（机械电子工程专业论文）led框架供送及点浆装置的设计开发.pdf

摘要 l e d 粘片机是一个光、机、电一体化的设备，也是l e d 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 的垂直式l e d 全自动粘片机，能自动完成引线框架的进料、送料、收料、晶圆芯 片供送、点浆滴胶、焊头取晶和固晶等功能，能满足中小型企业对l e d 封装设备 的要求，其有一定的理论意义帮实用价值。 此垂直式l e d 全自动粘片机由多个功能模块组成，本论文主要完成以下几方 面的工作： ( 1 ) l e d 引线框架提取( 迸辩) 装嚣的设计 设计了由托料机构和翻转板机构组成的进料装置。通过控制托料板和翻转板 的速度和位置，使l e d 引线框架被磁铁吸取，配合接触传感器检测，完成分片提 取框架的功能。 ( 2 ) l e d 引线框架输送( 送料) 装是的设计 设计了主要由推料机构和钩爪机构组成的送料装鬻。通过控制推料机构的皮 带行程，可良调节l e d 引线框架的推送位霍，设计了定位压轮枧构对输送移动过 程中的框架进行定位，设计了双凸轮机构以控制钩爪机构实现快速高精度的框架 输送位置重复定位，完成依序输送框架的功能。 ( 3 ) l e d 引线框架输出( 收料) 装鬣的设计 设计了由凸轮组机构和推片机构组成的收料装置。通过控制凸轮组机构和推 片机构的协调动作，完成l e d 引线框架的卸载和收集功能。 ( 4 ) 点浆装置的设计 设计了由编心轮机构和x y 微调工作台组成的点浆装置。通过调节x y 微调工作 台，实现点浆位置的高精度调节和定位，配合控制偏心轮机构推动v 形直线导轨， 完成带动针筒做垂直方向点滴银浆运动的功能。 ( 5 ) 运动控制系统的介绍和点浆装置运动控制曲线算法的研究与实现 论文详细介绍了运动控制系统的组成，并分别研究了梯形速度曲线和s 曲线 算法，以及该算法在点浆装置运动控制上的实现。 论文最终完成了差壹式l e d 全自动糙片机的迸料、送料、收料和点浆装置的 j 乐】业人学】学硕f 1 学位论文 结构原理设计、结构设计、标准件选择；研究运动控制曲线算法，综合控制逻辑 和控制时序的具体要求，采用运动控制卡实现点浆装置的运动控制，以满足高速， 高精度的要求。论文的设计开发成果已经成功加工装配了物理样机，并运用到企 业实际生产中。 关键词：l e d ；运动控制；粘片机；运动曲线算法 a b s tr a c t l e dd i eb o n d e ri sad e v i c ew i t ho p t i c a l ，m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c i n t e g r a t i o n 。a n di ti sk e ye q u i p m e n td u r i n gp r o d u c i n gl e d i t sp e r f o r m a n c e m a k e sg r e a te f f e c to nt h ep r o d u c t i v i t ya n dp e r f o r m a n c eo fl e d e x c e p t m o v i n gt h el e df r a m ei n t oa n do u to ft h em a c h i n e ，t h et h e s i sl e d d i eb o n d e r c 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 t h i sf u n c t i o nc a nm e e tt h e n e e d so fs m a l ll e dp a c k a g i n gf i r m s t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h i sv e r t i c a ll e da u t o m a t i cd i eb o n d e r a r ec o m p o s e db ym a n yf u n c t i o nm o d u l e s ，a n dt h i st h e s i s i n c l u d e s t h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) d e s i g naf e e d i nm e c h a n i s m d e s i g nt h ec o m p o s ep a r t so ff e e d - i nm e c h a n i s m ，i n c l u d i n gt h el e df r a m e s u s t a i n i n gm a c h i n ea n dt u r n i n gm a c h i n e a c c o r d i n gt oc o n t r o l i i n g t h e s p e e da n dp o s i t i o no fs u s t a i n i n gb o a r da n dt u r n i n gb o a r d ，t h em a g n e tc o u l d r i g h t l ye x t r a c tt h el e df r a m e ，a n dt h f o u g ht h et e s t i n go fc o n t a c ts e n s o r ， i tc a nf i n i s ht oa p a r ta n dp i c ku pt h el e df r a m e ( 2 ) d e s i g naf e e d i n gm e c h a n i s m d e s i g nk e yc o m p o s ep a r t so ff e e d i n gm e c h a n i s m ，i n c l u d i n gt h el e d f r a m e p u s h i n gm a c h i n e a n dh o o kc l a w sm a c h i n e a c c o r d i n gt oc o n t r o l l i n gt h es t r a p m o t i o no fp u s h i n gm a c h i n e ，i tc a nr e g u l a t et h ep u s h i n gp o s i t i o no fl e d f r a m e d e s i g nat a r g e t e dp r e s s u r er o u n dt op o s i t i o nt h em o v i n gf r a m e t h e n d e s i g nad u a l c a m sm a c h i n e ，s ot h a ti tc a nc o n t r o lt h eh o o kc l a w sm a c h i n e t oa c h i e v et h el e df r a m eo fr a p i dh i g h p r e c i s i o np o s i t i o nt or e p e a t ，s o t h a ti tc a nc o m p l e t et h el e df r a m eo ft h et r a n s p o r t a t i o nf u n c t i o n ( 3 ) d e s i g nac o l l e c t i n gm e c h a n i s m d e s i g nt h ec o m p o s ep 盯t so fc o l l e c t i n gm e c h a n i s m ，i n c l u d i n gt h ec a m s m a c h i n ea n df r a m ep u s h e dm a c h i n e a c c o r d i n gt oc o n t r o l l i n gt h e e o o r d i n a t e da c t i o no ft h ec a m sm a c h i n ea n df r a m ep u s h e dm a c h i n e ，t h i s h l 广东工业大学t 学坝i 学位诧义 m e c h a n i s mc a nm a k el e df r a m et oc o m p l e t et h eu n l o a d i n ga n dc o l l e c t i o n f u n c t i o n s ( 4 ) d e s i g nap a s t i n gm e c h a n i s m d e s i g n t h ec o m p o s e p a r t s o fp a s t i n gm e c h a n i s m ，i n c l u d i n g t h e e c c e n t r i cr o u n dm a c h id ea n dx yf i n e t u n i n gt a b l e a c c o r d i n gt ot u r n i n g u pt h ex yf i n e - t u n i n gt a b l e 。t h em e c h a n i s mc a nc o m p l e t eh i g h p r e c i s i o n p o s i t i o nt o t u r nu pa n do r i e n t a t i o n t h e nt h r o u g hc o n t r o l l i n g t h e e c c e n t r i cr o u n dm a c h i n e ，s oi tc a nd r i v et h ev - s h a p el i n e a rg u i d et o c o m p l e t e t og u i d es y r i n g e sp a s t i n gt h es il v e rp a s t eb yt h ev e r t i c a l d i r e c t i o n ( 5 ) i n t r o d u c ti o no fm o t io nc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h er e s e a r c ha n d r e a l i z a t i o no ft h em o v e m e n tc u r v ea l g o r i t h m t h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mi st h ek e yc o m p o n e n to fr e a l i z i n gt h e a u t o m a t i o no fv e r t i c a ll e da u t o m a t i cd i eb o n d e ra sw e l la si t sd i f f i c u l t p a r t t h i st h e s i sw i l li n t r o d u c et h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l ，a n d s t u d yt h et r a p e z i u 瞻s p e e dc u r v ea n ds - c u r v ea l g o r i t h m ，t h e nc o m p l e t ei t s r e a li z a t i o nf o rp a s t i n gm e c h a n i s m t h i st h e s i sw i l l f i n i s ht h es t r u c t u r ed e s i g no ff e e d i nm e c h a n i s m , f e e d i n gm e c h a n i s m ，c o l l e c t i n gm e c h a n i s m ，p a s t i n gm e c h a n i s m ，a n d t h e c h o i c eo fs t a n d a r dp a r t s ：i n t r o d u c et h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m ；s t u d yt h e m o v e m e n tc u r v ea l g o r i t h m , a n di n t e g r a t e dc o n t r o ll o g i ca n dc o n t r o lt i m i n g r e q u i r e m e n t s ，u s i n gd m c 3 0 0 0m o t i o nc o n t r o lc a r dt oc o n t r o lt h ep a s t i n g m e c h a n i s m ，s ot h a t i tc o u l dm e e tt h eh i g h s p e e d ，h i g h p r e c i s i o n r e q u i r e m e n t s a m o n gt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tr e s u l t sh a v es u c c e s s f u ll y p r o c e s s i n ga n da s s e m b l yo ft h ep h y s i c a lp r o t o t y p ea n da p p i e dt o t h e a c t u a lp r o d u c t i o no fe n t e r p r i s e s k e y w o r d s ：l e d ；m o t i o nc o n t r o l ；d i eb o n d e r ；m o v e m e n t c u r v ea l g o r i t h m 独c , i t l 声明 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，除了文中特别加良 橼注帮致落的邋方卦，论文中不惫食其毽入已经发表或撰写过的研究成果，不包 含他人或其他用途使髑过的成果。与我一网工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在沦文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学僚论文成果是本天在广东工业大学读书期潮在导褥的指导下取褥髂，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。 论文作者签字：赫翻 指导教f 雨豢字：琊 加。g 年月g 日 第一章绪论 1 1l e d 产业的研究背景及意义 发光二极管通常也叫光发射二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，简写为l e d ) 是 二十世纪后期发展起来的新型光源，是种可将电能转变为光能的半导体发光器 件，属于固态光源“1 。l e d 具有耗电量小( 约为白炽灯的l o 到2 0 ) ，发光效率 高，节能环保，使用寿命长，结构牢固，抗冲击，耐振动，性能稳定可靠，重燕 轻，成本低等一系列特性。近年来，l e d 产业发展突飞猛进，其应用领域已不断 扩展，并渐已进入特种照明领域，被认业界认为是未来十年传统照明器件的替代 品。 据统计，2 0 0 3 年国产芯片5 0 多亿只，其中普通亮度l e d 芯片为3 0 多亿只，超 高亮度l e d 芯片约1 5 亿只。2 0 0 4 年国产芯片7 0 多亿只，其中超高亮度芯片约2 5 亿 只“3 。全世界l e d 产业，2 0 0 2 年的市场份额为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 以上嘲。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，正沿袭照明产业发是的主 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 炽灯及目光灯的全球市场规模约为4 3 亿美元，每年成长率约为5 ，可见照明市 场的发展空间颁大。高功率自光l e d 产品的推出，使得自光l 。e d 在一般照明市场有 明显的成长。 由于l e d 除了具有上述优点外，还具有体积小、驱动电压低、彩色可调、聚 光性8 好等特点，所以随着l e d 发光强度的不断增大，其应用面也不断扩大。现 在介入l e d 应用行业的企业愈来愈多。搌初步了解，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，而且很多原来生产普通照明产品 的企业也 授入进来。霉前超高亮度l e d 除了大家熟悉的应用之外，还出现很多耨 的应用领域，如各种不同颜色变化的背光源、汽车内外照明灯及显示装置。另外， 目前半导体照明以光色照明和特种照明为主。光色照明有备种信号灯、景观照明、 橱窗照明、建筑照鹗、广场和街道的美化、家庭装饰照明、公共娱乐场所美化、 广东r 业人学i 学碗i 学位论文 舞台效果照明等。特种照明有汽车和飞机等交通工具的内饰照明、低压安全灯( 矿 灯) 、便携式灯具、常明灯、小台灯和各种军用灯具等。由于这些新领域的应用 和推广，使市场对超高亮度l e d 需求量不断增加，为促进超高亮度l e d 产业发展提 供了契机。总之，随着超高亮度及自光l e d 应用面的不断扩大，技术上的进一步 突破，生产成本的不断下降，必将加快l e d 实现普通照明的进程0 3 。 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，丽环 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 和外部的剽车灯、尾灯、侧灯、头灯等均在逐步采f i j l e d 显示。据日本某大型车 灯厂估算，n 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1 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 。我国有3 亿户家庭，家居照明 如果普遍采用l e d 照明，这个市场将绘各l e d 厂商带来几十年的效益。中国持续扩 大内需，加速城市现代化建设、北京举办2 0 0 8 奥林匹克运动会、上海举办2 0 1 0 世界博览会等等重大热门事件中，相关照明显示工程中的l e d 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，和超高亮度及自光l e d 的应用等，必将为l e d 照明产业的发鼹带来良好契机。 目前l e o 产品的品种较全，除了各种l e o 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 、自光l e d 、功率l e d 以及l e d 特种照明产品等。据有 关报道，近j l 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 。中园大陆有1 0 余家大学、研究机构及公司从事大功率 l e d 的研究和开发，同时在国家产业扶持、台商加入及国际巨头三方推进下，i 正d 产业在我国已具相当规模。至2 0 0 4 年底全国已有l e d 各类企业约3 5 0 0 余家，从业 人员5 0 余万人，l e d 器件产量4 0 0 亿只年以上，已初步形成从外延片生产、芯片 制各到器件封装集成应用的比较完整的产业链。生产企业重点分布在长江三角、 珠江三角、江西、福建及环渤海湾等地区。国家发改委科技部、信息产业都等裙 关政府部门在制定“十五”规划中，均把l e d 产业发展列为重点项目，有关部门 还专门制定l e d 产业发展的“十一五”规划。2 0 0 4 年4 月已确定在福建厦门、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 产业作 2 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 1 世纪 最其发展前景的高技术领域之一。 1 2l e d 封装设备的产业研究现状 1 。2 。1l e d 封装的现状及前景 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 i b j 装与测试。我国蟊前从事l e d 封装的大型企业超过2 0 0 家， 总封装能力每年超过2 0 0 亿只，其中超高亮度及自光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 e d 封 装的能力较强，封装产品的品种也较齐全，可封装各种外型尺寸和不同颜色的l e d 显示器 牛，包含各种单管、复合管、红外器件、数码显示器、专用摄示器、功率 l e d 、背光源和s m d l e d 器件等。但目前我国国p q l e d 封装技术现状是参差不齐的， 自主知识产权的关键封装技术创新和设备产生能力还饭弱，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，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，其产量较多。但由予市场对l e d 的需求 量很大，国内的垂直式l e d 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、钩针鸯接按压晶圆方式由工人在 照微镜下手工拾取、键合芯片。前两种方式效率很低，一般不超过1 0 0 0 片4 , 对， 第三种方式可这1 0 0 0 3 0 0 0 片小时，但质量无法保证，因为其操作过程是：先 将l e d 引线框架整扎捆绑、再将晶圆( 晶圆芯片已经反贴在晶圆膜上) 倒置在整 扎的框架上、然后用镊子或拨针直接按压芯片，使芯片从晶圆膜剥离而直接掉下， 落入l e d 框架的芯片杯内( 杯内已经点了银浆) 。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。 广东l 业入学1 一学懒学位论义 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颓换代。日翦国内前工序设备处于空 白，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 e d 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，雨价格却越来越低。这就要求既要具智能够生产高品质 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。 虽然有些其鸯一定实力的封装企姓采用了先避的全鲁动生产设备，包括全自 动芯片键台机、全自动焊线机、全自动测试包封机等，l e d 封装能力较强，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都采用困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。 l e d 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、光电特性铡试仪) 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。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 片糕片机) 仍然依赖进口。掌握l e d 封装的关键技术、王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 备，具有明确的现实意义。 1 2 。2l e d 封装设备研究发展现状 l e d 的研发、加工生产装备中，其前工序加工的主要设备、仪器有：m o c v d 外延设备、电子束蒸发、离子溅射、光刻机、研磨机、划片枫、清洗机、芯片测 试分选机以及各种光电参数的检测仪器。后工序封装的主要设备有自动装片机、 自动焊线机、自动点胶机、自动封装机、光电参数测试分选机、编带机、光电参 数检测仪以及s 粉一l e d 封装设备。目前国内主要的l e d 研发、生产厂家所用的重 点设备、仪器均为进口，部分封装小企业采用的手动设备几乎均为匡产的设备、 4 第一苹鳍论 仪器。国内相关设备、仪器厂家也在开发、生产这些设备，实际上目前除部分全 自动的设备、仪器外，大部分还是可以国产化。 我国从事l e d 设备研究和制造鲍单位有几十家，批出新兴豹高素质半导体 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研发， 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 业的发震埘。 但是，我围自主知识产权的全自动l e d 粘片机的研制水平还与国外进口机有 着很大的差距，进口的设备、仪器其价格较高，势必影) i i 自l e d 产业化的发展。而 我国的l e d 生产企业，大部分都是中小型企业。这些企业，由于缺少购买昂贵自 动粘片桃的资金，一般采用人工或者国乡 淘汰的二手设备进行l e d 芯片的粘片， 其生产效率极低，限制了生产规模的扩张。因此，国产l e d 生产设备的落后严重 制约了我国半导体产业的发展。值得注意的是，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，雨价格却越来越低。这就使我国的l e d 封装设备研发单位 面临巨大挑战和机遇，我们既要研发出具有能够生产商品质l e d 产品的设备，又 要减少设备的投资以降低成本，才能在未来蓬勃的l e d 产业中占据一席之地。 1 。3 垂直式l e d 全自动粘片机的特点、关键技术及研发难点 考虑到l e d 封装设备的研究发展状况，针对中小型l e d 生产企业的现实需求， 设计开发垂直式l e d 全自动粘片机时，必须满足低成本、高教率的要求。所以， 在设计开发越难直式l e d 全自动粘片枫时，力求结构箍单紧凑丽且功能实用齐 备，粘片速度快而且精度高，通用性强而且维修方便。 与手动l e d 粘片机相比，垂直式l e d 全自动粘片机可自动完成l e d 框架的进 料、送料、收料、晶圆芯片供送、点浆滴胶、焊头取晶和固晶等功能，这可大大 提高生产效率。垂直式l e d 全自动粘片机继承了一般全自动粘片机的优点，采用 步进电机驱动真空吸嘴拾放芯片的方式，拾取晶圆供送机构中的芯片，平稳准确 地放置予l e d 芯片装载杯中，采用c c d 光学机构进行最圆表瑟缺陷检查和焊头的 广东- e 业人学工等：硕1 。学位沈义 实时图像检测对位，保证了焊头取晶和固晶的高速高精度要求。同时，垂寅式 l e d 全自动粘片机具有实时点浆滴胶图像检查和对位的识别系统。一般的全自动 牯片枫的弓l 线框架提取( 进料) 装置采用独立的垂直式升降秆机构吸取l e d 弓l 线 框架，配合电磁铁或者永久磁铁吸取进行垂直方向吸取水平放凝的l e d 引线框 架，荐采用独立的翻转板机构，进行翻转垂直式l e d 全自动粘片机，在此过程中， 翻转扳机构的熬转角凌是固定不交的，这裁给翻转角度的灵活性带来一定的局 限。而垂直式l e d 全自动粘片机利用托料机构，采用步进电机驱动装有永久磁铁 的翻转板机构进行吸取框架翻转，通过控制托料板和翻转板的速度和位置，配合 接触式传感器捡测，可以实现翻转角度可变可调的灵活性以及分片提取框架的功 能。同时，垂直式l e d 全自动粘片机采用高精度的双层直线导轨设计通用性强的 x y 微调工作台，实现点浆位置可微调的效果，具有很高的定位精度，配合偏心 轮机构可以使顶针运行更平稳，更柔和，其有很高的定位精度和重复精度，而且 具备快速换针能力。 垂直式l e d 全自动粘片机l e d 引线框架的供送及点浆装置的关键技术和研发 难点主要有： ( 1 ) 执行机构和装置的设计：在保证降低成本，加工简单面又能保证零件 的精度的前提下，如何设计结构简单紧凑的零件和精密的传动机构。同时，在设 计过程中，必须在满足性能需求的情况下，尽量减少零件，增加零件的通用性， 以方便维修。 ( 2 ) 引线框架输送装置的凸轮设计：其难点在于要求在保证传动精度的情 况下，设计合理的凸轮轮廓曲线，以满足各模块机构互相之间的时间协调和引线 框架输送重复高精度定位的工序协调。 ( 3 ) 运动控制：整个垂直式l e d 全自动粘片机的运动控制系统必须能够保 障各运动部件的动作、速度、精度等参数，点浆装簧的运动控制也必须保证运动 平稳，重复点浆精度高，速度快，以满足l e d 粘片的工艺要求，在高速的运动中 保证其精度是运动控制的难点。 1 4 论文的整体结构及主要工作 本文共有四章，第章是绪论，第二章阐述的是垂壹式l e d 企自动粘片机的 6 第一币绪论 整机机构，第三章介绍了垂直式l e d 全自动粘片机的机构设计，包括进料装置、 送料装置、收料装雹秘点浆装置的枫构设计。第四章是垂直式l e d 垒自动糙片枫 的运动控制软硬传系统的分绍，然盔阐述了对垂直式l e d 金鑫动粘片枧的运动曲 线算法( 梯形速度曲线和s 曲线算法) 的研究，最后是点浆装置运动控制的实现。 此垂直式l e d 全自动粘片机整极平台的设计开发由多个功熊模块组成。本论 文魏主要工作楚：( 1 ) 对垂直式l e d 全自动荸占片迸瓣装嚣、送科装置、收料装置 和点浆装置的设计；( 2 ) 垂蠢式l e d 全自动粘片机运动控制系统的介绍；( 3 ) 点 浆装置运动控制的运动懿线算法研究和实现。 7 第二章垂直式l e d 全自动粘片机的整机介绍 论文的垂直式l e d 全自动粘片机结构简单紧凑，成本低而功能强大，能实现 往返取晶和固晶8 0 0 0 - - - 1 2 0 0 0 片d , 时，x y 位置精度达5 0 u m ，具有精确的点浆滴 胶能力和芯片缺陷预检测功能，能自由处理不同类型的垂直l e d 引线框架( 高度 为2 5 5 m m 和3 6 r a m ) ，适合于多芯片规格的取晶和固晶的粘片应用，具有多引线 框架输入和输出功能，晶圆供送装置能自动进行芯片校正和缺陷检测和图像处理 系统预先识别能力，能应用于垂直式l e d ，光敏晶体管和红外二极管。 2 1 引言 垂直式l e d 全自动粘片机具有高速高精度的执行机构和装置，其主要功能是 完成l e d 芯片的缺陷检测与贴装任务。其整机结构图如图2 1 所示，主要由进料装 置、送料装置、点浆装置、c c d 光学机构、焊头机构、晶圆供送装置、顶针机构、 收料装置、图像识别系统和运动控制系统等模块组成。 进纠装i 1 1送料装西1点浆装胃收料裂胃 圈鹂豳圈 豳圈圜翌 c c d 光学机构 图2 1 垂直式l e d 全自动粘片机的结构图 f i g 2 - ls t r u c t u r eo fv e r t i c a ll e da u t o m g t i cd i eb o n d e r 固 第一帮垂直式l e d 全臼劫枯片荆l 的整机j r 缁 2 2 垂直式l e d 全自动粘片机的组成 垂直式l e d 全自动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 架上的商精密自动化设备，其具体组成部分如下图2 2 所示。进料装置主要由托 料机构和翻转板机构组成，其功能是通过控制托料板和翻转板的速度和位疆，使 l e d 引线框架被磁铁吸取，配合接触传感器检测，完成分片提取框架的功能。送 料装置由推料机构和钩爪机构组成，其功能是把从进料装置输送到送料槽里面的 l e d 引线框架，通过送辩装置烙其继续沿着送料槽往前输送，先供给后工痔的点 浆装置进行点浆滴胶，再供给焊头进行固晶，最后供给收料装置进行卸料。点浆 装置主要由偏心轮机构和x y 微调工作台组成，其功能是实现l e dgi 线框架点滴 银浆，完成黏结芯片的任务。c c d 光学机构主要由图像采集微调槐构和摄像头光 学组件组成，其功能是实现图像的采集的功能。焊头机构主要由机械传动机构和 吸嘴气动装置组成，其功能是将晶园供送装置上已切割分离成一片片的l e d 芯片 逐个剩用真空吸起，传送并放置到l e d 引线框架上涂有银浆的装载杯中，使得芯 片在引线框架上被粘焊固定。具有商速度、高精度、徒复动作、刚度大、惯性小、 运动曲线复杂等特点。晶圆供送装鼍主要由x y 工作台机构和晶圆安装机构组成， 其功能是实现l e d 芯片供送给焊头进行取晶和固晶的任务，硕针枫构主要由机械 传动机构和抽真空装鼹组成，其功能是实现l e d 芯片从晶圆供送装置的晶圆膜上 脱落的功能。收料装覆主要由凸轮机构和推片机构组成，其主要是完成l e d 引线 枢架的卸载和收集功能。图像识剐系统主要由图像识别硬件和软件系统组成，其 功能是实现l e d 芯片的识别和缺陷检测的任务。运动控制系统主要由运动控制硬 件和软件系统组成，其功能是完成垂直式l e d 全自动粘片机的时序控制和个功能 模块的协调运动的任务。 9 图2 2 垂直式l e d 全自动粘片机的具体组成 f i g 。2 - 2m a t e r i a ls t r u c t u r eo fv e r t i c a ll e da u t o m a t i cd i eb o n d e r 垂直式l e d 全自动粘片机的两个直接工作对象是l e d 芯片和l e d 弓i 线框架。如 图2 3 所示，垂直式l e d 全自动粘片机的工作过程如下：( 1 ) 迸料装置逐次将l e d 弓l 线框架放入粘片机的送辩装置中；( 2 ) 通过点浆装置将银浆瀛入送料装置上的 引线框架的芯片装载杯中；( 3 ) 利用图像识别系统检测出合格的l e d 芯片的位置， 通过焊头机构和顶针机构的运动，完成晶圆供送装鬣上的取晶，以及点银浆后的 弓j 线框架芯片装载杯的固晶动作；( 4 ) 最后由收籽装置逐次把完成点锻浆和固晶 后的引线框架收集起来；( 5 ) 熬个机器的运动过程中，运动控制系统控制进料装 置、送料装簧、点浆装置、焊头机构、晶圆供送装置、顶针机构和收料装置完成 一系捌的动作，使目标l e d 芯片落入弓| 线框架的芯片装载杯中。垂直式l e d 全自动 粘片机的图像识别系统分为硬件系统和软件系统，主要是以图像识别技术为基础 的一个光电系统。其作用是利用图像采集卡和c c d 光学机构完成图像的采集、分 析及识别等一系列的任务。运动控制系统主要是负责协调粘片机各机械装置及相 应执 j ：机构间的运行，它与视觉检测，i o g 口相配合，共同完成快速准确贴装 芯片的任务。 l o 引线框架装载 ( 进料) 引线框架卸载 ( 收料) 框架定位 ( 送料) 框架供送 ( 送料) 专篓黔) = 视觉定位芯片( 点浆) 厂1 “”“ 芝慧挚) d 晶圆雠( 焊头) 加弋 图2 3 垂直式l e d 全自动粘片机的工作过程 2 。3 小结 垂直式l e d 全自动粘片机是个光、机、电一体化的设备，也是l e d 生产过 程中的关键设备，主要完成框架的进料、送料、收料、晶圆芯片供送、点浆滴胶、 埠头取晶和固晶等功能。本章主要介绍了垂直式l e d 全自动粘片机酌组成和各个 功能模块的工作任务，以及整机的工作过程。 广东丁业人学工学硕卜学位论文 i i ii i i i 第三章垂直式l e d 全自动粘片机的机构设计 垂直式l e d 全自动粘片机是一个光、机、电一体化的半导体封装设备，也是 l e d 生产过程中的关键设备。它主要完成框架的进料、送料、收料、晶圆芯片供 送、点浆滴胶、焊头取晶和固晶等功能。该设备机械部分由进料装置、送料装置、 收料装置、点浆装置、c c d 光学机构、焊头机构、晶圆供送装置、顶针机构等八 部分组成。 论文的垂直式l e d 全自动粘片机供送装置主要由进料装置j 送料装置、收料 装置组成，它主要负责l e d 引线框架的供给、输送和收集功能。点浆装置的功能 是完成供送装置上l e d 引线框架的点浆漓胶任务，通过点银浆的方式将l e d 芯片 与引线框架粘接在一起，从而达到固晶的目的。本章论文详细介绍进料装置、送 料装簧、收料装置、点浆装置的机构设计开发。 3 。1 进料装置设计 3 。1 1 进料装置原理 进料装胃的原理如图3 - 1 所示，其功能是：利用翻转板机构依次分片提取整 叠的l e d 弓| 线框架，将其放入指定的送料槽中，通过送料装置中的推料机构把送 料槽中的l e d 引线框架推倒送料装置的拔针钩爪上，为下一工序的送料装置做好 准备。 第三章垂直式l e d 令自动粘h 机的机构设计 !i。、，iii，一 i i 图3 - 1 进料装置原理图 f i g 3 - 1p r i n c i p l eo ff e e d i nm e c h a n i s m 垂壹式l e d 全自动粘片机的避料装置由托料机构和翻转扳机构缀成，其结构 如图3 2 所示。其运 乍过程如下：( 1 ) 启动步进电机l 和步进电机2 进行机构复 位工序。滚珠丝杠提升电机( 步进电机1 ) 和翻转板电机( 步进电机2 ) 复位完 成后，分别通过光电传感器检测托料板降低到最低熹，同时翻转板机构中的吸料 扳停止在水平位置( 此融镶嵌有磁铁豹吸料板的吸料蕊朝上) 以方便人工手动放 料。( 2 ) 人工手动将整叠的l e d 引线框架放入料盒中的托料板上。( 3 ) 继续运行 翻转板电机，驱动翻转板旋转1 8 0 。( 此时装磁铁的趿辩面朝下) ，等待吸片。 弼时运行滚珠丝杠提升电机，驱动滚珠丝杠转动，带动托料板上的l e d 引线框架 向上运动，直到有引线框架被镶嵌在吸料板中的磁铁吸附时，滚珠丝杠提升电机 停止运行，以防止吸料板磁铁吸附两片及以上的框架。( 4 ) 遥过吸料板机构上的 接触式传感器检澜吸料板上是否吸取框架成功，如果没有吸取到框架，则返回到 ( 3 ) ，反之，继续进行下一步动作。( 5 ) 翻转板电机驱动吸料后的翻转板实现旋 转运动，当转动到一定的角度时，弓l 线框架接触并轻微碰撞挡料板，致使引线框 架从吸料板上脱落，掉入后一工序的送料装置送料槽中。( 6 ) 接触式传感器检测 广东t 业大学工学硕士学位论义 到吸料板上没有引线框架，则返回到( 3 ) 继续工作，如此反复循环。 另外，要实现进料装置按照设定要求运作，让l e d 引线框架准确地掉入后一 工序的送料装置送料槽中，可以通过控制托料板和翻转板的速度和位置，使l e d 引线框架被磁铁吸取，配合接触传感器检测，完成分片提取框架的功能。同时， 可以通过位置调节板将整个进料装置实现前后左右的位置调节，通过调节弯曲挡 料板的角度和控制步进电机的转动角度，以灵活调节引线框架从翻转板脱落的位 置，实现准确的进料功能。 图3 - 2 进料装置结构图 3 1 2 进料装置的设计内容 进料装置的运动机构主要由三部分组成，它们分别是电机、滚珠丝杠和翻转 板。电机是进料装置的原动件，由其中一电机带动滚珠丝杠转动，同时驱动托料 f 4 第三章垂直式l e d 全自动枯片宙l 的机构设计 板带动引线框架向上运动，另一电机带动翻转板吸取引线框架进行旋转运动。考 虑到进料装置的滚珠丝杠的运动行程短( 约7 0 m m ) 及降低l e d 粘片机整机制造 成本的因素，采用国产步进电机驱动国产滚珠丝杠以实现进料装置的运动。步迸 电机和滚珠丝杠之间的联动是通过刚性联轴器实现的。由于料盒中可以放置1 3 0 多片( 每片l e d 引线框架厚度为0 5 m m ，要求丝杠运动行程约7 0 r a m ) 的l e d 引线 框架，从而使托料板必须承受一定的重量，而且托料板中心离滚珠丝杠有一定的 距离。如图3 3 所示，为了避免滚珠丝杠承受压力过大而扭曲破坏，通过利用光 轴导向杆和含油轴承套作为滚珠丝杠和托料板的中间连接件，进行导向，以保证 运动精度。因为滚珠丝杠不能自锁，设计时通过利用光电传感器控制其制动。 ， 图3 - 3 进料装置结构图 f i g 3 - 3s t r u c t u r eo ff e e d i nm e c h