集成电路塑封自动上料机机架部件设计及性能试验(含源文件)
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集成电路
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集成电路塑封自动上料机机架部件设计及性能试验(含源文件),集成电路,塑封,自动,上料机,机架,部件,设计,性能,机能,试验,实验,源文件
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陕西国防工业职业技术学院 本 科 毕 业 设 计 题 目 上料机液压传动系统设计 作 者 ： 学科专业 ： 指导教师 ： 完成日期 ： 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） I 摘 要 本课题结合纵向科研项目“集成电路塑封自动上料机研制”研究需要，首先进行了课题总体技术方案设计，然后进行了集成电路芯片塑料封装自动上料系统的机架部件结构设计及性能 试验方案的拟定。自动上料系统的研制实现了集成电路塑封的自动化，该系统适用于 系列集成电路芯片的塑封生产，可显著提高生产效率及产品质量。自动上料系统主要由料片传送部件、料片自动排片部件、工控机系统、传感检测系统及上料机机架部件等组成。 上料机机架部件采用钣金结构制造，结构简单 且 使用方便。 上料机机架部件作为上料机一个重要的基础结构 部件，起到支撑工作台、 安装和保护电子设备内部各种电路单元、电气元器件等重要元件的作用。 关键词 ： 集成电路，塑封，上料，自动化，机架部件 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） on of C on An of be to OP O be of so of is to as an of it a in of 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 录 摘 要 . I . 一章 绪 论 . 1 题研究的现状及发展趋势 . 1 题研究的基本内容 . 2 题研究的意义和价值 . 2 第二章 集成电路封装概述 . 4 成电路 . 4 念 . 4 型 . 4 成电路在我国的发展状况 . 5 成电路 封装 . 5 装的发展 . 5 料封装 . 7 境因素对封装的影响 . 7 装设备 . 9 成电路芯片塑料封装设备 . 9 内外集成电路塑封设备的概况 . 10 电一体化系统（产品）的设计 . 10 第三章 上料机系统设计 . 12 统总体设计 . 12 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 集成电路塑封上料的技术要求及其指标 . 12 统组成及工作过程 . 12 统特点 . 14 料机机架部件结构设计 . 14 架部件设计准则 . 14 架部件结构设计 . 15 能试验方案拟定 . 17 第四章 结论与展望 . 20 参考文献 . 21 致 谢 . 22 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 1 第一章 绪 论 题研究的现状及发展趋势 集成电路（ 现代信息产业和信息社会的基础，是改造和提升我国传统产业的核心技术。近年来， 我国集成电路产业发展迅猛，已成为国家经济发展的主要驱动力量之一。在构成集成电路产业的三大支柱 (之中， 年来，我国 0%的份额；从某种意义上讲，我国集成电路产业是从 实证明这是一条符合我国国情的发展道路。目前，全球 我国集成电路产业的发展提供了一次难得的发展机遇。 当人类进人一个新千年的时候，蓬勃发展的计算机 、通讯、汽车电子和其它消费类系统对 高性能、高可靠、多功能、小型化、薄型化、便携式及低成本。 迎接这一挑战中，世界的集成电路封装得到了空前的发展。随着集成电路的发展，芯片封装技术也一直追随着集成电路的发展而发展。一代集成电路就有相应一代的封装技术相配合。 集成电路封装技术的发展历史可划分为 3 个阶段。第一阶段 (2 0世纪 7 0年代之前 )，以通孔插装型封装为主；典型的封装形式包括最初的金属圆形 (T O 型 )封装，以及后来的陶瓷双列直插封装 (C D I P)、陶 瓷一玻璃双列直插封装 (C e r D I P)和塑料双列直插封装 (P D I P)等。第二阶段 (2 0 世纪 8 0 年代以后 )，从通孔插装型封装向表面贴装型封装的转变。从平面两边引线型封装向平面四边引线型封装发展。表面贴装技术被称为电子封装领域的一场革命，得到迅猛发展。第三阶段 (2 0世纪 9 0年代以后 )，集成电路发展进入超大规模集成电路时代，特征尺寸达到 要求集成电路封装向更高密度和更高速度方向发展。 目前，世界集成电路封装正在呈现下述快速发展趋势：（ 1）为适应超大规模集成电路向 着高密度、高 I Q F P T Q F P )向球栅阵列封装形式 (B G A C S P )转变，信号传输由微型焊球代替传统的金属丝引线，信号输出由平面阵列方式代替传统的四边引线方式。这是由两边引线向四边引线、由通孔插装向表面贴装为代表的第二次 2）为适应快速增长的以手机、笔记本电脑、平板显示等为代表的便携式电子产品的需求， 业设计（论文） 2 封装正在向着微型化、薄型化、不对称化、低成本化方向发展。（ 3）为适应人们日益高涨的绿色 环保要求，集成电路封装正在向着无铅化、无溴阻燃化、无毒低毒化方向快速发展，这对传统的 全球集成电路封装正在按照既定的规律，蓬勃地向前发展，呈现出 8个发展方向：（ 1）向着高密度、多 I 2 ）向着提高表面贴装密度方向发展；（ 3）向着高频、大功率方向发展；（ 4）向着薄型化、微型化、不对称化、低成本化方向发展；（ 5）从单芯片封装向多芯片封装发展；（ 6）从两维平面封装向三维立体封装方向发展；（ 7）向着系统封装 (S l P )方向发展；（ 8）向着绿色环保化方向发展。 题研究的基本内容 本课题结合纵向科研项目“集成电路塑封自动上料机研制”研究需要，首先进行了 课题总体技术方案设计，然后 进行集成电路芯片塑料封装自动上料系统的机架部件结构设计及性能试验方案的拟定。系统主要有料片传送部件、料片自动排片部件、工控机系统及传感检测系统等组成。 为实现集成电路芯片塑封的自动化，设计了自动上料系统。该系统采用多运动同步控制技术实现料片传送、料片排放及料片预热的自动控制；采用大导程滚珠丝杆副和高分辨率伺服系统保证机械手的快速精确定位；采用柔性流道结构，适应不同规格集成电路料片的自动上料 ；并基于 发了专用工控软件。该系统适用于 O 等系列集成电路芯片的塑封生产，可显著提高生产效率及产品质量。 基本研究设计内容包括： （ 1）课题总体技术方案设计； （ 2）上料机机架部件结构设计； （ 3）上料机系统部分性能试验。 题研究的意义和价值 随着电子工业和集成电路产业的迅猛发展，使集成电路封装业的市场规模越来越大，对集成电路封装设备的自动化程度和技术含量也提出了更高的要求。另外半导体集成电路在封装过程中，环境因素和静电因素对 着 集成度和复杂性越来越高，污染控制、环境保护和静电防护技术就越来越影响或制约微电子技术的发展。因此，在集成电路生产、封装中的前后道各工序对生产环境提出了更高要求，不仅仅要保持一定的温、湿度、洁净度，还需要对静电防护引起足够的重视。为了解决这些问题，除了通过严格和苛刻的净化、管理生产车间，在 业设计（论文） 3 护系统等措施外，最重要的还是尽可能的减少人为因素对生产过程的影响，用自动化设备代替人力在生产过程中的参与。这样既可减少环境对集成电路生产封装的影响，又可提高生产效率。而 芯片封装是 程中影响微电子产品的生产效率和性能质量的关键环节之一。半导体制造工艺的快速进步和市场对微小芯片的急切需求，对芯片封装设备的定位精度和运动速度、加速度提出了极高的要求。 本课题主要进行集成电路芯片塑料封装自动上料系统的设计及性能试验。研制集成电路芯片塑料封装自动上料系统，可代替手工上料，填补手工上料在集成电路芯片封装生产工艺上的不足。 就目前国内外关于集成电路封装的文献表明，技术水平上，尽管我国集成电路产业在近几年有了快速的发展，但在总体上与发达国家相比，还存在很大的差距。就半导体生产设备而言，主要还依靠进口 ，另外在国内封装生产线上 装设备的自动化程度参差不齐。在市场方面，南通富士通、江苏长电、四川乐山无线电公司等国内大型封装企业国内封装企业迅速发展，跨国半导体企业继续将封装测试基地转移到国内，专家预测今后几年中国集成电路市场将以每年 30%左右的增长速度增长，到 2009 年市场规模将达到 9475 亿元。面对蓬勃发展的 装业，面对中国巨大的市场需求，本课题研制的集成电路塑封自动上料机将具有广阔的应用前景和市场价值。 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 4 第二章 集成电路封装概述 成电路 概念 集成电路（ 通常简称 ,又称为集成电路。是指将很多微电子器件集成在芯片上的一种高级微电子器件。通常使用硅为基础材料，在上面通过扩散或渗透技术形成 型半导体及 P 成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。 类型 （ 1）按功能结构分类 集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。 模拟 集成电路用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间边疆变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等），而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如 （ 2）按制作工艺分类 集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和薄膜集成电路。 膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。 （ 3）按集成度高低分类 集成电路按集成度高低的不同可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。它是以内 含晶体管等电子组件的数量来分类。 小型集成电路 )，晶体管数 10 100 中型集成电路 )，晶体管数 100 1,000 大规模集成电路 )，晶体管数 1,000 10,0000 超大规模集成电路 )，晶体管数 100,000 （ 4）按导电类型不同分类 集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路。 双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有 西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 5 极型集成电路的制作工艺 简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有 （ 5）按用途分类 集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑（微机）用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路。 集成电路 在我国的发展状况 现代发达国家经济发展的重要支柱之一 集成电路 (以下称 业发展十分迅速。 自从 1958年世界上第一块 别是近 20年来，几乎每隔 2 3年就有一代产品问世，至目前，产品以由初期的小规模 C。 集成电路是现代信息产业和信息社会的基础，是改造和提升我国传统产业的核心技术。 近年来，我国集成电路产业发展迅猛，已成为国家经济发展的主要驱动力量之一。在构成集成电路产业的三大支柱（ 集成电路设计、集成电路制造和集成电路封装）之中，集成电路封装在推进我国集成电路产业快速发展过程中起到了重要的作用；多年来，我国集成电路封装的销售额在国家整个集成电路产业中一直占有 7 0 % 的份额；从某种意义上讲，我国集成 电路产业是从集成电路封装开始起家的，事实证明这是一条符合我国国情的发展道路。目前，全球集成电路封装技术已经进入第三次革命性的变革时期，对我国集成电路产业的发展提供了一次难得的发展机遇。 集成电路作为信息产业的基础和高新技术产业的核心，已被列为国家重点发展的领域。尤其是国务院 18号文的颁布实施，为我国半导体 (集成电路、分立器件 )的封装产业创造了良好的政策环境。我们又迎来了封装产业大发展的大好时机。 集成电路 封装 封装的发展 集成电路封装技术的发展历史可划分为 3 个阶段。 第一阶段（ 2 0 世纪 7 0 年代之前），以通孔插装型封装为主；典型的封装形式包括最初的金属圆形 ( T O 型 ) 封装，以及后来的陶瓷双列直插封装 ( C D I P ) 、陶瓷 - 玻璃双列直插封装 ( C e r D I P ) 和塑料双列直插封装 ( P D I P ) 等；其中的 P D I P ，由于其性能优良、成本低廉，同时又适于大批量生产而成为这一阶段的主流产品。 第二阶段（ 2 0 世纪 8 0 年代以后），从通孔插装型封装向表面贴装型封装的转变，陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 6 从平面两边引线型封装向平面四边引线型封装发展。表面贴装技术被称为电子封装领 域的一场革命，得到迅猛发展。与之相适应，一些适应表面贴装技术的封装形式，如塑料有引线片式载体（ P L C C）、塑料四边引线扁平封装（ P Q F P）、塑料小外形封装（ P S O P）以及无引线四边扁平封装（ P Q F N）等封装形式应运而生，迅速发展。其中的 P Q F P，由于密度高、引线节距小、成本低并适于表面安装，成为这一时期的主导产品。 第三阶段（ 2 0 世纪 9 0 年代以后），集成电路发展进入超大规模集成电路时代，特征尺寸达到 求集成电路封装向更高密度和更高速度方 向发展。因此，集成电路封装的引线方式从平面四边引线型向平面球栅阵列型封装发展，引线技术从金属引线向微型焊球方向发展。在此背景下，焊球阵列封装（ B G A ）获得迅猛发展，并成为主流产品。 B G A 按封装基板不同可分为塑料焊球阵列封装（ P B G A ），陶瓷焊球阵列封装（ C B G A ），载带焊球阵列封装（ T B G A ），带散热器焊球阵列封装 ( E B G A )，以及倒装芯片焊球阵列封装（ F C - B G A ）等。为适应手机、笔记本电脑等便携式电子产品小、轻、薄、低成本等需求，在 B G A 的 基础上又发展了芯片级封装（ C S P ）； C S P 又包括引线框架型 C S P 、柔性插入板 C S P 、刚性插入板 C S P 、圆片级 C S P 等各种形式，目前处于快速发展阶段。同时，多芯片组件（ M C M）和系统封装（ S i P ）也在蓬勃发展，这可能孕育着电子封装的下一场革命性变革。 M C M 按照基板材料的不同分为多层陶瓷基板 M C M（ M C M - C）、多层薄膜基板 M C M（ M C M - D）、多层印制板 M C M - L）和厚薄膜混合基板 ）等多种形式。 S i P 是为整机系统小型化的需要，提高集成电路功能和密度而发展起来的。 S I P 使用成熟的组装和互连技术，把各种集成电路如 C M O G a A S i G e 电路或者光电子器件、 M E M S 器件以及各类无源元件如电阻、电容、电感等集成到一个封装体内，实现整机系统的功能。 目前，全球集成电路封装正在按照既定的规律蓬勃地向前发展，呈现出 8个发展方向： （ 1） 向着高密度、多 I / O 数方向发展； （ 2） 向着提高表面贴装密度方向发展； （ 3） 向着高频、大功率方向发展； （ 4） 向着 薄型化、微型化、不对称化、低成本化方向发展； （ 5） 从单芯片封装向多芯片封装发展； （ 6） 从两维平面封装向三维立体封装方向发展； （ 7） 向着系统封装（ S I P ）方向发展； （ 8） 向着绿色环保化方向发展。 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 7 目前，世界集成电路封装正在呈现下述快速发展趋势： （ 1）为适应超大规模集成电路向着高密度、高 I Q F P T Q F P)向球栅阵列封装形式 (B G A C S P)转变，信号传输由微型焊球代替传统的金属丝引线，信号输出由平面阵列方式代替传统的四边引 线方式。这是由两边引线向四边引线、由通孔插装向表面贴装为代表的第二次 （ 2）为适应快速增长的以手机、笔记本电脑、平板显示等为代表的便携式电子产品的需求， 型化、不对称化、低成本化方向发展。 （ 3）为适应人们日益高涨的绿色环保要求，集成电路封装正在向着无铅化、无溴阻燃化、无毒低毒化方向快速发展，这对传统的 塑料封装 在集成电路产业链中，电路设计、芯片制造、封装测试等多业并举，相互依存。封装作 为集成电路生产中极为重要的后道工序。集成电路的封装成型工艺有金属封装、陶瓷封装、玻璃封装和塑料封装。塑料封装（简称塑封）就是用塑封料把支撑集成电路芯片的引线框架、集成电路芯片和键合引线包封起来，从而在裸露的集成电路芯片外表面形成塑封体，保护芯片免受机械应力热应力、湿气、有害气体及外部环境的影响，保证集成电路最大限度地发挥其电学特性。金属陶瓷玻璃封装具有良好的气密性，是早期主要的封装成型工艺。上世纪 60年代塑料封装的出现改变了集成电路封装成型工艺的现状，由于塑料封装制造成本只有同类其他封装的 1/31/10， 同时上世纪 80年代后，高纯度、低应力的塑封材料，高质量的芯片钝化、芯片粘接、内涂覆材料、引线键合、加速筛选工艺及自动模制等新材料、新工艺、新技术有了长足的进步，使得塑封集成电路的可靠性逐步赶上金属封装和陶瓷封装，因此塑料封装成了目前集成电路的主流封装成型工艺，塑封集成电路的市场占有率达到 90%以上。 塑封操作过程为：首先，将引线框架、集成电路芯片和键合引线构成的料片配置在加热的塑封模下模内；然后合模，在压机上将塑封料注入模具并固化；最后，卸模，将流道塑封料与料片分离。料片置入塑封模的过程成为上料，上料是极其 重要的一个工序。上料的位置精度决定芯片在塑封体内的位置，上料的时间影响塑封的生产效率，特别是在上料过程中要避免人手的直接接触，否则易造成芯片污染，影响成品的电学特性，同时易引起键合引线变形，甚至折断，影响成品合格率。 环境因素对封装的影响 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 8 随着集成电路的集成度和复杂性越来越高，污染控制、环境保护和静电防护技术就越来越影 响或制约微电子技术的发展。同时，随着我国国民经济的持续稳定增长和生产技术的不断创新发展，生产工艺对生产环境的要求越来越高。大规模和超大规模 高要求，不仅仅要保持一定的温、湿度、洁净度，还需要对静电防护引起足够的重视。 在半导体集成电路生产中，封装形式由早期的金属封装或陶瓷封装逐渐向塑料封装方向发展。塑料封装业随着 中国半导体信息网对我国国内 28家重点 2001年那年就为 中 95 以上的 所周知，封装业属于整个 该过程中，对于塑封 合 C，主要有晶圆减薄 (磨片 )、晶圆切割 (划片 )、上芯 (粘片 )、压焊 (键合 )、封装 (包封 )、前固化、电镀、打印、后固化、切筋、装管、封后测试等等工序。各工序对不同的工艺环境都有不同的要求。工艺环境因素主要包括空气洁净度、高纯水、压缩空气、二氧化碳气体、氮气、温度、湿度等等。对于减薄、划片、上芯、前固化、压焊、包封等工序原则上要求必须在超净厂房内设立，因在以上各工序中， 芯粒始终裸露在外，直到包封工序后，芯粒才被环氧树脂包裹起来。这样，包封以后不仅能对 且对整个芯片的各种参数、性能及质量都起着根本的保持作用。在以上各工序中，哪个环节或因素不合要求都将造成芯粒的报废，所以说，净化区内工序对环境诸因素要求比较严格和苛刻。 主要环境的影响因素： （ 1）空调系统中洁净度的影响 对于净化空调系统来讲，空气调节区域的洁净度是最重要的技术参数之一。洁净厂房的洁净级别常以单位体积的空气中最大允许的颗粒数即粒子计数浓度来衡量。对 化区内的各工序的洁净度至少必须达到 （ 2）超纯水的影响 括 大多数工序都需要超纯水进行清洗，晶圆及工件与水直接接触，在封装过程中的减薄工序和划片工序，更是离不开超纯水，一方面晶圆在减薄和划片过程中的硅粉杂质得到洗净，而另一方面纯水中的微量杂质又可能使芯粒再污染，这毫无疑问将对封装后的 半导体制造工艺中，大约有 80 以上的工艺直接或间接与超纯水，并且大约有一半以上工序，硅片与水接触后，紧接着就进人高温过程，若此时水中含有杂质就会进人硅片而导致 品率降低。确切一点说，陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 9 向生产线提供稳定优质的超纯水将涉及到企业的成本问题。 （ 3）纯 气的影响 在 纯的气体可作为保护气、置换气、运载气、反应气等，为保证芯片加工与封装的成品率和可靠性，其中一个重要的环节，就是严格控制加工过程中所用气体的纯度。所谓“高纯”或“超纯”也不是无休止的要求纯而又纯，而是指把危害 品率和可靠性的有害杂质及尘粒必须减少到一定值以下。 （ 4）温、湿度的影响 温、湿度在 乎每个工序都与它们有密不可分的关系，温、湿度对 （ 5）静电因素对 静电产生的原因是随处可见的。比 如人体静电，空气调节和空气净化引起的静电，运送半成品和 都是静电起电的因素。在科技飞速发展和工业生产高度自动化的今天，静电在工业生产中的危害已是显而易见的，它可以造成各种障碍，限制自动化水平的提高和影响产品质量。 （ 6）其它因素的影响 诸如压差因素、微振因素、噪声因素等对 环境诸多因素和静电因素始终对 也是 电子半导体 势必要求我们在环境与静 电方面紧紧跟上 之不要成为制约 脚石”。 装设备 成电路芯片塑料封装设备 随着电子工业和集成电路产业的迅猛发展，使集成电路封装业的市场规模越来越大，对集成电路封装设备的自动化程度和技术含量也提出了更高的要求。集成电路塑封自动上料机是 着器件设计水平和生产制造技术的飞速发展，尤其是封装工艺的日新月异，要求封装设备具有比以往更高的精度、速度、可靠性。 集成电路芯片封装是集成电路制造过程中影响微电子产品的生产效率和性 能质量的关键环节之一。半导体制造工艺的快速进步和市场对微小芯片的急切需求，对芯片封装设备的定位精度和运动速度、加速度提出了极高的要求。然而，精度与速度的提高是相互矛盾的。运动速度、加速度的提高，使得机构的惯性力增大，惯性力变化的频率也随之加大，陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 10 系统易于产生弹性变形和振动现象，既破坏机构的运动精度，又影响构件的疲劳强度，并加剧运动副中的磨损。高精度定位希望机构运动平缓，而高生产率又希望系统高速往复运动并高速启停。 集成电路塑封自动上料机是一种典型的芯片塑封设备。目前大多数先进的塑封自动上料机采用先进的多运动同 步控制技术，实现料片的传送；采用大导程滚珠丝杠副实现机械手的快速定位，同时采用高分辨率伺服系统保证机械手定位的精确性；采用柔性的流道结构，适应不同规格集成电路料片的传输，调整方便；采用先进的多传感融合技术，系统控制安全可靠；基于 作系统的软件设计，人机交互友好。 国内外集成电路塑封设备的概况 目前，国外集成电路塑封设备的主流技术采用全自动上料，将上料装置与压机集成在一起，形成高度自动化设备，它涉及到精密机械、自动控制、精密光学、计算机应用、气动技术、系统工程学等诸多学科领域。该技 术领域中，美国、日本、德国、韩国、新加坡及台湾占据了统治地位。如，德国的 上料、塑封到卸模实现全自动化，其中的全自动化上料装置保证了塑封产品质量和生产效率。自动化、智能化、系统化多学科技术集成是集成电路塑封设备的主要发展趋势。 目前，国内集成电路塑封设备状况存在两种现象：（ 1）小型企业主要利用人工上料方法。人手接触集成电路料片，可能会引起引线框架和键合引线的折断；操作过程中还有可能造成芯片污染，影响成品集成电路的电学性能；人工摆放料片存在位置误差，从而影响塑封成 品的质量。因此，人工上料方法，质量不宜保证，而且效率较低，不能适应现代企业低成本大规模生产的需要。（ 2）大中型企业全套引进国外带自动上料功能的集成电路塑封压机，投资大，且技术受制于国外设备制造企业，当设备出现较大故障问题时，往往束手无策，必须依赖国外厂家技术服务，这势必会影响本企业的正常生产。 为此，立足国内，自主研发拥有自主知识产权的集成电路塑封上料设备，可在一定程度上降低成本，提高企业的竞争力，是国内集成电路封装企业的迫切需要，符合国家走自主发展道路的产业政策。 电一体化系统（产品）的设计 新 产品设计是一项复杂细致的工作，要提供性能好、质量高、成本低、有市场竞争力、受用户欢迎的新产品，必须有一套科学的工作程序和方法。新产品从提出任务到投放市场的全部程序要经过四个阶段：调查决策阶段；研究设计阶段；试制阶段；投产销售阶段。 机电一体化系统（产品）的设计流程如图 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 11 （ 1）根据目的功能确定产品规格、性能指标。工作机的目的功能，不外乎是用来改变物质的形状、状态、位置尺寸和特性，归根到底必须实现一定的运动，并提供必要的动力。其基本性能指标主要是指实现运动的自由度数、轨迹、行程、精度、速度、动力、稳定性和自动化程度。 （ 2）系统功能部件、功能要素的划分。工作机必须具备适当的结构才能满足所需性能。要形成具体结构，应以各构成要素及要素之间的接口为基础划分功能部件或功能子系统。复杂机器的运动常由若干直线或回转运动组合而成，在控制上形成若干自由度。 （ 3）接口的设计。接口问题是各构成要素间的匹配问题。执行元件与运动机构之间通常是机械接口。 （ 4）综合评价（或整体评价）对机电一体化系统的综合评价主要是对其实现目的的功能的性能、结构进行评价。 （ 5）可靠性复查。机电一体化系统既可能产生电子电路故障、软件故障，又可 能产生机械故障，而且容易受到电噪音的干扰，因此，可靠性问题显得格外突出，也是用户最关心的问题之一。 （ 6）试制与调制。样机试制是检验产品设计的制造可行性的重要阶段，并通过样机调制来验证各项性能指标是否符合设计要求。 图 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 12 第三章 上料机液压传动系统 统总体设计 成电路塑封上料的技术要求及其指标 适用于 要作用是进行集成电路料片塑封前的自动上料排片和预热处理，同时进行塑封成型，实 现上料、塑封到卸料的自动化。其主要性能指标为 : 设计一上料机液压传动系统，要求完成快速上升慢速上升停留快速下降的工作循环，工件重量为 6000N，滑台重 2000N，快速行程为 1000速行程为 10050mm/s；慢上速度为 10mm/s；快下速度为 60mm/s。液压缸启动加速时间均为 机械效率为 台与导轨摩擦力 F=500N。 统组成及工作过程 系统主要由料片传送部件、料片自动排片部件、工控机系统及传感检测系统等组成。图 图，主要包括料片横向传送机构、料片推送结构、料匣回收机构、料架升降机构、柔性料片流道及传送带等。图 要包括抓取机械手及多工位预热架等。 图 片传送部件结构示意图 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 13 图 料片自动排片部件结构示意图 电动机 系统的工作过程包括： （ 1） 料片传送 用于塑封的料片预先由前道工序叠置于料匣内，本道工序首先从 入料匣处导入一料匣，当料架位于顶部时将料匣推入料架，然后由料片横向传送机构带动料架完成横向传送。在推料片工位处，通过气缸完成推料片动作，每次从料匣上推出一片料片，接着由步进电机驱动料架下降一片料片的距离，为下一个推料片动作做准备。推出的料片置于柔性料片流道上，由同步电机驱动传送带运动，将料片移动到等候排片工位，从而完成料片的纵向传送。 （ 2）自动排片 当排料架上没有排满料片时，即进行料片的自动排放工作。机械手首先在等候排片工位抓取料片并抬起一定高度，然后在两只伺服电机的驱动下进行 X、 Y 轴向的定位移动，并根据 多工位预热架相应工位的方向在空中移动过程中，由第三只伺服电机驱动进行轴旋转，调整料片排放方向。最后在相应排放工位，由气缸完成料片放置动作。 （ 3）料片预热 多工位预热架置于加热台上，当料片排放到预热架后，即根据热传递的原理进行料片的预热，预热温度的控制通过温度控制模块来实现。预热架 通过 4个加热管进行加热，通过热电偶来实现温度检测。 统特点 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 14 该系统具有下列特点： （ 1）采用先进的多运动同步控制技术，实现横向传送料片、推送料片、回收料盒、纵向传送料片及矩阵式排片的协同工作。 （ 2）采用大导程滚珠丝 杠副实现机械手的快速定位，同时采用高分辨率伺服系统保证机械手定位的精确性； （ 3）采用柔性的流道结构，适应不同规格集成电路料片的传输，调整方便； （ 4）采用先进的多传感融合技术，系统控制安全可靠； （ 5）基于 工控软件设计，人机交互友好。 料机机架部件结构设计 机架部件是安装和保护电子设备内部各种电路单元、元器件及机械零部件的重要结构，对于消除各种复杂环境对设备的干扰，保证设备安全、稳定、可靠地工作，提高设备的使用效率、寿命，以及增强设备安装、维修的方便等起着非常重要的作用。 上料机机架部件作为上料机一个重要的基础结构，其设计也是整个上料机系统设计的重要内容之一。 (1)确保上料机技术指标的实现设计机架部件时，应根据上料机设备的使用环境，综合考虑设备内部的电磁干扰和热问题，以及外部的机械、电磁、电气和气候等因素的影响，以确保设备电性能的稳定性，并使机架部件具有足够的强度、刚度，以确保设备机电连接的可靠性以及设备的防振冲能力，同时采取相应措施，确保设备各项技术指标的实现和可靠性要求。 (2)具有良好的结构工艺性 所谓结构工艺性好就是能优质、高产、低成本地 进行设备的生产，包括加工、装配、调试、维修等。结构与工艺密切相关，结构不同则所采用的工艺也不相同。设计机架部件时，应根据设备的使用要求综合考虑当时的生产水平，包括加工设备、人员、工艺方法以及检验手段、方法等，使设计的机架部件符合当时的生产实际，并具有良好的装配工艺，从而确保设备质量。 (3)便于装配、操作、维修 为了充分发挥上料机设备的效能，设计的机架部件应便于操作使用，并符合使用者的心理和生理特点，同时结构上力求最简，便于装配、拆卸，使设备可达性、维修性好，另外，设计的机架部件应确保操作人员的使用安全，如 避免锐边、棱角、采用漏电保护装置等。 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 15 (4)标准化、模块化 机架部件设计时，应尽可能地满足标准化、模块化要求，并采用模块化设计方法，所有尺寸均采用标准尺寸系列，并符合公差配合标准及有关通用标准，以确保上料机机架部件的互换性，这样，在研制类似设备或设备改型时，可以少改动甚至不改动上料机的机架部件尺寸即可完成新研或改型设备的机架设计。 (5)小型化 所谓小型化就是尽可能地减小设备体积和重量。机架部件的小型化不仅在设备的使用性能上有重大意义，在经济上也具有重要价值，因而在设计机架部件时应予以重视。 (6)外形美观 上料机的外形不仅关系到操作者的感官要求，而且关系到上料机的销售。设计机架时，应将工程设计与造型设计相结合，充分利用造型设计的手法，对机架部件外形精心设计，以使上料机外形美观。 综上所述，确保上料机技术指标的实现和便于装配、操作、维修的准则体现了机架部件设计的实用性要求，具有良好的结构工艺性体现了机架部件设计的经济性要求，标准化、模块化和小型化既体现了机架部件设计的创新要求又体现了经济性要求，造型设计则体现了机架部件设计的美观要求。 架部件结构设计 上料机机架部件的结构设计是在消化吸收国外集成 电路塑封设备的基础上，依据 机架设计准则综合考虑上料机的用途、使用环境和复杂程度来进行设计的。上料机机架采用钣金结构机架。上料机的机架部件外型如图 上料机机架部件作为上料机一个重要的基础结构，它的上面支撑着预热架工作台、 料片传送部件、料片自动排片部件。稳固平整的机架部件为芯片的塑封上料工作过程提供了一个稳定的工作平台。 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 16 图 料机机架部件 根据机架部件的设计准则，上料机机架部件设计成箱体结构，起到安装和保护电子设备内部各种电器元件 ， 消除各种复杂环境对设备的干扰，保证设备安全、稳定、可靠地 工作的作用。上料机钣金结构机架部件设计成四方体机箱，箱内部分由隔板、后电器板与侧电器板分成四块空间。分别命名为后机箱部分、右机箱部分、左上机箱部分和左下机箱部分。后电器板上安装有 服电机驱动器、升降台步进电机驱动器、开关电源、滤波器、接线端子排和信号输入输出接口，这些部件都安装在后机箱部分。侧电器板安装有直流 24干继电器、接线端子排等部件，这些电器元件都安装在右机箱部分，设备的变压器也安装在这一机箱部分。上料机系统的工控机安放在左下机箱部分，气源过滤组合安装在左上机箱部分。另外 在机架部件的前固定门上还安装有控制面板和总电源开关。 图 料机机架部件机架部分 机架部件具有足够的强度、刚度，机架部件各零件的材料均为 架部件的机架部分如图 示。机架部分与各活动门采用饺链连接。 机架部件为了外观美观，各零陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 17 部件磷化处理后喷乳白色油漆。 总的来说 机架部件结构简单，便于装配、拆卸，操作使用方便，维修性好。 能试验方案拟定 性能试验检验表格 序号 检验项目 单位 技术要求 检验 结果 单位 评价 1 工作环境 安装在阴凉，干燥，通风，无尘的环境 2 环 境 温度控制变化范围 25 1 3 整机外观 整机外观整洁，无明显瑕疵 油漆涂层应色泽鲜明、均匀、平整光滑，无裸露、流痕、起泡和皱纹，不得有磕碰、划伤等缺陷 4 工作电源 该机系统电源电压为单相 2200用截面积不小于 2铜芯电源线将电源接入本机电源板上端子座“ R， T” 5 气压要求 不低于 6 防电击和漏电 使用截面积不小于 12#专用接地线将该机电源板上的专用接 地端子与整个系统的接地线相连 7 抗干扰 该机不能与大功率，大电流设备安装在 一起，电源与其相隔开 8 设备适用范围 适用于 系列不同规格集成电路芯片塑封 9 料盒尺寸 度 150度 24 10 所测样机料盒尺寸 度 183 度 34 11 所测样机料盒可容纳料片数目 每个料盒可容纳 40 个料片 12 料片尺寸 度 150度 18 13 所测样机料片尺寸 度 183 度 27 14 料片传送与控制运行方式 （ 1） 推送料盒 通过气动控制模块驱动气缸来将已在上道工序装满料片的料盒推入料架 （ 2） 推送料盒架可调节宽度范围 70 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 18 （ 3） 推送料片 在推料片工位处，通过气动控制模块驱 动气缸来实现推送料片 （ 4） 料架升降 每次从料盒推出一片料片后，接着通过步进驱动模块驱动步进电机来实现料架下降一片料片的距离，为下一个推料片动作做准备 （ 5） 料盒回收 通过气动控制模块驱动气缸 来实现料盒的回收 （ 6） 所测样机料架每次上升距离 （ 7） 步进电机控制料架升降精度 （ 8） 传送带的同步控制 推出的料片置于柔性料片流道上，通过同步控制模块驱动同步电机来实现传送带运动，将料片移动到等候排片工位 （ 9） 流道结构 采用柔性的流道结构，适应不同规格集 成电路料片的传输，调整方便 （ 10） 所测样机 流道尺寸 道总长 380 宽 51 （ 11） 料片在流道上横向传送距离 42 15 自动排片 与控制运行方式 （ 1） 抓取料片 通过气动控制模块驱动气缸来实现 机械手结构的开合与升降控制 ，机械手在等待排片的工位抓取料片并抬起一定高度 （ 2） 料片定位 通过伺服控制模块驱动伺服电机来实现 机械手的 X、 Y、轴定位运动控制，两只 伺服电机控制 X、 Y 轴向定位，第三只 伺服电机控制 轴旋转 （ 3） 机械手定位精度 （ 4） 放置料片 通过气动控制模块驱动气缸来实现 机械手结构的开合与升降控制， 最后在相应的排放工位，由气缸完成料片的 放置动作 （ 5） 机械手手爪开合尺寸范围 度方向开合 尺寸范围： 183度 方向开合 尺寸范围： 27 （ 6） 排料架尺寸 度 700 度 650 （ 7） 料片安放循环时间 s ( 陕西国防工业职业技术学院 毕业设计（论文） 19 16 料片预热与控制 （ 1） 料片预热 多工位预热架置于加热台上，当料片排放到预热架上后，即根据热传导的原理进行料片的预热，这里通过 4 个加热管进行加热 （ 2） 预热温度 温度的控制通过温度控制模块来实现，这里通过热电偶来实现温度 检测 （ 3） 加热温度控制范围 170 17 润滑系统 滚珠丝杆润滑部分润滑良好 18 机架部件焊接件 焊接件应牢固，不得有裂缝，夹渣，烧 穿和漏焊等缺陷 19 运转过程 应运转平稳，无异常声响 20 安全防护措施 有紧急停止开关，在运行过程中，如保护门打开或光幕被挡光，机械手会停止运行，并伴随声光报警 21 译 文 机电一体化“一个研究生的视角” 摘要 近几十年来，一种新的工程技术伴随着工业的发展而产生，那即使逐渐被认知的机电一体化。这一技术的需求是由工业工程师首先提出，最终以一种不同的途径引导大学去设立机电一体化学位课程。问题是这么一个与传统工程学不同的学科如何去教。赫尔大学首创机电一体化教学方法。这一方法在传统的教学方法基础上重点发展。这一做法旨在彻底免除被动的概念理论学习方法，鼓励积极的学习态度。 1. 引言 随着更加先进的技术的发展，对新的工程方法的需求逐渐增加。事实明显的表明机电一体化正在 成为工业领域里最有影响的学科。正如大多数的新学科，预先培训的机电工程师并不存在，传统背景的工程师适应并伴随着机电一体化的发展而发展，从而形成机电一体化在工业领域的核心地位。尽管这一发展经历了一个很长的阶段，但学术界仍然充耳不闻，直到最近还是怀疑。在传统工程领域，这样一种与众不同的学科如何去教的问题仍然存在。面对机电一体化的教育问题，赫尔大学首创一种截然不同的方法，这一方法重点主要放在以传统理论为支柱，以实际应用工程为基础的项目上面。 本文旨在展示在这种教学方法下的机电一体化教学成效。分析是依据两位已经取得赫尔大学硕士学位的研究生的经历来写的。以教学技巧为基础的教学计划，其优缺点在早期阶段就很突出。还有这些经历展示了教学方法是如何影响传统学位课程方面的。本文也将要展示现有的工程学科相互连接是如何影响机电一体化的发展的。 2. 机电一体化的必要性 由于消费者对有创意的新产品需求不断增加，这带来了激励的市场竞争、产品生命周期缩短、生产设备的完善。工程产品的发展出现了惊人的速度。 2 先进的计算机、电子、机械技术使得产品设计朝更加精密化、复杂化和柔性化的水平发展。因此一台设备的机械部件、电子部件、计算机控制系统越来越 集成化和互补化。发展使工程学的传统方法的应用变的有限，对复合型工程师的需求越显突出。高效率和灵活性的市场经济表明传统公司高额管理费用正在变得不可接受且不经济。以前的计划经济再也跟不上时代的步伐和要求。当今市场需要的是灵活的产品设计和解决问题的方法，需要的是能快速回应市场的变化而有效率地利用市场资源。 为了在这个环境里生存，这就必要改进对工程学的认识来适应正在变化的经济。针对这些要求，一个新的工程技术在工业中形成。这种技术被称为机电一体化。 新的挑战需要新的思维，但由于大多数新兴学科的预机电工程师培训不存在， 传统背景的工程师很少能适应。在确定需要机电工程师的情况下，工业需要学术机构去履行一些培训尽管这一发展经历了很长阶段，但学术界仍然充耳不闻，直到最近还是怀疑。这一技术的需求是由工业工程师提出，最终以一种不同的途径引导大学去设立机电一体化学位课程。 3. 机电教学 因为机电教学的需求，一些大学尝试在他们的工程学院开设机电教学课程，要开设这样一个横跨传统学科界限的课程，给传统的工程部门带来了一些基本问题。首先，到底哪个学院开设这样的课程，或者就设立一个机电学科？其次开设这样一个涉及面广的课程，教些什么，什么时 候教最有利？最后如何教好这样一门与众不同的涉及面广的课程。 3 1机电课程开设在哪个学院 ? 不同于大多数的工程科目，机电一体化课程涉及机械工程、电子工程和计算机科学学科。当然这样一个新课程不可能设在其他自然学科里。因此，机电一体化专业倾向于设立在现有的电子或机械工程学院。这样的话，此课程往往会受到来在两个不同学院的控制，这是围绕学科设立课程的必然结果。教务处成了决定管理学科问题和教学方法应用的关键。这样的结果往往会彻底限制不同教育方法和学科的发展，阻碍新的方法论的发展。 在赫尔大学，这样的问题同样存在。新 课程设立初期很少有相关专业的学生加入，然而要承认的是一个彻底重组的教学大纲是进步所必需的。课程设在电子工程学院，其主要支援人员均来自电子和机械工程学院。为了让机电一体化学科能在传统的环境中成长，就有必要创造一个新的教学技巧。 3 3 2教些什么？ 和传统的学科相比，机电一体化的主旨并不明显。机电一体化系统的本质是要求去认识和理解大量的工程科目，涵盖电学、力学和计算。但是为了去满足学位课程的要求就必须去掌握足够详细的相关理论知识。这带来了学生需要大量的扩大知识面和要求学生提高专业知识的深度之间的矛盾日益突出。 科目的多样化使它无法提供涵盖所有专业知识的全面、低水平课程。这就使的科目的选择要相对集中，避免松散或空缺。为此必须确定机电一体化课程的核心理论。 机电一体化系统通常的定义为电子装置与机械驱动装置用相关软件有机结合成的控制系统，它具有功能性和灵活性。（如图 2） 随机电一体化系统的发展逐步产生了许多各种各样的机电装置。这些设备根据需求结合了许多技术。为了让工程师利用现有的技术，有必要先使他们能理解设备是怎样控制的。 赫尔大学的机电课程主要为控制部分的教学。课程主要模块涵盖电子、机械、计算机等科目。也有少部 分涉及一些非工程学科，如物理商业等。 3 3怎么教 ? 既然设立了这样一个与众不同的课程，那就需要去营造一个有利的环境去促进这个新理论向前发展。取消建立一个新学科部门而专门负责机电一体化，在传统的教学框架内去研究新的教学技巧和方法。 4 多数大学利用最传统的方法，在立足于现有的学科体系基础上另外特别发展机电一体化单元。课堂授课传授了大部分的知识，结构实验室培养了实际应用的能力。 为了让新理论在赫尔大学发展，赫尔大学正在尝试选择另一种教学方式。采取的战略是以在工业中对机电工程师的要求为引导。大多数学校在最后一年之 前都是把重点放在讲课上，很少注重学生的实践方面。与其它大学相比赫尔大学从第一年开始就注重学生的实践应用能力的培养。这样设置课程的主要目的是建立一个在教学的基础上主动学习多学科的氛围。让学生直接参与实际工程的挑战，是赫尔大学自创的独特的教学方法。然而对于至关重要的科目还是通过授课的方式教学，另外在学科的框架铺助于实验教学。 机电一体化实用性课程不同于传统的实验室练习，它的目标是解决大型问题，而非做一些预先设计好的动手练习。 课程设计旨在激发学生主动思考和创新精神。为了是让学生遇到问题时能寻求最佳的解决方案 。传统的实验练习提供一套清晰的实验步骤，只要一步步进行就能完成。 机电一体化课程安排了许多可能会遇到的各种问题，不会给你明确的目的和清晰、正确的解决问题的方法。在大多数情况下，最初的任务是去确定任务具体的性质和明确的工作目标。同样完成任务的方法留给学生自己去确定，指导老师只给学生一些引导。这样就可以教会学生当遇到陌生的问题时，自己要主动积极地去解决。从课程的一开始就引入这5 一观念能够使学生很快地去适应，从而在课程的实际工程授课期间教会学生工程思维。当学生明确自己任务的目标和任务完成的期限（给定的某一段时间）， 这就会激发学生努力地完成任务。 为了支持该学科的理论研究工作，学校提供了基础性的帮助而并没有直接指定某一特定课题。只提供所需的知识是为了让学生解决问题更灵活。在实际工作中会遇到很多障碍，其中大多数是很难去解决的，而且很难直接用理论知识去解决。因此学生在课程学习过程中要加深对知识的理解。 实践证明，机电工程和电子工程在实际应用过程中有一些共同点。这里有这样一个趋势，机电工程的学生常会推敲实验数据的正确性。电子工程师更多的关注的是解决问题的方法，机电一体化学生更偏向于整体考虑问题。 4. 课程结构 赫尔大学 机电一体化学科包括四年制硕士学位攻读和三年制学士学位攻读。贯穿整个教学纲领，学科的重点放在项目研究和相关的课程上面。在学科的前三年，优先是对理论知识的学习以更好地去提高学术知识的积累和工程思维能力的培养。在现阶段讲授较高的理论内容已经使学生能够调研并且决定他们想专门研究的领域。一个工程师所需求的大部分的知识和技能都能从课程安排的实际工作中学到。经过学科框架下安排的难易程度不同、内容详细、“及时”的课程的学习，能够使学生充分的吸取知识。课程的要求如图 1。 第一年主要是围绕两项课题进行的，其中包括设计、策划和制 造步行机器人。在第一学期每个学生各自都要根据设定的任务设计和制作带表演功能的步行机器人。另外还要制定设计的标准、预算和时间表。在第二学期学生每三人一组要根据更复杂的任务完成一个受计算机控制的带表演功能的机器人。该项目的说明书除了耗材和开销外没有给任何限定条件。评估采取一系列的报告和陈述形式。为了让学生更好的掌握工程理论，课程重点传授最基本的工程原理，这包含数学、模拟和数字电子、机电一体化的静、动态系统以及计算机编程。 在第二年里，重点转到被资助工业项目上，学生可以在那解决工业问题。学生可以和外面的公司合作去 解决一些工业问题。参与工业的教学能使学生获得一些实际工程运作的经验，以及如何用实际预算去解决实际工业问题。学科 结构被设计 成 合并支持的理论知识，开发 关于实际 工程学 的 专门技术 和 工程师要求的其他技能，例如项目管理、时间安排、控6 制 预算 和通信 。 项目由不同的阶段 的手写报告和 口头 陈述 组 成 ，强调管理和计划 的需要。受 支持 的课程发展了上一 年 的基本 理论并且提供更多专业 主题。受 支持 课程涵盖了 数学、机电 、伺服 系统 、 模式 数字 化 电子学、控制 系统 、机械系统 、 处理器 系统、 计算机编程 、环境工程学、光学电子和企业财务 ， 另外 还有 硬件或接口项目 。 第三年主要是基于高等课程内容和小型实验项目。实验室实验特别征对个人专业课程和界面 /电子硬件设计和建一能提供实习的方案。在这阶段，工程学学科理论学习同时通过实践对其不同范围的理解。 选择的范围可 根据学生的 专业 。 不同于传统学科 机械系的 学生
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