指紋識(shí)別模組熱壓工藝設(shè)備分析及研究

王偉民，李慶亮

（太原風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原030024）

指紋識(shí)別模組熱壓工藝設(shè)備分析及研究

王偉民，李慶亮

（太原風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原030024）

為了實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別模組自動(dòng)化生產(chǎn)，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和良率，提出了指紋識(shí)別模組自動(dòng)熱壓的工藝流程，并對(duì)全自動(dòng)熱壓設(shè)備部分結(jié)構(gòu)的功能和工作原理進(jìn)行詳細(xì)敘述。

指紋識(shí)別模組；熱壓固化；位置偏移；射頻傳感器

2013年蘋(píng)果以引領(lǐng)市場(chǎng)的姿態(tài)率先采用指紋識(shí)別技術(shù)，iPhone 5S的指紋解鎖功能一經(jīng)推出便深受用戶歡迎。2015年9月蘋(píng)果發(fā)布Apple Pay，既支持線上支付，也支持NFC近場(chǎng)支付。線上支付可以實(shí)現(xiàn)“一鍵完成”，不再需要輸入信用卡信息和地址等，通過(guò)Touch ID，用戶可以憑指紋來(lái)輕松確認(rèn)支付。而NFC近場(chǎng)支付，也無(wú)需密碼等任何信息，只要將具備N(xiāo)FC功能的手機(jī)或智能可穿戴設(shè)備靠近POS機(jī)（具備近場(chǎng)支付功能），通過(guò)指紋確認(rèn)即可。

指紋識(shí)別功能作為手機(jī)上一項(xiàng)新功能歷經(jīng)考驗(yàn)成為標(biāo)配，關(guān)鍵在于要切中用戶痛點(diǎn)。攝像頭、觸摸屏、大屏化等成為手機(jī)標(biāo)配都說(shuō)明了這一點(diǎn)。指紋識(shí)別既迎合移動(dòng)智能設(shè)備對(duì)安全性要求更高

指紋識(shí)別芯片制造的過(guò)程大致可以歸納為：芯片電路方案和算法設(shè)計(jì)-芯片晶圓代工-封裝（包括Middle-end）-模組組裝-測(cè)試等幾大環(huán)節(jié)。相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，封測(cè)+模組組裝的費(fèi)用可占到整個(gè)指紋識(shí)別模組成本的45%左右。全自動(dòng)熱壓設(shè)備則是指紋識(shí)別模組組裝中關(guān)鍵一環(huán)，指紋識(shí)別模組中的金屬環(huán)由搭載機(jī)通過(guò)膠水貼合在模組上，然后由該熱壓設(shè)備對(duì)指紋識(shí)別模組進(jìn)行熱壓固化，通過(guò)高溫加快膠水的固化速度，通過(guò)壓合保證了膠水在高溫固化過(guò)程中發(fā)生形變時(shí)，金屬環(huán)與模組不會(huì)發(fā)生相對(duì)位置偏移。

1　指紋識(shí)別原理及結(jié)構(gòu)組成

指紋識(shí)別模組根據(jù)傳感器采集類(lèi)型不同大致可分為以下三種：

第一種為光學(xué)傳感器。光學(xué)傳感技術(shù)可以說(shuō)是掃描儀的縮小版。使用時(shí)，用戶將手指按在掃面設(shè)備的玻璃表面，光源光線照射到壓有指紋的玻璃表面形成反射光線，反射光線再經(jīng)過(guò)凸鏡聚焦后由光電圖像傳感器去捕獲成像，并對(duì)比資料庫(kù)看是否一致。

第二種為電容式指紋識(shí)別傳感器。該技術(shù)得益于硅晶體電容傳感器誕生，電容式指紋識(shí)別技術(shù)才出現(xiàn)。如圖1所示電容傳感器包含數(shù)萬(wàn)個(gè)金屬導(dǎo)體陣列，外部一層絕緣保護(hù)層。手指放上面時(shí)，金屬導(dǎo)體陣列/絕緣層/皮膚構(gòu)成相應(yīng)的小電容器陣列。利用指紋的凹凸，通過(guò)對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)上充放電，便可檢測(cè)到指紋的紋路情況，要求絕緣保護(hù)層很薄。電容式指紋識(shí)別技術(shù)才使指紋識(shí)別真正普及開(kāi)來(lái)，進(jìn)入每一個(gè)電子設(shè)備。

第三種為生物射頻式指紋識(shí)別傳感器。射頻傳感器在電容式傳感器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展，通過(guò)發(fā)射微量的射頻信號(hào)，穿透手指的表皮層獲取里層的紋路以獲取信息。相比之下，射頻傳感技術(shù)可以排除手指表面的污垢、油脂干擾，精確度很高。

iPhone 5S指紋識(shí)別的原理。iPhone5s的Touch ID指紋傳感器被放置在Home鍵，這個(gè)用戶與iPhone自然而然頻頻接觸的地方。按鈕表面由激光切割的藍(lán)寶石水晶制成，可精確聚焦手指，保護(hù)傳感器；該傳感器會(huì)識(shí)別和記錄指紋信息。按鈕周?chē)遣讳P鋼環(huán)，用于監(jiān)測(cè)手指，激活傳感器和改善信噪比。隨后，軟件將讀取指紋信息，查找匹配指紋來(lái)解鎖手機(jī)。

圖1　指紋識(shí)別模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2　指紋識(shí)別模組自動(dòng)熱壓工藝流程

（1）設(shè)備啟動(dòng)后，在觸摸屏中選擇熱板加熱模式，選擇所需工作溫度（例如：120℃）。當(dāng)所有溫控表顯示值穩(wěn)定到120℃后，使用測(cè)溫計(jì)對(duì)各個(gè)加熱板上的溫度進(jìn)行測(cè)量。確認(rèn)所有加熱板表面溫度是否與溫控表顯示溫度一致，是否保持在±2℃范圍之內(nèi)。確認(rèn)工作完成，進(jìn)行溫度校準(zhǔn)后，設(shè)備方可進(jìn)行正常工作。

（2）指紋識(shí)別模組工件通過(guò)搭載機(jī)搭載完成一版后，工件從搭載機(jī)傳輸軌道送出至熱板機(jī)的上料機(jī)構(gòu)接收軌道，熱板機(jī)上料機(jī)構(gòu)傳感器檢測(cè)工件到位，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)平皮帶運(yùn)動(dòng)，將工件傳送至一號(hào)緩存料盒中，緩存料盒接收工件后自動(dòng)上升一定距離至下一接收工作位置，等待接收下版工件。搭載機(jī)完成一版模組搭載時(shí)間約為1 min，每片工件傳送時(shí)間間隔為1 min，一號(hào)緩存料盒設(shè)計(jì)為六層。預(yù)計(jì)6 min一號(hào)緩存料盒存滿工件。

（3）一號(hào)緩存料盒接收六版工件后，由推料機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)撥桿旋轉(zhuǎn)90°，使撥桿處于緩存料盒正前方中心位置，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)撥桿進(jìn)行x向運(yùn)動(dòng)。將6片工件整體推入二號(hào)緩存料盒中。

（4）一號(hào)緩存料盒運(yùn)動(dòng)至初始位置繼續(xù)接收工件，二號(hào)緩存料盒由伺服電器驅(qū)動(dòng)模組進(jìn)行y向運(yùn)動(dòng)，二號(hào)緩存料盒運(yùn)動(dòng)至一號(hào)固化線，z向電機(jī)驅(qū)動(dòng)二號(hào)緩存料盒，將最底層工件提升至傳輸軌道位置高度，同時(shí)由撥爪A推動(dòng)工件進(jìn)入一號(hào)固化線傳輸軌道后，撥爪A返回初始位置，二號(hào)緩存料盒下降一定距離，將第二版工件運(yùn)動(dòng)至傳輸導(dǎo)軌位置高度。撥爪A推動(dòng)第二版工件進(jìn)入軌道，同時(shí)撥爪B推動(dòng)第一版工件至第二加熱工位，依此類(lèi)推，直至六版工件由1號(hào)固化線七個(gè)撥爪全部推入一號(hào)固化線六個(gè)加熱工位。二號(hào)緩存料盒運(yùn)動(dòng)至初始位置，等待繼續(xù)接收工件，此過(guò)程時(shí)間約為2 min左右。

（5）一號(hào)固化線6個(gè)加熱工位分別由6個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)同時(shí)上升，將六版工件頂起至上壓板位置，上下壓板壓緊工件后，計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)進(jìn)行固化，固化時(shí)間為30 min。

（6）當(dāng)一號(hào)固化線工件固化完成后，氣缸驅(qū)動(dòng)加熱工位向下運(yùn)動(dòng)，六版工件下降至傳輸導(dǎo)軌上，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)6個(gè)撥爪撥動(dòng)工件同時(shí)向前運(yùn)動(dòng)，收料機(jī)構(gòu)收取第一版固化完成的工件，同時(shí)氣缸驅(qū)動(dòng)撥桿機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)撥桿回到初始位置后，氣缸驅(qū)動(dòng)撥桿機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)。依次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將一號(hào)固化線六版工件傳送至收料盒中，于此同時(shí)，二號(hào)緩存盒運(yùn)動(dòng)至一號(hào)固化線，繼續(xù)向一號(hào)固化線傳送工件。

（7）收料機(jī)構(gòu)繼續(xù)等待二號(hào)固化線工件完成固化，進(jìn)行收料。收料盒設(shè)置為30層。

（8）當(dāng)收料部件第一個(gè)料盒收滿30個(gè)產(chǎn)品，收料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至卸載料盒位置，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)卸載料盒機(jī)構(gòu)向料盒方向運(yùn)動(dòng)，卸載料盒機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至料盒上方，z向氣缸驅(qū)動(dòng)夾緊氣缸向下運(yùn)動(dòng)，由夾緊氣缸夾緊料盒。z向氣缸向上運(yùn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模組向后運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至料盒緩存臺(tái)位置，氣缸向下運(yùn)動(dòng)，將料盒放置料盒緩存臺(tái)。收料機(jī)構(gòu)繼續(xù)收料，直至第二個(gè)料盒收滿，運(yùn)動(dòng)至卸載料盒位置，設(shè)備報(bào)警提醒操作人員取走緩存臺(tái)上的料盒。卸載料盒機(jī)構(gòu)繼續(xù)重復(fù)卸載料盒動(dòng)作。操作人員放置空料盒繼續(xù)生產(chǎn)。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別模組生產(chǎn)自動(dòng)化，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，減少因人工干預(yù)產(chǎn)生的不良率，該設(shè)備設(shè)計(jì)了指紋識(shí)別模組的接收傳送機(jī)構(gòu)，加熱壓合機(jī)構(gòu)。采用步進(jìn)電機(jī)、同步帶以及導(dǎo)軌組合的接收傳送機(jī)構(gòu)。采用氣缸、直線軸承、導(dǎo)向軸以及通過(guò)電氣比例閥控制壓力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了加熱壓合結(jié)構(gòu)。

3.1接收傳送機(jī)構(gòu)

接收傳送機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。接收傳送機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、同步帶、推桿、導(dǎo)桿氣缸組成。該機(jī)構(gòu)工作原理是通過(guò)氣缸來(lái)控制皮帶傳送機(jī)構(gòu)整體上下運(yùn)動(dòng)，推桿機(jī)構(gòu)中6個(gè)推桿分別等間距安裝在導(dǎo)軌上，滑塊固定安裝在上下導(dǎo)板上，導(dǎo)軌由電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)6個(gè)推桿進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了推桿往復(fù)傳送指紋識(shí)別模組的功能，能夠?qū)⒅讣y識(shí)別模組推送進(jìn)各自加熱工位進(jìn)行熱壓固化。

圖2　接收傳送機(jī)構(gòu)示意圖

在產(chǎn)品固化加熱前，推桿向前推送指紋識(shí)別模組過(guò)程中，采用此機(jī)構(gòu)可以消除推桿因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)，避免了因推桿振動(dòng)導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生位置偏移，從而增加了產(chǎn)品的良率。機(jī)構(gòu)中使用同步帶作為傳動(dòng)媒介，是由于同步帶在工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)，有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，雖然同步帶是彈性體，但由于其中承受負(fù)載的承載繩具有在拉力作用下不伸長(zhǎng)的特性，故能保持帶節(jié)距不變，使帶與輪齒槽能正確嚙合，實(shí)現(xiàn)無(wú)滑差的同步傳動(dòng)，獲得精確的傳動(dòng)比，將產(chǎn)品精確的推送到加熱工位。并且在產(chǎn)品送入加熱工位后，加熱臺(tái)需上升對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行壓合，此時(shí)推桿必須避讓開(kāi)壓合位置。設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)既可以滿足自動(dòng)推送產(chǎn)品的需求，在產(chǎn)品進(jìn)行加熱壓合時(shí)又巧妙避開(kāi)了產(chǎn)品壓合位置。

3.2加熱壓合機(jī)構(gòu)

隨著產(chǎn)品工藝的改進(jìn)，產(chǎn)品對(duì)于溫度和壓力精度的要求更為苛刻。為了滿足現(xiàn)有指紋識(shí)別模組對(duì)壓力精度XX N±3 N的要求。必須改善現(xiàn)有的壓合結(jié)構(gòu)以及壓力控制方式，提高產(chǎn)品的良率。從決定壓力精度的因素分析，有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面因素，靜態(tài)方面有：上下壓板平行精度及工作表面的平面度；動(dòng)態(tài)方面有氣缸進(jìn)行動(dòng)作時(shí)對(duì)氣缸輸出力時(shí)的控制方式。

加熱壓合機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。加熱壓合機(jī)構(gòu)主要由氣缸、導(dǎo)向軸、上壓板組件、加熱板、隔熱板等組成。其中，上壓板是通過(guò)關(guān)節(jié)軸承連接在上基板上，在上壓板的下表面貼附柔性的硅海綿。防止壓合時(shí)產(chǎn)品直接接觸金屬表面，對(duì)產(chǎn)品造成劃傷、壓傷。由于硅海綿使用一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生磨損。需要定時(shí)更換，每次更換后需要重新調(diào)節(jié)上下壓板的平行度。在一臺(tái)自動(dòng)生產(chǎn)線上有30個(gè)工位，所以調(diào)節(jié)平行度的方便與快捷至關(guān)重要。在壓合機(jī)構(gòu)的上基板上裝有4個(gè)調(diào)節(jié)螺桿，它們的作用就是調(diào)節(jié)上下壓板的平行度。在調(diào)整前先將4個(gè)調(diào)節(jié)螺桿旋至離開(kāi)上壓板，使上壓板處于自由狀態(tài)?？刂葡录訜岚褰M件氣缸動(dòng)作，使下加熱板組件上升，上下壓板壓合，上壓板以下加熱板為基準(zhǔn)自動(dòng)找平。在這個(gè)狀態(tài)下，將上基板的4個(gè)調(diào)節(jié)螺桿旋轉(zhuǎn)至上壓板表面貼合，然后用螺母鎖緊，上下壓板的平行精度調(diào)整完成。平行精度的調(diào)整保證了在壓合過(guò)程中不會(huì)使產(chǎn)品發(fā)生位置偏移，不會(huì)導(dǎo)致一版產(chǎn)品中由于壓合力度不均勻，部分產(chǎn)品膠水在規(guī)定工藝時(shí)間內(nèi)不能烘干、產(chǎn)生氣泡、膠水溢出等不良現(xiàn)象。

另一方面就是對(duì)氣缸動(dòng)作的控制方式，氣缸動(dòng)作帶動(dòng)加熱板組件上升過(guò)程分為接觸產(chǎn)品前與接觸產(chǎn)品后兩個(gè)階段，在接觸產(chǎn)品瞬間和接觸產(chǎn)品后向上運(yùn)動(dòng)都需要盡可能減少震動(dòng)。這就要求加熱板組件的運(yùn)動(dòng)必須平穩(wěn)、順暢。加熱板組件向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，影響氣缸平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的因素有兩點(diǎn)，一方面是氣缸自身導(dǎo)桿與缸徑摩擦力的不穩(wěn)定型，另一方面是調(diào)壓閥輸出氣壓的變化，基于這兩方面的原因，使用了摩擦系數(shù)更小的低摩擦氣缸，消除摩擦力的影響。在控制方面，另外通過(guò)使用電器比例閥來(lái)控制氣缸的動(dòng)作，在壓力調(diào)試過(guò)程中，在下壓板表面分別安裝3個(gè)壓力測(cè)試計(jì)，測(cè)試不同位置的壓力值，通過(guò)調(diào)節(jié)電氣比例閥，記錄不同的電壓信號(hào)下生成的壓力值，使用壓力測(cè)試計(jì)對(duì)壓力進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)果顯示壓力精度可以滿足客戶±3 N的要求。客戶在使用過(guò)程中，只需要在觸摸屏輸入提前標(biāo)定好的電壓數(shù)據(jù)，即可得到所需要的產(chǎn)品壓力，在大量生產(chǎn)過(guò)程中，這種機(jī)構(gòu)和控制方式的穩(wěn)定性和便捷性也得到了驗(yàn)證，同時(shí)得到了客戶的認(rèn)可。

圖3　加熱壓合機(jī)構(gòu)示意圖

4　結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)客戶自動(dòng)化連線生產(chǎn)要求，開(kāi)發(fā)研制的指紋識(shí)別模組全自動(dòng)熱壓設(shè)備。它是一種對(duì)指紋識(shí)別模組的設(shè)備，適用于高度小于11 mm的指紋識(shí)別模組。通過(guò)自動(dòng)接收傳輸指紋識(shí)別模組，可連續(xù)完成多個(gè)指紋識(shí)別模組的熱壓，可以提高指紋識(shí)別模組的生產(chǎn)效率和品質(zhì)。是指紋識(shí)別模組后制程中的關(guān)鍵設(shè)備之一。

該設(shè)備的性能指標(biāo)達(dá)到了生產(chǎn)企業(yè)提出的要求。在指紋識(shí)別模組生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)連續(xù)使用兩年多的時(shí)間，效果良好。同時(shí)該設(shè)備適用于攝像頭模組的生產(chǎn)。

［1］ 王文斌.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］ 來(lái)瞞虔.機(jī)械原理教學(xué)指南［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［3］周開(kāi)勤.機(jī)械零件手冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994.

Fingerprint Identification Module Hot-pressing Process Equipment Research and Analysis

WANG Weimin，LI Qingliang

（Taiyuan fenghua information equipment co.，Taiyuan 030024，China）

In order to achieve fingerprint identification module automatic production，and improve the production efficiency and yield of the product，we put forward the fingerprint recognition module，automatic hot pressing process，and describe the function of automatic hot pressing equipment part structure and working principle in detail.

Fingerprint identification module；Thermal curing；The position offset；Radio frequency sensor

TN605

B

1004-4507（2016）08-0038-05

2016-05-26的痛點(diǎn)，又滿足用戶使用便捷性需求。

王偉民（1983-），男，畢業(yè)于中北大學(xué)，工程師，現(xiàn)就職于太原風(fēng)華信息裝備股份有限公司，現(xiàn)主要從事電子專(zhuān)用設(shè)備研究。