基于DDR電機和音圈電機的高速拾放片機構(gòu)研究

劉嚴慶，紀 偉，夏志偉，馬雪婷

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

基于DDR電機和音圈電機的高速拾放片機構(gòu)研究

劉嚴慶，紀 偉，夏志偉，馬雪婷

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

采用DDR電機和音圈電機來實現(xiàn)高速固晶機的拾放片機構(gòu)，采用了半閉環(huán)的角度PID控制系統(tǒng)和全閉環(huán)的位置PID控制系統(tǒng)。通過實驗測試實現(xiàn)了高速固晶，單次取放速度可達到180 ms/周期，位置誤差可達到±15 μm。

LED芯片封裝設(shè)備；DDR電機；音圈電機；固晶；PID控制

20世紀60年代，世界第一個半導體發(fā)光二極管即LED的問世，引發(fā)了一場用半導體照明產(chǎn)業(yè)取代白熾燈、日光燈等傳統(tǒng)照明產(chǎn)業(yè)的全球性光電子產(chǎn)業(yè)革命，開創(chuàng)了照明材料的新紀元。LED高速固晶機作為LED封裝設(shè)備之一，實現(xiàn)了LED芯片和框架的粘接工藝，在LED的制造過程中起著重要的作用。

固晶過程（Die Bonding）是LED高速固晶機實現(xiàn)方案中最核心的工藝之一。如何實現(xiàn)高速的拾放片機構(gòu)一直是各個半導體設(shè)備制造商研發(fā)的重點。

1 取放動作與固晶過程

在半導體封裝設(shè)備當中，速度是非常重要的考量因素，如何在最短的時間內(nèi)，生產(chǎn)出最多的產(chǎn)品，一直是各個設(shè)備廠商所追求的目標[2]。尤其是針對LED這種低端產(chǎn)品的封裝，速度更成為了一個產(chǎn)品生產(chǎn)中一個重要的考量因素。而在半導體后道封裝中，晶片往往需要不斷地傳輸運送。因此晶片的取放是相當關(guān)鍵的技術(shù)。一般而言，能完成取放動作的機構(gòu)有很多種，且各有優(yōu)缺點，但固晶過程的原理還是一致的，其過程如圖1所示。

圖1 固晶過程示意圖

全自動固晶機固晶過程的核心包括工作臺的進出料、傳送、點膠、取晶粒、放晶粒。固晶開始后，首先從進料系統(tǒng)傳送到工作臺的點膠位，由點膠機構(gòu)進行點膠后，傳送到下一個工作臺的固晶位，由拾放片機構(gòu)從晶片臺吸取晶粒，放置到點膠后的固晶位。完成固晶動作后，傳導到收料系統(tǒng)中，等待下一固晶，以此來完成自動化的生產(chǎn)作業(yè)。固晶過程中需要注意粘膠的狀態(tài)、吸晶過程中丟片檢測、固晶過程中壓力控制等，還有一個更重要的取放定位的設(shè)計。對設(shè)備的要求必須要滿足市場中主流的芯片尺寸。隨著晶粒尺寸不斷縮小、封裝產(chǎn)品漸趨高密集化，針對晶粒的偏移、表面的裂痕等要求也越趨嚴格。芯片取放動作如圖2所示[2]。

圖2 芯片取放流程

取放裝置設(shè)計成擺臂形式的鍵合頭，可將劃切完成的晶粒從藍膜上吸取，放置在工作臺的引線框架上。在晶片臺的晶圓底下有頂針機構(gòu)，可將晶粒頂起以配合吸取的動作。由于晶粒之間間隔很小，一般只有幾個微米，而且材質(zhì)脆弱，對吸取和放置力的要求較高。取放時必須利用CCD檢測晶粒的圖像，來判斷晶粒是否符合要求，角度與定位是否準確等，并根據(jù)識別后的圖像進行比對調(diào)整。取放動作的速度通常以兩種形式來計。一種是每小時取放的單位數(shù)UPH（Units per hour：單位小時產(chǎn)能）；另一種是單次取放動作的時間(即：循環(huán)周期)，通常以ms/周期計。取放的精度測試以晶粒放置未知的重復精度來判斷。因此，高速裝片機固晶過程的好壞取決于拾放片機構(gòu)精度、速度及穩(wěn)定度。如何在最短的時間內(nèi)精確穩(wěn)定地取放最多的芯片，一直是業(yè)界追求的目標[2]。而且這里的取放是有效的取放，單次取放過程中不能出現(xiàn)漏晶粒，掉晶粒的現(xiàn)象出現(xiàn)，所以重點分析拾放片機構(gòu)對于LED高速固晶機的設(shè)計研發(fā)具有重要的意義。

2 現(xiàn)有的拾放片機構(gòu)分析

目前市場上主流的LED高速固晶機中仍然使用的是四連桿帶動的擺臂式機械結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。

圖3 擺臂式機械結(jié)構(gòu)的花鍵軸[3]

圖4 擺臂式機械結(jié)構(gòu)的四連桿

通過伺服電機帶動花鍵軸來實現(xiàn)Z向運動，通過伺服電機帶動四連桿機構(gòu)實現(xiàn)擺臂的θ向運動。采用半閉環(huán)的PID位置控制系統(tǒng)，可有效地實現(xiàn)UPH 12 000個，單次運行周期為270 ms。該設(shè)計的優(yōu)點在于利用四連桿機構(gòu)的死點位置，可以很好地減少擺臂機構(gòu)的端點振動。但隨著LED封裝技術(shù)的發(fā)展對設(shè)備的運行速度越來越高，而此機構(gòu)在速度的提升上已經(jīng)收到限制，開發(fā)新的拾放片機構(gòu)也就成為了各大設(shè)備廠商研發(fā)的重點之一。

3 基于DDR電機和音圈電機的拾放片機構(gòu)

3.1 DDR電機

直接驅(qū)動技術(shù)(DDT)是相對于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)發(fā)展而來的一種新技術(shù)，傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)的機械傳動一般有齒輪、齒輪頭、皮帶/皮帶輪或凸輪，它們連接在電機和負載之間。而直接驅(qū)動技術(shù)，則不需要機械傳動，電機直接連接負載。這種新型驅(qū)動技術(shù)提高了精度、吞吐量和可靠性，降低了電機的噪音，減少了維護成本。直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)（DDR）電機則是采用了直接驅(qū)動技術(shù)制造的可旋轉(zhuǎn)的電機，可直接帶動擺臂類機構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動。

3.2 音圈電機

音圈電機(Voice Coil Motor)是一種特殊形式的直接驅(qū)動電機。具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、高速、高加速、響應(yīng)快等特性。其工作原理是通電線圈(導體)被置于磁場內(nèi)就會產(chǎn)生力，力的大小與施加在線圈上的電流成比例?；诖嗽碇圃斓囊羧﹄姍C運動形式可以為直線或者圓弧。音圈電機的機構(gòu)形式主要有3種：（1）傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式；（2）集中通量結(jié)構(gòu)形式；（3）磁力交叉存取結(jié)構(gòu)形式。

在運動控制中，有時需要的力比傳統(tǒng)移動音圈電機所能提供的力要大，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的音圈電機不能滿足要求。為解決此問題需要提高音圈電機工作效率，為此應(yīng)合理設(shè)計其結(jié)構(gòu)，盡量減少磁路漏磁。設(shè)計音圈電機時總是希望磁鋼的磁力線盡可能多地通過氣隙，以提高氣隙磁密，從而產(chǎn)生盡可能大的磁力。采用集中磁通技術(shù)能夠使制造的電機氣隙磁密等于甚至大于磁體中的剩余量。基于該技術(shù)的電機內(nèi)部是一個一端封閉的空心圓柱磁鐵(見圖5)。圓柱內(nèi)部形成N極，圓柱的外部形成S極，緊貼磁體外部由一個也有一端封閉的軟鐵圓柱殼罩住，軟鐵殼的開口端伸出磁體開口端，由軟鐵制成的圓柱芯在磁體內(nèi)部緊緊貼合，并從其開口端伸出。殼的內(nèi)表面與圓柱芯的外表面之間的環(huán)形空間形成氣隙，圓柱狀線圈可在氣隙中沿軸向運動。該電機結(jié)構(gòu)形式允許磁體面大于氣隙面，這樣的設(shè)計不會引起泄漏，幾乎從磁體表面發(fā)出的所有磁力線都通過氣隙。

圖5 集中通量結(jié)構(gòu)的音圈電機[7]

3.3 新型拾放片機構(gòu)的設(shè)計

基于以上電機模型，本設(shè)計采用DDR電機和音圈電機來實現(xiàn)拾放片功能，音圈電機直接帶動擺臂，考慮到Z向音圈電機本身的質(zhì)量以及Z向的導軌導向機構(gòu)的質(zhì)量，為減少DDR電機的轉(zhuǎn)動慣量，音圈電機中軸與DDR電機中軸同軸設(shè)計，并且嵌入在DDR電機內(nèi)，如圖6所示。柔性擺臂機構(gòu)連接于Z向滑軌的下端如圖7所示，通過實驗測試DDR電機的磁場并未影響到音圈電機的特性。而此機構(gòu)的巧妙設(shè)計減少了拾放片系統(tǒng)的復雜度，尤其是機械機構(gòu)的復雜性。

圖6 新型拾放片機構(gòu)設(shè)計

圖7 帶有擺臂機構(gòu)的新型拾放片機構(gòu)

4 拾放片控制系統(tǒng)

全自動固晶機運動控制系統(tǒng)是一個復雜的多軸運動控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用主從式控制方式，上位機為工控機，下位機為多軸運動控制卡。θ向采用交流伺服電機驅(qū)動器驅(qū)動DDR電機的結(jié)構(gòu)進行半閉環(huán)控制，Z向采用直流伺服電機驅(qū)動器驅(qū)動音圈電機，光柵尺位置反饋的結(jié)構(gòu)進行全閉環(huán)控制?？刂平Y(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 運動控制結(jié)構(gòu)圖

在控制算法上采用傳統(tǒng)的PID控制，PID控制是按偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)組合而成的一種基于誤差的控制規(guī)律。比例增益為系統(tǒng)提供剛性，它的大小決定系統(tǒng)響應(yīng)的快速性；積分增益可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；微分增益是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定性的阻尼項，能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，阻止偏差的變化，有利于減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間，允許加大比例增益，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差減小，提高控制精度。典型的PID控制如圖9所示。

圖9 典型控制系統(tǒng)流圖

5 實驗結(jié)果及其分析

對上述的實驗?zāi)Ｐ屯ㄟ^搭建實驗平臺，采用工控機和固高的GTS-800運動控制卡對系統(tǒng)進行調(diào)試，采用試湊法調(diào)整PID參數(shù)，對θ向DDR電機的控制方式為：采用脈沖和方向的控制方式。編碼器分辨率為655360cpr（counts per revolution：單位分辨率的旋轉(zhuǎn)格數(shù)），系統(tǒng)的行程為90°旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)的負載慣量為0.000 677 kg·m2，θ向DDR電機的角速度為8.145 rad/s，角加速度為9582.52 rad/s2，角減速度為7666.0156 rad/s2，平滑時間為7.8 ms，調(diào)整時間為40 ms，測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 θ向電機運動曲線

Z向音圈電機采用位置控制模式，光柵尺分辨率為0.5 μm（MicroE M1500），負載為160 g，行程4.5 mm，最大速度為0.425 m/s，加速度為42.5 m/s2，減速度為42.5 m/s2，平滑時間為3.9 ms，調(diào)整時間40 ms，測試結(jié)果如圖11所示。

采用高速攝像機對端點進行位置監(jiān)控，拍攝時用強光源照射擺臂端點處，對運動過程的兩端處分別進行拍攝，將影像存儲在計算機內(nèi)，將采樣的周期設(shè)置在1 ms，分析端點處的穩(wěn)定時間在5 ms內(nèi)，位置誤差可達到±15 μm（如圖12所示）。

圖11 Z向電機運動曲線

圖12 擺臂尖端位置精度散點圖

6 結(jié)論及展望

采用新型的拾放片機構(gòu)已是高速固晶機發(fā)展的一個趨勢，目前各大設(shè)備廠商都在高速固晶機中應(yīng)用線性電機。因此這一新技術(shù)的實現(xiàn)也為固晶機的發(fā)展提供了一個新的方向。DDR電機和音圈電機的巧妙設(shè)計解決了擺臂型高速固晶機的高速拾放片方案，為20 000UPH的高速固晶機市場化提供了技術(shù)保證。

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The Research on Mechanism of High Speed Picking-up and Placement Based on DDR Motor and Voice Coil Motor

LIU Yanqing，JI Wei，XIA Zhiwei，MA Xueting

(CETC Beijing Electronic Equipment CO.,LTD,Beijing 100176,China)

In this paper the DDR motor and voice coil motor is used to realize mechanism of picking and placement for the high speed die bonder.It's used a half closed-loop Angle control system and a full closed-loop position system with PID control.Through the experiment and testing,it realizes a high speed die bonding.The test results show that the system can reach a maximum speed of 180 ms/cycle,and its positioning precision is±15 μm.

LED chips seal assembly equipment；DDR motor；Voice coil motor；Die bonding；PID control

TM383

B

1004-4507(2015)01-0029-06

2014-12-25