羅升橫河直線電機 DD 馬達平臺在晶圓激光切割機的應用
摘要： 文章介紹了晶圓激光切割工藝，晶圓切割設備設備組成以及橫河 DD 馬達、橫河直線電機組成的直線平臺特點以及在激光切割設備中的應用。提出了直接驅動伺服、直線電機在該設備使用的優勢，直接驅動伺服的使用在未來必將是一個發展趨勢，在高精密運動控制設備上的使用會越來越廣泛。
關鍵字： 橫河 DD馬達,晶圓切割，橫河直線電機，高精度，重復定位精度,激光切割
The application of Yokogawa DD motor and Yokogawa linear motor on the wafer cutting machine
Abstract: The techniques of wafer cutting machine and the characteristic of Yokogawa DD motor and Yokogawa linear motor is introduced. The advantage of using direct drive motor on the wafer cutting machine is proposed. The Direct drive motor will be used on the high motion accuracy machine.
Keyword: Yokogawa DD motor, wafer cutting, Yokogawa linear motor, high accuracy, repeated positioning accuracy，laser cutting
1 激光晶圓切割工藝、設備介紹
激光切割是應用激光聚焦后產生的高功率密度能量來實現的。在計算機的控制下，通過脈沖使激光器放電，從而輸出受控的重復高頻率的脈沖激光，形成一定頻率，一定脈寬的光束，該脈沖激光束經過光路傳導及反射并通過聚焦透鏡組聚焦在加工物體的表面上，形成一個個細微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬間高溫熔化或氣化被加工材料。
每一個高能量的激光脈沖瞬間就把物體表面濺射出一個細小的孔，在計算機控制下，激光加工頭與被加工材料按預先繪好的圖形進行連續相對運動打點，這樣就會把物體加工成想要的形狀。 切割時,一股與光束同軸氣流由切割頭噴出，將熔化或氣化的材料由切口的底部吹出(注：如果吹出的氣體和被切割材料產生熱效反應,則此反應將提供切割所需的附加能源；氣流還有冷卻已切割面，減少熱影響區和保證聚焦鏡不受污染的作用)。與傳統的板材加工方法相比,激光切割其具有高的切割質量(切口寬度窄、熱影響區小、切口光潔) 、高的切割速度、高的柔性(可隨意切割任意形狀) 、廣泛的材料適應性等優點。激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。
圖 1 激光晶圓切割機
晶圓激光切割機（圖 1） ，整個系統由控制系統、運動系統、光學系統、水冷系統、排煙和吹氣保護系統等組成，采用最先進的數控模式實現多軸聯動及激光不受速度影響的等能量切割，同時支持 DXP、PLT、CNC 等圖形格式并強化界面圖形繪制處理能力；采用橫河 DD馬達與直線電機組成的精密定位平臺，實現在高速狀態下良好的運動、重復定位精度。
圖 2 切割完成的晶圓
2 橫河DD馬達、直線電機產品特點
晶圓切割需要極高的重復定位精度與絕對定位精度和運行定位的平穩性，因此在運動驅動中必須使用直接驅動伺服取代普通交流伺服和絲杠的構架。以下介紹在晶圓切割機運動控制中廣泛使用的橫河DD馬達、直線電機定位平臺。
圖3 橫河DD馬達直線電機精密定位平臺
DD motor 從字面上理解是直接驅動馬達（direct drive）,但實際上它并非是普通的馬達，而是一種結構非常復雜，高精度，高性能的特殊型交流馬達。之所以稱之為直接驅動，因為它采取轉子和運動載體直接連接的方式，中間不再用其他的過渡連接（減速機構， 聯軸器等） 。
（圖4 DD 馬達機械構成）
DD 馬達結構為外轉子形式，與內轉子結構的普通馬達不同，特別是其采用的向心軸承可承受一定的軸向力。其編碼器為光電型編碼器高解析度，一般為 500,000ppr 以上，并帶有原點和限位輸出。由于高水準的制成工藝保證和高精度的測量反饋，此種馬達的定位精度可達秒級。（如DM1B系列的絕對精度為 15 arc-sec，重復定位精度為 1 arc-sec）。
圖 5橫河直線電機解剖圖
橫河直線電機的特點是動子、定子、導軌、基座整體提供（圖 5），在能夠滿足精度的前提下，可以按照客戶的要求進行各種平臺的組合（圖6），以實現高精度的運動控制。重復定位精度可以達到+/-0.1micro-meter。
圖 6 橫河高精密運動平臺
在激光晶圓切割機上，對運動控制平臺有非常的要求是對于切割臺面平面度的要求，小于10micro-meter。如果不理想的平面度會造成激光在平面的焦距不一致，這樣就會在有的區域切割過深，有的區域切割不完全。橫河DD 馬達的制作工藝（圖 7）決定了平臺的平面度能夠達到很高的指標。
圖 7 DD馬達平面度研磨
在出廠時做以下內容檢測（圖8），可以保證馬達的安裝面平面度，從而保證最終激光切割平臺的平面度，達到理想的切割效果。
圖 8 DD馬達負載安裝面平面度檢測
3 結論
近年來隨著半導體行業的發展，對于半導體加工設備、激光加工、切割設備國內需求量迅速增多，國內的一些大的半導體加工廠家引進了國外先進設備來滿足市場需求。而中國本土化的設備在技術、性能上相對國外產品有一定的差距，使得一些擁有先進技術裝備的國外專業半導體設備廠商瞄準這一商機，紛紛將設備打入中國市場甚至在中國投資建廠。但為了奪回這一市場，國內半導體設備生產商也在加大研發力度向高精度、高效率領域發展。羅升
企業以引進先進技術，提升制造業水平為使命，最早將直接驅動伺服平臺引進到國內半導體激光價格設備，并形成規模生產，國內廠商也在逐步應用此項技術。隨著國內經濟快速發展，越來越多的高新技術被應用到工業領域。羅升公司希望架起技術的橋梁，更多地將國外成熟的應用技術提供給行業中人分享
參考文獻
[1] 薛福連。 直接驅動交流伺服電機.。電機技術 2006年 1 期。
作者簡介:
趙琦, 男,1981-,漢族 天津羅升企業有限公司 伺服產品處
