一种碳化硅精密双面研磨机上定盘调心装置

技术领域

本发明涉及研磨、抛光机领域，具体涉及一种碳化硅精密双面研磨机上定盘调心装置。

背景技术

相对于传统的半导体而言，碳化硅作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子漂移速率高和热导率高等特点，这些特点十分符合高频高功率电子器件的需求，是传统半导体无法代替的。因此，碳化硅在电力电子器件中取代传统的半导体材料是未来发展的必然趋势，随着电子器件对可靠性、耐用性的提升，对碳化硅单晶衬底表面质量要求也愈发严格。碳化硅晶片的加工技术是器件制作的基础，将碳化硅单晶制作成符合需求的碳化硅晶片是其广泛应用于电子元器件的关键。

单晶碳化硅的莫氏硬度高达9.5，仅次于金刚石，且碳化硅单晶的压缩强度远高于其弯曲强度，材料整体表现出较大的硬脆性，这些因素导致碳化硅晶片加工难度极大。

碳化硅精密双面研磨机工作原理是通过上下两研磨盘绕中心作回转运动，利用研磨液对碳化硅晶片表面进行双面磨削加工。当进行碳化硅晶片研磨时，上定盘在气缸的作用下降下来与碳化硅晶片接触，通过对晶片表面施加压力，在研磨液的作用下对晶片表面进行研磨去除。在上定盘气缸增压过程中，如果设备上下定盘和晶片的贴合度不好，会对碳化硅晶片品质影响很大，导致晶片上下表面研磨不均匀，去除材料不一致等，从而导致产品的合格率低，并产生破片，碎片等现象。若采用上下定盘刚性连接，其加工成本很高，平面度和平行度无法保证，因此上定盘和气缸的连接必须采用一种自动调心系统，保证上下定盘柔性接触，达到两工作面吻合度，平行度精确控制的目的。

在传统的双面研磨机上，上定盘调心通常采用调心关节轴承+滚动轴承的形式，或直接采用调心滚子轴承的形式，但都存在一定的不足。

(1)采用调心关节轴承+滚动轴承的方式，关节轴承用于调心，滚动轴承用于旋转，当上定盘重量较大时，由于关节轴承的承载力有限，关节轴承会发生形变，关节轴承内外球面不再是面接触，而是线接触或点接触，这样会造成调心不灵活及缩短关节轴承的使用寿命。

(2)直接采用调心滚子轴承的形式，其承载能力得到大大提高，但由于其结构原因，其只能承受单向力，不能很好的满足研磨设备的使用需求，其次，由一个轴承同时实现旋转和调心两种功能，对研磨设备的运行精度，平稳性和轴承寿命都会由一定的影响。

(3)采用调心关节轴承，上定盘中间没有空间开孔，测量晶片厚度的传感器不好安装。

(4)采用调心关节轴承+滚动轴承的方式，由于结构采用串联方式，上定盘高度方向尺寸比较大，造成研磨设备整体高度偏高，造成运输和安装困难。

为了适应碳化硅精密双面研磨机的市场需求，本专利设计了一种碳化硅精密双面研磨机上定盘调心装置，满足市场对碳化硅晶片研磨的需求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种碳化硅精密双面研磨机上定盘调心装置，以解决上述至少一种技术问题。

本发明的技术方案是：一种碳化硅精密双面研磨机上定盘调心装置，包括上定盘，其特征在于，所述上定盘通过连接轴套连接一上定盘升降气缸，所述上定盘升降气缸通过支撑结构固定在精密双面研磨机的床身上；

所述上定盘还连接一调心机构，所述调心机构呈圆柱体状结构，且所述调心机构安装在上吊板的下侧，所述调心机构的中央设有一心轴，所述心轴与所述连接轴套连接，所述调心机构的调心外环与所述上吊板通过螺钉连接，所述调心外环和调心机构的调心中环通过圆周对称分布的两个调心外环销轴连接，调心外环销轴的一端固定在调心外环上，调心外环销轴的另一端插入调心中环滚柱轴承的内孔中，轴向通过销轴台阶与调心外环轴承的内圈固定，调心外环与调心中环之间有间隙；

所述调心中环和所述调心机构的调心内环通过圆周对称分布的两个调心中环销轴连接，并且这两个调心中环销轴的轴线与调心外环销轴的轴线相互垂直，并在一个平面内，调心中环销轴的一端固定在调心中环上，调心中环销轴的另一端插入调心内环滚柱轴承的内孔中，轴向通过销轴台阶与调心中环轴承的内圈固定，调心中环与调心内环之间有间隙；

位于调心外环处的心轴和位于调心内环处的心轴共同组成十字铰链机构。

调心外环与调心中环之间有间隙，调心中环与调心内环之间有间隙，使他们之间沿着销轴轴线可以圆周摆动。采用十字铰接机构，既可以承受轴向载荷，又可以承受径向载荷，保证上定盘的调心能力和受力均匀。可以使上定盘承受径向载荷和轴向载荷，并能够柔性调节上定盘盘面与晶体加工面的不平现象，避免盘面冲击对晶片造成损伤。

进一步优选，所述调心外环销轴和所述调心中环销轴上均开有润滑孔，通过调心机构上的润滑油嘴对里面的轴承进行润滑。

进一步优选，所述上吊板与上定盘安装板通过圆周均布的4个上定盘连接柱连接，所述上定盘通过螺钉固定在所述上定盘安装板上，每个连接柱都设有调整圆螺母，且每个连接柱上都安装有配重块。

配合调心机构对下定盘整体机构进行调平，可以实现上定盘盘面与晶片加工面的平稳接触，防止接触冲击对晶片造成损坏。

进一步优选，所述心轴上安装有测厚传感器，所述测厚传感器通过测厚传感器安装块安装在心轴上。测厚传感器用于实时检测研磨的晶片的厚度，便于对研磨过程进行更好地检测和控制。

进一步优选，所述连接轴套的中间位置开有通孔。便于中间安装的测厚传感器的电线引出。

进一步优选，所述连接轴套的螺纹连接处通过紧定螺钉固定。为了防止连接螺纹松脱。

进一步优选，所述上定盘安装板上安装有圆周均布的3个上定盘驱动连接块。用于驱动上定盘做圆周运动。

进一步优选，所述调心外环销轴和所述调心中环销轴都分别固定在调心外环的安装孔和调心中环的安装孔中，而调心外环轴承和调心中环轴承也都分别安装在调心中环的安装孔和调心内环的安装孔中。提高了整体结构的紧凑性。

进一步优选，所述调心内环和心轴通过两个面对面安装的圆锥滚子轴承连接，心轴是固定不动的，而调心内环随着上定盘做旋转运动。而当气缸做升降运动时，心轴带动调心内环和上定盘机构一起做升降运动。

进一步优选，所述心轴与所述调心内环通过骨架油封密封；所述调心外环与所述调心内环之间通过压盖和V型密封圈密封；所述调心外环销轴与调心外环通过O型圈密封。为了避免研磨液进入调心机构腐蚀调心轴承，对调心机构进行密封。

进一步优选，所述调心机构的上部安装有挡液板。将大部分研磨液阻挡在调心机构的心轴外面，避免研磨液进入调心机构腐蚀调心轴承。

有益效果：

(1)为了降低上定盘的整体高度，升降气缸与下定盘机构采用连接轴套直接连接，同时将原来串联的十字铰链结构和支撑轴承结构改为并联结构，并将整个调心结构放到上吊板下面，减小了上定盘机构整体高度。

(2)通过调心内环，调心中环，调心内环以及调心心轴共同组成十字铰链结构，使调心机构既能承受轴向力，又能承受径向力，同时可以对盘面与晶面的接触面进行柔性调节。

(3)调心机构的中间是中空的，可以有空间安装测厚传感器，便于对研磨晶片的厚度进行实时监测。

(4)调心机构为了防止研磨液对内部轴承的锈蚀，需要在各个连接位置设置合适的密封装置，提高调心机构的使用寿命。

(5)上定盘连接柱安装有配重块，根据上定盘组装后重心偏移情况，通过配重块对重心进行微调，提高上定盘研磨的平稳性。

附图说明

图1是本发明精密双面研磨机上定盘示意图；

图2是本发明精密双面研磨机调心结构示意图；

图3是本发明精密双面研磨机调心结构横截面示意图。

图中：1.上定盘升降气缸 2.气缸安装板 3.连接轴套 4.配重块 5.上吊板 6.上定盘连接柱 7.上定盘安装板 8.上定盘驱动连接块 9.上定盘 10.挡液板 11.调心外环12.调心中环 13.调心内环 14.圆螺母 15.骨架油封 16.V型密封圈 17.圆锥滚子轴承18.盖板 19.心轴 22.测厚传感器安装块 23.测厚传感器 24.轴承盖板 25调心内环滚柱轴承 26.调心中环销轴 27.润滑油嘴 28.调心外环销轴 29.调心中环滚柱轴承 30.O型圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

参照图1-图3所示，一种碳化硅精密双面研磨机上定盘调心装置，包括上定盘9，上定盘通过连接轴套3连接一上定盘升降气缸1，上定盘升降气缸的下端部设有气缸安装板2，上定盘升降气缸通过支撑结构固定在精密双面研磨机的床身上；上定盘还连接一调心机构，调心机构呈圆柱体状结构，且调心机构安装在上吊板5的下侧，调心机构的中央设有一心轴19，心轴与连接轴套连接，调心机构的调心外环11与上吊板通过螺钉连接，调心外环和调心机构的调心中环12通过圆周对称分布的两个调心外环销轴28连接，调心外环销轴的一端固定在调心外环上，调心外环销轴的另一端插入调心中环滚柱轴承29的内孔中，轴向通过销轴台阶与调心外环轴承的内圈固定，调心外环与调心中环之间有间隙；调心中环和调心机构的调心内环13通过圆周对称分布的两个调心中环销轴26连接，并且这两个调心中环销轴的轴线与调心外环销轴的轴线相互垂直，并在一个平面内，调心中环销轴的一端固定在调心中环上，调心中环销轴的另一端插入调心内环滚柱轴承25的内孔中，轴向通过销轴台阶与调心中环轴承的内圈固定，调心中环与调心内环之间有间隙；位于调心外环处的心轴和位于调心内环处的心轴共同组成十字铰链机构。

调心外环与调心中环之间有间隙，调心中环与调心内环之间有间隙，使他们之间沿着销轴轴线可以圆周摆动。采用十字铰接机构，既可以承受轴向载荷，又可以承受径向载荷，保证上定盘的调心能力和受力均匀。可以使上定盘承受径向载荷和轴向载荷，并能够柔性调节上定盘盘面与晶体加工面的不平现象，避免盘面冲击对晶片造成损伤。

进一步优选，调心外环销轴和调心中环销轴上均开有润滑孔，通过调心机构上的润滑油嘴27对里面的轴承进行润滑。

进一步优选，上吊板与上定盘安装板通过圆周均布的4个上定盘连接柱6连接，上定盘通过螺钉固定在上定盘安装板7上，每个连接柱都设有调整圆螺母14，且每个连接柱上都安装有配重块4。配合调心机构对下定盘整体机构进行调平，可以实现上定盘盘面与晶片加工面的平稳接触，防止接触冲击对晶片造成损坏。

进一步优选，心轴上安装有测厚传感器23，测厚传感器通过测厚传感器安装块22安装在心轴上。测厚传感器用于实时检测研磨的晶片的厚度，便于对研磨过程进行更好地检测和控制。

进一步优选，连接轴套的中间位置开有通孔。便于中间安装的测厚传感器的电线引出。

进一步优选，连接轴套的螺纹连接处通过紧定螺钉固定。为了防止连接螺纹松脱。

进一步优选，上定盘安装板上安装有圆周均布的3个上定盘驱动连接块8。用于驱动上定盘做圆周运动。

进一步优选，调心外环销轴和调心中环销轴都分别固定在调心外环的安装孔和调心中环的安装孔中，而调心外环轴承和调心中环轴承也都分别安装在调心中环的安装孔和调心内环的安装孔中。提高了整体结构的紧凑性。

进一步优选，调心内环和心轴通过两个面对面安装的圆锥滚子轴承17连接，心轴是固定不动的，而调心内环随着上定盘做旋转运动。而当气缸做升降运动时，心轴带动调心内环和上定盘机构一起做升降运动。

进一步优选，心轴与调心内环通过骨架油封15密封；调心外环与调心内环之间通过压盖和V型密封圈16密封；调心外环销轴与调心外环通过O型圈30密封。为了避免研磨液进入调心机构腐蚀调心轴承，对调心机构进行密封。

进一步优选，调心机构的上部安装有挡液板10。将大部分研磨液阻挡在调心机构的心轴外面，避免研磨液进入调心机构腐蚀调心轴承。

进一步优选，调心机构的下端部设有轴承盖板24，轴承盖板覆盖在调心内环的底部，且围绕心轴排布，轴承盖板的外侧围绕设有盖板18。进一步提高了整体的密封效果。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。