（机械设计及理论专业论文）高速高精度led键合机焊头的设计与开发.pdf

摘要 摘要 全自动l e d 键合机由精密机械结构、电气控制和图像识别及光电检测部件等 组成，包括感知和控制外界信息的传感器( 如：位置、速度、力、光、磁、热、气 等) 和执行器，充分表现出多学科前沿的高度综合和渗透。目前先进的l e d 键合 机基本上被国外大公司所垄断，这成为我国半导体封装行业发展的一个瓶颈，如 何开发出高性能的此类设备便成为国内研究开发的重点，其中机械系统由于机构 复杂烦多，是开发此类设备的难点之一。而焊头系统又是整个机械系统最主要的 组成系统之一，开发出高性能的焊头系统，很大程度上也就提高了整机的性能， 因此需要进行焊头系统的开发、优化及相关方面的问题。本课题来自2 0 0 5 年广东 省关键领域重点突破项目电子元器件专用设备关键技术的子项目：全自动l e d 键 合机( t c 0 5 8 3 7 2 - 1 ) 。 本文以全自动l e d 键合机为研究对象，着重论述焊头系统。所研究开发的焊 头系统，利用两个极限位互成9 0 。的曲柄摇杆机构和端面偏心轮机构带动焊臂， 达到了高速高精度的要求，同时采用滚动轴承等标准转动副代替直线运动副，大 大减少了机械加工量，缩短零件的制造周期和降低生产成本，达到了精确平稳的 要求，避免了像进口设备那样，精度依赖于直线运动副，且减轻了运动部件的质 量。 使用三维设计软件p r o e n g i n e e r 对焊头系统部件进行三维建模、虚拟装配和 零件工程图纸的绘制，同时使用p r o e n g i n e e r 运动仿真模块m e c h a n i s m p r o 对焊 头机构进行运动仿真，并对仿真结果进行分析。 焊头系统的检测和精度控制是整机粘片质量好坏的关键，本文对焊头系统运 动检测与精度控制进行了论述，提出了解决芯片漏失的光敏检测方法和通过实验 得出提高芯片位置精度的方案，设计与开发了焊头系统逻辑控制。 关键词：键合机；曲柄摇杆机构；运动仿真；漏晶检测；机构时序 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea u t o m a t i cl e dd i eb o n d e rw h i c hi sc o m p o s e do fp r e c i s i o nm e c h a n i c a l s t r u c t u r e 、e l e c t r i cc o n t r o l 、i m a g ei d e n t i f ya n dp h o t o - e l e c t r i c i t yd e t e c t i o np a r ta n ds o o ni n c l u d e st h ee x e c u t ei m p l e m e n ta n dt h es e n s o rw h i c hc a na p p e r c e i v ea n dc o n t r o l t h eo u t s i d ei n f o r m a t i o n ，w h i c hf u l l yp u t s u pt h em u l t i - s u b j e c t sf r o n t i e r s h i g h s y n t h e s i sa n do s m o s i s a tp r e s e n t ，t h ea d v a n c e dl e dd i eb o n d e ri sm o n o p o l i z e db y t h e b i gf o r e i g nc o m p a n i e sb a s i c a l l y ，w h i c h b e c o m eab o t t l e n e c ko fc h i n a s e m i c o n d u c t o re n c a p s u l a t i o ni n d u s t r yd e v e l o p m e n t ，h o wt od e v e l o ph i g h p e r f o r m a n c e o fs u c hf a c i l i t i e sh a sb e c o m et h ef o c u so fd o m e s t i cr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t ， b e c a u s eo fm o r et r o u b l ea n dc o m p l e xm e c h a n i s m ，t h em e c h a n i s ms y s t e mb e c o m eo n e o ft h ed i f f i c u l t i e st o d e v e l o p m e n ts u c he q u i p m e n t a n db o n d h e a di st h em o s t i m p o r t a n tp a r t o fm e c h a n i s ms y s t e m ，t o d e v e l o ph i g h - p e r f o r m a n c eb o n dh e a d m e c h a n i s mw i l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h em a c h i n et oal a r g ee x t e n t ，s oi ti s n e c e s s a r yt od e v e l o pa n do p t i m i z et h eb o n dh e a dm e c h a n i s ma n dr e l a t e da s p e c t s t h i s t h e s i sc o m e sf r o m2 0 0 5g u a n g d o n gk e yd o m a i np r o j e c te l e c t r o n i ce l e m e n ts p e c i a l e q u i p m e n t sk e yt e c h n o l o g i e s a u t o m a t i c s e m i c o n d u c t o r c h i p d i eb o n d e r ( t c 0 5 8 3 7 2 - 1 1 t h eb o n dh e a ds y s t e ms t u d yi nt h i st e x tb a s e do nt h ea u t o l e dd i eb o n d e r t h e b o n dh e a ds y s t e md r i v et h eb o n da r mb yc r a n k r o c k e rm e c h a n i s mw h o s el i m i t e d l o c a t i o ni s9 0 。a n de c c e n t r i cr o u n dm e c h a n i s m i tu s et h es t a n d a r dt u r n i n gk i n e m a t i c p a i ri np l a c eo fs t r a i g h tk i n e m a t i cp a i r ，s u c ha sr o l l i n gb e a r i n g ，w h i c hr e d u c e st h e w o r ko fm a n u f a c t u r e ，s h o r t e n st h ec y c l eo fm a n u f a c t u r e ，r e d u c et h ec o s ta n dr e a c ht h e r e q u e s to fe x a c t i t u d es t a b l e n e s s i t sp r e c i s i o na v o i dd e p e n d i n go nt h es t r a i g h t k i n e m a t i cp a i rl i k et h ei m p o r t i n ge q u i p m e n ta n dl i g h t e n st h ew e i g h to f m o v i n gp a r t s t h e3 dm o d e l i n go fb o n dh e a di sa c h i e v e dw i t hp r o e n g i n e e r t h ed u m m y a s s e m b l ea n dt h es c h e d u l ed r a w i n gi sa l s oc o m p l e t e d a tl a s tt h em o v i n ge m u l a t i o ni s a c h i e v e dw i t ht h em e c h a n i s mo fp r o e n g i n e e r ，a n dt h ee m u l a t i o nr e s u l ti sa n a l y z e d i i a b s t r a c t t h et e s t i n ga n dp r e c i s i o nc o n t r o la r ep i v o t a lt ot h eq u a l i t yo fp i c k i n gu pc h i p t h et h e s i sd i s c u s s e st h et e s t i n ga n dp r e c i s i o nc o n t r o lo ft h em o v e m e n to fb o n dh e a d s y s t e m ，r e s o l v et h a tt h ec h i pm i s sb yt h et e s t i n gm e t h o dw i t hp h o t o s e n s i t i v ea n d i m p r o v et h el o c a t i o np r e c i s i o no fc h i pb yt h ee x p e r i m e n t a tl a s t ，t h i st h e s i sd i s c u s s e s t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fl o g i c a lc o n t r o lo fb o n dh e a ds y s t e m k e y w o rds ：b o n dh e a dm a c h i n e ；c r a n k r o c k e rm e c h a n i s m ；m o t i o ns i m u l a t i o n ； m i s s i n gd i ed e t e c t i o n ；m e c h a n i s mt i m i n g i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 6 2 指导教师签字： 论文作者签字： 凹年6 月f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 2 0 0 2 年至上2 0 0 7 年期间，全球i c 封装市场以7 9 的年复合增长率成长， 到2 0 0 7 年全球i c 封装市场规模己达2 0 0 亿美元。2 0 0 3 年仅美国对中国的半导体 产品出口就已经达到了约2 0 亿美元，中国的集成电路市场的产值大约在19 0 亿美 元，居全球第三。虽然目前国外的进口占据了8 0 的市场，但中国国内的半导体 工业正在迅猛发展。2 0 0 0 年中国的i c 需求量达到2 3 2 亿块，总额为9 7 5 亿美元， 与1 9 9 9 年相比，市场需求量和总额分别增长了4 0 和7 8 ，预计这种增长仍将 保持二三十年。i c 产业的强劲增长，为i c 封装设备制造来带来巨大的发展机遇， 国内封装设备2 0 0 1 年总销售收入1 3 0 亿元人民币，2 0 0 2 年的总销售收入约2 0 9 3 亿元人民币。美国市场研究公司( c i r ) 预测，未来5 年全球l e d 增长率为3 0 ， 将从2 0 0 4 年的4 4 亿美元增长到2 0 0 8 年的6 8 亿美元，发光二极管的快速发展为 半导体照明产业设备制造也提供很好的发展契机。i c 芯片与封装之间是皮肉关 系，是不可分割的整体。i c 封装技术将越来越成为i c 产业的瓶颈。随着i c 生产 技术的进步，封装技术也不断更新换代，每一代i c 都与新一代的i c 封装技术紧 密相连1 1 。 i c 芯片封装设备由精密机械结构，电气控制和图像识别及光电检测部件等组 成，包括感知的控制外界信息的传感器( 如：位置、速度、力、光、磁、热、气等) 和执行器，充分表现出多学科前沿的高度综合和渗透【2 1 。 目前如何进一步提高该类设备的速度与精度，特别是提高其高速运动条件下 的性能是国内外研究开发的热点【3 j 。因为随着i c 封装技术的提高，体积越来越小， 脚位与脚距越来越密。与之同时对i c 封装设备的要求也会越来越高。随着无铅封 装的推行与普及，封装的工艺要求，及配套的附料的要求均需随之提高【4 j 。 全自动l e d 键合机是半导体发光二极管、三极管后工序生产线关键设备之 一，主要由送料系统、粘晶系统、芯片供给系统、传送系统、下料系统以及芯片 检测系统几大部分组成。国外一些大公司如日本n e c 公司、瑞士e s e c 公司、荷 兰a s m 公司以及韩国的s a m s u n g 等大公司都连续推出各自特色的全自动l e d 广东工业大学工学硕士学位论文 键合机。每台机售价都在l0 万美元左右。经过研究，这类机型关键技术采用了先 进的视觉检测技术和定位技术，配合高速高精度的焊头运动系统和芯片供送系统 达到高速、高产、高质和高可靠性的目的，国外厂商为保持竞争力，对核心技术 都实行了严密的封锁政策，目前国内大部分企业该类设备主要依靠进口，耗费大 量外汇，因此我们更要投入资金、人力进行科技攻关。 半导体生产专用设备集光、机、电各专业最前沿技术于一体，代表了国家和 地区的精密制造水平。和半导体制造前工序相比，半导体后封装工序在更大程度 上依靠其装备水平，即生产线专用设备水平，据有关资料介绍，到2 0 1 0 年，中国 将成为全球第二半导体工业国。但国产半导体设备与国外相比还有很大差距，2 0 0 2 年国产装备在国内半导体装备市场的占有率不到2 ，仅占我国半导体待业销售 额的约0 5 ，占全球半导体设备销售额的0 1 左右。因此半导体生产设备国产 化势在必行。 半导体设备贯穿着半导体产业链的全过程，是半导体产业链的主要组成部分。 半导体器件的更新换代是靠采用新的半导体工艺来完成的，而新一代的半导体工 艺又是靠更新一代的半导体设备加工实现的，通常半导体设备的研发要领先于半 导体工艺3 5 年。目前，美国、日本和欧洲对我国实行禁运的电子设备之一就是 小于o 18 1 t m 的工艺半导体制造设备。为此目前国产封装设备，模具的品种和水 平与市场需求差距较大。 2 0 0 1 年，中国市场的芯片销售额为1 6 5 2 亿元，其中的7 0 用在珠三角，因 此，对i c 封装设备需求很大，2 0 0 0 年我国i c 产业用于购买设备总投资约3 0 0 亿 元人民币【5 j 。广州市半导体器件厂、广东省半导体器件厂、佛山蓝箭电子有限公 司、佛山国星光电股份有限公司等单位是国内有名的半导体分立器件厂，每年需 从国外进口昂贵的全自动l e d 键合机、全自动焊线机等封装设备及其配件。 为了从根本上摆脱这种状况，必须大力开展微电子制造与封装技术的研究和 实用设备的研发，掌握核心技术，研发具有自主知识产权的产品。本课题是“广 东省关键领域重点突破项目电子元器件专用设备关键技术( t c 0 5 8 3 7 2 1 ) ”项目的 一部分，课题预期目标是设计出全自动l e d 键合机样机三台，并投入生产。 广东省开展l e d 键合机产业化研究具有更多的有利条件，广东的发光二极管 和半导体三极管生产销售占全国的半壁江山，同时珠江三角洲的传统照明产业也 极其发达，又地处改革开放的前沿，与国外同行技术、贸易联系密切，市场化程 2 第一章绪论 度高，产业基础雄厚，己初步奠定了在全国半导体发光二极管、三极管产业中的 地位，因此本项目的实施将加速广东省半导体产业的建立和壮大，促进广东省国 民经济可持续发展，具有巨大的社会意义和经济意义。 1 2 键合机的研究现状 目前先进的i c 封装设备基本上被国外大公司所垄断，如美国的k & s 、瑞土 的e s e c 、日本的t o s o k 、n e c 、香港的a s m 、韩国的t s m 等。i c 封装设备可 达到的有关技术参数是：定位精度( 5 1 0 ) g m ，频带宽度3 0 0 h z ，加速度6 1 0 9 ， 焊头往返速度达到1 5 0 0 0 次d , 时；预计下一代i c 封装设备可达到的有关技术参 数是：定位精度( 2 5 ) l a m ，频带宽度4 0 0 h z ，加速度1 5 9 ，焊头往返速度达到3 0 0 0 0 次d , 时【6 1 。 在机构上，n e c 等公司2 0 0 2 年最新推出的高速键合机，都采用了大行程多 头丝杆传动机构，香港a s m 正在研发应用直线电机、磁悬浮导轨等先进元件1 7 引。 在运动控制上，主要是研究如何消除快速起停引起的宽频振动，主动控制定位系 统的低频振动是当前发展的主要路线【7 91 0 】。在机器视觉上，当前的研究重点在硬 件方面集中于光路和照明的优化设计或配置，在软件方面集中于高性能图像对准 算法，如归一化相关检测技术1 1 1 、几何特征匹配技术等1 2 13 1 。另外，基于d s p 芯片的运动控制系统，图像识别系统也正处于研究阶段。因此，高速度、高精度、 高可靠性是芯片键合机的发展方向。 高速、高精度全自动l e d 键合机是半导体芯片封装的关键设备之一。键合机 由上料、送料、点浆、导轨、顶针、焊头、下料和图像识别等多个结构部件组成， 由多个微型电动机完成精密的动力驱动，通过开放式计算机系统、相关的硬件和 软件实现运动控制、系统控制和协调，使用位置和光学传感元件器检测各方面动 作，采用c c d 图识别技术来实现芯片的全自动识别和筛选等。该设备具有精密、 高速、不间断、局部高温、间歇运动等工作特点。 国内有些单位也在研制或生产一些国外已经淘汰的手动型、半自动型的芯片 键合机，总体水平与国外先进水平相差2 4 代。如：桂林漓江无线电专用设备厂 生产简单的手动型键合机，没有自动送晶圆和上料、下料机构，没有自动图像识 别系统；西北机器厂生产半自动型键合机，没有自动图像识别系统，无论速度还 是精度都与国外同类产品还有很大差距。深圳商巨自动化公司正在研发6 - 8 ”自动 广东工业大学工学硕士学位论文 芯片键合机，于2 0 0 1 年9 月召开了技术论证会，现在仍未见样机报道。目前就中 国电子科技集团第四十五研究所已经做出样机。国内针对芯片键合机开发技术开 展综合研究的活动还很少，特别是缺乏相关的工艺过程与工艺参数的研究积累， 还没有形成自主的高速芯片键合机设计能力，对先进的芯片键合机设计的核心技 术尚未掌握。 近年来，国家自然科学基金委员会已经意识到发展中国电子制造业的迫切性， “十五”期间设立了重大项目“先进电子制造中的重要科学技术问题研究”【1 4 】， 并将“面向芯片键合机的高加速度运动系统的精确定位和操作”【l5 】列为其中的重 要研究方向。国内一些知名高校在2 11 建设中均将芯片封装和m e m s 技术列为重 点学科发展方向。同时，国内不少学者也对i c 封装设备进行了一些独创性研究， 如：李克天，陈新等设计了斜面四连杆焊头机构，采用滚动轴承等标准转动副代 替直线移动副，从而降低了粘片机焊头机构运动精度对直线运动副的依赖【l6 】；刘 绍军等研究了视觉多功能贴片机的图象处理算法，采用有选择的局部平均化对芯 片图像进行平滑处理，并分别用四邻、八邻和二阶巴特沃斯高通滤波器对芯片图 像进行增强，获得了满意的效果【17 1 。 与我国相比，国外对i c 封装设备的研究起步更早，技术更显成熟，其研究的 重点有： ( 1 ) 对机械结构及驱动模式的研究。i c 封装设备中所需要的高精度运动系 统要求具有高刚度的机械结构和简洁的驱动模式。直线永磁同步电机以其固有的 直接驱动方式、无回差间隙、简单结构和高推重比性能而被广泛采用【l 引。为克服 摩擦给运动控制带来的困难，气动悬浮和磁悬浮技术在x y 平台上得到了一定的 应用【1 9 j 。 ( 2 ) 对控制器的研究。在控制器设计方面，a l t e r 等将巩最优反馈控制用于 直线电机伺服系统中的位置反馈和力反馈，刚度比p d 控制的系统提高 7 0 一1 0 0 2 0 1 。t o m i z u k a 等提出了一种基于线性控制理论的四单元控制器，设计 了反馈环节和补偿环节【2 1 1 。 ( 3 ) 对力控制的研究。在高速、高加速度工况下，接触过程中的微小位移， 常常会引起很大的挤压作用力，由于引线、芯片等均为精密元件，稍有不慎，就 会断线或损坏芯片，因此在芯片封装过程中需要无超调力控制。以外部力环包容 位置环为代表的现代控制结构和以智能力位并环为代表的智能控制结构是两种 4 第一章绪论 比较有效的新策略1 2 2 。 ( 4 ) 对视觉定位的研究。视觉定位精度由视觉测量系统的软、硬件分辨率及 其鲁棒性所决定，当前的研究重点在硬件方面集中于光路和照明的优化设计或配 置，在软件方面集中于高性能图像对准算法的开发。归一化相关检测技术作为一 种经典的视觉定位方法已成功地应用于全自动引线键合机中。l a l 等应用运动光 流模型提出了一种新颖的视觉定位方法，但所提出的算法没有采用仿射空间中元 素微分增量的内蕴表达形式，因此不够简洁和高效。 随着国际l e d 市场向中国的转移，国内l e d 生产设备发展滞后于产品的现 象将更加突出，这为国内设备制造商提供了良好的发展机遇。 1 3 本文的主要研究内容 本文在分析现有l e d 芯片键合机焊头系统优缺点的基础上，根据整机设备的 设计开发要求，利用四连杆机构原理，研究开发出独特的焊头机构，实现了对芯 片精确平稳地拾取、传送和粘贴，并成功地应用到整机设备开发之中，满足了整 机功能和性能的要求。 本文主要完成了下面几个工作： ( 1 ) 首先对键合机进行了概述，论述了全自动l e d 键合机的功能和系统结 构。讨论焊头系统要实现的功能，分析如何实现这些动作。分别讨论了摆臂四连 杆机构( 包括四连杆机构的工作特性、压力角和传动角等) 、端面偏心轮机构以及 焊臂机构。 ( 2 ) 使用三维建模软件p r o e n g i n e e r 对焊头系统建模、装配和绘制工程图纸。 运用p r o e n g i n e e r 运动仿真模块m e c h a n i s m p r o 对整个焊头机构进行运动仿真， 并对仿真结果进行分析。 ( 3 ) 论述焊头系统运动检测与精度控制，提出检测芯片漏失的光敏检测和粘 片精度控制方案。设计与开发出焊头系统逻辑控制方案，详细论述焊头执行机构 的选型计算，确定焊头系统各个机构的逻辑控制。 最后是对全文的工作总结和展望。 5 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章键合机的系统结构与功能 2 1 键合机概述 全自动l e d 键合机是集光、机、电、气控制于一体的现代化设备，具有精密 的机械结构、复杂的控制系统和高速高精度的运动特性，所面对的两个直接对象 是小尺寸的l e d 芯片和引线框架，芯片的尺寸一般在毫米级以下( 0 2 r a m 0 2 r a m ) ， 很薄且易碎。而引线框架上由于有承载芯片的反光小杯，使得其在封装的时候只 能被垂直放置，这是l e d 封装的特点。因此对其粘片设备无论是在结构和控制方 面都有严格的要求。根据芯片粘合工艺的特点，l e d 键合机的工作流程一般如图 2 1 所示【2 3 1 。 图2 - 1 全自动l e d 键合机工作流程图 f i g 2 1w o r k i n gf l o wc h a r to f a u t o m a t i cl e dd i eb o n d e r 本课题所设计的全自动l e d 键合机完成的主要工作有四个：一是实现全自动 的上料，即实现机械将l e d 引线框架片分离并自动送到导轨中传送；二是将适量 的粘接剂( 银浆) 均匀地注入l e d 引线框架杯中；三是将l e d 芯片从晶圆膜上 提取且准确的置于引线框架杯中，其中还包括芯片位置和质量的检测；四是粘片 后自动将l e d 引线框架放进料盒，即实现自动落料。为精确的完成这几项工作， 需要对键合机从机械结构、驱动机构、定位方案、控制模块的软件、硬件、控制 时序、检测传感器等诸多方面进行设计和选型。本课题研制的工程路线如图2 2 所示，在样机开发的过程中，采用自行设计、加工和购买相结合的方式开展。对 6 其中的标准件和部分零件、硬件设备从经济角度和使用性能方面进行选型和购置， 并在此基础上设计其它的零部件和控制模块。 图2 - 2 样机研制工程技术路线 f i g 2 - 2t e c h n i c a lr o u t eo fp a t t e r nm a c h i n ed e s i g n 2 2 键合机系统结构 一般的l e d 键合机设备包括了上料机构、送料机构、点浆( 或点胶) 机构、芯 片供送机构、芯片拾放机构、收料机构、机器视觉系统和控制系统圈2 4 1 。全自动 7 广东工业大学工学硕士学位论文 的键合设备具有高速度、高精度的特点，但其购买价格和维护成本也很高。本课 题所开发的全自动l e d 健合机力求简易、实用，在参照进口的芯片键合设备以及 其它相关设备的基础上，根据l e d 自动封装的特点，以保证一定的粘片精度的同 时以提高粘片速度为目标，简化设备结构和控制复杂程度。本次课题所开发的设 备大致包括了机械结构模块、控制系统模块、机器视觉模块，具体如图2 3 所示。 图2 3 全自动l e d 键合机系统结构 f i g 2 - 3s y s t e ms t r u c t u r eo f a u t o m a t i cs e m i c o n d u c t o rd i eb o n d e r 机械系统是整个机器的轮廓构架，是实现控制要求和完成各项工作的最终执 行元件，因此本课题首先从机械系统零部件的选型、机构设计、三维建模开始。 机械系统往往要求重量轻，体积小巧，同时还需满足高刚度，良好的稳定性等要 求，在整个的设计过程中需要涉及到零件结构设计、加工工艺、材料选择、装配 调试等方面。当前，使用三维绘图软件设计零部件结构，整机装配，进行运动和 力学分析甚至虚拟制造的技术已经非常普遍，它能够缩短研发设计周期，减少重 复性工作，降低设计开发成本。本文选用由美国p t c 公司开发的p r o e n g i n e e r 8 第二章键会枫缒黍蝴与麓畿 律为兰维设计虢侔争落款件是当今使用率根高的高挡c a d 赣件之一，除继承臻 版本的强大功能外，更实现了易用性、撵作简易性、实用性等方面的提高。本裹 所开发的设备窦现了对上料、送料、吸片、粘片、下料的全自动纯，不但提高了 精度，也大大提高了设备的效率。整个机械系统涉及的零部件和机构繁多，设计 任务很重，整个机械系统的设计由本人和同学颜旭晖及郑开经共同完成，软件部 分由西安交通大学的学生完成，然后一起协作调试样机。如图2 4 为本课题所开 发设备的机械系统，本人具体负责其中的焊头装置、点银浆装置和顶针装置的设 计。焊头装置是整机最重要的机构之一，是整机的核心，点银浆装置和顶针装置 机械结构相对简单，本文不作论述，下面重点对焊头装置的设计进行叙述乜 图2 4 垒自动l e d 键台机机械系统 弱参2 - 4m e c h a n i c a ls y s t e mo fa u t o m a f i cs e m i c o n d u c t o rd i eb o n d e r 9 广东工业大学工学硕士学位论文 第三章焊头系统的结构设计和开发 3 1 焊头装置 如图3 1 所示为焊头系统运动示意图，拾片位为在晶圆上吸取芯片的位置， 粘片位为在引线框架上粘焊芯片的位置。工作时焊头将分布在晶圆上的i c 芯片逐 一拾取，并按照以d 为圆心，焊臂为半径的四分之一弧线传送到引线框架的特定 位置粘接。 为完成上述动作，本文采取曲柄摇杆机构带动焊臂实现r 方向的摆动动作， 用端面偏心轮机构实现上下z 方向的动作，同时还包括焊臂机构，下面将详细论 述这三种机构。 图3 1 焊臂运动示意图 f i g 3 - 1s k e t c ho fb o n da r mm o t i o n 3 2 摆臂四连杆机构 3 2 1 平面四连杆机构的基本形式 平面四杆机构最基本的型式为图3 2 所示的曲柄摇杆机构。图中么。鼠为机架， 4 么和玩b 为连架杆。其中构件么。么能绕其固定铰链中心作整周转动而称为曲柄， 构件鼠b 只能绕其固定铰链中心在一定范围内往复摆动而称为摇杆。构件a b 不与 1 0 第三章焊头系统的结构设计和开发 机架直接相联而仅仅绕两连架杆4 4 和玩b ，因而称为连杆。连杆机构正是因为 连杆的存在而得名【2 5 1 。 图3 - 2 曲柄摇杆机构 f i g 3 2c r a n k - r o c k e rm e c h a n i s m 曲柄摇杆机构之所以是平面四杆机构中最基本的机构，乃是由于其它平面四 杆机构均可视为它的派生机构。例如图3 2 所示的曲柄摇杆机构中，若将构件1 作为机架，则为一双曲柄机构；若将构件3 作为机架，则为一双摇杆机构；若将 构件2 作为机架，则成为另一曲柄摇杆机构。至于曲柄滑块机构、转动导杆机构、 曲柄滑块机构及移动导杆机构等，均可视为是由曲柄摇杆机构通过不同的演化途 径直接或间接派生而来【2 6 1 。 3 2 2 平面四杆机构的主要工作特性 1 铰链四杆运动链中转动副为整转副的充要条件 在铰链四杆运动链中，某一转动副为整转副的充分必要条件【27 j 是组成该转动 副的两构件中必有一个构件为最短构件，且四个构件的长度满足杆长之和条件。 在铰链四杆运动链中，如果四个构件的长度不满足杆长之和条件，则四个转 动副均为摆动副。从而无论取哪个构件为机架，均得双摇杆机构。 如果铰链四杆运动链中四个构件的长度满足杆长之和条件，且其中一个构件 的长度小于其他三个构件中任一构件的长度，则该最短构件所联接的两个转动副 均为整转副，另两个转动副均为摆动副。此时，若取最短构件为机架，则得双曲 柄机构；而取最短构件的任一相邻构件为机架，则得曲柄摇杆机构；又若取最短 构件的对边构件为机架，则得双摇杆机构。 如果铰链四杆运动链中有两个构件长度相等且均为最短，则根据杆长之和条 广东工业大学工学硕士学位论文 件可知：若另两个构件长度不相等，则不存在整转副；若另两个构件长度也相等， 则当两最短构件相邻时，有三个整转副，当两最短构件相对时，有四个整转副 2 8 1 。 2 曲柄摇杆机构压力角和传动角分析 在图3 3 所示的曲柄摇杆机构中，若不考虑构件的惯性力和运动副中的摩擦 力的影响，当曲柄a b 为主动件时，则通过连杆b c 作用于从动件摇杆c d 上的力p 即沿b c 方向。该力p 的作用线与其作用点c 的绝对速度环之间所夹的锐角a 称为 压力角【29 1 。 、一一，7 尸 图3 - 3 血柄摇杆机构传动角分析 f i g 3 - 3t r a n s m i s s i o na n g l e sa n a l y s i so fc r a n k r o c k e rm e c h a n i s m 由图可见，力尸可分解为沿点c 绝对速度圪方向的分力p 及沿构件c d 方向的 分力只。分力只只能使铰链c 及d 产生径向压力，而分力才是推动从动件c d 运 动的有效分力，其值只= p c o s a = p s i ny 。显然，压力角a 越小，其有效分力p ，则 越大，亦即机构的传动效益越高。为了便于度量，引入压力角a 的余角) ，= 9 0 0 a ， 该角y 称为传动角。显然，角y 越大，则有效分力p ，越大而只就越小，因此在机 构中常用其传动角y 的大小及其变化情况来表示机构的传力性能【30 1 。 传动角，的大小是随机构位置的不同而变化的。为了保证机构具有良好的传 动性能，综合机构时，通常应使y 血 4 0 。3 1 1 。尤其对于一些具有短暂高峰载荷 的机构，可利用其传动角接近最大值y 一时进行工作，从而节省动力。 3 曲柄摇杆机构极位夹角分析 在图3 4 所示的曲柄摇杆机构中，当主动件曲柄a b 等速回转时，从动件摇杆 c d 则往复变速摆动。 1 2 第三章焊头系统的结构设计和开发 由图可知，曲柄a b 在回转一周中有两次与连杆共线，此时，摇杆c d 分别位 于极左c d 和极右c ，d 两个极限位置。当曲柄a b 由位置a b ，顺时针转过口，角到达 位置a b ，时，摇杆c d 则由位置摆至位置，设其所需的时间为f 1 ，而c 点的平均速 度为k ；又当曲柄a b 再由位置a b ，继续顺时针转过口：角到达位置么马时，摇杆c d 则由位置c ，d 变速摆到位置c 1 d ，设其所需的时间为f ，而c 点的平均速度为k 。 在以上两个极限位置即曲柄与连杆两次共线位置之间所夹锐角9 称为极位夹角 【3 2 】。由于a ，= ( 1 8 0 + 0 ) a ，= ( 1 8 0 0 ) ，所以，而摇杆摆角 t ，而摇杆摆角y 不 变；可见当曲柄a b 等速回转时，摇杆c d 往复摆动的平均速度是不同的，这种现 象称为机构的急回特性【33 1 。为反映机构急回特性的相对程度，引入从动件行程速 度变化系数，用k 表示，其值为 图3 4 曲柄摇杆机构极位夹角分析 f i g 3 4a n a l y s i so fc r a n ka n g l eb e t w e e ne x t r e m ep o s i t i o n so fc r a n k r o c k e rm e c h a n i s m 由式( 3 1 ) 得 a ：1 8 0 。盟 k + 1 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 机构有没有急回特性，完全取决于极位夹角a ，当0 = 0 ( k = 1 ) 时，从动件则 无急回特性，说明从动件往复摆动的平均速度相等。 塑埘旷一旷o o o o 1一1上 堕 = “一乞 = 一 一k = k 广东工业大学工学硕士学位论文 3 2 3 摆臂曲柄摇杆机构 本文设计曲柄摇杆机机构来完成焊臂绕半径方向的摆动动作，利用机构的两 个极限位的原理，使芯片传送达到了高速高精度的要求。如图3 5 所示为曲柄摇 杆机构的结构原理图。 图3 5 摆臂曲柄摇杆机构的结构原理图 f i g 3 - 5s t r u c t u r a lp r i n c i p l eo f c r a n k - r o c k e rm e c h a n i s mo fb o n da r m 么、d 为机架转动副，固定在机架上，b 、c 为铰链点，e 为偏心轮推动从 动件的位置，1 为曲柄，由电机i 驱动绕点么转动，3 为摇杆，绕d 转动，2 为 连杆，和1 、2 铰接组成曲柄摇杆机构，5 为端面偏心轮从动件，由电机i i 驱动偏 心轮推动。c 即为焊头摆臂的摆动位置，c 1 和c ，为摆臂的两个极限位置，两者设 计为9 0 。，可以确保吸片和粘片的稳定性。 摆臂运动规律由曲柄摇杆机构的杆1 、2 、3 和机架决定，设杆长分别为a 、b 、 c 和d ，与机架a d 的夹角分别为：a 、卢、0 和0 ，则杆c d 的运动方程为： 9 ：2 a r c t a l l m + x m 2 + n 2 - p 2 ( 3 3 ) 其中：m ：s i n a ；n = c o s 一一d ；p ：旦二生互型一一dc 。s 口。 口z 口cc 由于曲柄摇杆机构存在急回特性，为便于控制机构的速度，消除急回特性， 令极位夹角为零【3 4 1 ，即可消除这个特性，得： 口2q - d 2 = b 2 + c 2 。 ( 3 4 ) 则p 可简化为：p ：三一一dc o s 口 口c 1 4 第三章焊头系统的结构设计和开发 由图3 5 还可得如下关系： 口：鱼c ：e6 ：三口= c2d2l 2 ( 3 5 ) 设定a d 杆( 即机架) 的水平距离三和b c 杆的长度l = b = b c = 1 2 2 m m ， c = 2 3 m m ， 则由式( 3 4 ) 和式( 3 5 ) 得曲柄和偏距的值为： p ：口：a b ：鱼：o 7 0 7 2 3 ：1 6 2 6 聊聊，d ：石可：1 2 3 m 朋 9 当曲柄1 以匀速转动，欲知道摇杆也即摆臂的角速度时，只要对公式( 3 3 ) 对时间求导即可得0 2 j ： 3 。3 端面偏心轮机构 c o d 2 翌s 1 n a s i 。n ( 臼一a ) 一 一 i 一1 j!；：一 望s i n 0 一s i n ( 9 一a ) 口 ( 3 6 ) 焊头除了传送芯片，即完成图3 1 焊头运动示意图中的四分之一圆弧路段， 图3 - 6 端面偏心轮机构示意图 f i g 3 - 6e c c e n t r i cr o u n dm e c h a n i s m 还要完成吸嘴垂直上下运动的路线，距离最大设为1 0 m m ，此动作通过端面偏心 轮及相关零件来完成，如图3 - 6 为端面偏心轮机构示意图，其中：u 、1 ，、w 为转 动副，5 为偏心轮从动件，6 为偏心轮，7 为移动副，8 为主轴，9 为吸嘴，i 为曲 柄摇杆机构。 图3 - 6 中，偏心轮6 由电机i i 带动，偏心轮从动件5 在弹簧作用下( 图中未 画出) 一直和偏心轮6 接触，随着电机i i 的正反转，和偏心轮从动件固定的主轴 广东工业大学工学硕士学位论文 8 沿着移动副7 上下运动；同时主轴还可以在曲柄摇杆机构i 的带动下沿转动副w 转动。偏心轮的偏心距离设为6 m m ，则总行程为1 2 r a m ，满足上下运行最大1 0 m m 的需要。 3 4 焊臂机构 图3 7 焊臂机构构造图 f i 9 3 - 7c o n s t r u c t i o no fb o n da r mm e c h a n i s m 如图3 7 所示为焊臂机构的构造图， 吸嘴5 光敏二极管座6 真空气体输入 承。工作原理如下： 其中：1 焊臂2 主轴座3 吸取机构4 7 接触传感器a 主轴安装处b 扭力轴 按照摆臂的运动规律，可以将其分为六个位置：拾片位置( p i c k u pp o s i t i o n ) 、 预拾片位置( p r e - p i c k u pp o s i t i o n ) 、吹气位置( b l o wp o s i t i o n ) 、漏晶检测位置( m i s s i n g d i ep o s i t i o n ) 、预粘片位置( p r e b o n dp o s i t i o n ) 和粘片位置( b o n dp o s i t i o n ) ，它们都可 以在机器菜单上分别设置。其中拾片位置和粘片位置即为衄柄摇杆机构的两个极 限位，它们互成9 0 。 当吸嘴4 接触到芯片时，在力的作用下，焊臂1 会绕扭力轴承b 转过一定的 角度，这时，处于接触常态的接触传感器7 分开，产生信号输入系统，告知吸嘴 已经接触芯片，防止焊臂继续往下运动压碎芯片。这时真空电磁阀开，真空气体 从6 输入，吸取芯片。 1 6 第四章焊头三维建模设计及运动分析 第四章焊头三维建模设计及运动分析 4 1 p r o e n g i n e e r 简介 p r o e n g i n e e r 软件系统是美国参数化技术公司p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) 的优秀产品，提供了集成产品的三维造型设计、加工、分析及绘图等 功能完整的c a d c a e c a m 解决方案。该软件以使用方便、参数化造型和系统的 全相关性而著称【35 1 。目前p r o e n g i n e e r 软件在我国的机械、电子、家电、塑料模 具、工业设计、汽车、自行车、航天、家电、玩具等行业取得了广泛的应用，该 软件在国内的应用数量大大超过了同类型的其它国外产品。p r o e n g i n e e r 可谓是 全方位的3 d 产品开发软件，集合了零件设计、产品组合、模具开发、n c 加工、 钣金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分 析、产品数据管理于一体，其模块众多。主要由以下六大主模块组成：工业设计 ( c a i d ) 模块、机械设计( c a d ) 模块、功能仿真( c a e ) 模块、制造