線性電機(jī)在高速粘片機(jī)芯片拾放機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用

1 引言    隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)效率逐步提高，設(shè)備生產(chǎn)速度也越來越高。目前，國際最高水平的粘片機(jī)粘片速度可達(dá)4只／s以上，UPH值達(dá)到15 000片／h，粘片精度小于38 μm。我們通過該項(xiàng)目的研制，可以為半導(dǎo)體后封裝各種器件的芯片鍵合提供實(shí)用設(shè)備，逐步實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化。高速自動(dòng)粘片機(jī)適用于多種封裝形式(如T092、SOT等)，IrDA、QFN、印制電路板、陶瓷、LED、成型引線框架、高密度點(diǎn)陣引線框架等等。 2 高速粘片機(jī)芯片拾放機(jī)構(gòu) 高速粘片機(jī)主要由上料機(jī)構(gòu)、傳輸機(jī)構(gòu)、點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)、芯片臺(tái)、芯片拾放機(jī)構(gòu)、頂針機(jī)構(gòu)、收料機(jī)構(gòu)、圖像識(shí)別系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等主要部分組成。其中芯片拾放機(jī)構(gòu)是該機(jī)的核心部件，主要功能是將芯片臺(tái)上經(jīng)圖像處理后的完好芯片柔性吸附、提升、高速運(yùn)行到框架點(diǎn)漿位置上、通過柔性擠壓與框架粘結(jié)牢固。要求在芯片的拾放過程中要實(shí)現(xiàn)對芯片的"柔性"拾放，以防止對芯片的損傷。 高速粘片機(jī)芯片拾放機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)： Ymax向行程：80 mm Z向行程：15 mm 粘片速度：4只／s(包括圖像識(shí)別) 粘片精度：?38 μm@3σ 工藝要求："柔性"拾放片 根據(jù)功能和技術(shù)參數(shù)要求，拾放機(jī)構(gòu)可采取以下幾種常見結(jié)構(gòu)(見圖1～圖3)。  

  圖1結(jié)構(gòu)：y向和z向主要由兩個(gè)線性電動(dòng)機(jī)組成芯片拾放機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是加速度高、速度高，精度很高，壽命長，但成本也高。適于高端設(shè)備的選用。 圖2結(jié)構(gòu)：y向和z向主要由交流伺服電動(dòng)機(jī)和絲杠組成芯片拾放機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是速度高、精度高、成本低但運(yùn)行噪音大，摩擦損害大，壽命較短。適于中低端低速設(shè)備。 圖3結(jié)構(gòu)：y向和z向組成90?擺臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)簡便輕巧，速度高、精度高，適合于LED等器件的粘片設(shè)備。 3 高速粘片機(jī)芯片拾放機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù) 高速粘片機(jī)是集機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)、光學(xué)、軟件等為一體的高智能高效率設(shè)備，必須要解決以下2個(gè)關(guān)鍵問題： （1)高速運(yùn)動(dòng)的焊臂運(yùn)動(dòng)控制 要達(dá)到4次／s的粘片速度，首先要解決焊臂高速運(yùn)動(dòng)的控制問題，從機(jī)構(gòu)的剛性、質(zhì)量、定位、加減速度和壓力控制等多方面重點(diǎn)研究，使之既能高速準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，又能柔性拾取、粘壓芯片，不對芯片造成撞擊。 (2)芯片柔性拾放技術(shù) 由于晶圓上的每一塊小芯片(DIE)在拾取時(shí)先要采用一種頂針機(jī)構(gòu)將芯片高速頂起，同時(shí)吸頭也要高速接近、柔性接觸，這樣才能保證芯片在拾取時(shí)不至于破損，即所謂柔性接觸。這當(dāng)然要使用：芯片柔性拾放技術(shù)，對執(zhí)行組件進(jìn)行力量大小、速度大小的控制，也就是對電機(jī)的速度和力矩的動(dòng)態(tài)切換及其控制。在粘接時(shí)，附帶有芯片的吸頭也要進(jìn)行高速接近框架柔性粘接，這樣才能保證芯片安全地粘接在框架上。在芯片拾放的過程中，快速與柔性是一對矛盾，因此需要采取特殊的技術(shù)措施，才能保證芯片安全快速地拾取與粘接。為此，在芯片拾放機(jī)構(gòu)中首先選用線性電動(dòng)機(jī)。線性電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是快速性好，推力大小可編程，也就是說取片壓力和粘片壓力可以根據(jù)芯片、粘接膠、材料等情況設(shè)定，實(shí)現(xiàn)芯片的高速柔性拾放。 4 線性電機(jī)的特性 線性電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相比，主要特點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)簡單，由于直線電動(dòng)機(jī)不需要把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線返動(dòng)的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡化，重量和體積大大地下降；二是定位精度高，在需要直線運(yùn)動(dòng)的地方，直線電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)直接傳動(dòng)，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微機(jī)控制，還可以大大地提高整個(gè)系統(tǒng)的定位精度；二是反應(yīng)速度快、靈敏度高，隨動(dòng)性好。線性電動(dòng)機(jī)容易做到其動(dòng)子用磁懸浮支撐，因而使得動(dòng)子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定、動(dòng)子間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度、快速性和隨動(dòng)性；四是工作安全可靠、壽命長。線性電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無接觸傳遞力，機(jī)械摩擦損耗幾乎為零，所以故障少，免維修，因而工作安全可靠、壽命長，但價(jià)格比較昂貴。 線性電動(dòng)機(jī)它在以下領(lǐng)域仍具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢：其一，適用于高速、超高速、高加(減)速度，生產(chǎn)批量大、要求定位運(yùn)動(dòng)多、速度和方向頻繁變化的場合，其二，也可適用于要求高動(dòng)態(tài)特性、高速隨動(dòng)性、高靈敏的動(dòng)態(tài)精密定位、超精密加工。 綜合以上線性電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和芯片拾放機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求，針對y向運(yùn)動(dòng)和Z向運(yùn)動(dòng)，我們分別選用了美國SMAC公司生產(chǎn)的MLA55-100-81和LARl5-015線性電動(dòng)機(jī)作為該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件。美國SMAC公司開發(fā)生產(chǎn)的線性電動(dòng)機(jī)，利用音圈電動(dòng)機(jī)特有的高響應(yīng)、高加速度、高速度、體積小的特點(diǎn)，與導(dǎo)軌和高精度編碼器組合，構(gòu)成完整的閉環(huán)系統(tǒng)。在位置、速度、力矩控制模式中可以直接動(dòng)態(tài)切換。 Z向拾放片執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，LARl5-015線性電動(dòng)機(jī)可通過力矩控制模式進(jìn)行可編程力矩輸出控制，達(dá)到對芯片拾放的柔性控制模式。該功能被廣泛地應(yīng)用在半導(dǎo)體后封裝設(shè)備中。應(yīng)用實(shí)例見圖4。  

5 柔性拾放過程控制 芯片拾取和粘接的工藝要求必須是柔性拾放，而Z向LAR15-015線性電機(jī)的最大的優(yōu)勢就是精度高、運(yùn)動(dòng)過程輸出力可編程控制，這一特性的應(yīng)用很好地保證了芯片粘接的工藝要求。在芯片拾放過程中的運(yùn)動(dòng)控制如圖5所示。

具體過程： 拾取芯片過程：Z向電動(dòng)機(jī)首先以位置模式高速運(yùn)動(dòng)到接近芯片表面某一位置，然后轉(zhuǎn)換為速度模式運(yùn)動(dòng)到芯片表面，再轉(zhuǎn)換為力矩模式，輸出一定的力矩進(jìn)行柔性吸附拾片，此輸出力矩可根據(jù)芯片的大小和工藝要求可編程。 放置芯片過程：Z向電動(dòng)機(jī)首先以位置模式高速運(yùn)動(dòng)到接近放片某一位置，然后轉(zhuǎn)換為速度模式運(yùn)動(dòng)到放片表面，再轉(zhuǎn)換為力矩模式，輸出一定的力矩進(jìn)行柔性粘壓放片，此輸出力矩可根據(jù)芯片的大小和工藝要求可編程。Z向線性電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中位置、速度和力矩工作剖面圖如圖6所示：

6 芯片拾放機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制測試 控制系統(tǒng)采用PMAC(programmable multiaxes controller)多軸控制器進(jìn)行控制，它是美國Delta Tau公司20世紀(jì)90年代推出的開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器，它提供運(yùn)動(dòng)控制、離散控制、內(nèi)務(wù)處理、同主機(jī)的交互等數(shù)控的基本功能。PMAC內(nèi)部使用了一片Motorola DSP 56001數(shù)字信號(hào)處理芯片，它的速度、分辨率、帶寬等指針遠(yuǎn)優(yōu)于一般的控制器。伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前饋控制，其伺服周期單軸可達(dá)40 μs，二軸聯(lián)動(dòng)為110 μs。產(chǎn)品的種類可從二軸聯(lián)動(dòng)到三十二軸聯(lián)動(dòng)。甚至連接MACRO現(xiàn)場總線的高速環(huán)網(wǎng)，直接進(jìn)行生產(chǎn)線的聯(lián)動(dòng)控制。與同類產(chǎn)品相比，PMAC的特性給系統(tǒng)集成者和最終用戶提供了更大的柔性。 PMAC控制器與Y向和Z向線性電動(dòng)機(jī)即驅(qū)動(dòng)器以及編碼器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。分別對Z軸和Y軸以及整個(gè)拾放機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測試。 Z軸運(yùn)動(dòng)：位移從0～10 mm～0進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)循環(huán)為50 ms進(jìn)行測試，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7。 根據(jù)圖7可計(jì)算出Z軸的加速度和最大速度分別為：  

Y軸運(yùn)動(dòng)：位移從0～55mm運(yùn)動(dòng)測試，通過調(diào)整和優(yōu)化電機(jī)及控制器參數(shù)，最佳運(yùn)動(dòng)曲線如圖8所示。

根據(jù)圖8可計(jì)算出Y軸的加速度和最大速度分別為：

拾放片運(yùn)動(dòng)測試：針對拾放片運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬測試，Y向移動(dòng)距離為50mm，z向移動(dòng)距離為10mm，拾放片等待時(shí)間為35ms，運(yùn)動(dòng)控制模式采用PVT模式。y軸和Z軸運(yùn)動(dòng)邏輯時(shí)序圖如圖9所示。

運(yùn)動(dòng)控制程序： CLOSE END GATHER DELETE GATHER DELETE TRACE &1 #1->Y #2->Z

Y軸運(yùn)動(dòng)曲線如圖10所示

由上圖Y軸運(yùn)行曲線可以看出，芯片拾放周期可達(dá)到210 ms，接近4.8只／s的拾片速度，而且運(yùn)動(dòng)曲線沒有出現(xiàn)超調(diào)和跟隨誤差超差的現(xiàn)象，說明用該線性電機(jī)組成的拾放機(jī)構(gòu)是完全可以達(dá)到高速粘片機(jī)項(xiàng)目的技術(shù)要求。當(dāng)然在實(shí)際拾放片過程中要考慮到拾片的工藝以及減少振動(dòng)等其它方面的因素，速度會(huì)有所降低，但影響不會(huì)太大，完全可以保證設(shè)備所要求的4只／s的技術(shù)要求。 7 總結(jié) 通過實(shí)際運(yùn)行測試說明，采用由美