LD芯片貼片機(jī)頂針機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

郝耀武，張澤義，侯一雪，楊凱駿，曹國(guó)斌，張 媛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

GJJ-450全自動(dòng)共晶貼片機(jī)是專用于TO型（晶體管外形）激光器件的全自動(dòng)芯片封裝設(shè)備。主要用于激光器芯片與TO管座之間的共晶焊接，是TO型激光器封裝的核心設(shè)備。隨著激光器件功率的不斷提升，對(duì)自動(dòng)化設(shè)備提出了更高精度、更快速度、適應(yīng)性更強(qiáng)的要求[1]。頂針機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性決定了LD（半導(dǎo)體激光器）芯片從藍(lán)膜盤能否順利拾取而最終決定設(shè)備能否穩(wěn)定可靠地生產(chǎn)。

1 現(xiàn)有頂針機(jī)構(gòu)分析及問題描述

1.1 現(xiàn)有頂針機(jī)構(gòu)分析

LD芯片的拾放由吸嘴、藍(lán)膜運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、頂針機(jī)構(gòu)共同完成，如圖1所示。芯片矩陣式分布在藍(lán)膜盤上，藍(lán)膜盤安裝在藍(lán)膜運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，藍(lán)膜盤可沿x軸、y軸移動(dòng)，待完成當(dāng)前芯片的拾取后，藍(lán)膜運(yùn)動(dòng)平臺(tái)快速移動(dòng)使下一顆芯片迅速位于頂針上方，準(zhǔn)備下一次的拾取。頂針機(jī)構(gòu)位于藍(lán)膜下方，針筒上部接觸藍(lán)膜，針筒內(nèi)部安裝1個(gè)固定頂針。搬運(yùn)吸嘴在藍(lán)膜上方完成芯片的拾取和搬運(yùn)。

圖1 原頂針機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的問題

在芯片拾取完成瞬間，藍(lán)膜由于自身張力恢復(fù)至頂針上方。在芯片拾取過程中，針筒與負(fù)壓接通，由于藍(lán)膜的上下壓差使藍(lán)膜變形，如圖2（a）所示，頂針刺穿藍(lán)膜，使芯片與藍(lán)膜分離。分離后，針筒與大氣壓接通，藍(lán)膜通過自身張力恢復(fù)，拾取工作完成，如圖 2（b）所示。

圖2 原頂針機(jī)構(gòu)原理圖

但是，同一客戶現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常同時(shí)使用多種不同材質(zhì)的藍(lán)膜盤，有些藍(lán)膜材質(zhì)較軟或張力不夠，藍(lán)膜經(jīng)常難以快速恢復(fù)至頂針上方，經(jīng)過長(zhǎng)期的客戶現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，材質(zhì)較軟的藍(lán)膜恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2 s，導(dǎo)致單品時(shí)間無法提高，生產(chǎn)效率低。尤其當(dāng)兩種材質(zhì)的藍(lán)膜盤更換時(shí)，很容易出現(xiàn)藍(lán)膜未及時(shí)回位而藍(lán)膜盤移動(dòng)造成頂針損壞的現(xiàn)象。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)主要通過藍(lán)膜的上下壓差來實(shí)現(xiàn)藍(lán)膜的變形，尤其對(duì)于材質(zhì)較軟的藍(lán)膜盤，針筒內(nèi)負(fù)壓調(diào)整難度較大，維護(hù)十分不便。

使用材質(zhì)較軟的藍(lán)膜盤，勢(shì)必造成單品時(shí)間增加，生產(chǎn)效率變低，而且很容易造成頂針的損毀，增加設(shè)備維護(hù)時(shí)間，有效生產(chǎn)時(shí)間變短。只有改進(jìn)頂針機(jī)構(gòu)，進(jìn)而提高設(shè)備對(duì)不同藍(lán)膜的適應(yīng)能力以及穩(wěn)定性，為客戶創(chuàng)造更大利潤(rùn)。

2 新型頂針機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

原頂針機(jī)構(gòu)針筒和頂針都固定不動(dòng)，通過藍(lán)膜自身張力使藍(lán)膜復(fù)位到頂針上方，可靠性較差，并且這種方式無法對(duì)藍(lán)膜變形量進(jìn)行精確控制。如果使針筒或頂針具有沿針尖方向的移動(dòng)能力，可以解決藍(lán)膜不能及時(shí)回位的問題，同時(shí)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以使頂針機(jī)構(gòu)的調(diào)試更加可控、便捷。

2.1 兩種新型頂針結(jié)構(gòu)分析

頂針移動(dòng)型頂針機(jī)構(gòu)原理如圖3（b）所示，在芯片拾取過程中，針筒上表面與藍(lán)膜接觸固定不動(dòng)，拾取吸嘴沿z向接觸芯片后暫時(shí)靜止，通過凸輪帶動(dòng)頂針向上移動(dòng)，扎破藍(lán)膜同時(shí)頂起芯片，吸嘴上抬完成芯片的拾取。此種結(jié)構(gòu)在向上頂起芯片的過程中，由于芯片與吸嘴對(duì)芯片的相互作用力，極容易造成芯片的破損[2]，客戶較難接受。

圖3 兩種新結(jié)構(gòu)吸附原理對(duì)比

針筒移動(dòng)型頂針機(jī)構(gòu)原理如圖3（a）所示，在芯片拾取過程中，頂針固定不動(dòng)，針筒上表面與藍(lán)膜接觸，首先拾取吸嘴沿z向接觸芯片后暫時(shí)靜止并開啟吸附，通過凸輪帶動(dòng)針筒拖拽藍(lán)膜向下移動(dòng)，頂針扎破藍(lán)膜同時(shí)芯片與藍(lán)膜分離，吸嘴上抬完成芯片的拾取。相比于頂針移動(dòng)型結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)可以避免對(duì)芯片的共同擠壓，有效保護(hù)芯片，使客戶利益最大化，同時(shí)減輕調(diào)機(jī)人員的工作強(qiáng)度。

2.2 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)介紹

圖4 新頂針機(jī)構(gòu)模型

圖4是新型頂針機(jī)構(gòu)模型圖，當(dāng)開始生產(chǎn)時(shí)，通過氣缸推動(dòng)，頂針筒與頂針組成的機(jī)構(gòu)同時(shí)上升至藍(lán)膜盤的下表面，等待芯片拾取。當(dāng)開始拾取時(shí)，針筒內(nèi)負(fù)壓開啟，頂針筒上環(huán)形分布的開孔產(chǎn)生的真空吸附力將芯片周圍一定面積的藍(lán)膜固定，然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪帶動(dòng)針筒向下移動(dòng)，頂針扎破藍(lán)膜實(shí)現(xiàn)芯片與藍(lán)膜的剝離。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：通過電機(jī)帶動(dòng)凸輪移動(dòng)，頂針可以非常迅速的在藍(lán)膜平臺(tái)移動(dòng)之前移動(dòng)至藍(lán)膜下方，杜絕由于頂針未及時(shí)回位同時(shí)藍(lán)膜移動(dòng)造成的頂針破損的風(fēng)險(xiǎn)。并且經(jīng)過對(duì)凸輪軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]，實(shí)現(xiàn)針筒移動(dòng)距離的精確控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)藍(lán)膜變形量的可控，頂針機(jī)構(gòu)的調(diào)整更加容易，調(diào)試時(shí)間大大縮短。

3 改進(jìn)后效果

更換新型頂針機(jī)構(gòu)后，在客戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。對(duì)兩臺(tái)工況接近分別采用新舊頂針機(jī)構(gòu)的設(shè)備進(jìn)行12 h數(shù)據(jù)記錄，兩臺(tái)設(shè)備由同一熟練操作人員操作，采用相同物料，藍(lán)膜盤采用同一卷藍(lán)膜由同一人員制作。進(jìn)行12 h的連續(xù)運(yùn)行，對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 采用新舊頂針機(jī)構(gòu)設(shè)備對(duì)比

采用原頂針機(jī)構(gòu)的設(shè)備，在12 h內(nèi)因吸附失敗造成的報(bào)警3次，原因是雖然藍(lán)膜盤由同一人員制作，但不同藍(lán)膜盤的張力略有差異，造成了芯片拾取失敗的結(jié)果。但是新型頂針機(jī)構(gòu)改進(jìn)后效果明顯，經(jīng)觀察，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，每次藍(lán)膜變形位置一致，與芯片分離迅速。

之后進(jìn)行了更換藍(lán)膜盤的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。采用原頂針機(jī)構(gòu)的設(shè)備，每次更換不同材質(zhì)的藍(lán)膜盤都需要調(diào)整針筒內(nèi)負(fù)壓使藍(lán)膜變形一致，通過肉眼很難判斷，需要反復(fù)調(diào)試，稍不注意就會(huì)損壞頂針，熟練的調(diào)試人員調(diào)試時(shí)間也長(zhǎng)達(dá)5～10 min，大大減少了設(shè)備的有效工作時(shí)間。而新型頂針機(jī)構(gòu)在更換藍(lán)膜時(shí)，基本不需要做任何調(diào)整，就能立刻投入生產(chǎn)，兼容能力強(qiáng)。即使需要調(diào)整，只需調(diào)整凸輪旋轉(zhuǎn)角度，使藍(lán)膜變形程度微調(diào)即可順利生產(chǎn)，調(diào)試時(shí)間不超過2 min，大大降低了調(diào)試人員的工作強(qiáng)度，提高了設(shè)備的效率。

4 結(jié)束語

從客戶現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)以及后續(xù)的大批量生產(chǎn)驗(yàn)證可知，改進(jìn)后的頂針機(jī)構(gòu)對(duì)不同材質(zhì)、不同張力的藍(lán)膜適應(yīng)性非常好，從根本上解決了原頂針機(jī)構(gòu)在調(diào)試過程中調(diào)試維護(hù)難度大、頂針容易斷裂等問題，極大地提升了設(shè)備穩(wěn)定性與可靠性，為全自動(dòng)共晶貼片機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用及市場(chǎng)占有率的提升提供了有力的技術(shù)支持，得到了客戶的廣泛好評(píng)。

[1] 張媛，侯一雪，曹國(guó)斌，等.共晶貼片機(jī)傳送系統(tǒng)故障預(yù)示研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2017，(6)：45-47.

[2] 彭波.IC薄芯片拾取建模與控制研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[3] 戴威.芯片剝離過程分析及其機(jī)構(gòu)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.