（机械电子工程专业论文）简易型led粘片机的研究开发——刺晶机构及图像识别系统的研究.pdf

摘要 摘要 l e d 粘片机是一个光、机、电一体化的设备，也是l 助生产过程中的关键设 备，其性能直接影响到所生产l e d 的性能、生产效率和产品的合格率。本文研究 的简易型l e d 粘片机，除需人工上料、出料外，机器自动完成点银浆、送料、晶 圆芯片识别定位、粘片等动作，能满足中小型企业对l 助封装设备的要求，具有 一定的理论意义和实用价值。 此简易型l e d 粘片机的研发由二人合力完成，本论文主要完成以下几方面的 工作： ( 1 ) l e d 粘片机刺晶机构的研究及设计 结合对现行i c 封装设备机械结构的研究，设计一个简单、紧凑的l e d 粘片 机刺晶机构。然后对其组成部件进行设计，其中包括：顶针机构、晶圆运动机构。 ( 2 ) l e d 粘片机图像识别系统的开发 图像识别系统是实现l e d 粘片自动化的关键部分，也是其难点。其精度直接 影响到l e d 粘片的精度。l e d 粘片机图像识别系统包括了图像采集系统、光学及 照明系统、图像预处理及图像匹配函数。 ( 3 ) 图像处理及识别库函数开发 图像处理及识别库函数包括了三类：图像卡控制类、图像处理函数类及图像 匹配类。 论文最终完成简易型l e d 粘片机的刺晶机构的设计、加工及装配；开发一个 实用的图像处理及识别库函数，以供l e d 粘片机控制软件调用。 关键词：l e d ；半导体封装；图像识别：匹配算法 a b s t r a c t l e dd i eb o n d e ri se q u i p m e n tw i t ho p t i c a l ，m e c h a n i c a la 1 1 de l e c t r o n i ci n t e g r a t i o n a n di t sk e ye q u i p m e md u r i n gp r o d u c i n gl e d i t sp e 怕r n l a n c em a k e sg r e a te 珏色c to n t h ep r o d u c t i v i t ya n dp 幽n n a n c eo fl e d e x c e p tm o v i n gm el e d 丘a m ei r l t oa n do u t o fm em a c h i n e ，s i m p l el e dd i eb o n d e rc a nd ot h er e s td i eb o n dj o ba u t o m a t i c a l l y 1 1 1 i sf l c t i o nc a ni n e e tt h en e e d so fs r r l a l il e dp a c k a g m gf i r m s t h er e s e a r c ha 1 1 dd e v e l o p m e n to ft h i ss i m p l el e dd i eb o n d e ra r ef i n i s h e db yt w o p e r s o n s ，a n dm i st b e s i si n c l u d e s 血ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) r e s e a r c ha n dd e s i g nac 1 1 i pe j e c t e dm e c h a i l i s m r e f e 玎i n gt ot h es t m c t u r eo fc u r r e n ti cd i eb o n d e r d e s i g nas i m p l e 姐dc o m p a c t c h i pe j e c t c ds 帆c t u r eo fm cs i m p l el e d d i eb o n d e n l e nd e s i 弘a t l ds e l e c ta 1 1p a n s o ft h ec h i pe j e c t e dm e c h a n i s m ，i n c l u d i n ge j e c tp i nm e c h a n i 锄a n dw 疵rm o v e m e n t m e c h a i l i s m ( 2 ) d e v e l o pa ni m a g er e c o g n i t i o ns y s t e m t h ei m a g er e c o g n i t i o ns y g t e 】 ni st i l ek e yc o m p o n e n to fr e a l i z i n gm ea u t o m a t i o n o fl e dd i eb o n d e ra s 、e 1 1a si t sd i f f i c u l tp a n n sa c c u r a c y 、v i ui n n u e n c et h ca c c u r a c y o fl e dd i eb o n d e r t h ei m a g er e c o g n i t i o ni sc o n s i s t e do fm ei m a g ec a p t u r es y s t e m ， o p t i c a la n di 1 1 u m i n a t i o ns y s t e m ，i m a g ep r e - p m c e s sa n di m a g em a t c l l i n gf l l i l c t i o i l 5 ( 3 ) d e v e l o pal i b r a r yo fi m a g ep r o c e s s 趾dr e c 0 9 1 l i t i o n t h el i b r a r yo fi m a g ep r o c e s sa n dr e c o g l l i t i o ni n c l u d e s l r e ec a t e g o r i e so f f 嘶c t i o n s ：c a t e g o r yo fi m a g i n gc a r dc o n 加l ，i m a g ep r o c e s sa n di m a g em a t c h i n g 1 1 1 i st h e s i sw i l lf i n j s hm ed e s i g na n da s s e m b l yo fc h i pe j e c t e dm e c h a n i s m ； d e v e l o pal i b r a r yo fi m a g ep m c e s sa n dr e c o g 血i o n a n dt l l i sl i b r a r yw i l lb eu s e db y t h ei ，e dd j eb o n d e rc o m r o ls o f t 、v a r e k e y w o r d s ：l e d ；s e m i c o n d u c t o rp a c k a g i n g ；i m a g er e c o 印“i o n ；m a f c ha l g o r i t h r n i i i 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1l 印产业的地位及现状 发光二极管( l e d ) 是二十世纪后期发展起来的新型光源。它是一类半导体 发光组件，利用半导体电子与空穴结合释放能量而发光，与一般白炽灯泡利用加 热发光不同，它属于冷光“1 。l e d 具有工作电压低、耗电量小( 约为白炽灯的1 0 到2 0 ) 、发光效率高、使用寿命长、发光响应时间极短、光色纯、结构牢固、 抗冲击、耐振动、性能稳定可靠、重量轻、体积小、成本低等一系列特性。近年 来l e d 产业发展突飞猛进，现已能批量生产整个可见光谱段各种颜色的高亮度、 高性能产品，被业界认为是未来十年传统照明器件的替代品。 l e d 的应用分为两大类：一是l e d 单管应用，包括照明用l e d 、l e d 指示灯、 l 凹背光源及红外线l 叻等；二是l e d 显示屏，如体育记分牌、广告牌等。资料 表明：美国目前每年照明用电量约为6 0 0 0 亿千瓦时，约占用电总量的2 0 ；我 国照明用电量每年约为2 0 0 0 亿千瓦时，约占用电总量的1 2 。若用l e d 代替传 统的照明设备，可为国家节约大量的能源，取得明显的经济效益。由于l 叻具有 亮度高、图象清晰、色彩鲜艳、驱动电压低、功耗小、使用寿命长和价格低廉等 优势，随着高亮度蓝、绿l e d 的开发和计算机视频控制技术的突破，使得全彩色户 外l e d 显示屏的制造和应用有了很大发展，l e d 在显示屏领域有着举足轻重的地 位，被公认为最有前途的显示器件0 1 。 据统计，2 0 0 1 年白光l e d 的使用量约为2 亿个，2 0 0 2 年的使用量约为6 亿 个，2 0 0 3 年则大幅提升至1 2 亿个“1 。我国是世界照明电器的最大生产国，出口 量居世界第二。l e d 产品特性及优点逐渐为大众所认知，半导体照明产业发展迅 速，正沿袭照明产业发展的主轴进行。在照明市场方面，l e d 产业最大的市场是 白色灯具照明市场，2 0 0 0 年白炽灯及日光灯的全球市场规模约为4 3 亿美元，每 广东工业大学工学硕士学位论文 年增长率约为5 ，可见照明市场的发展空间颇大。高功率白光l e d 产品的推出， 使得白光l e d 在一般照明市场有明显的增长。虽然白光l e d 照明市场不断成长， 但白光l e d 目前在一般照明市场的应用，仍以屋外( 景观) 照明、个人照明、小型 指示灯、设施照明、特殊照明及其它产品为主，不过近期有向空间性、设计性、 低耗能、低温应用等功能性市场发展的趋势。再根据r e e de l e c t r o n i c sr e s e a r c h 统计，1 9 9 9 年全球白光l e d 产业有8 8 0 0 万美元的市场，2 0 0 0 年成长为1 1 8 亿 美元的规模，直至2 0 0 3 年皆保持着4 0 左右的成长速度，并可达到2 7 亿美元 的市场规模，到2 0 0 5 年则增长到3 9 5 亿美元“1 。由此可见，l e d 照明市场具有 相当大的成长空间。 2 0 0 2 年全世界l e d 产业的市场份额为3 6 亿美元，其增长率为2 0 ，据美国 s t r a t e g i e su n l i m i t e d 市场调研公司统计，2 0 0 2 年超高亮度l e d 市场份额达1 8 亿美元，其增长率为5 0 ，2 0 0 3 年更达到2 3 亿美元，预计今后几年增长率将保持 3 0 以上。1 。超高亮度l e d 还具有体积小、驱动电压低、色彩可调、聚光性能好 等特点，所以随着l e d 发光强度的不断增大，高亮度发光二极管的应用领域也将 不断地扩大。目前国内进行超高亮度l e d 和特种照明的应用开发及生产单位超过 2 0 0 家，新的应用领域包括全彩的大、中、小屏幕显示装置、各种不同颜色变化 的背光源、汽车内外灯及显示装置，用于航空、航海、铁路和道路等各种交通信 号灯、低压安全灯( 矿灯) 、室外景观照明及室内装饰照明用的l e d 灯、各种不同 灯具结构的l e d 特种照明灯和l e d 白光照明等应用。展望高亮度l e d 的发展，照 明、汽车及l c d 背光源将是未来成长的主力，而环保、省电则是驱动高亮度l e d 市场成长的主要动力。 我国汽车工业正处于大发展时期，汽车用灯量大，汽车内部的仪表板、音响 指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯、头灯等均在逐步 采用l e d 显示。据日本某大型车灯厂估算，到2 0 0 8 年所有新车都会以l e d 作为 车灯，若以每辆新车l 万元产值来计算，光在新车市场就有新台币1 7 5 0 亿元的 商机“1 。北京2 0 0 8 年奥运会相关照明显示工程中的l 叻项目，如广告牌、体育 记分牌、金融和交通指示牌等屏幕显示器，景观照明、装饰灯及各种专用显示器 和超高亮度及白光l e d 的应用等，都为l e d 产品提供了巨大的应用需求和市场机 会。 第一章绪论 据有关报道，如果包括小型的l e d 封装、配套企业，目前国内从事l e d 生产的 企业超过1 0 0 0 家。从事l e d 产业的直接人员超过5 万人，其中技术人员约5 0 0 0 人。3 。目前l e d 产品的品种较全，除了各种l e d 灯具、显示器、数码管等之外，还 有各种背光源、信号灯、s m d l e d 、白光l e d 、功率l 印以及l e d 特种照明产品 等。近几年来我国l e d 产量和销售量均有较大的发展，特别是超高亮度l e d 发展 更快，其增长率到达5 0 。据有关报道，当前我国l 皿的年产量已达到5 0 0 亿只。 目前国内l 叻产业已经具有一定的规模，初步形成从原材料、外延、芯片、封装、 应用到相关配套件的完整产业链。我国于2 0 0 3 年6 月正式启动了“国家半导体 照明工程”，国家“十五”科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发”重大项 目也已正式立项，超高亮和白光l e d 成为近几年的热点投资领域。2 0 0 4 年4 月 己确定在福建厦门、上海、大连和江西南昌为首批国家半导体照明产业基地，并 在2 0 0 5 年4 月加入深圳基地后，正式成立了五大光谷，作为国家半导体照明工 程产业化基地，把l e d 产业做为8 6 3 计划的关门项目，全国l e d 产业竞争正如火 如荼地展开。l e d 产业是2 l 世纪最具发展前景的高技术领域之一。 1 1 2l 印封装设备的现状及前景 在l e d 产业链接中，上游是l e d 衬底晶片及衬底生产，中游为l e d 芯片设计 及制造生产，下游归l e d 封装与测试。我国目前从事l 肋封装的大型企业超过 2 0 0 家，其中广东省有1 0 0 多家。近几年新增的l 叻封装企业超过1 0 0 家，总封装 能力每年超过2 0 0 亿只，其中超高亮度及白光l e d 封装产量约5 0 亿只，l e d 加工 出口也有几十亿只，外商投资企业的封装能力也非常大，应该说国内l 凹封装的 能力较强，封装产品的品种也较齐全。但目前我国自主知识产权的关键封装技术 创新和设备产生能力还很弱，国产封装设备的品种和水平与市场需求差距较大。 在l e d 生产企业方面，国内l e d 封装技术现状是参差不齐的。实力较强的封 装企业有十几家，如厦门华联电子公司、佛山国星光电公司、宁波和谱( 爱米达) 光电公司、江西联创光电公司、江苏稳润光电公司、苏州半导体总厂公司、天津 天星电子公司、惠州华岗光电公司、廊坊鑫谷光电公司、深圳量子光电子公司和 长春华禹光谷公司等。这些企业大部分或部分采用全自动化设备，封装水平较高， 广东工业大学工学硕士学位论文 其产量较多。1 。但由于市场对l e d 的需求量很大，国内的垂直式l 印生产方式中， 仍有大量的个体业主采用手工作坊加工低端l e d 产品，尤其是芯片键合工序，由 于缺乏购买昂贵芯片键合机的资金，这些企业一般采用真空吸笔方式、牙签粘捡 方式、拨针直接按压晶圆方式由工人在显微镜下手工拾取、键合芯片。前两种方 式效率很低，一般不超过1 0 0 0 片小时，第三种方式可达1 0 0 0 3 0 0 0 片小时， 但质量无法保证。这样的芯片键合工艺，不仅容易造成芯片损伤而产生废品，更 无法保证芯片的放置位置和表面角度进而使l e d 产品的光线发射角产生偏差，影 响成品质量。 虽然有些具有一定实力的封装企业采用了先进的全自动生产设备，包括全自 动芯片键合机、全自动焊线机、全自动测试包封机等，l e d 封装能力较强，封装 出来的l e d 产品质量、一致性和可靠性很高，是国内封装企业的主力。但我国自 主知识产权的l e d 全自动键合机的研制水平还与国外进口机有着很大的差距，所 以这些企业几乎全部采用国外生产的全自动芯片键合机，因此其设备投资很大， 限制了生产规模的扩张。 随着我国l e d 产业的发展，l e d 产品不断进步，市场不断扩大，人们在关注 l e d 生产工艺技术的同时，也越来越关注l e d 关键设备的研发和改进。因此l e d 粘片机作为l e d 关键设备之一也在不断更新换代。目前国内前工序设备处于空 白，国外o 2 5 微米以下制程的设备对我国实行禁运，后工序中的关键设备大多 依赖进口，而且价格昂贵。因此国产l 功生产设备的落后严重制约了我国半导体 产业的发展。l e d 产业与其他产业的区别在于l e d 产品技术不断提高，而价格却 越来越低。这就要求既要具有能够生产高品质l e d 产品的设备，又要减少设备的 投资以降低成本。这就给国产l e d 生产设备提供了一个千载难逢的发展机遇。 l 叻外延片及芯片制造所需的设备相对集成电路芯片制造设备要简单一些， 我国除了一些关键设备( 如等离子刻蚀、光电特性测试仪) 不能生产外，其余大 部分产品都能自主生产，且设备的技术可靠性可达到国外同类设备的水平“1 。但 我国l e d 封装设备制造及整线配套能力与国外仍有较大差距，除四十五所生产的 划片机及一些辅助设备能满足生产线使用外，其余大量的自动化设备( 如l e d 芯片粘片机) 仍然依赖进口。掌握l e d 封装的关键技术、工艺过程设计及其理论， 赶超世界封装技术先进水平，开发出高水平的、具有自主知识产权的l e d 封装设 4 第一章绪论 备有着明确的现实意义。 1 2l 印封装设备研究现状 我国从事l e d 设备研究和制造的单位有几十家，一批由新兴的高素质半导体 设备科研人员组建的半导体设备公司陆续注册并已投入研发工作，进行半导体设 备包括l e d 封装设备的研发。中电集团第1 3 所、厦门华联、佛山国星等，均已投 入较大力量进行功率l e d 封装的研发和生产。对封装中的主要技术问题，如提高 封装出光效率、提高衬底散热性能、减少热阻、提高工作寿命等问题进行攻关。 已取得一定的成果，并能封装功率大于或等于1 w 的l e d 器件，这将推动l e d 照明 产业的发展。 国内l e d 封装设备业的总体技术水平大致如下：0 5u 生产线主要设备的原 型已提供给用户；一批8 英寸的设备正在研制中，有的已通过验收；1 0 0 n i n 水平 的关键设备已取得不同程度的进展，有的己完成b 样机的研制，并己在用户的生 产线上安装，目前正处于验收阶段；几种1 2 英寸关键设备的a 样机研制也已取 得重要进展。我国半导体封装设备的制造技术与国外先进水平相比在加工线宽上 相差5 个等级；在晶圆的大小上，国外1 2 英寸设备已经成熟，而我国8 英寸产 品仍然在试制阶段“1 。我国l e d 生产设备的制造及研究水平与国外先进水平相比 仍然有较大差距，面对高速发展的l e d 产业，我们必须加快研究的速度及力度， 才能在未来蓬勃的l e d 产业中占据一席之地。 数字图像处理技术是l e d 粘片机图像识别控制系统的关键技术。l e d 粘片机 主要运用了数字图像处理技术中的模式识别、图像匹配技术，其图像匹配的速度、 精度决定了整个图像识别系统对目标识别的速度和准确度，直接影响整机的性 能。 图像匹配的基本原则就是计算相关函数、找到目标、确定目标在被搜索区域 的位置。在匹配方法的研究上，利用神经网络和遗传算法来研究图像匹配的方法 已经引起了人们的高度重视和广泛的兴趣，也有人提出了在图像匹配方面结合遗 传算法的宏观寻优、简单通用、鲁棒性强等优点和神经网络精确寻优、算法成熟 等优点来进行数字图像的模式识别与匹配”1 。目前，在匹配算法的理论研究方面， 广东工业大学工学硕士学位论文 国内和国外的差距并不是很大，但是在理论的实践方面，特别是工业实际应用方 面和国外存在有很大的差距。 1 3 简易型l 印粘片机的特点、关键技术及研发难点 简易型l e d 粘片机是针对中小型l e d 生产企业而开发的，由于缺少购买昂贵 自动粘片机的资金，一般中小型l e d 生产企业采用人工或者国外淘汰的二手设备 进行l e d 芯片的粘片，其生产效率极低，维护成本高。因此简易型l e d 粘片机须 满足低成本高效率的要求。所以在设计此简易型l e d 粘片机时，力求结构简单紧 凑，功能实用齐备，粘片精度高。 与手动l e d 粘片机相比，简易型l e d 粘片机可自动完成点浆及刺晶工序，这 相对人工操作，可大大提高生产效率。而相对于全自动l e d 粘片机，简易型l e d 粘片机仍有多方面的不足。主要表现在芯片传送方式不同而影响芯片的位置精度 和发光角度：全自动l e d 粘片机采用的是真空吸嘴传送的方式，将晶圆中的芯片 平稳准确地放置于l e d 芯片装载杯中，这样粘片的精度更高；简易型l e d 粘片机 采用顶针刺晶的方式使l e d 芯片从晶圆膜上脱离并落入l 叻芯片装载杯中，这种 芯片传送方式较难保证芯片的粘片位置，因此其粘片精度相对较低。 简易型粘片机的关键技术和研发难点主要有： ( 1 ) 机构的设计：如何利用低成本的零部件及原材料设计加工出结构紧凑、 精密的整机机构。 ( 2 ) 图像识别系统的开发：其难点在于要求在极短的时间内，获得精确的 检测结果。这需要研究高效的图像搜索检测算法及优化光源和光路，用以检测芯 片的精确位置。 ( 3 ) 运动控制：整个l e d 粘片机的运动控制系统必须能够保障运动部件的 动作、速度、精度等参数满足l e d 粘片的工艺要求，在高速运动中如何保证其精 度是运动控制的难点。 1 4 简易型l 印粘片机的组成 6 第一章绪论 简易型l e d 粘片机是通过点银浆的方式将l e d 芯片粘贴到l e d 引线框架上的 自动化设备。它的工作过程如下：首先手工将l e d 引线框架放入粘片机的引线框 架输送机构，然后通过点浆机构将银浆滴入引线框架的芯片装载杯中，再利用图 像识别系统检测出合格的l e d 芯片的位置，最后由运动控制系统控制引线框架输 送机构、顶针机构和晶圆机构完成一系列的动作，使目标l e d 芯片落入引线框架 的芯片装载杯中。由此可见，简易型l e d 粘片机由引线框架输送机构、点浆机构、 顶针机构、晶圆运动控制机构、图像识别系统和运动控制系统组成。其具体组成 部分如图卜1 所示。 简易型l e d 粘片机 黎冀蓑篱 i 点浆机构il 曩景蓑茗ii 顶针机构ii 图篥袭别li 运黎襄制 勾 爪 送 料 机 构 勾 爪 调 节 机 构 针 筒 点 浆 机 构 点 浆 位 置 调 节 机 构 x y 工 作 厶 晶 圆 调 节 机 构 顶 针 安 装 调 节 机 构 晶 圆 面 抚 平 机 构 图 像 识 别 硬 件 系 统 图1 1 简易型l e d 粘片机的组成 f i g1 1s 仃u c t u r eo fs i m p l el e d d i eb o n d e 。 1 5 论文的整体结构及主要工作 图 像 识 别 软 件 系 统 运 动 控 制 硬 件 系 统 运 动 控 制 软 件 系 统 本文共有五章，分别阐述了l e d 粘片机刺晶机构及图像识别系统的设计及开 发。第一章绪论之后阐述的是简易型l e d 粘片机的剌晶机构设计，接下来是l e d 的图像识别软硬件系统的介绍，然后阐述了对简易型l e d 粘片机图像处理及匹配 算法的研究，最后是图像处理及匹配算法库函数的介绍。 此简易型l e d 粘片机的开发是合二人之力进行的，二人分别侧重于不同部分 7 广东工业大学工学硕士学位论文 的开发。本论文的主要工作是：( 1 ) 对简易型l e d 粘片刺晶机构的设计；( 2 ) l e d 图像识别系统的研究；( 3 ) 图像处理及匹配库函数的开发。 第二章l e d 粘片机刺晶机构设计 第二章l 印粘片机刺晶机构设计 简易型l e d 粘片机是一种通过点银浆的方式将l e d 芯片与引线框架粘接在一 起的自动化半导体封装设备。该设备机械部分由刺晶机构、c c d 调节机构、l e d 引线框架输送机构、点浆机构五部分组成。论文将详细介绍刺晶机构的设计，其 余机构只进行简要概述，详细介绍参见简易粘片机设计与控制实现。 简易型l e d 粘片机的刺晶机构主要由顶针机构及晶圆运动控制机构组成。顶 针机构用于完成刺穿晶圆膜，使l e d 芯片脱离晶圆膜的工作。而晶圆运动控制机 构则负责供送l e d 芯片，完成送料工作。 2 1 顶针机构设计 2 1 1 顶针机构原理 顶针机构的作用是：按压晶圆上的l e d 芯片使之从晶圆膜上脱落而落入已滴 入银浆的l e d 框架的芯片装载杯中( 如图2 1 所示) 。简易型l e d 粘片机顶针机 构是由顶针、顶针架、晶圆平面抚平架、抚平架调节座及顶针x y 方向调节座 组成( 如图2 2 所示) 。 2 1 顶针机构原理图 f i g 2 1p r i i l c i p l eo f e j e c tp i nm e c h a n i s m 广东工业大学工学硕士学位论文 顶针机构的运作如下：x y 调节座上的电机通过凸轮带动顶针架在垂直方向 上运动，从而使顶针按压晶圆上的芯片，使芯片与晶圆胶膜脱离落入l e d 框架的 芯片装载杯中。晶圆抚平架用于抚平顶针按压的晶圆平面，使顶针的定位更精确， 并保证顶针能刺穿晶圆膜使芯片落入芯片装载杯中。抚平架调节座可对晶圆抚平 架进行调节，使其位置能配合顶针的位置及晶圆的高度。 图2 2 顶针机构结构图 f i g 2 - 2s t n l c t u r eo f e j e c tp i nm c c | l a i l i s m 2 1 2 顶针机构的设计内容 要实现顶针机构的运作，需对顶针的位置调节机构、运动机构及运动规律进 行设计。顶针的位置调节机构要使顶针位置实现前后左右上下六个方向的调节。 对前后左右四个方向的调节，使用的是由四副v 形导轨组合而成的x y 调节座。 v 形导轨结构简单，精密可靠，用其对顶针进行位置调节十分方便可靠，能满足 对顶针位置精密调节的需要。此外与顶针架连接的连接架上的u 形槽也可对顶针 的前后位置进行调节。对顶针上下位置调节的精度要求不高，所以也可使用u 形 槽进行调节。同理，晶圆抚平架的调节也使用u 形槽调节方式。 顶针的运动机构主要由三部分组成，分别是电机、凸轮及联动架。电机是顶 第二章l e d 粘片机刺晶机构设计 针机构的原动件，由电机带动凸轮进而使联动架与顶针按照凸轮的轮廓轨迹运 动。考虑到顶针运动行程短及降低l 凹粘片机整机制造成本的因素，采用凸轮驱 动以实现顶针的运动。联动架是联接凸轮及顶针的中间机构，它必须能保证顶针 严格按照凸轮的设计轨迹运动，所以其运动精度要求较高，因此其运动导轨采用 v 形导轨，同时采用可调节位置的连接架连接顶针及联动架。 2 1 3 主要零部件的选择及设计 1 v 形导轨 此顶针机构共需三副v 形导轨( x y 调节座需两副，联动架需一副) 。x y 调节座用于顶针位置的微量调节，使用的v 形导轨只要能实现约3 0 唧的调节范 围便可满足实际需要。此顶针机构选取t y c h o w a yr 3 0 5 0 型号的v 形导轨。 t y c h o w a yr 3 0 5 0 v 形导轨的最大行程是2 8 硼，基本满足调节范围的需要。其滚子 直径为3 m m ，共有7 个滚子，每个滚子基本额定负荷为c 。为1 0 0 n ，该v 形导轨可 承载的负荷c 为： c = 7 2 c 。= 3 5 0 n 因此，该v 形导轨可充分满足顶针机构对其负荷能力的要求。由于联动架所需的 移动行程( 即顶针的移动范围) 小于2 8 唧，为方便设计及购买，联动架也选用 与x y 调节座相同型号的v 形导轨，根据以上分析可知，这也能满足联动架对v 形导轨的各种要求。 2 凸轮设计 顶针机构的凸轮负责控制顶针的运动规律。根据刺晶动作的特点，对顶针运 动规律的控制要求如下： ( 1 )由静止开始加速到一个较高速度； ( 2 ) 由高速减速到一个较低速度； ( 3 ) 以低速运动一段距离； ( 4 ) 减速至零； ( 5 ) 高速返回原位； 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 6 ) 静止等待下一动作。 过程( 1 ) 一( 2 ) 使顶针能快速定位到工作位置：( 3 ) 为顶针的工作段，在 此过程顶针需以较低速度运动，以减小顶针刺晶时对芯片的冲击，保证刺晶后芯 片不受损。 根据顶针的运动规律，凸轮轮廓曲线要求为：( 1 ) 在非工作段( 即凸轮廓线 的首段及末段) 采用正弦加速曲线，以提高运动速度及效率，减少刚性及柔性冲 击。( 2 ) 在工作段凸轮廓线选择等速曲线，以便工作点的调节不会引起刺晶速度 的改变，避免晶圆受损。凸轮廓线设计如表2 1 。凸轮的回程与推程用同一段廓 线，回程时使凸轮反转便可。为方便加工及安装，将凸轮设计成对称形状。表 2 1 只列出o 度至1 8 0 度的凸轮廓线。 根据顶针机构运动的特点，选用对心直动滚子凸轮机构，初步设定凸轮的外 形参数为：基圆半径r b = 2 0 唧，升程h = 5 哪。 表2 一l 凸轮各段轮廓曲线类型 1 、a b l e2 一lc o n t o l l r1 卯e so f t h ec 锄 凸轮转角( 度) 0 1 51 5 9 09 0 1 4 01 4 0 1 6 51 6 5 1 8 0 升程( m ) o3 51 0 5 o 运动规律静止正弦加速 等速 正弦加速静止 使用凸轮设计软件得出凸轮轮廓图及顶针运动曲线图如图2 3 所示。 一黧嚣麟 ( a ) 凸轮轮廓( b ) 顶针运动曲线 图2 3 设计结果图 f 培2 - 3r e s l l l to f d e s i 印 第二章l e d 粘片机刺品机构设计 羽 沙 匕 v ， ；、 细 弋 乡 、 、o 图2 4 凸轮机构 f 培2 4m e c h a n i s mo f 廿l ec 锄 对凸轮压力角的校核如下： 在图2 4 的凸轮机构中，p 为推杆和凸轮的相对速度瞬心。所以有： ”p2 v = 0 p 历：兰：鱼 d 口 o pd s d 8 辔a 一 + s“+ s 由正弦加速运动规律： s = 研( 臼岛) 一s i n ( 2 刀口吼) 】2 万 得在正弦加速运动曲线段： 船：坐垫坚掣 + 仃 又等速运动规律为： s = h 8 | 8 0 在等速运动曲线段有： 一h | e b 辔口= o j ( 公式2 1 ) ( 公式22 ) ( 公式2 3 ) ( 公式2 5 ) 广东工业大学工学硕士学位论文 由公式2 3 及公式2 5 可得在三段凸轮廓线的最大压力角为： 第一段正弦加速度运动规律：口。* 6 5 。 等速运动规律：口一：“2 7 。 第二段正弦加速度运动规律：口。，“2 6 。 用对心直动滚子推杆盘形凸轮许用压力角和基圆半径关系诺模图( 图2 5 所 示) ”1 对凸轮压力角进行校核。由图可知，三段曲线许用最大压力角分别为9 。、 5 。及1 0 。凸轮廓线三段曲线均能满足直动推杆凸轮许用压力角的要求。 图2 5 压力角与基圆关系诺模图 f i g 2 5a b a c so f r e l a t i o n s h i pb e 帆e np r e s s 哦a n g l e a 1 1 db a s ec i r c l e 3 步进电机选型 顶针机构的电机用于带动凸轮转动，进而推动联动架，使顶针实现垂直方向 的往返运动。凸轮推动联动架时，其受力情况如图2 6 所示，其中有关系： n = n 2 f z = n z c o sd 凸轮推动联动架做匀速运动时，需要克服摩擦力，和固定于联动架及x y 调 节座间弹簧( 用于拉动联动架) 的预紧力f ，此时： f ! = 七f 1 4 第二章l e d 粘片机刺晶机构设计 所以垂直于凸轮轮廓曲线的凸轮作 用力n 为： ：m ：旦：量堡 c o s 口c o s 口 工作台匀速运动时电机需输出的转 矩l 。为： 乙d = 三。s i n 口 l 耐= ( ，+ f ) 三一t a i l 口 测试知( ，+ f ) 约为5 n ，凸轮在工 作过程最大压力角口。，= 6 5 。， 上。= 2 3 5 m m ，所以有： 图2 6 凸轮受力分析 f 晤2 6m e c h a n j s ma n a l y s i so f t h ec 锄 乙d = 5 0 0 2 3 5 0 1 1 = o 0 1 3 m 顶针机构在工作过程中，其循环动作是“静止一加速一减速一匀速一减速一 静止”。l e d 粘片机的粘片过程是在极短的时间内完成的，因此顶针也需以高速 启动，在极短时间内到底设定位置，由上节凸轮的设计分析中可知，第一段正弦 运动的加速度最高。初步设定顶针需在3 0 m s 之内以o 帅s 启动，加速完成3 5 1 1 1 l n 的位移，设顶针运动的加速度是口，则有方程： 去日( 3 0 ，珊) 2 = 3 5 m 州 解该方程可得：d = 7 7 8 m 5 2 顶针及联动架的质量约为0 5 b ，电机通过凸轮工作段轮廓线带动顶针加速 运动时，加在电机轴上的最大转矩一。为： r l = ( m 口+ ，+ f ) 雌留a m 就i = ( o 5 堙7 7 8 肌s 2 + 5 ) 0 0 2 3 5 o 1 1 = o 2 3 | m 为保证整个顶针运动控制系统运行的稳定性问题，论文采用了静扭矩为 o 3 4 n m ，额定电流为1 a 的4 2 h s 0 3 两相混合式步进电机，其主要性能参数如表 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 所示。 表2 24 2 h s 0 3 型步进电机参数 t a b l e2 2p 瑚e t e r o f s t e pm o t o fo f 4 2 h s 0 3 l 型号静扭矩 步距角电阻长度 转子惯量 重量 4 2 h s 0 3o 3 4 n m1 8 。4 6 q4 8 m m 8 2 9 。c 一0 3 4 k 2 2 晶圆运动控制机构设计 l e d 芯片是由半导体原料制成的，其制备过程如下：首先使用特制设备( 单 晶炉) 将半导体原料制成半导体单晶，然后将半导体单晶按所需晶向切割成指定 厚度的薄片，再经过倒角、抛光、刻蚀、划片等工序将硅片制成一片一片的芯片， 最后拉张硅片承载胶膜，将芯片距离进一步拉开，用一个专门的圆环将胶膜绷紧 固定，以便拾取芯片。以上半导体单晶薄片称为晶圆。 论文设计的粘片工艺是利用顶针在垂直方向按压晶圆上的l e d 芯片，使其脱 离晶圆胶膜而落入l e d 框架的装载杯中。在粘片过程中，顶针的水平位置是固定 不变的，当完成一个芯片的粘片动作后，需要移动晶圆使下一个芯片位置正对着 顶针，进而完成下一芯片的粘片。为此，需要设计一个晶圆运动控制机构，对晶 圆的移动进行精确控制。 2 2 1 晶圆运动控制机构原理 晶圆运动控制机构是用于控制晶圆在水平方向的运动( 包括x 、y 两个方向) ， 也即是晶圆的进给机构。晶圆安装在一个x y 工作台上，由两个步进电机分别 控制其x 、y 方向的运动。晶圆运动控制机构主要由x y 运动平台、高度调节块、 控制电机等组成( 如图2 7 所示) 。 2 2 2 晶圆运动控制机构的设计内容 简易型l e d 粘片机机构的主要特点是结构紧凑、精密。晶圆运动控制机构作 第二章l e d 粘片机刺晶机构设计 为l e d 粘片机的主要机构，其设计也要力求结构精密紧凑。晶圆的运动是在x y 平面进行的光栅扫描式的运动( 即按由左向右由上及下的顺序运动) ，所以晶圆 机构的主要部件即一个x y 工作台。由l e d 芯片粘片的过程可知，晶圆运动的步 距为两个相邻芯片的距离；晶圆的行程则需大于晶圆自身的直径，这样才能保证 晶圆上的每块l e d 芯片均能移动到顶针下方被顶针按压落入l e d 框架上的芯片装 载杯中。晶圆的大小有多种规格，有4 英寸、6 英寸及8 英寸。国内针对4 英寸 及6 英寸硅片的半导体生产设备技术较成熟，使用量较大，而8 英寸的还处于试 制阶段。所以此l e d 粘片机的开发主要针对4 英寸及6 英寸两种规格的晶圆。晶 圆运动控制机构的x y 工作台必须能同时满足微移动和大行程的要求。因此，传 动部件宣选用高精度的滚珠丝杆配合性能优秀的轴承，且要求装配后的传动性能 优良，无反向间隙，摩擦阻尼小，运动惯量小；并能确保晶圆机构在启停突变的 情况下无冲击、定位精确。 图2 7 晶圆机构结构图 f 谤2 7s t m c t u r eo f w 疵rm e c h 肌i s m 在l e d 芯片的粘片过程中，l e d 芯片是在顶针的按压下脱离晶圆膜然后自由 落入l e d 框架的芯片装载杯中的，所以晶圆与l e d 框架间的距离有较严格的要求。 两者距离太远会导致落入芯片装载杯后l e d 芯片的位置随机性增大，进而增加产 品的不良率。两着距离过小则可能在粘片过程中使l e d 框架触碰到芯片而刮伤芯 片甚至把芯片刮离晶圆膜。因而需要设计一个晶圆高度调节机构，能对晶圆的高 度进行调节，使之适应不同高度的l e d 框架。该机构要求是结构简单，调节方便， 广东工业大学工学硕士学位论文 并能保证调节后晶圆平面的相对水平。 2 2 3 主要零部件的选择及设计 1x y 工作台 如图2 8 所示，x y 工作台的组成零件有：可在x 、y 两个方向运动的工作台 台架、负责x 及y 方向传动的精密丝杆、两个丝杆驱动电机分别驱动工作台x 、 y 方向运动的步进电机。 图2 8x y 工作台内部结构 f i g 2 8i i l n e rs m 】c t u r eo f x - yw b r k 曲l e 工作台台架是实现x 叫方向运动的载体，需分别使用两付v 形导轨以使工作 台能实现x 、y 两个方向的高精度直线运动。此外，在传动方面也需使用丝杆以 保证传动的高精度。由于此粘片机的开发是针对4 英寸及6 英寸的晶圆，所以应 根据晶圆的最大尺寸选择丝杆和v 形导轨，即它们的行程至少应为6 英寸。对于 驱动电机，其转矩主要用于克服丝杆转动过程的摩擦阻力及加速时工作台的惯性 力，根据对凸轮电机的选择计算方法进行校核，选择与顶针机构同一型号的步进 电机可满足要求。 2 晶圆高度调节块 晶圆调节块用于调节晶圆的高度，要求调节方便且能在调节后保证晶圆水 平。调节块分为可动调节块及固定调节块，为使调节结构简单且便于调节，设计 时将晶圆固定于可动调节块上，而固定调节块则安装于x y 工作台上( 如图2 7 示) 。通过改变调节块相对x y 工作台的高度达到调节晶圆高度的目的。调节块 选用u 形槽调节方式，在可动调节块上设计两条u 形槽，固定调节块上加工两个 第二章l e d 粘片机刺晶机构设计 相应的螺纹孔。调节时拧松u 形槽内的调节螺钉，移动调节块到需要的调节位置 然后拧紧调节螺钉，将调节块紧固于该位置，实现晶圆的高度调节。 2 3 其他机构介绍 2 3 1c c d 支撑调节机构 c c d 支撑调节机构用于支撑与调节c c d 摄像头及其配套光学组件。c c d 摄像 头作为图像采集系统的重要组成部分，它直接影响到图像采集的质量，因此在图 像采集之前需对摄像头的位置及成像焦距进行调节，找到最佳采集位置，以获取 质量较高的图像。 图29c c d 支撑调节机构 f i g 2 9s u p p o r t e da n da d 5 u s t e ds t m c t u r eo fc c d 简易型l e d 粘片机图像识别系统的光源照射使用的是前向照明，即光源和摄 像头位于被测物的同侧，摄像头是以某个倾斜角度对准l e d 芯片进行图像采集 的。因此，该c c d 支撑调节机构不但要可实现x 、y 、z 三个方向的调节，还需 具备旋转调节角度的功能。c c d 支撑调节机构如图2 9 所示。 2 3 2 点浆机构 l e d 芯片是使用银浆将其粘接到l e d 框架上的，该工序首先将连接着气动装 广东工业大学工学硕士学位论文 置并装有银浆的针筒对准l 印框架的芯片装载杯，然后用气压将针筒内银浆挤入 芯片装载杯中，最后将l e d 芯片放置于芯片装载杯中，l e d 芯片便可靠地与l e d 框架粘接在一起。其中将银浆挤入芯片装载杯的机构称为点浆机构。 点浆机构的动作大致与顶针机构相同，它通过机构中的凸轮使联接在针筒固 定架上的针筒做垂直运动，使针筒靠近芯片装载杯，然后完成挤银浆的动作。点 浆机构主要由x y 方向调节座，联动架，针筒固定架等组成。如图2 1 0 所示。 图2 1 0 点浆机构 f i g 2 1 0s 仃i l c t u r eo f e p o x yd r o p p i n gm e c h a i l i s m 2 3 3l 印引线框架输送机构 当粘片机完成一个l e d 装载杯点银浆的动作和一块l e d 芯片的粘片( 二者在 两个工作位置同时进行) 后，需将l e d 引线框架向前移动，使下一l e d 装载杯移 动到工作位置，对其进行点浆操作或粘片操作。这一工序需要一个l e d 引线框架 的输送机构来完成。此机构要求定位精确，即每次移动l e d 引线框架都能使芯片 装载杯精确到达指定位置( 如顶针的正下方) 。且由于需满足不同晶圆规格的粘 片需要，所以设计时需使晶圆架的位置可调节。 l e d 引线框架输送机构主要由勾爪机构、l e d 引线框架定位机构、驱动电机 等组成。勾爪机构负责控制l e d 引线框架的输送，它每做一次往复运动则使框架 向前移动一个单位行程( 即两芯片装载杯的距离) 。l e d 引线框架定位机构使l e d 第二章l e d 粘片机刺晶机构设计 引线框架保持垂直并保证其粘片位置相对晶圆的位置固定不变。l e d 引线框架输 送机构结构图如图2 1 1 所示。 a 正面图b 背面