（机械电子工程专业论文）led芯片自动测试和分选系统设计.pdf

哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 摘要 随着l e d 应用范围的不断扩大，用户对l e d 产品质量提出了越来越高 的要求，特别是高端产品，尤其要求l e d 发光亮度和波长具有高度的一致性。 考虑到不合格的l e d 芯片一经完成封装，就没有回收再造的价值，浪费了人 力、财力和物力。为了降低生产成本，提高l e d 自动化生产的效率，本文提 出了针对l e d 芯片的在线分光测试和分选系统设备的研究。 本文是对l e d 芯片测试和分选系统设备的一次研究初探，该系统是在 l e d 大批量生产线上的一个十分必要的环节，是在l e d 完成最终封装之前 的一个重要过程。由于要求运动精度高、速度快，而且动作复杂，所以一直 未能实现较高程度的自动化。本文针对l e d 芯片的自动测试和分选的具体工 作要求，对该系统进行了总体设计、机构设计、电路设计和控制程序设计。 在机构设计过程中，为保证运动精度，采用一系列措施来消除传动中的 虚位和间隙；为防止划伤芯片，采取柔性措施来降低有特殊要求的执行部件 刚度；本文还设计了一种更加实用的凸轮机构。 在电子电路设计过程中，选择了很多的目前较为先进的执行元件和控制 元件，并最终采用了主从c p u 控制系统，在此基础上设计了以步进电机控制 为主的各工作台电路。 在运动程序设计过程中，对系统部分控制系统进行了程序的编写，达到 了既定的要求。 本文对系统机构设计进行了深入的研究和探讨，达到了l e d 芯片自动测 试和分选系统的运动精度和可靠性要求，实现了莲e d 芯片的流水线作业。 l e d 芯片自动测试和分选系统的总体设计、各工作台机构设计、精密传 动中消除间隙措施、电子电路设计和运动控制是本论文的研究和设计重点。 关键词l e d ；在线测试；自动分选；系统设计 里尘鋈三些查兰三茎罂圭兰堡丝圣 a b s t r a c t w i mt h ed c v c l o p m e n to fm el e d ( l i g h te m i t t e dd i o x i d e ) 叩p l i c a t i o n ，m e s u b s c 曲e r sr e q u i r eh i g h e ra n dh i 班e rq u a l i t y ，e s p e c i a l l yf o rh i 曲- c i l dp r o d u c t s ， w h i c hn e e d s 1 eh i 曲a c c o r d a i l c eo ft h eb r i 曲恤e s sa i l dm ew a v e l e n 醇h o mo f c o n s i d e r a t i o nf o r t h et m t ht h a to n c et h ei n e l i g i b l el e dh a sb e e np a c k a g e d ，i tw i l l b eo fl i m ev a l u e ，w 1 1 i c hc a u s e saw a s t eo ft h em 唧o w e r ，f i n a i l c i a lr e s o u r c e sa n d m a t e r i a lr e s o u r c e s t h er e s e a r c hi sd o n ei n t ot 1 1 eo n - l i n em e a s u r c i i l e n ta n d a u t o m a t i cs o r t i n gs y 3 t e mi nt h i st l l e s i si no r d e rt oc u td o w nm ec o s ta n di 加p r o v e t l l ep r o d u c t i v i t y t h i sm e s i si sa p r e l i m i n a r ) 7r e s e a r c ha b o u tm el e d m e a s l _ l r e m e n ta 1 1 ds o r t i n g s y s t e m ，w h i c hi sn e c e s s a r yf o r l el a r g eb a t c ho fl e dp r o d u c t i o na n dp l a y sa n i m p o n a | l t r o l ei nl e d p a c k a 百n g b u tm ea u t o m a t i o no fh i 曲q u a l i t yh 船n tb e a c h i e v c dd u et ot h er e q l l i r e m e n t so f1 1 i g ha c c u r a c ya l l dh i g hs p e e d ，a n dt h e c o m p l i c a t e dm o t i o n b a s e do n t h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so f l el e dm e a s l l r e m e n t a i l d s o r t i n gs y s t 鼬，t 1 1 i st h e s i sc a r r i e s o u tt h eg 髓e r a ld e s i 驴，t h em e c h 蛆i c a l d e s i g n ，m ec i r c u i td e s i g na n dp r o 目a m m i n g d u r i n g 也em e c h 粕i c a ld e s i 弘，i no r d e rt oe n s u r et h em o t i o na c c l l r a c y ，a s 谢e so fm e t h o d sa r ea d o p t e dt om i n i m i z et h ei n v a l i ds p a c ea 1 1 dg 印；i no r d e rt o a v o i dl e dd a m a g e ，廿l en e x i b i l i t ym e a s l l r 锄e n ti s 印p l i e dt or e d u c e 廿1 er i 百d i t y o ft h et e s t i n gs e tw i t hp a r t i c u l a rr e q u j r e m e l l t s b e s i d e s ，t h ea p p l i c a t i o no fan e w c 锄i sp u tf o n a r di nt h i st h e s i s al o to fa d v a i l c e da n di n l p l e m c n tc o r n p o n 锄t sa 1 1 dc o n t r d lc o m p o n e n t sa r e u s e di nc i r c u i td e s i g na sw e ua st h ed o l l b l ec p uc o n t r 0 1s y s t e m ，o nt h eb a s i so f w h i c h 也ec i r c u i t si sd e s i 驴e df o ri n d i v i d u a l t a b l ec o n 仃0 1 1 e db ys t e pm o t o r a s f o rt h es o f l w 盯e ，t l l ec o n t m lp r o 铲a mf o rc v e r yp a r ti ss t i l d i e d 抽d e t a i la n dt h e m a i n 缸n c t i o no f m em a d l l i n ei si m p l e m e n t e d t h i st 1 1 e s i sm a k e sad e 印r c s e a r c ha n da p p m a c ht ot h es y s t e mm e c h 趾i c a l d e s i g n ，m e e t st 量l er e q u i r e m e n to ft h el e da u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n ds o r t i n g s y s t e m ，a 1 1 dr e a l i z e sm ep m d u c t i o nt h r o u 曲a s s e m b l yl i n e t h i st h e s i sm a i n l y d i s c u s s e s 趴df o c u s e so nm eg e n e r a ld e s i 驴，m em e c h a l l i c a ld e s i 弘，t h ee l e c 仃o n i c c i r c u i td e s i g n ，m em e l o d st om i n i m i z et l l eg a p ，a n dm em o t i o nc o n t r 0 1 k e y w o r d sl e d ，o n - l i n em e a s 删锄e n t ，a u t o m a t i cs o r t i r 唱，s y s t e md e s i g n i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1l e d 的发展现状和市场前景 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 是2 0 世纪后期发明并发展起来的新型能源。 它是在半导体p n 结处加正向电流时，以高频率发出可见光、红外光、紫外光 的发光器件。 l e d 的发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能 传输。微小的半导体芯片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该芯片时， 带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产 生光子。电子和空穴之间的能量( 带隙) 越大，产生的光子的能量就越高。光 子的能量反过来与光的颜色对应，可见光( 波长范围为3 8 0 7 6 0 咖) 的频谱范 围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，橙色光、红色光携带的能量最少。由 于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光【1 2 】。 l e d 的性能和优点主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 使用寿命长，是普通光源的2 0 3 0 倍。普通白炽灯的使用寿命是 2 0 0 0 3 0 0 0 小时，而l e d 光源器件的寿命为l o 万小时左右。 ( 2 ) 节能效果明显，l e d 发光体的耗电量仅为普通白炽灯耗电量的 1 5 2 0 。 ( 3 ) 抗机械冲击，防震防水，低温散发。 ( 4 ) 体积小，固体化，可任意改变形状。 ( 5 ) 响应速度快”j 。 早期的l e d 主要是普通中低亮度的红、橙、黄、绿l e d ，随着半导体材料 技术进步和应用需求的发展，l e d 也向高亮度、全彩化、显示大型化的方向发 展。1 9 9 4 年第一个蓝色l e d 诞生，标志着彩色显示所需的三基色红、绿、蓝成 为现实，蓝光u m 的出现使人们还能利用倒行转换的磷光材料将较高能量的蓝 光部分地转换成其它颜色，将蓝光与转换磷的黄光整合在一起就能得到白光。 现在仅用l e d 光源就能完全覆盖c i e 色度曲线中的所有饱和颜色，并且各种颜 色l e d 与磷的有机整合几乎能够毫无限制地产生任何颜色，为l e d 的应用拓 展了更广的范围。发光二极管的高亮度化则一直是半导体材料和器件的前沿课 题，超高亮度是指发光强度达到或超过1 0 0 0 1 1 1 c d 的l e d ，提高亮度的方法主要 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 1 6 亿元，就业人员超过1 5o o o 人。9 0 年代中期为发展中期，其基本特点是芯片 制造业开始起步。9 0 年代术开始，大量的上游企业开始在中国大陆涌现，主要 目标是开发i n g a a l p 四元系高亮l e d 器件以及蓝绿光m g a n 外延材料，目前全 国捐j 有各类m 0 c v d 设备约5 0 台，其中相当一部分是从美国、德国进口的先进 设备。 然而，在异常红火的l e d 产业中，国内只有针对l e d 成品进行分光分选的 设备，而没有针对l e d 芯片的分选设备。目前国外经过分选的l e d 每只利润 增加1 分人民币，国内年生产l e d 管2 0 0 亿只，如果有一半的l e d 经过分选， 增加利润近一亿元。由于l e d 的生产方式目前既是高科技产品又是劳动密集型 产品。随着我国加入w 1 o ，我国l e d 的生产量将会大幅度增长，对产品质量 的要求也将越高。此外，发光二极管分谱自动测试与分选设备经不断研制和完 善后，可以逐步推向市场，从而可极大地提高我国l e d 质量，其市场前景可观。 目前，l e d 的材料制备、测试以及关键技术主要在同本和美国厂商的控制 之下。我国大陆地区有许多l e d 生产厂家，但只有3 4 个产商从事上游产品的 开发研究，尚未达到量产的水平。全球每月生产l e d 芯片总量“亿，台湾地 区有六个厂商生产l e d 芯片，生产芯片数量占世界总量的五成以上，我国大陆 地区在近几年有较大的发展，但是生产总量不足世界总量的5 ，主要以中下质 量产品为主。所有这些都是因为目前国内l e d 生产厂家多采用人工目测分选， 还没有一套l e d 分谱自动测试与分选设备，分选结果受到人为因素影响很大， 使得l e d 的产品质量得不到有力的保证。 在国内高校，清华大学、浙江大学等一些国家重点院校，利用学科优势， 积极开展针对l e d 产业的研究工作。其中，浙江大学现代光学仪器国家重点实 验室在l e d 光学参数测试上拥有比较丰富的经验，近几年在l e d 光参数测量 方面取得了很大的进步，并逐步涉足研究l e d 单管的分选设备，便携式l e d 单管分谱检测仪就是其中一个较为成熟的产品。它主要由可调恒流源、l e d 光 源、光学系统、探测系统、单色仪控制系统、采样系统和p c 机主控系统构成。 该仪器能够快速测量l e d 单管的波长，并根据波长进行筛选分类。但是，这种 l e d 单管的分选设备没有实现自动化，分选速度不高，不能够适应l e d 产业化 的要求。此外，武汉理工大学在针对l e d 单管的自动测试和分选设备也进行了 研究，并取得一定的成果。 目前，国内还没有针对l e d 芯片的自动测试和分选系统设备，国外一些知 名企业也在努力研发该项技术。2 0 0 5 年6 月2 3 2 7 日，在深圳会展中心举行的 第1 3 届中国国际电子设备、电子元器件工业及光电显示展览会上，一家台湾公 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 司展出了一台检测l e d 芯片的测试仪器。该设备首先将l e d 芯片在粘性圆盘 上逐个点亮，光传感器接收光线并进行分级，将采集来的信息储存在p c 机中， 然后，把此圆盘放在封装工作台上，依照原来采集的分类信息，有针对性地进 行封装。目前，该项技术并不成熟，也存在不少缺陷，比如，它为后面的工序 带来了很多不便，因为l e d 支架都是1 0 个以上连接在一起的，不可能将支架 上每个l e d 所邦定芯片的类型进行记忆，然后进行分割分选出来。同时，也给 机器视觉定位系统提出了难题。可见，该设备同样没有解决l e d 芯片的在线检 测和分选的自动化。 1 4 课题研究内容和目标 本课题主要是根据l e d 芯片的发光强度和波长等参数实现芯片的在线测试 和自动分选，实现自动化生产。该设备能够提高l e d 芯片的亮度和波长的一致 性，为后续封装提供可靠的保证。预期目标和研究内容为： ( 1 ) l e d 芯片自动测试和分选系统总体设计和布局。 ( 2 ) 对l e d 芯片发光强度和波长进行测试，并能根据要求将l e d 芯片 分成6 0 个等级。 ( 3 ) l e d 芯片自动送料、在线测试和自动分选的机构设计，实现各运动 部件的协调运行，保证l e d 芯片的在线流动。 ( 4 ) 在运动部件的设计和动力的传递中，为达到运动精度要求所采取的 措施。 ( 5 ) l e d 芯片自动测试和分选系统运动部件的电子电路设计，运动控制 程序编制。 此外，如何安全准确地实现l e d 芯片的自动拾取，如何设计柔性探针接触 l e d 芯片进行并使其触发发光，以及各执行部件协调工作时的同步性和通讯问 题等等，都是在论文工作丌展过程中必须克服的问题。 哈尔滨t 业大学t 学硕十学位论文 ud芯片自动测试和分选系统的操作对象是led芯片，它的形状一般是正 方体或者长方体，它的底面尺寸大概有几个统一的标准，比较常见的是55mil ( 密耳，千分之一英寸) 、6 6 m i l 、7 7 m i l 和8 8 m i l ，如图2 2 所示。它在制造 过程后，每个芯片的发光效率和光参数不可能完全一致，使其发光效果受到影 响，所以对它们进行分谱测试也是十分必要的。根据发光机理和设计的不同， 有的l e d 芯片的1 _ f 极在上表面、负极在下表面，有的正负极性都在上表面，针 对尉彗芦掣謦髫j 粥斡静翌叼妞羚强纠柏弋f 鞭霉笠二毽寸孳矗媸蕊媸燃嘎墨。 珏攀焦 垭囊i 嘣蠡g ! 一女j 躐；象薹姜主冽硭西两i 哪嚼彰耐型蕊錾； 氢：薹祭硷争霾囊冀羹囊 萋；：f 莲量尊【俑世 ；自 嘻噬霎霎 ；i i ? | 一l 豢! ；露sk 解的那么重要。“ 在伽利略看来，一个这样重要的问题，科学赖以建立的基本问 题是不能求助于实验来解决的。实验支持或削弱我们的论证。实验并不替代论 证。”用伽利略自己的话来说：“对于我来说，单靠推理建立这个真理也不应该有 困难。”【5 1 美国技术哲学家芒福德( l m 啪f o r d ) 的观点也是如此：“一项创造最 初不是来自工程师一发明家而是科学家事实上，有线电报是由西林而不是莫 尔斯发明的，发电机是法拉第而不是西门子发明的，电动机是奥斯特而不是雅可 比发明的，无线电报则是由麦克斯韦尔和赫兹而不是由马可尼和德弗列斯特发 明】u m e n ，法定符号l m ，定义为一个坎德拉光强的点状光源向一个球面度发射 的光通量。 ( 2 ) 发光强度和光强分布发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱， 单位是坎德拉c a i l d e l a ，法定符号c d ，定义为一平方厘米绝对黑体在金属铂的凝 固温度时发光强度的六十分之一。由于l e d 在不同的空间角度光强相差很多， 随之而来就是光强分布特性。这个参数实际意义很大，直接影响到l e d 显示装 置的最小观察角度。比如体育场馆的l e d 大型彩色显示屏，如果选用的l e d 单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像。 而且，交通标志灯也要求较大范围的人能够识别。 ( 3 )波长对于l e d 的光谱特性，主要看它的单色性是否优良，而且要 注意到红、黄、蓝、绿、白色的l e d 等主要的颜色是否纯正。因为在许多场合 下，比如交通信号灯对颜色就要求比较严格，不过据观察现在我国的一些l e d 信号灯中绿色发蓝，红色的为深红，从这个现象来看对l e d 的光谱特性进行专 门研究时非常必要而且是很有意义的【7 月】。 2 3l e d 芯片光参数测试原理 准确测试l e d 各类光电参数对改善l e d 的性能作用颇大，其中光谱量的 测试基本上有三种方法，一一是把测量光用若干块不同波长的带通滤光片过滤后 到达光探测器，光探测器一般用光电倍增管和硅光电二极管。二是把测量光经 衍射光栅分光后到达线阵c c d 电荷耦合器件。三是用单色仪分光后进行测量。 | 面两种方法主要用于便携式光谱测试仪对l e d 进行多参数一次性快速测量， 用同一结构配置的硬件测量多个参数必然降低测量精度，后一种方法计量部门 运用较多，能得到高精度的测量值，但测量时间较长p l 。 2 3 1 测试原理 硅光电探测器具有体积小、重量轻、效率高、工作安全可靠、使用简单等 优点，已经成为光学仪器的重要组成部分。探测器用于将辐射信号转换为电信 号，是各种应用中实现光电转换的关键器件，其性能的优劣直接影响到整个探 测器的质量，也就是说探测器的选型具有重要意义。在这里，我们采用硅光电 二极管作为光电探测器，它的响应的波长范围较宽，近年来，它已经逐步成为 从近紫外到近红外波长范围内的基本测光元件。 测量头是亮度测试的关键，它的好坏直接影响到测量精度。其结构如图2 - 3 哈尔滨： 业大学t 学硕士学位论文 所示，主要由光电池传感器、机械腔体、光栅和滤光片组成，为了保证被测点 近似为点光源，同时又使传感器感受到被测光，腔体直径、长度和光栅孔径要 合理选择。直径太大、太重影响运动灵活性，太长会使传感器受光太弱而难以 测试。滤光片应结婚光电池的特性曲线选择，保证能构成增益曲线与人眼明视 益线相接近。另外，腔体内壁和光栅都应涂黑。以减少光的反射。 图2 3 测量头结构图 f i 9 2 - 3s t 九l c n l r ed i a 鲫mo f t e s n n gh e a d 2 3 2l e d 光参数测试注意的问题 l e d 测试具有很大的不确定性，它的测试效果的再现性比较差，不同测试 装簧之问的测试结果一致性差。l e d 光源与传统光源之间在物理尺寸、光通量、 光谱、光强的空间分布等方面存在着很大的差异，对它的量测方法有其一定的 特殊性。有专家建议，l e d 参数测试时关注以下几个方面对提高l e d 的测试精 度有重要意义。 ( 1 ) 保证l e d 的驱动电流恒定。 ( 2 ) 在l e d 工作状态稳定时或以稳定的时间间隔进行测量。 ( 3 ) 确保几次测试时的环境温度的一致性。 ( 4 ) 使用再现性较好的测试装置。 ( 5j 确保测试装置得到正确的维护和校准。 要提高l e d 测量精度，需要有一些标准测量方法和标准l e d 加以规范。 为此，国际照明委员会c l e 也专门成立专业委员会对此予以关注，制定并推荐 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 了c i e l 2 7 - 1 9 9 7 “m e a s u r 锄e n to f l e d s ”，希望对l e d 的辐射度、光度和色度的 测量进行规范。鉴于l e d 不仅是一种光源，也是p n 结半导体器件，实际应用 中经常也需要关注它的电参数，只有获知正向电压、反向电压、正向电流的情 况下，才能恰当地利用好l e d 。此外，经常要顾及到人眼对不同颜色的感官反 应，l e d 的颜色特性的重要性也需要有所突显“。 2 4 系统总体构想和组成 目前国内l e d 生产厂家只有针对l e d 单管的分选系统设备，没有针对l e d 芯片的自动测试和分选设备，生产成本一直难以得到降低，产品质量难以提高。 综科机电公司在现有资源和公司成型技术基础之上，开发这套设备，实现l e d 的在线分选，目标是要使该系统能够满足以下要求： ( 1 ) 在测试区内对l e d 芯片夹紧并触发发光，测出l e d 漏电流和起始电 压的大小。 ( 2 ) 在对l e d 芯片进行输送时能实现拾取和放下时保证整齐的排放，以 便后续封装。 ( 3 ) 利用测试装置测试l e d 芯片的光强和波长，并根据要求按光强和波 长分成6 0 级。 该系统实际上是l e d 芯片测试和分选的自动流水线，可以加装到l e d 封 装流水线上。它由自动送料装置、芯片拾取装置、测试工作台、测试探针工作 台和芯片分类装置几部分构成f 1 2 】。如图2 - 4 所示。 该系统设备是一个典型的光、机、电、液、气一体化产品。 首先，将扩张好的有l e d 芯片的粘性盘片放到送料台上进行夹紧，自动送 料装置会在c c d 图像采集系统和图像识别系统的指引下找到初始位置，并锁定 l e d 芯片。开始工作后，游片拾取装置会向指定芯片的位置动作，送料装置会 将目标芯片用钢针从塑料粘性盘片上顶起，同时真空夹具将该芯片吸住并送到 测试工作台( 图2 5 ) 上的工位i 。旋转工作台上面的c c d 图像采集系统会计 算该芯片旋转到工位i i 时的芯片上面极性的位置。如果芯片放偏，也能够利用 探针工作台调整探针的位置，以便测试探针能够及时做出调整，使探针头部移 动到既定位置。当一切都调整完毕，测试工作台向上运动，会使测试探针接触 l e d 芯片上的正极和负极，并使其触发发光，因为探针本身已经和电源相连。 此时，工位i i 正上方的光线接收装置会对光线进行采集并将信息送到c p u 进行 分析分类。然后，测试工作台旋转，将该芯片移动到工位i ，再由芯片拾取装 哈尔滨工业大学工学顿士学位论文 置将这个l e d 芯片取下并整齐地排放到相应级别的粘性盘片上。 芯片拾取装置 芯片 幽2 4l e d 芯片自动测试和分选系统总体布局图 f i g 2 4l a y o u to f t h es y s t e mo f l e d d i e ss o r o r 装置 因为测试工作台是一个均匀分布四个工位的圆盘，为了提高测试效率，在 第一个芯片处于工位i i 时，将会有第二个芯片放到测试工作台工位i 上。同样， 当第一个l e d 芯片在工位i i i 被耿下的同时，第二个l e d 芯片正好处于发光被 测试状态，第三个芯片将会放到测试工作台工位i 上。测试工作台工位一直 取下芯片 芯片装夹 芯片测试 图2 5 测试工作台工位示意图 f 培2 5d i a g 捌：no f t h em t a r yw o r k t a b l e 处于空闲状态。整个过程需要在很短的时问内有条不紊地协调执行，才能够实 现该系统对l e d 的自动测试和分选。 该系统的大部分零件都是用质量轻、硬度高的铝合金加工而成，因为铝的 哈尔滨t 业大学t 学硕l 学位论文 熔点低、热传导率高，遇热变形严重。步进电机是热量的主要来源，为了使热 量不至于传导到其他动作部件上去，该系统采用循环水进行冷却和降温。 针对l e d 芯片体积小、重量轻的特点，对它的抓取采用真空夹具。利用真 空进行表面吸附，以达到夹具的效果。图2 6 所示的就是一个真空夹具，利用 电磁阀对它进行丌关控制。 2 5 本章小结 图2 6 真空吸嘴示意图 f i 9 2 - 6c o l l e t sp i c t u r e l e d 芯片自动测试和分选系统设计是一个崭新的课题。综合国内外芯片封 装设备发展的现状，提出了针对l e d 芯片的自动测试和分选系统研究。首先介 绍了l e d 芯片制造的一般过程，l e d 光参数以及光度测量原理。本章主要介绍 了整个系统的总体构想和组成，详细描述了整个系统以及各部分的工作过程。 吐鏊薹半鏊垂譬蔫羹毳醋誊扎甜岸蠕琅崞蠢一 哐劂阮箍套薹攀茜罪 羹囊 i ； 臣姜曜萋。露暑耐萋3 镬蠢薄肇稀擒萱薹萎嘉军丁鏊垂船啪毛蠢粜挫e 帮鞫三薹 囊 i i i ；f | i i ；l l l 善# l i i ；i ；嘏吲犏崩善饕怫嚼囊l 鐾驻“工七些面片林辐职篓霉菲韩甜啪 辄咒拍 弩墓螺刿取案，审鏊萎瞎习囊鞴目l ；! ；j 。j j i l ! ：班薹蠢洲 ： 驰他枣稚莹卷县 的鼬雾。鞴翡耋馊蘑酯替筻萋r 拈嚣暑薹兽蠹i 鄂萋妻雾羹鄹。剐融旁：蚺孝甬型囊鞠 拍攀耋冀嚣耋耋薹囊麦；9 蓦藩荔塞霪茎：雾觜i 翥嘈箍，譬列蓑萧嚣夔基薹蠹嬖冶盆： 蔫驯删翥鬲謦囊蠡一掌墓谢怒萋r ；邑琴岜謦”明懿；8i 荔妻巧t 裂萄；怔丑篓 篓需g 静囊i 酯洲甜婚蟠鬟霎量u 塑乜f 球冶由竖骣鼎藜善酊；e 娶剖霉我萋冈一衙 堆矗吲z 髫j f 萋磊? j l i 囊囊削；潆孽雕r 酶霉蠢鬟舅罄i 倒啧瀚；诗确姜菲勘，；! ；i 兰坶i ；i ， i ；e 簦誊鐾霉磊蓉! 糍旧涯唰俐隅冷例篓卧荦璧m 萎j 潮譬强誊若妻! 箍划览i ：；涪： j i j j 日誓岛妻室疆， 竺兰篓三些奎兰三兰堡圭兰堡篁兰 第3 章l e d 芯片自动测试和分选系统机构设计 3 1 概述 l e d 芯片自动测试和分选系统设备是一个典型的光、机、电、液、气一体 化产品f “】。根据系统功能，确定本系统将会使用到2 1 个步进电机，3 套c c d 图像采集系统，1 7 副导轨等等。为了达到既定的运动精度，精密定位方式的选 择、步迸电机的选择与细分驱动，以及软件上程序控制都显季导尤为重要。 3 1 1 精密定位方式的选择 l e d 芯片测试和分选系统之所以没有实现较高程度的自动化，与测试和分 选装配所需的严格的条件是有很大关系的。l e d 芯片的测试和分选有很高的精 度要求，因为芯片本身的尺寸就非常小，只有5 5 m i l ，较大的也只有8 8 m i l 。 普通的自动化执行元件很难达到这样的运动精度，如果是多极的运动就更难达 到了。另外，如果芯片测试和分选系统从送料到取下完毕都用机械手自动来完 成的话，整个装配生产线的动作将非常的复杂。对这样的复杂的自动化设备， 控制系统能否合理的实现要求的动作，也是一个比较大的难题。 由此可见，寻找运动精度高的执行元件实现精确定位及采用有效可靠的控 制方式是实现l e d 芯片测试系统的关键。目前，自动化设备中的定位方式主要 有三种：气缸加定位挡块方式、脉冲控制的步进电机或伺服步进电机方式和机 器视觉定位方式”o ”j 。 1 气缸加定位挡块方式气缸是自动化设备中最常用的执行元件。它一般 是执行两点之间的运动，而这两个点的具体位置是靠安置在这两点的定位挡块 来确定的。因此，气缸的运动精度完全取决于定位挡块的定位精度。定位挡块 。般是刚性地安装在气缸上，靠挡住气缸的运动来定住气缸的位置。这是一种 纯机械式的定位，当定位挡块位置定好以后，气缸的运动位置也就定下来了， 基本不存在运动偏差的问题。但是，气缸的运动位置毕竟太少了，运动的速度 也很难控制，面且，在有些空间较小的地方定位挡块很难安装或调得很准。所 以，在要求高的自动化设备上气缸一般不承担精确运送的任务。气缸是通过电 磁阀来控制的。常用的电磁阀一般有两位三通，两位五通，和三位五通三种。 电磁阀是通过电信号控制其内部活塞的运动来控制各个气流通道的开关，进而 墼兰堡三些奎兰二兰筌圭兰堡篁兰 控制气缸的。 2 脉冲信号控制的步进电机和伺服电机电机也是自动化设备中常用的执 行元件，它是靠电信号来控制它的运动的。它是通过磁电作用产生动作，一般 都是输出一个旋转运动，再通过丝杆或皮带等部件可以转化为直线运动。普通 的电机通过电信号的通断来控制它运动的距离或旋转的角度。这种电机的运动 精度相对是比较低的。 步进电机是通过脉冲信号来控制它的运动的。步进电机运动的距离正比于 控制脉冲的数量。但是由于可能存在的外部干扰或机械干涉的影响，控制脉冲 可能产生变化从而导致步进电机运动丢步，精度降低。 伺服电机在步进电机的基础上增加了一个编码器，编码器能记录电机转过 的圈数并反馈给电机的驱动器。驱动器将反馈信号与控制脉冲进行比较，形成 闭环控制使电机的运动精度保证在一个控制脉冲所对应的距离范围内。所以伺 服电机的运动精度相对比较高。 不管是步进电机还是伺服电机都需要有自己的驱动器。驱动器不仅起驱动 放大的作用，它还要接收控制脉冲及反馈信号经过比较运算，再发出驱动脉冲。 控制脉冲一般由计算机发出，这里的计算机包括：可编程控制器，工控机，单 片机等。本文采用步进电机作为动力源，控制单元采用p c 机。其控制原理如图 3 1 所示。 图3 1 步进电机控制原理示意图 f 嘻3 1s c h e m eo f c o n 仃o lt h e o l yo f s 钯pm o t o r 3 机器视觉定位方式机器视觉是图像处理技术在工业上的一项应用。在 某些自动化设备中，电机运动的目标点可能不是固定不变的，可能会存在微小 变化，这样电机每次运动就都需要重新计算运动距离。这时单靠电机就很难达 到要求了。机器视觉就可以很好的解决这一问题。 机器视觉系统应该包括：照明光源，镜头，c c d 像机，图像采集卡，计算 机以及图像处理软件。光源负责照明，工业用像机通过镜头摄取运动目标点的 图像，然后传给图像采集卡，图像采集卡将图像转为数字信号传给计算机，计 算机通过图像处理软件计算出l e d 芯片的准确位置和需要运动的距离，再把这 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 一距离传给电机驱动器。这样电机就可以每次运动到准确的位置了2 2 矧。工作 原理如图3 2 所示。 图3 2 机器视觉定位系统工作原理示意图 f 逗3 - 2s c h 咖eo f m c 血e m yo f 访s i o no r i e n 协t i o ns y s t c m 3 1 - 2 步进电机的选择 为了达到实现相应的运动，保证运动精度和速度，步进电机的选择也十分 重要。选择合适的步进电机不仅仅是节约功率的问题，更重要的是不至于造成 因功率过大而引起负面影响，如步进电机的过冲和振动。步进电机的选定流程 一般如图3 3 所示。 步迸电机的选择基本上分为三步，确定步进电机的运转模式，计算必要转 矩，最后确认选择的步进电机是否合适【1 5 】。 1 确定运转模式以步进电机动作状态来反映驱动机构所要求的动作变化 的示意图叫做运转模式图。步进电机驱动负载的常用形式是步进电机经过联轴 器把动力传到滚珠丝杠，通过螺母机构把旋转运动转化为直线运动，工作台和 螺母机构固连。 ( 1 )计算动作脉冲数动作脉冲数是以脉冲信号来表示将加工物由a 点 移至b 点时，步进电机必须转动的角度。 一：上。型( 3 1 ) 4 = 一一一 l j lj z 。，最 式中爿动作脉冲数； ，由a 点至b 点的移动量； 哈尔滨工业大学丁学硕十学位论文 ，。步进电机每回转一周的移动量； 以步距角 确定驱动机构部件 i s l 乡 计算转速、负载 上 确认所要求的规格 上上 暂时确定马达 上上 最终确认、决定马达 首先确定驱动机构的形式和大致尺寸，然后在确认负载和运转速度。 计算机构中马达驱动轴上的负载转距、负载惯性惯量、转速等。 确认驱动部件和机器所要求的规格( 停止精度、位置保持、速度范 围、使用电压、解析度、环境条件) 。 依据计算得到的马达轴转速、负载转矩、负载惯性惯量，从己决定 的马达种类中暂时选出具体的马达与减速器。 从机械强度、加速时间、减速转矩等各方面再次确认马达、减速气 的规格是否符合要求，然后最终决定。 图3 3 步进电机的选择流程图 f i g ，3 - 3f l o w c h a no f c h o o s i n gm o t o r ( 2 ) 确定运转脉冲速度 ( h z ) 所谓运转脉冲速度是指步进电机在定 位时间内依据动作脉冲数运转时所需的脉冲速度。动作脉冲速度可通过动作脉 冲数与定位时间及加减速时间确定。 ( a ) 自起动运转时在低速领域使用时，无加速时间而直接按运转脉冲速度 起动的方法叫做自起动运转，可依据以下公式计算。因为要求急剧的速 度变化，所以必然需要很大的加速转矩。 f ：兰 ( 3 2 ) 。2 “ 式中如定位时间 ( b ) 加减速运转时在中、高速领域使用时，缓慢变化运转脉冲的运转方法 叫做加减速运转，可依据以下公式计算。一般来说，可依据加速转矩的比例， 将加减速时问f 设定为定位时间的2 5 左右。因速度变化较慢，与自起动运转 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 膜，使芯片在薄膜上面稳定。首先是平台顶起薄膜，真空打开，薄膜被吸住。 此时，芯片拾取装置上的真空吸嘴也已经吸住了目标芯片。然后钢针从平台里 面继续向上运动顶起处于圆形平台圆心处的芯片，芯片被取走。 芯片送料装置包括夹持芯片盘片的y 工作台和底部顶起芯片的x 厂y 亿2 工作台。 夹持芯片盘片的x 工作台包括两个步进电机，两条导轨和两套滚珠丝杠 机构。运动的实现是将步进电机的旋转运动通过联轴器传动到滚珠丝杠，由滚 珠丝杠把它转变成直线导轨上的直线运动。 底部顶起芯片的x z 2 工作台包括四个步进电机，三副六条直线导轨。) 0 y 工作台的作用是调整钢针的作用点位置，使其和芯片拾取装置的作用点重合。z 方向上的运动包括两个，分别由两个步进电机提供动力。这两个电机平行竖直 稚置。第一个电机提供向上的运动，带动第二个电机和附属部件向上运动，它 的主要的目的是使头部的圆形平台运动到一定高度，顶到芯片圆盘的薄膜。当 该动作结束后，钢针就要向上运动顶起位于圆心处的l e d 芯片，这个运动的动 力源就是由第二个电机提供的。这两个电机输出轴端部直接连接丝杠螺母机构。 因为这个部分处于频繁运动状态，所以，螺母机构通常采用耐磨的材料制成， 如黄铜、t u r c i t e ( 一种塑料，耐磨，质硬，蓝色) 等。同时，因为是频繁的 上下往复运动，为了保证运动的精度，必须消除丝杠螺母机构反向运动时的虚 位。此处采用弹簧压紧螺母的方式，使螺母紧紧地靠在丝杠上螺纹的一侧表面 e 。 3 3 芯片拾取装置设计研究 由于l e d 芯片尺寸较小，一般只有5 8 m i l ( 1 2 弘2 0 3 啪) ，近乎立方体形， 重量也很小。如果直接用机械夹具进行装夹会比较困难，夹具设计和加工也不 容易。考虑以上因素，选用真空夹具对芯片表面进行吸附，以达到装夹的目的， 拾取装置选择用真空吸嘴、电控电磁阀组合完成【l 引。真空吸嘴如图2 - 1 0 所示。 因为真空吸嘴( c o l l e t ) 的头部有一个小的圆形平台，有利于将l e d 芯片吸 附起来，所以国内外绝大部分厂家对尺寸较小的芯片的拾取都采用这种形式。 六十年代前后，由于宇航和航空等技术发展的需要，对实现小范围内偏转 的支承，不仅提出了高分辨率的要求，而且对其尺寸和体积提出了微型化的要 求。人们在经过对各种类型的弹性支承实验探索后，逐步开发出体积小，无机 械摩擦、无间隙的柔性铰链。随后，柔性铰链立即被广泛地用于陀螺仪、加速 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 在滚子轴承上面。这种结构其实是凸轮结构的一种演化，它的原理和左图所示 的凸轮结构是一致的。优点是它能够在有限的空间里十分方便的实现运动形式 的转换，结构的耐用度和可靠性也比传统的凸轮结构高很多，大大降低了加工 难度。 - 豆 弋7 e 、 j 爿 n “ 、轴承 厂 旧_一 溴 i j 葡 杖， 、，蚓ji 醛缈 图3 5 常用凸轮机构和新设计凸轮机构示意图 f i g 3 - 5s c h 锄eo f c o n m e nc 眦s e ta n dn e wt y p o e 竖直方向的运动频率也很高，每当一次工位的转换，凸轮机构必须完成一 次上下的往复运动。相对于这个提供竖直方向运动的步进电机来说，测试工作 台、实现工作台旋转的步进电机、实现传动减速的一对齿轮和附属装置都是负 载。可见负载的质量也比较大，但是相对于步进电机提供的扭矩来说这个负载 并不大。考虑到往复运动的频率较快，当频率较大时，肯定出现上面的工作台 整体会与滚子轴承脱离，因为仅仅依靠工作台的重力因素使其回位不能达到高 频率运动的要求。所以，在凸轮的两侧加装了两根拉力弹簧，依靠自身重力和 弹簧的弹力使工作台和滚子轴承紧紧地贴在一起，以保证运动的准确性和精度。 3 4 _ 3 旋转运动实现 为了使测试工作台顺序准确地旋转，每转一次的角度控制在9 0 o 0 1 。提 供旋转运动的步进电机转速较快，而实际的测试速度一般是1 2 5 万s ，所以要对 电机进行减速。同时，考虑到旋转精度的问题，用皮带传动的好处是皮带能够 吸收步进电机由过冲引起的振动，但是精度不能保证。综合考虑选用齿轮啮合 哈尔滨工业人学工学硕上学位论文 对电机进行减速，传动比为1 ：4 。虽然工作台工作的时候始终在顺时针转动( 从 机台上方看) ，但是，一旦停止运动，或者在每次开机时步进电机要进行重新回 到初始位簧，不可能避免齿和齿之间出现间隙，造成运动位置的不准确。为了 消除齿轮侧隙，提高运动精度，本文采用了双啮合面齿轮组和拉力弹簧的组合。 它的结构如图3 6 所示。有两个从动齿轮，侧面紧贴在起，在齿轮轮辐上面 对称布置有两个环形槽，槽内有四个螺钉分别固定在两个齿轮的侧面上，拉力 弹簧的两端就分别固定在螺钉上，造成两个齿轮有相对转动的趋势，这样主动 齿就被两个从动齿紧紧地夹在中间，从而消除了齿轮反复变向运动时的间隙。 从动齿轮l 的轴孔与齿轮2 的齿轮轴之间是间隙配合，齿轮2 的齿轮轴通过紧 定螺钉与输出轴实现传动。 拉力弹簧齿轮l 图3 6 双面齿轮结构示意图 f i g - 3 6g e a r sw i f hd o 曲l e 如c e si nm e s h 3 4 4 旋转工作台的设计 螺钉 轮2 旋转工作台是测试工作的关键，它准确无误地运行需要各方面的保障。旋 转工作台按顺时针方向运转，所以，其他的附件不能和它有连带关系，在此基 础上，真空丌关的设计采用机械式完成。如果采用电控开关，在四个工位的下 方都必须安装一个两位两通的电磁阀，才能够对该工位的真空夹具的状态进行 准确控制。但是，四个电磁阀将会有8 根导线，如果不采用电刷将会使导线缠 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 除了因为往返运动的而造成的间隙，给加工降低了难度，提高了生产效率。 在这两个工作台中，步进电机使用的是三洋两相混合式步进电机，直线导 轨使用的是n s k 公司的7 i 姗宽度系列。 3 6 分选装置设计 l e d 芯片测试和分选系统的最后一部分就是芯片分选装置，它由圆盘夹持 工作台和圆盘存储盒组成。 圆盘央持工作台主要由) 工作台、圆盘夹持装置和芯片放置辅助装置构 成。它的任务是根据测试的结果，从圆盘存储盒中取出相应的圆盘，移动到一 个既定的位置，等待芯片拾取装置将测试完成的l e d 芯片按照顺序整齐地放在 圆盘上面。和l e d 芯片被检测之前、从圆盘上取走的时候类似，在放置的点上