机械振动的作用，能够使刀片和被加工物在刀片的 高速运转下，W高加速度状态进行反复碰撞，使得被加工物表面产生细小破碎层，同时能够 在刀片和被加工物之间产生间隙，大大降低刀片的加工负荷，改善加工系统的冷却效果，防 止刀片的纯化，延长刀片使用寿命，提高了材料的加工质量，同时简化了产品加工的复杂 度。
[0069] W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种超声波空气静压主轴装置，其特征在于，包括： 转子装置，所述转子装置包括:转子及驱动所述转子旋转的驱动器，且所述转子的一端 安装有刀片； 与所述转子装置连接的超声波振动装置，所述超声波振动装置将电能转换成机械振动 并传输至所述转子处，使所述转子带动所述刀片沿转子轴向和径向方向进行振动。2. 根据权利要求1所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，所述转子装置还包 括:密封轴套，所述密封轴套内设置有压缩空气，所述转子通过所述压缩空气悬浮于所述密 封轴套内。3. 根据权利要求1所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，所述超声波振动装置 包括： 超声波发生器，所述超声波发生器将工频电压转换为超声频电压； 设置于所述转子上的换能器，所述换能器在所述超声频电压的驱动下产生机械振动， 并将所述机械振动向所述转子的两端传输，使所述机械振动形成驻波在所述转子内进行传 输。4. 根据权利要求3所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，所述转子包括沿所述 转子的径向方向分割而成的第一部分和第二部分，所述换能器设置于所述第一部分和第二 部分之间。5. 根据权利要求4所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，所述换能器包括： 电极，所述电极将所述超声波发生器产生的超声频电压传递给压电陶瓷片； 压电陶瓷片，所述压电陶瓷片在所述超声频电压的作用下产生机械振动； 分别与所述压电陶瓷片和所述第一部分连接的前匹配块，所述前匹配块将所述机械振 动传输至所述第一部分； 分别与所述压电陶瓷片和所述第二部分连接的后匹配块，所述后匹配块将所述机械振 动传输至所述第二部分。6. 根据权利要求5所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，所述电极为铜片或铝 片。7. 根据权利要求3所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，还包括： 设置于所述转子的一端、且位于所述驻波波幅处的刀片安装装置，所述刀片通过所述 刀片安装装置安装于所述转子上。8. 根据权利要求7所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，还包括： 分别与所述转子和所述刀片安装装置连接、且位于所述驻波波节处的转轴。9. 根据权利要求1所述的超声波空气静压主轴装置，其特征在于，所述驱动器包括： 驱动所述转子旋转的电机;及 驱动所述电机旋转的变频器。10. -种划片机，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的超声波空气静压主轴 装置。
【专利摘要】本发明提供了一种超声波空气静压主轴装置及划片机，用以解决应用传统切割方法对半导体器件进行切割分离，容易造成刀片钝化、破损及产品掉角、崩边严重的问题。本发明的超声波空气静压主轴装置包括：转子装置，转子装置包括：转子及驱动所述转子旋转的驱动器，且所述转子的一端安装有刀片；与所述转子装置连接的超声波振动装置，所述超声波振动装置将电能转换成机械振动并传输至所述转子处，使转子带动所述刀片沿转子轴向和径向方向进行振动。本发明通过超声波振动装置使刀片和被加工物在刀片的高速运转下，以高加速度状态进行反复碰撞，进而使得被加工物表面产生细小破碎层，大大降低了刀片的加工负荷，防止刀片的钝化，延长刀片的使用寿命。
【IPC分类】B24B41/04, B24B1/04
【公开号】CN105437067
【申请号】CN201510890284
【发明人】樊兵, 郎小虎, 秦江, 夏志伟, 孙彬
【申请人】北京中电科电子装备有限公司
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年12月4日