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电子工业专用设备 2024年第1期53卷 10-14页

作者：郑嘉瑞深圳市联得自动化装备股份有限公司广东深圳518109

针对共晶固晶机进行研究分析,提出了以直线式焊头机构为核心的固晶机构设计,重点分析了主要机构以及时序分析;通过实际结果验证了机构设计的有效性,实现了直线式共晶固晶机的设计要求。

关键词：半导体共晶固晶机芯片

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固晶机吸晶过程的数值模拟与优化

固晶机吸晶过程的数值模拟与优化

作者：黄传秋哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在半导体封装产业中,固晶机的吸晶装置起到非常重要的作用,如何实现吸晶工艺稳定、高质量保证和高效率协同是一个重要课题。目前国外对吸晶工艺涉及的大量参数和精密机构的设计问题已有较为深入的研究,并且已经在参数敏感度和重要性的... 详细信息

在半导体封装产业中,固晶机的吸晶装置起到非常重要的作用,如何实现吸晶工艺稳定、高质量保证和高效率协同是一个重要课题。目前国外对吸晶工艺涉及的大量参数和精密机构的设计问题已有较为深入的研究,并且已经在参数敏感度和重要性的排列方面有了共识。基于我国起步较晚,关键技术掌握不足,缺乏工艺的数据积累,加上国外技术封锁,有必要对吸晶工艺参数范围设定进行深入研究。本文将对吸晶工艺展开研究,分析影响封装质量的关键参数,从而合理优化参数匹配,为以后的质量和效率影响规律分析奠定基础。本文针对固晶机吸晶过程的顶取机构,利用有限元分析方法,对该机构进行动态和静态分析;通过田口方法设立正交试验组分析参数间的相互影响;通过加速度试验建立晶圆吸取与顶取系统的数学模型,并探讨晶圆被顶取时,工艺参数对晶圆的动态效应;设立优化目标函数,对顶出结构的运动特性进行分析;通过遗传算法选取约束条件下的顶针速度最优值,进而对重要参数的进行合理匹配。本文通对晶片吸取过程的研究,确定了喷射速度、顶针高度、真空压力和吸嘴压力等重要的参数因素,指出了其对合理设定工艺参数、提高质量和合格率的重要作用;利用固连失效接触碰撞模型,再现顶针与胶带碰撞和胶带与晶片剥离过程;通过加速度试验建立了晶圆吸取与顶取的数学模型,并得出顶出结构的运动特性,利用模拟速度量测推断其对晶圆破损影响的强弱,进而针对不同的边界条件得出加速速度与接触力之间的关系;在合理选取约束条件下,经由遗传算法得出顶针速度的最优值,实现关键工艺参数的最优匹配,使得粘接工艺的可靠性得到增强、晶片破损率降低,生产率得到提高。除此之外,通过该方法可以改善其他的模型条件,针对不同的顶取机构做相应的模拟优化,为进一步研究封装过程多因素影响规律、动态建模和实时监控建立可靠的顶取原则。

关键词：固晶机晶片吸晶过程数值模拟遗传算法

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固晶机摆臂的动力学建模与运动控制系统设计

固晶机摆臂的动力学建模与运动控制系统设计

作者：杨永雄广东工业大学

学位级别：硕士

LED固晶机是LED生产过程中封装环节的关键设备之一,正朝着高速高精度的方向发展。随着固晶机生产节拍的加快,固晶机摆臂末端的振动问题也愈发严重,这对摆臂末端的定位精度产生了严重影响。因而,深入研究固晶机摆臂的动力学模型和驱动系... 详细信息

LED固晶机是LED生产过程中封装环节的关键设备之一,正朝着高速高精度的方向发展。随着固晶机生产节拍的加快,固晶机摆臂末端的振动问题也愈发严重,这对摆臂末端的定位精度产生了严重影响。因而,深入研究固晶机摆臂的动力学模型和驱动系统的性能十分必要,以进一步开发摆臂的优化控制算法,减小或抑制摆臂高速运动时的末端振动。针对固晶机摆臂运动的末端振动问题,本文开展了摆臂动力学建模、摆臂系统机电联合仿真以及摆臂运动控制系统设计的研究,具有重要的应用价值。本文主要完成了以下工作:（1）建立了摆臂的动力学模型。根据固晶机摆臂的结构,采用牛顿欧-拉法对摆臂进行动力学建模,借助Sym Pybotics工具包求解摆臂的关节力矩表达式,并使用matlab机器人工具箱验证所得力矩表达式的正确性。（2）建立了摆臂机械系统的多刚体模型和刚柔耦合模型。首先根据固晶机摆臂的工程图和装配图,利用Solidworks三维造型软件建立摆臂机构的三维模型,然后再将该三维模型导入ADAMS中,按实际的结构添加约束后,得到摆臂多刚体动力学模型。为考虑摆臂的柔性,利用ANSYS软件把摆臂柔性化后,再采用三点定位法替换原来的刚性摆臂,得到摆臂刚柔耦合动力学模型。（3）开展了摆臂运动控制系统的机电联合仿真。建立摆臂伺服驱动系统数学模型,并在simulink环境下,结合从ADAMS导出的摆臂控制框图,组成多刚体和刚柔耦合机电联合仿真模型;分别利用T型和S型速度曲线,设计了联合仿真模型的输入曲线并进行仿真,比较这两种输入曲线对摆臂末端振动的影响;将摆臂关节力矩表达式作为摆臂系统机电联合仿真平台的前馈输入并进行仿真,探究力矩前馈对摆臂末端振动的影响。（4）设计了摆臂运动控制系统。根据摆臂运动控制系统的性能指标要求,利用机电联合仿真得到的控制参数,分别从关键硬件选型和上位机软件设计两个方面设计出摆臂运动控制系统,并将其应用到工程样机上。通过对摆臂系统的建模仿真,导出固晶机摆臂系统的运动学和动力学参数,并给出基于力矩前馈的摆臂运动控制系统控制算法,最终固晶机的产量超过1万件每小时,XY定位精度达到±50μm。

关键词： LED 固晶机摆臂动力学建模运动控制

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固晶机数字伺服及监控系统设计

固晶机数字伺服及监控系统设计

作者：曹亚美成都理工大学

学位级别：硕士

我国半导体产业正在飞速发展,而封装技术则是影响半导体产业发展的非常重要的一个环节。半导体的封装技术的优劣是至关重要的竞争因素,与市场上大部分的半导体机械设备相比较,固晶机的固晶精度、速度、稳定性等有着明显的优势。伺服系... 详细信息

我国半导体产业正在飞速发展,而封装技术则是影响半导体产业发展的非常重要的一个环节。半导体的封装技术的优劣是至关重要的竞争因素,与市场上大部分的半导体机械设备相比较,固晶机的固晶精度、速度、稳定性等有着明显的优势。伺服系统在机电设备中的地位相当高,而高性能的伺服系统又能够提供灵活、方便、精确和快速的运动控制作用。因此,研制高精高速的伺服系统可以提高国内固晶行业水平。本文首先分析了固晶机对伺服系统的功能要求,依据其功能要求对伺服系统的相关硬件及软件系统进行设计。硬件设计,由伺服系统总体结构可知运动控制模块是固晶伺服系统的主要模块,在此基础上提出伺服系统的硬件总体设计方案。设计时选用TMS320F2812为核心芯片,再依据硬件总体设计方案对伺服运动控制系统的各个部分进行具体的设计,主要包括DSP主模块、电机控制模块、PCI通信模块等。软件设计,根据固晶机对伺服系统的功能要求提出软件总体设计方案,包括DSP侧和PC侧两块的软件设计工作。DSP侧的软件设计主要包括系统驱动程序、DSP主控程序等;PC侧主要有硬件层、功能接口层及用户层等。其中硬件层实现的是处理与DSP的数据交互功能;用户层是一些接口函数,供二次开发使用;用户层是人机界面层主要完成人机界面监控和一些参数修改等功能。依据软件总体设计思路对各个模块进行软件流程或代码编写工作,进而实现梯形加减速、S形加减速、传感器搜索及位置速度检测等功能要求。人机界面的设计主要是为了实现固晶电机监控以及参数修改等功能要求。在完成软硬件的设计工作之后,整合软件和硬件部分,联合测试系统的工作性能。通过联合测试之后,可验证其平滑的运动及高精度的位置控制,此外还具有捕获原位的功能等。同时伺服系统的定位精度、最高转速、最低转速、调速范围、调速静态特性即工作稳定性都能够满足固晶设备的要求。本课题的研究使固晶机数字伺服系统在控制性能和控制精度方面有了提升,也可以显示其在固晶电机运动控制方面的优越性。同时由测试和仿真得到的结论也反映了伺服运动控制方案的可行性和稳定性。

关键词：固晶机伺服系统 PCI总线上位机监控

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固晶机焊头机构的开发与研究

固晶机焊头机构的开发与研究

作者：马俊强广东工业大学

学位级别：硕士

本文根据LED固晶机封装工序中的取放芯片工艺的要求,设计研究了LED固晶机关键部件：焊头机构、顶针机构、晶圆传送机构,并结合虚拟样机技术和有限元分析对设计机构动态仿真分析,重点对焊头机构的仿真结果进行对比与评价。其中的设计方... 详细信息

本文根据LED固晶机封装工序中的取放芯片工艺的要求,设计研究了LED固晶机关键部件：焊头机构、顶针机构、晶圆传送机构,并结合虚拟样机技术和有限元分析对设计机构动态仿真分析,重点对焊头机构的仿真结果进行对比与评价。其中的设计方案具有一定的理论意义和实际应用价值。本论文主要完成以下几方面的工作：(1)固晶机焊头机构的结构设计焊头机构采用并联机构运动方式(θ方向摆动和Z方向运动),采用皮带传动的曲柄摇杆机构配合偏心轴来完成从取晶位到固晶位的运动。利用曲柄摇杆机构的传动死点位置取晶和固晶,可以提高焊头机构的末端分辨率,精度高;利用皮带传动,可以消减电机振动对曲柄摇杆的影响;利用偏心轴拖动曲柄滑块机构完成Z方向的运动,采用轴承与曲柄的刚性连接可以提高Z运动的响应速度,避免传统的弹簧复位产生的延迟和振动。(2)顶针机构、晶圆传送机构的结构设计顶针机构采用小偏心距的偏心轮机构配合一对轴承刚性连接顶针的连接件,提高顶针机构的响应速度,并由电机直接驱动,通过手旋螺钉可以调节顶针位于芯片的正下方位置。结构简单实用,能实现高速高精度的完成短距离刺晶动作。晶圆传送机构采用串联的XY工作台拖动悬臂支架,悬臂支架上固定多晶圆环,可以减少更换晶圆环的时间、增加芯片固晶的多样性;皮带带动多晶圆环的转动、通过定位气缸完成精密定位,使得更高效、精确的完成芯片逐颗被吸取。(3)焊头机构曲柄摇杆尺寸的优化计算焊头机构采用曲柄摇杆机构,其性能是影响固晶质量的关键。传动角的大小作为衡量曲柄摇杆机构传力性能的重要指标。传动角小,容易造成末端振动,本章通过摇杆摆角为90。和平均传动角最大两个条件作为设计目标,将曲柄摇杆机构的各个杆长作为设计变量来进行计算并优化,实验结果表明,当平均传动角为73.9975。时,可以达到最佳的传动效果,此时11=0.606213,12=0.994513,13=13,14=0.920513,其中11,12,13,14分别表示曲柄,连杆,摇杆和支架杆的长度。(4)利用ANSYS柔性体文件和机械系统动力学分析软件ADAMS对固晶机焊头机构进行运动仿真,对焊头机构构建真实的运动环境,得出曲柄摇杆机构的对比分析,以及焊头机构瓷嘴在取晶位和固晶位时的接触力和振动位移对比。实验结果表明,两种结构的接触力均在75gf-85gf范围内,满足要求;优化前θ方向振动位移为1.07um,平衡时间需12.8ms,优化后θ方向振动位移为0.43um,平衡时间需4.96ms,传动效果明显优于优化前。本文应用三维设计软件SolidWorks对样机进行了设计和虚拟装配,并对焊头机构的曲柄摇杆机构做优化计算,用ADAMS对焊头进行仿真对比评价,最终结论表示,基于平均传动角最大设计的焊头机构明显性能比较好。

关键词： LED 固晶机动力学仿真 ADAMS SolidWorks

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自动LED固晶机造型研究与设计

自动LED固晶机造型研究与设计

作者：周龙昆明理工大学

学位级别：硕士

自动LED固晶机是在LED生产的封装过程中,由既定的程序控制,自动完成点胶和固晶工作的生产设备,属于我国装备制造业中的工业机器人产品。2010年以来我国LED产业飞速发展,装备制造业企业也纷纷参与到了自动LED固晶机的市场竞争中。随着同... 详细信息

自动LED固晶机是在LED生产的封装过程中,由既定的程序控制,自动完成点胶和固晶工作的生产设备,属于我国装备制造业中的工业机器人产品。2010年以来我国LED产业飞速发展,装备制造业企业也纷纷参与到了自动LED固晶机的市场竞争中。随着同类产品越来越多,自动LED固晶机市场出现同质化严重的问题,怎样让自己的产品造型具有差异化竞争的优势是在这种激烈的竞争中突围而出的必由之路。本文的研究内容来自作者在设计公司实习期间的实际项目,受甲方委托,通过工业设计的手段提高现有自动LED固晶机产品的外观审美属性;使产品更符合人机工程学原理;并在产品中统一企业的视觉形象、形成品牌作用产生积极的作用。结合工业设计美学理论、人性化设计理论、品牌战略理论,围绕设计对象——自动LED固晶机进行研究。通过文献调查、咨询访问、实地考察、用户调研和分析归纳法,确定在现有生产条件、成本条件和市场背景下的设计定位,制定出适合企业的设计方向。通过对材料、加工工艺、表面工艺和行业规范的研究,进行概念草图绘制、方案评估和计算机辅助三维建模。最终对三个优选出的外观设计概念进行深入的设计。为企业提供了产品外观的解决方案。

关键词：固晶机造型设计人性化设计品牌战略

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全自动高速固晶机中视觉定位系统设计

机械设计与制造 2008年第6期 57-59页

作者：吴小锋刘学平邹松青清华大学深圳研究生院制造技术与系统研究所深圳518055

对半导体封装中的重要设备全自动高速固晶机的视觉定位系统进行了研究,并对视觉定位系统分别进行了硬件和软件设计,所设计的硬件系统主要由图像采集及预处理子系统、光学成像子系统、电机控制子系统构成。软件系统采用了面向对象的模块... 详细信息

对半导体封装中的重要设备全自动高速固晶机的视觉定位系统进行了研究,并对视觉定位系统分别进行了硬件和软件设计,所设计的硬件系统主要由图像采集及预处理子系统、光学成像子系统、电机控制子系统构成。软件系统采用了面向对象的模块化设计方法进行了设计。并对模板学习、定位策略、像素-脉冲换算等内容分别进行了研究。实验结果表明该系统结构合理,满足设计要求,一个图像采集处理节拍控制在了50ms以内。

关键词：固晶机视觉定位半导体封装设备

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面向固晶机的音圈电机优化设计与控制仿真

面向固晶机的音圈电机优化设计与控制仿真

作者：曹水亮广东工业大学

学位级别：硕士

由于我国半导体产业正在飞速发展,而半导体封装是影响半导体产业发展的非常重要的一个环节,半导体的封装技术的优劣是至关重要的竞争因素,而固晶机主要用于半导体封装,它是生产LED（Lighting Emitting Diode）所需的关键设备之一。焊头... 详细信息

由于我国半导体产业正在飞速发展,而半导体封装是影响半导体产业发展的非常重要的一个环节,半导体的封装技术的优劣是至关重要的竞争因素,而固晶机主要用于半导体封装,它是生产LED（Lighting Emitting Diode）所需的关键设备之一。焊头机构作为固晶机的核心机构,其主要工作是驱动摆臂来回旋转180°、竖直方向移动5mm的位移来精确地吸取芯片和固定芯片。而现有的采用伺服电机带动凸轮机构和四连杆机构的传统方式,有着精度要求有限,并且速度难于继续提升的缺陷。另外,目前国内相关学者所研究的采用音圈电机加直流电机来直接带动摆臂和吸嘴的方式,存在着刚度不足、惯性大的问题,从而影响固晶机的性能。本文通过设计出一款应用于固晶机焊头机构的音圈电机,其具有惯性小、高加速、冲击小等特点,从而可以提升固晶机焊头机构的工作效率。同时,此设计方法也能够为音圈电机的设计制造提供理论指导。首先,本文对封装半导体固晶机Z轴上下运动方向上现有的以旋转伺服带动皮带凸轮系统所存在的不足进行分析,同时对音圈电机的基本工作原理、应用场合、以及在国内外的研究理论以及方法的发展状况进行了解。并且根据本文的实际问题,提出了以音圈电机直接带动固晶机焊头机构的Z轴进行上下运动的方案,以及音圈电机的结构设计过程。其次,采用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics4.2的建模方法对所提出的音圈电机结构建立有限元模型,进行仿真并验证所设计音圈电机的合理性。再次,应用迭代搜索优化方法,分析研究在一定的容积下以最大化输出力与运动部件总质量比为目标优化音圈电机结构尺寸。最后,应用ADAMS机械动力学软件里的控制模块功能,对音圈电机进行位力切换控制仿真分析,并优化其PID控制参数,从而为音圈电机能够更好地调试控制提供理论指导。通过对应用于固晶机焊头机构的音圈电机进行分析设计研究,仿真结果数据表明本文中所提出的建模理论的有效性和实用性。

关键词：固晶机音圈电机有限元优化设计控制优化

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LED自动固晶机视觉系统研究

LED自动固晶机视觉系统研究

作者：李佳丽西华大学

学位级别：硕士

随着LED的应用不断拓展到新的市场领域,人们开始投入更多的精力改良现有的设备以及研发新的设备。LED自动固晶机是实现LED封装阶段中固晶环节所用的设备,固晶机通过焊头吸取芯片然后将芯片转移到LED支架的焊盘处。固晶机的视觉系统决定... 详细信息

随着LED的应用不断拓展到新的市场领域,人们开始投入更多的精力改良现有的设备以及研发新的设备。LED自动固晶机是实现LED封装阶段中固晶环节所用的设备,固晶机通过焊头吸取芯片然后将芯片转移到LED支架的焊盘处。固晶机的视觉系统决定了设备的取固晶速度及精度,主要完成LED芯片的识别定位以及芯片缺陷检测功能。本文围绕LED自动固晶机的视觉系统进行深入研究,搭建了系统硬件平台,构建了LED固晶机芯片模板自动选取系统;并根据LED芯片的特性,研究了两种芯片识别定位算法,并设计本文的芯片识别定位算法流程;最后构建不同的判断准则实现各种芯片缺陷类型的检测。论文研究内容主要包括:（1）选定了固晶机视觉系统的重要组件,并且搭建了固晶机视觉系统硬件实验平台。分析了固晶机视觉系统的软件需求,设计了LED芯片识别定位与缺陷检测流程。（2）构建了LED固晶机芯片模板自动选取系统,该系统可以自动获取合格芯片模板并且能够获得准确的LED芯片特征参数,如芯片的间距、长宽、面积等。固晶机芯片模板自动选取系统首先使用投影定位算法对采集的多幅芯片图像进行投影,选择投影标准差Q值最小的芯片图像为最佳芯片图像,对最佳芯片图像进行处理得到芯片模板,其具体方法为对图像进行阈值分割并求连通面积,然后排除最大及最小面积,选择与平均面积最接近的芯片作为芯片模板。然后基于Freeman链码进行芯片轮廓跟踪,确定模板芯片四个角点及边界,根据角点坐标得到芯片模板的长宽以及芯片间距。最后对芯片模板进行反色变化并求连通面积,获取芯片上的图案特征。（3）研究了两种LED芯片识别定位算法,一种是基于区域特征的芯片识别定位算法,一种是基于灰度信息的芯片识别定位算法。基于区域特征的芯片识别定位根据芯片的灰度特征,进行阈值分割,通过芯片面积以及芯片上每个小点的连通面积与芯片模板特征参数进行对比,实现合格芯片的识别;并通过Freeman链码轮廓跟踪,完成芯片定位。基于灰度信息的芯片识别定位使用归一化互相关算法对芯片图像进行匹配,然后对每个芯片所有匹配框的相似度量值进行从大到小排序,选出相似度量值最大的匹配框即为芯片最佳匹配框,完成合格芯片识别与定位。并通过实验,最终选用对光照变化鲁棒性好并且芯片识别率高的基于灰度信息的识别方法,设计了本文芯片定位流程。最后构建了不同的判断准则对五种芯片缺陷类型进行检测。

关键词：固晶机视觉系统自动选模模板匹配缺陷检测

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面向固晶机应用的固晶臂传动机构优化设计

面向固晶机应用的固晶臂传动机构优化设计

作者：邓雷哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

固晶机是半导体封装的关键设备之一。固晶周期是衡量一台固晶机性能的指标。在一个固晶周期里,固晶臂的摆动时间和停留时间占去了大部分。缩短固晶臂的摆动时间和停留时间成为了大幅缩短固晶周期的唯一途径。但是,当提高马达转速,缩短... 详细信息

固晶机是半导体封装的关键设备之一。固晶周期是衡量一台固晶机性能的指标。在一个固晶周期里,固晶臂的摆动时间和停留时间占去了大部分。缩短固晶臂的摆动时间和停留时间成为了大幅缩短固晶周期的唯一途径。但是,当提高马达转速,缩短固晶臂的摆动时间和停留时间同时,就会加剧固晶臂的振动,使固晶机不能正常工作。由于曲柄摇杆机构具有输出轴在两极限位置处角速度为零的优点,所以现阶段固晶机的固晶臂一般都是采用曲柄摇杆机构传动。本文的主要工作内容就是优化固晶臂的传动机构—曲柄摇杆机构,减小振动从而缩短固晶臂的摆动时间和停留时间。本文主要从优化平均传动角和优化动力学平衡两方面深入展开。传动角是衡量曲柄摇杆机构传力性能的重要指标。传动角小,容易造成末端振动。另外,如果传动中的传动角太小,机构将变得对加工误差很敏感。本文打破了以最小传动角为优化目标的常规,首次提出了平均传动角的概念,以平均传动角最大为优化目标,以最小传动角不小于40度为约束条件,以曲柄摇杆机构的四根杆杆长为设计变量进行优化。优化后,再运用配重法和附加机构法,推导了平衡曲柄摇杆机构的惯性力和惯性力矩的条件。接下来,本文利用前面两个部分的优化结果,设计出一套曲柄摇杆机构并交付加工。最后,利用激光测振仪,测量优化后固晶臂的摆动停留时间,与公司原有的摆动停留时间进行对比,发现优化后固晶周期缩短了近20ms,验证了本方法的可靠性、实用性。本文通过优化设计固晶臂的驱动机构—曲柄摇杆机构,缩短了固晶周期,突破了固晶机性能提高的瓶颈,提高了公司固晶机设备的市场竞争力。

关键词：固晶机曲柄摇杆机构传动角惯性力平衡惯性力矩平衡