（机械电子工程专业论文）简易型led粘片机开发与研究.pdf

摘要 摘要 本文针对l e d 封装工序中的银浆涂覆和芯片置放过程，设计开发简易型l e d 芯片粘 片机，研究和讨论了其中的运动机构设计、控制方案、基于图像识别的定位方法和运动 控制算法、运动模块时序配合等问题。其中的一些设计方案、控制算法具有一定的理论 意义和实际应用价值。 简易粘片机主要由五大机构和两个控制模块组成，五大机构分别为：点银浆机构、 刺晶圆机构、引线框架传送机构、晶圆供送机构以及照明光学调整机构；两个控制模块 分别为：运动控制模块和图像识别模块。 本文的主要研究工作包括了： 1 ) 机构设计：文中对粘片机中主要机构进行了分析、比较和选优，并详细阐述点 银浆机构和引线框架传送机构的设计过程。两机构均是由步进电机、凸轮机构以及相关 辅助机构的组成传动方式，具有结构简单、成本低、精度适中的特点。本文还给出了关 键零件凸轮的具体设计方法和校验过程。 2 ) 运动控制模块设计：文中构架了以工业p c 机和输入输出模板为基础，以基于 p c 总线的运动控制卡加步进驱动器和步进电机构成运动控制系统。负责各类输入、输 出信号的管理和控制，并在检测传感器件协助下控制和协调各执行模块完成预定的运动 模式和精确位移。 3 ) 图像识别模块设计：采用了由图像采集卡、c c d 和光学组件构成的图像采集系 统，并利用金字塔分层和序贯相似模板匹配的优化算法( s s d a 详见课题合作者罗丁的 论文简易型l e d 粘片机的研究刺晶机构的设计及图像识别系统的研究) 实现对 ：占片的识别和定位。文中还详细介绍了图像识别标定算法和晶圆台的位移控制算法，实 现了对晶圆台的精确位移控制。 4 ) 整机控制软件设计：对控制系统软件从结构、功能任务、界面菜单等方面进行 了系统的规划和设计。根据l e d 粘片工艺和各功能模块的特点，设计了机构回原点方法、 机构间的时序配合以及速度特性等细节，并以友好、直观、简易的人机交互界面设计了 整机的软件控制系统。 关键词：粘片机；点银浆；刺晶：图像识别；运动控制 a b s t r a c t a c c o r d i n gt os t i l d i n go nt l l ep r o c e s so f 印o x y nd r o p p i n ga n dc h i pp l a c i n gi nl e d p a c k a g i n g ，t h et h e s i sm e st od e v e l o pas i m p l el e d d i eb o n d e r t h em e s i sh a ss t l l d i e da n d d i s c u s s e dt h ed e s i g n so fm o t i o nm e c h a n j s m ，c o n t r d l l i n gt e c h n i q u e s ，l o c a t i o nm e t h o d st h a t b a s e do np a t t e mr e c o g n i t i o n ，m o t i o nc o t r o l l i n ga l g o r i t h r n ，m o t i o ns e q u e n c e ，e t c s o m e d e s i g nm e t h o d s a n dc o n 廿o la l g o r i t h m so fi th a v e 廿1 ec e r t a i na c a d e m i ca n d p r a c t i c a lv a l u e t h i ss i m p l el e dd i eb o n d e ri sm a d eu po fn v em e c h a n i s m sa n dt w oc o n t r 0 1m o d u l es - f i v em e c h a n i s m sa r ea sf o l l o w s ：印o x y nd r o p p i n gm e c h a n i s m ，d i eb o n d i n gm e c h a n i s m ， 1 e a d 疗锄et r a n s f c rm e c h a n i s m ，c h i pf e e d i n gt a b l ea n di l l u m i n a t i o na d j u s t i n gs e t t i n g i 、o c o n t r o lm o d u l e sa r em o t i o nc o n t m lr n o d u l ea i l dp a t 七e mr e c o g n i t i o nm o d u l e t h en l a i nr e s e a r c hi nt h i st h e s i sa r ea sf 0 u o w s ： 1 ) m e c h a n i s md e s 噜n ：t h ej o b so fc o m p a r i s o n ，a 1 1 a l y s i sa n dc h o o s i n gh a v eb e e n d o n et o s o m ei m p o r t a n tm e c h a n i s mi nm i st h e s i s p a n i c u l a r l yo nt h ee p o x y l ld r o p p i n gm e c l l a n i s m a 1 1 dl e a 曲a i i l et r a n s f e rm e c h a n j s m ，w h j c hh a v eb e e ng i v e nd e t a i l e dd e s i g nw o r k 1 1 1 e “v e m e t h o d so f t h o s et 、v om e c h a n i s ma r eb a s eo nm es t e p p i n gm o t o r ，c a mm e c h a n i s ma n ds o m e o t h e ra u x i l i a r ym e c h a n i s m s ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l e ，l o wc o s ta n d 印p r o p r i a t e p r c c i s i o n w h a t sm o r e ，t t l ed e t a i l e dd e s i g na n dc h e c k i n gp m c e s so f c 锄a r ea l s op r o v i d e db y t h i st h e s i s 2 ) m o t i o nc o n 仃0 1m o d u l ed e s 细：am o t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s eo nm d u s 田p c ，i 0 b o a r d ，m o t i o nc o n 仃o lb o a r d ，s t e p p i n gd r i v e ra n ds t e p p i n gm o t o rh a sb e e ne s t a b l i s h e di nt h i s t h e s i s ，w l l i c hi si nc h a 唱eo ft h em a n a g e m e n ta n dh a i l d l i n go fd i 丘b r e mi n p u ta i l do u t p u t s i g n a l s ，c o i l 仃o l l i l l ga n dc o o r d i n a t i n ga um e c h a n i s m st of i n i s ht 1 1 es e tm o t i o nm o d ea n dt 1 1 e p r e c i s ed i s p l a c e m e n t 州t ht h ea s s i s t a n c eo fd e t e c t i n gs e n s o r 3 ) p a t t e mr e c o g n i t i o nm o d u l ed e s i g n ：“sm a d eu po fi m a g ec 印t u r i n gb o a r d ，c c da n d o p t i c sp a r t s t 1 1 r o u 曲e m p l o y i n gt h eo p t i m a la l g o r i t l l i i lb a s eo np y r 锄i d a ls t m c t u r es e a r c ha n d s e q u e m i a ls i m i l a r i t yd e t e c t i o na l g o r i t h m ( s s d a _ r e f e r e n c et op a m l e rl u o d i n g st h e s i sn a m e d s t u d yo nm es i m p l el e i ) d i eb o n d e 卜s t u d yo ne j e c tp i nm e c h a i l i s ma i l di m a g er e c o g n i t i o n s y s t e mt og e tt l l ed e t a i l e di n f o m l a t i o n ) t or e c o g n i z ea n dl o c a t et h el e dc l l i p 1 1 1 ed e t a i l e d c a i i b r a t i o na l g o r i t h mo fp a t t e mr e c o g n i t i o na n dd i s p l a c e m e n tc o m m l l i n ga l g o r i t h mo fc h i p i i i f e e d i n gt a b l eh a v eb e e ni n t r o d u c e d ，a n dt h ep r e c i s ed i s p l a c e m e mc o n t r o lh a v ea i s ob e e n r e a l i z e di nt h i st h e s i sa sw e l l 4 ) c o n t r o l l i n gs o f c w a r es y s t e md e s i g n ：p l 觚血n ga n dd e s i 卿n gt h cc o n t r o l l i n gs o f t w a r e f 幻ms t r u c t u r e ，f h n c t i o na n dt a s k ，i n t e r f a c e s ，e t c a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so f c h i pp l a c e m e m a 1 1 dm ec h a r a c t e r i s t i c so fd i 色r e n tm e c h a n i s m s ，o r i g i n a lp o s i t i o nr e t i l m i n gm e t h o d ，t i m e s e q u e n c eo fm o v e m e n ta 1 1 d t h ev e l o c i t yp a r a m e t e r sa r es t u d i e da s 、v e l l t h ew h 0 1 e c o n t r o l l i n gs o f t w a r es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e dt ob ef r i e n d l y ，i n t u i t i o n i s t i c ，e a s i l yo p e r a t i o n k e y w o r d s ：d i eb o n d e r ；e p o x ”d r o p p i n g ；c l l i pe j e c t ；p a n e n lr e c o g n i t i o n ；m o t i o n c o n 廿o l v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 发光二极管应用现状 发光二极管( l i g h te m i td i o d e ，简称l e d ) 是一种由砷化镓( g a a s ) 、磷 化镓( g a p ) 、磷砷化镓( g a a s p ) 等半导体材料制成的，能够直接将电能转变 成可见光和辐射能的发光元器件。它具有结构简单，体积小，重量轻，发光效 率高，工作电压低，功耗少，发光稳定，抗冲击和震动，发光样式丰富、环保 节能等一系列的特点。目前l e d 行业发展迅速，各种各样的l e d 被广泛地 应用在汽车、家电、其它消费性电器产品、日常生活、工业设备等领域，用于 指示性标志、装饰、照明等等。随着发光二极管的成本进一步降低，各种电子 电路集成技术继续发展，目前国内正有越来越多的单位开发、生产超高亮度 l e d ，其热点应用主要包括以下几个主要方面： ( 1 ) 大、中、小屏幕显示器：各种广告牌、体育记分牌、金融和交通指示牌等， 至2 0 0 2 年底，全国已形成超过2 0 亿元的国产显示屏市场。 ( 2 ) 汽车用灯：包含汽车内部的仪表板、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。据报道，2 0 0 1 年全世界超高亮l e d 在汽车上的用量占2 6 的份额，欧洲系列车种包括奥迪、 宝马、福斯等品牌以及日本的丰田已全系列采用高亮度l e d ，按一部汽车使用 2 0 0 只到3 0 0 只l e d 芯片( 或管子) 来计算，市场需求非常大。 ( 3 ) 背光源：主要是液晶显示器( l c d ) 和手机背光光源，有白色和其他各种 颜色。现阶段手机背光源用量非常大，一年要用约3 5 亿只l e d 芯片。目前我 国手机生产量很大，但大部分l e d 背光源还是依赖进口，且价格较贵。对于国 产l e d 产品来说，这也是个极好的占领国内市场的机会。 ( 4 ) 交通信号灯：在全球范围内，交通信号灯正在逐步更新换代，据统计，全 球约有2 0 0 0 万座交通标志灯，若每年更新2 0 0 万座，商机可延续1 0 年。 ( 5 ) 景观照明、装饰灯及各种专用显示器：市场用量很大，估计每年用量为几 十亿只芯片。 ( 6 ) 白光照明：已开始从小功率白光l e d 灯( 如安全照明灯、显微镜灯、白光 广东工业大学硕士学位论文 背光源、手电筒等) 用起，并逐步向大功率白光照明迈进。学术界和产业界已将 l e d 誉为2 l 世纪新光源，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后 的第四代光源。根据台湾工研院i e k i t i s 报道，在白光l e d 市场潜量方面，2 0 0 6 年全球照明市场将达1 0 2 0 亿美元，2 0 1 0 年市场潜在用量预估可达1 2 9 0 亿美元。 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，超高亮度白光l e d 成 为今后几年的热点投资领域m ”。 1 1 2 l e d 封装设备发展现状以及趋势 在我国l e d 产业链中有上游、中游、下游之分，上游负责l e d 衬底芯片和 衬底生产，成品为单晶或累晶；中游负责l e d 芯片设计及制造生产，成品为晶 粒；而下游则归l e d 封装与测试，生产出l e d 成品或半成品。l e d 封装中需要 经过点胶、固晶、烘干、焊线、树脂封装、切脚、检测等十多道工序，相应的关 键设备包括划片机、芯片安放机、金线键合机、注塑机、荧光粉涂布机、塑封机、 测试机等等【4 ”。封装是连接l e d 产业与市场的纽带，是保证高质量的产品进入 应用市场的关键环节。和前工序相比，封装在很大程度上更依靠于封装设备，生 产中专用设备的水平直接影响着l e d 的质量、产量和综合性能。 l e d 强大的市场需求刺激着制造工艺的不断发展，更对封装设备的研发带 来了强劲的推动力。近年来，我国政府、企业、高校共同合作，投入巨大精力进 行国产设备研发，取得了一些成就”】。但总体上我国l e d 封装设备制造及整线配 套能力与国外差距较大，大量的关键设备，特别是高端自动化设备( 如芯片粘片 机、引线焊接机、测试机、编带机等) 仍然以进口为主。进口的封装设备通常 存在价格昂贵，维修和使用相对不方便，使用中投入较高，配套零部件更换和购 买也不方便的缺点，这严重的影响了我国封装行业的发展。从国内目前状况来看， 塑封机已基本实现国产化，性能优良，价格便宜；测试机、划片机、点胶机取得 了较好的成绩，但仍需要再经过一段时间的试用和改进才能完全满足产业化使用 需求；而芯片粘片机、金丝键合机尚处于重点研制阶段，需要加大力度，进行进 一步技术攻关。另外，从封装设备在企业中的应用情况来看也是参差不齐的，国 内少数有实力的企业( 如外资企业和国内一些大型企业) 采用了先进的全自动生 产设备，封装能力较强，封装出来的l e d 产品质量好，一致性和可靠性高，但 第一章绪论 巨大的设备投资也限制了生产规模的扩张。同时国内还有不少企业( 如部分私营 和民营企业) 由于规模小，投资少，难以购买昂贵的进口设备或高端设备，很多 仍以手工设备和半自动设备为主，封装的l e d 质量、产量和一致性均难以令人 满意，这无疑是我国国产封装设备的一个巨大市场和研发的一个努力方向。 “我国电子装备制造业总体水平比西方落后，这严重影响着我国电子行业的 竞争力，l e d 产业就是个很典型的例子。为提高产业竞争力，必须强化装备制 造业的自主创新，而且要把设备研制和封装工艺研究紧密结合起来，两者并重。” 佛山国星光电科技有限公司总经理王壶浩如是说【8 】。目前，我国半导体设备在技 术上仍处于追赶阶段，机遇和挑战共存，国产设备的突破点在于：充分利用本土 地域优势和价格优势，加强企业同高等院校、科研机构的交流合作，创造设备开 发单位和工艺开发单位的密切配合条件；同时大力发展国内半导体设备零部件配 套业，以降低零部件的采购成本，提高设备的性价比，采用国际化标准，缩小与 国外设备的技术差距。在旧设备翻新、设备改制以及全新设备研发等方面都将是 国产封装设备的发展领域9 1 1 ”。 1 2 l e d 封装设备中的关键技术以及研究现状 当前，高端的l e d 封装设备是集光、机、电、气于一体的高速度、高精度、 高智能化的产品。其中使用到的关键组成部分大致包括了精密机械部件、机器视 觉部分以及电气控制及传感检测部分。 ( 1 ) 精密机械部分 精密机械部分是设备完成各项任务的最终执行装置，其设计、制造的精密程 度直接影响着设备运行的精确度、速度等综合性能。先进加工技术是获取精密机 械部件的关键技术之一，已经成为衡量一个国家工业水平的重要指标。先进加工 技术主要包括两大领域：超精密加工技术和制造自动化。前者追求加工上的精度 和表面质量极限，后者包括了产品设计、制造、管理的自动化，两者相互影响、 相互促进【1 ”。我国在这方面起步稍晚，但已引起广泛重视，国内不少企事业单 位、科研机构投入了大量的人力、物力和财力进行研究和开发，在部分领域已经 取得好的成果。随着精密机械设计理念和精密制造技术的不断发展，当前各种体 积小，精度高、性能优良的微位移机构、传动系统、支撑与连接装置等等被不断 的研制出来，并被制作成比较通用的部件和配件，可以直接应用到一些现代化装 广东工业大学硕士学位论文 备上m “”。精密切削、超精密磨削、以及超精密特种加工技术将会使机械零部件 做得越来越小，形位误差被严格控制，这将大大促进我国设备制造业的发展。而 随着加工机理、新材料技术、新加工工艺和装备、检测技术的进一步发展，国产 装备实力将会进一步提高【1 4 “”。 ( 2 ) 机器视觉部分 机器视觉是将计算机与人类视觉的延伸替代品( 如光学装置和各种非接触式 传感器) 相结合的装置。利用计算机的快速性、可靠性和结果的可重复性，智能 化和抽象化地获取和处理真实物体的图像，并获得所需信息，实现对执行机构控 制。机器机器视觉是一个相当新且发展十分迅速的研究领域。由于它具体高精度、 非接触、客观、连续或实时性、灵活性、快速性等优点，常常被应用于半导体、 电子、计算机配件、消费品、食品、汽车、冶金、包装、制药等行业中，进行检 验、监视、测量、物件识别，颜色识别等。机器视觉直接处理的对象是图像( 工 业上以灰度图像为多) ，其最核心技术也即是各种高精度、快速度的图像识别算 法。当前机器视觉研究领域中许多图像处理算法和模板匹配算法己经比较成熟， 各种有针对性的、有行业特性的识别方案和算法也层出不穷”】。不少机器视 觉软件包和视觉模块已经商品化，一些著名的公司如国外的c o g n e x 、m a t r o x 、 m a t s u s h i t a 、o m r o n 、n i ，国内的北京和利时电机技术有限公司、北京大恒图像 视觉公司以及北京微视公司等相继在国内一些城市开展了业务。他们提供的产品 在图像处理和识别的速度方面已达到了m s 级甚至m s 以下，识别的精度也从像 素级达到亚像素级。而诸如c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷偶合器件) 以及 各种图像采集模块或板卡无论是在采集频率，采样精度，处理速度方面，还是在 图像大小，图像颜色格式、存储空间上都有了很大的提高，基本上都能很好的满 足实时检测的要求【1 9 1 。而与之配套的视觉软件包更为用户提供了简单快速的二 次应用程序开发接口函数和功能模块函数，并提供多种二次开发工具，极大的满 足了各种用户的不同要求。但他们有个共同的不足就是价格偏贵，只有实力雄厚 的企业才能负担得起，而一些中小客户则无法或不愿负担此昂贵的设备。在机器 视觉产品当中，视觉算法是最具知识产权，最关键的部分，是整个系统特别是软 件系统的核心，因此在硬件系统一定的情况下，积极摸索识别算法，自主开发识 别算法和应用软件，从而降低软件购买成本，是大多数机器视觉用户的必然选择。 ( 3 ) 电气控制与传感检测部分 第一章绪论 电气控制和传感检测部分是连接软件和最终执行机械装置的大桥梁，是整个 装置控制系统的核心，主要包括了计算机控制技术、传感检测技术和各种控制模 块。应用微型计算机对生产工业生产过程进行控制，能够提高生产自动化水平和 生产效率。特别是工业控制计算机由于具有可靠性高，实时性强，工业接口丰富， 容易扩展，系统软件友好等优点，被广泛的用于各种控制场合。工控机技术经过 s t d 总线工控机，i p c 工控机两代发展后，进入了第三代c o m p a c t p c i 总线工控 机时期。现在，随着工业以太网络的兴起，计算机控制技术又将网络功能与嵌入 式技术融合进来，大大地拓展了计算机控制领域的功能和发展空间。”。而传 感检测技术作为信息科学的三大技术之一，是我们获取各种信息的主要手段。近 年来，由于物理学，化学，材料学，特别是半导体材料，微电子技术的发展，各 种新型实用或具有特殊功能的传感器不断被发明创造出来，极大地拓宽了我们获 取各种信息参数的渠道和能力。传感检测系统更是在向集成化，微型化，数字化， 智能化方向发展，相信未来传感器将为被用到更多的场合和领域”。其它的控 制模块如气动，液动模块也随着微细加工技术，传感技术，嵌入式技术的发展而 趋向智能化，小型化和易于控制。 1 3 课题研究内容及意义 当前，在l e d 封装中的点胶( 或点银浆) 、芯片置放两工序中，国内不少企 业仍然采用手工作业的方式或借助少量的手动装置进行操作。如常使用真空吸笔 吸附芯片完成置放，或用较细的钝头物直接按压晶圆，使芯片在自身重力作用下 落入杯形引线框架中。前种方式效率很低，一般不超过1 0 0 0 片，j 、时；而后一种 方式效率相对较高，熟练的操作者可达3 0 0 0 片小时。但是由于手工操作中力度 很难把握，引线框架和芯片的供送也很难保持一致性，容易损坏芯片，难以保证 封装质量。针对这两个工序而开发的具有自动功能的相关设备或装置在市面上很 少见到，相关的报道和介绍也很少。目前，虽然在少数一些有实力的公司里面， 其全自动化的先进生产线可以很好地完成这两个工序，但相关的设备和配套设施 投资巨大。本文以这两个工序为切入点，以当前大量使用的标准垂直式l e d 引 线框架为对象，从简易实用的角度出发，拟开发针对点浆和芯片置放工序的简易 型l e d 专用粘片样机。通过设计精密的机械结构，运用运动控制技术、传感检 测技术以及图像识别技术，实现快速、准确、高可靠的芯片置放。同时通过对图 广东工业大学硕士学位论文 像处理技术和图像识别技术，特别是匹配算法的研究，在参考现有的一些快速匹 配算法的基础上，结合l e d 透明芯片的特征，研究快速匹配算法，开发专用图 像识别模块，并用于该设备上以提高精度和智能性，同时降低设备成本。拟开发 的设备能够实现性价双优，为中小企业所接受，替代部分手动设备，促进我国半 导体行业进一步发展。与目前自动化程度较高的l e d 芯片粘片设备( 如中国电 子科技集团公司第四十五研究所开发的粘片机) 相比，简易型粘片机主要有以下 两个特点： ( 1 ) 采用手动上、下引线框架：引线框架进入片道后，粘片机可以自动完 成整个片式引线框架的传送、点银浆、芯片置放过程。 ( 2 ) 以晶圆倒置的方式，直接使用垂直方向往复运动的钝头针从蓝膜背后 对芯片施力，迫使芯片自由落入引线框架杯中；代替了以机械手和吸嘴在晶圆台 与框架间来回摆动，使用真空吸附和压力置放的过程。 为此，本文将从以下几个方面展开研究工作： ( 1 ) 粘片机机构设计 结合l e d 点浆和芯片置放工序的特性，选择或设计相关的传动方案和执行 机构零部件。通过使用相关的工具进行各零部件、传动机构三维建模、结构分析、 机械加工以及装配。 ( 2 ) 学习和研究图像识别技术，对快速模板匹配算法进行研究和应用。 ( 3 ) 控制与检测方案设计与研究 没计运动控制系统和图像识别系统，控制各功能模块协调运动，包括各功能 机构的运动路径、速度特性分析，时序配合安排，各种运行模式的设置，有效控 制的实现方法，数据处理等。 ( 4 ) 系统控制软件开发 软件的整体规划以及各功能模块的具体设计，功能代码的编写、调试与测试。 文中涉及到的一些设计思路，设计方案，控制方法，检测手段以及实现策略 等，能够为其它相关半导体后序封装设备，或一些典型的机电一体化设备的研制 与开发提供一定的参考。 第二章整机结构方案构思与设计 第二章整机结构方案构思与设计 2 1概述 l e d 粘片机所面对的两个直接对象就是小尺寸的l e d 芯片和引线框架，芯 片的尺寸一般在毫米级以下( o 2 m m 0 2 m m ) ，且很薄易碎；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，也是与平放式粘片机或芯片键合机的不同之处，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 粘片机 的工作流程一般如图2 一l 所示。 图2 1l e d 粘片机工作流程框图 f i g u r e2 - lw o r k i n gf l o wc h a r to fl e d d i eb o n d e r 本文设计的简易粘片机要做的主要工作有两个，一是将适量的黏接剂一一银 浆均匀地注入l e d 引线框架杯中：二是将l e d 芯片从晶圆膜上准确的置于引线 框架杯中，其中还包括芯片位置和质量的检测。为精确的完成这两项工作，需要 对粘片机从机械结构、驱动机构、定位方案、控制模块的软、硬件、控制时序、 检测传感等诸多方面进行设计和选型。本机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。 广东工业大学硕士学位论文 图2 2 样机研制工程技术路线 f i g u r e2 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 np r o j e c t 第二章整机结构方案构思与设计 2 - 2 整机基本组成 典型的全自动粘片设备包括了上片机构、送片机构、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】。全自 动的粘片设备具有高速度、高精度的特点，但其购买价格和维护成本也很高。本 样机力求简易、实用，在参照平放式三极管芯片键合设备以及其它相关设备的基 础上，根据l e d 手动封装的特点，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。因此，该简易粘片机大致包括了机械 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 简易l e d 粘片机组成框图 f i g u r e2 3s t r u c t u r ed r a w i n go ft h es i m p l el e d d i eb o n d e r 9 广东工业大学硕士学位论文 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，因此论文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、装配调整 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。本文中选用由美国p t c 公司开发的p r o e n g i n e e r w i l d n r e 作为三维设计软件，该软件是当今使用率很高的高档c a d 软件之一， 除继承原版本的强大功能外，更实现了易用性、操作简易性、实用性等方面的提 高。另外，本机器除标准件和部分购买件外，其它金属零件均以铝作为材料。本 文所要开发的设备在上料和下料方面仍然采用手动上片和收片，为的是节约控制 成本和降低控制系统的复杂程度。虽然在上片和收片的过程当中会耽误少许时 间，但对整个粘片过程的速度和精度影响不大，所以本文不对其进行设计。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 和罗丁同学共同完成。本人负责其中的支撑装置、点银浆装置和送片装置的设计， 其它部分只作简单介绍。支撑装置涉及的零部件结构简单，此处不作介绍，下面 重点对点银浆装置和送片装置的设计进行叙述。 2 3 点银浆装置 点浆是将导电或不导电的液态状黏接 剂均匀地涂覆到引线框架上以便使芯片与 引线框架粘接到一块的工艺过程【2 4 】。l e d 粘片过程中使用导电的银浆作为黏接剂，如 图2 4 所示l e d 芯片通过银浆与引线框架 黏结在一起。银浆为微量供应，银浆的多少 直接影响芯片放置在引线框架杯中的高度， 进而影响l e d 的发光效果，因此要求点浆的图2 4 芯片黏结示意 厚度和面积准确且均匀。图2 4 中l e d 芯片放 f i g u r e2 4s k e t c hm a po f 置高度恰好与引线框架平齐，为较理想状态。 c h i pm o u n t i n g 现在较普遍使用筒状容器( 如针筒) 盛装银浆，由于单个封装过程中银浆用 第二章整机结构方案构思与设计 量不多，本设备中使用3 毫升的针筒装盛银浆。在实现银浆注入框架杯的过程中 有两种方案可供选择，一种是针筒运动到一定位置后挤出银浆进行涂覆；另一种 是引线框架运动至针筒位黄承接针筒挤出的银浆。后一种方式在封装的过程当中 会干涉到后序的芯片置放及其它部件，因此常采用针筒运动的方式实现银浆进 给。银浆的微量进给控制大致可以分为机械控制式和气压控制式，如图2 5 所示。 ( a ) 图2 5 银浆进给示意图 ( b ) f i g u r e2 5s k e t c hm a po fe p o x y nfe e d l n g 图2 5 ( a ) 中电机驱动丝杠转动，从而带动丝母以及与丝母连接成一体的活 塞上下移动，实现银浆的挤出。此种方式的优点是银浆挤出稳定、重复性好，但 难点是如何从机构上实现银浆的微量供给( 如每次精密、稳定地挤出银浆万分之 一克) ，因此常用于注浆量较大的大芯片封装，l e d 粘片机很少采用该方法。图 2 5 ( b ) 中通过气阀控制一定压力的气体推挤出银浆，整个结构简单、小巧，银 浆筒在移动过程中没有附加负载，而且容易实现参数化控制。但对银浆筒内部的 压力真空度大小和流量大小要求较高，一般需要采用高速调压阀、高速真空阀、 精密流量阀等。本样机采用气动控制的方式实现银浆的涂覆控制。 无论是机械控制式还是气压控制式，银浆筒最终都需要连接到一个实现上、 下位移的机构上，以便实现银浆筒的进给。根据点银浆的工艺要求，该机构的位 移即银浆筒的位移大约在4 6 m m ，属于小位移机构。目前，最常用的机械传动 式位移机构，主要有螺旋机构、杆杠机构、楔块凸轮机构、弹性机构以及它们的 广东工业大学硕士学位论文 组合机构，它们具有较好的分辨率，较大的行程、灵敏度和精度| l ”。凸轮机构 紧凑，传动链短，刚性好，结构也相对简单，且能够使从动件实现多种运动规律 【2 5 】。本样机采用直动滚子盘型凸轮推动银浆筒及其装夹装置运动，如图2 5 ( b ) 所示。在滑动副方面，为了使银浆筒上下移动过程中运行平稳，现快速、低摩擦、 低功耗的要求，选用了滚柱交叉直线导轨副。因此点银浆装置中最重要的两个部 件就是凸轮和导轨副，以下部分内容中将进行介绍。 2 3 1滚子交叉导直线轨副 该类导轨副是由两根具有v 型滚道的导轨、滚子保持架、圆柱滚子等组成。 相互交叉排列的圆柱滚子在经过精密磨削的v 型滚道面上作往复运动，可承受 各个方向较大的载荷，实现高精度、平稳的直线运动【2 6 。2 ”。用户使用时，只要 紧固好螺钉，就能将导轨精确安装于所用的机件上，因此在精密机械中该导轨副 被广泛使用。它有如下特点： ( 1 ) 滚动摩擦力阻力低，稳定性能好； ( 2 ) 起动摩擦力小，随动性能好： ( 3 ) 接触面积大，弹性变形量小，有效运动体多，易实现高刚性、高负荷运动： ( 4 ) 结构设计灵活，安装使用方便。 在导轨的选型方面最需要关注的就是行程和导轨的承载能力。在与银浆筒连 接的滑块中，导轨副承受载荷以侧向载荷为主，承受的正向载荷较小，侧向载荷 来自于导轨安装滑块、银浆筒及其夹紧块的重量。整个滑块的长宽尺寸大致在 5 0 6 0 m m 之间，厚度在2 0 m m 左右；滑块的材料均为铝材，重量较轻，整个加 在导轨副上的载荷约为1 5 k g 。为了整个点银浆装置能够在装配和调试的时候实 现与引线框架及其导向槽的位置调整，装置还设置了x 向和y 向的微位移调节 滑块。根据调整的平稳性和准确性要求，同样采用了滚子交叉导轨副。在x 向 和y 向调节块中，导轨副承受的载荷以正向载荷为主，载荷同样只来自于安放 在导轨副上的零部件重量。x 向滑块、y 向滑块以及银浆筒滑块在结构上是层叠 的，因此最下面一层的x 向滑块中的导轨副承受的载荷最大，可达上百牛顿。 本样机中最终选用了德国b o s c h r e x r o t h 公司的r w 3 0 5 0 型滚子交叉导轨 副，它的结构及相关主要尺寸参数如图2 6 以及2 7 所示【2 8 j 。 第二章整机结构方案构思与设计 1。 “引i ，t i 靠r ；集摇；嘉一捆8 ；5 豁。p + 1 ，ii ；p * 旷竹ii i l一，i ” ：，裕“ t _k ”k 一一 叫 n - m 月 ”一 一a 儡1 l l t t r a v e izdlabcm pnefdght 行程 t r e a dt h r u 2 8735 01 888 3l 1 2 53 5m 43 363 12 2 5 图2 6 滚子交叉导轨副基本尺寸( m m ) f i g u r e2 6t h eb a s i cd i m e n s i o no fc r o s sr 0 1 l e rw a y s - 1 r - 18 _ 1r 卜p ， 钆。鳅争够够勘铃够 il m o d e ldtwpa c z p e rr 0 1 l e r ( n ) s c 33 oo 47 65 03 o1 0 0 图2 - 7 导轨副滚子保持架基本尺寸( m m ) f i g u r e2 7t h eb a s i cd i m e n s i o no fc a g e so fr o l l e rw a y s 其中z 为滚子的个数，c z 为单个滚子的基本额定负荷。整个导轨副的负荷 能力主要取决于滚子的数目和单个滚子的额定负荷，它们存在如下关系： 。晤 + e ， 广东工业大学硕士学位论文 将所选导轨副相应参数z = 7 ，c z = 1 0 0 代入上式，可得到c = 3 5 0 n ，能够满足 载荷使用要求。在导轨副选定之后，其它的诸如导轨安装滑块、基座及连接件均 是在此基础上进行设计，形位精度以导轨副为参考标准，在此不具体给出。 2 3 2 凸轮的设计 银浆筒的移动为直线运动，因此所选择的凸轮机构为盘型凸轮，对心滚子直 动式结构。凸轮轮廓设计的主要依据是从动件的运动规律，该结构中从动件为与 凸轮滚子安装杆连接成一体的银浆筒滑块。银浆筒在下移点浆的过程有非工作段 和工作段之分，各段的要求一般如下： ( 1 ) 非工作段要求点浆滑块机构加速下移，以节省下移时间，提高效率，但应 减少或避免运动过程中的刚性冲击和柔性冲击等。 ( 2 ) 工作段要求点浆滑块机构的运动曲线为等速曲线，以便点浆位调整后不会 引起点浆速度的变化，易于控制。 点银浆过程中速度是一个重要的控制参数，它实际上是电机角速度与凸轮 工作点速度的乘积。曲可通过运动控制卡调整，凸轮工作点速度主要由从动件运 动曲线决定。为了能够在工作段和非工作段中实现多种速度形式，又设置了原点 位、准备位、靠近位、点浆位共四个位置点，如图2 8 所示。各位置点在相应段 中可进行一定范围内的调节，如原点位可在内调节；准备位可在纪内调节； 靠近位可在仍中调节；点浆位可在仍中调节。 图2 8 从动件运动规律 f i g u r e2 - 8t h em o t i o nr e g u l a t i o no fd r i v e np a r t 第二章整机结构方案构思与设计 在从动件常用的运动曲线规律中，正弦加速度运动曲线能够有效地减少冲击，而 等加速和余弦都存在一定的柔性冲击。为此，在s 0 段即准备位区间，设置从动 件作正弦加速度运动；在s 1 段区间作等减速运动以便在靠近位处实现从高速度 到工作段s 2 的低速度的过渡，并在两段的结合处以小段正弦加速度曲线进行平 滑，减少冲击。如图2 8 所示为从动件的运动规律，其中银浆筒下移的最大位移 s h 为5 m m ，当银浆筒下降到最大位移处时，凸轮转到基圆处，而银浆头与引线 框架杯接触。由于点浆过程的需要，银浆筒实际下移时位移被控制在5 m m 以内。 相应的各位置段分别为s o = 2 5 m m ，s l = 1 m m ，s 2 = 1 5 m m 。按照目前封装设备常 用的步进电机位移系统5 删步的分辨精度，则从原点位到最低位过程中电机走 过的步数s t e pn 可以计算出为：印：娑翌：1 0 0 0 步。根据电机转一圈( 3 6 0 。) 为1 6 0 0 步，我们可以进一步计算出仍、仍、的值，如下： 识：量船p 型：笙1 0 0 0 型：1 1 2 5 。( 2 2 )“ s 、，1 1 6 0 051 6 0 0 舻，：旦胁口型：三1 0 0 0 型：4 5 。 ( 2 3 ) 1 。 s 一 1 6 0 051 6 0 0 舻詈研印一焉= 莩圳o o 焉胡- s o 。， 而和妒。分别对应银浆筒处于最高位置和基圆位置时的自由段，大小无特别要 求，在此分别取3 0 。和1 5 0 。本机构中由于有尺寸要求，因此凸轮基圆半径不易 过大，初定基圆半径r b = 2 0m m ，至此可以得到凸轮的参数如表2 一l 所示。 表2 1 点浆机构凸轮基本参数 t h b l e2 1b a s i cp a r a m e t e r so fc a mi nl i q u i ds i l v e rd r o p p e r 滚子半基圆半升程银浆筒运动规律、相位安排 径r 0径r b s 0 3 0 。1 4 2 5 0 l8 7 5 。 v2 5 0 0 3 0 。1 4 2 5 01 8 7 5 02 5 5 。2 7 0 。 h = oh = 一2 5h = 一1h = 一1 5h = o 1 2m m2 0m m一) m m静止正弦加速等减速 等速运动静止 此机构中，凸轮不作整周转动，银浆筒上升和下移过程共用同一段凸轮外廓 广东工业大学硕士学位论文 只是步进电机分别做正、反方向运动。因此本设计中分段设