任紹彬，徐品烈，郎 平

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

近年來，隨著LED產(chǎn)品工藝和技術(shù)的改進(jìn)，使LED產(chǎn)品的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，尤其是大功率高亮度LED產(chǎn)品的逐漸成熟，使得LED產(chǎn)品應(yīng)用到日常生活的各個(gè)方面。相應(yīng)的，市場上對LED產(chǎn)品不斷提出新的需求，使得LED生產(chǎn)廠家及相關(guān)的設(shè)備制造商不斷改進(jìn)生產(chǎn)及加工工藝來滿足市場需求。

LED裝片機(jī)是從藍(lán)膜上吸取劃切分割后的芯片，并置于涂敷有粘接劑基底材料（支架、PCB板等）上，使芯片與基底材料固定在一起的一種自動(dòng)化設(shè)備。

拾取放置機(jī)構(gòu)在拾取芯片，往放置位快速運(yùn)行的過程中，芯片有可能未能拾取或在運(yùn)動(dòng)過程中脫落，因此，在固晶前須檢測吸頭上是否有芯片，以避免放置時(shí)因無芯片造成吸頭沾膠或焊盤缺芯，在國內(nèi)生產(chǎn)線上所用的粘片機(jī)，其芯片丟失的傳統(tǒng)檢測方法一般采用光電信號(hào)的方式來實(shí)現(xiàn)，這種方法具有成本低、響應(yīng)速度快、實(shí)現(xiàn)方便的優(yōu)點(diǎn)，但隨著白光LED產(chǎn)品的發(fā)展，此類產(chǎn)品所采用芯片的藍(lán)寶石襯底逐漸變薄，使其透光率越來越高，光電檢測方式的可靠性、穩(wěn)定性已不能滿足生產(chǎn)需求，本文提出一種由真空負(fù)壓產(chǎn)生的微小氣流的方式實(shí)現(xiàn)吸頭處有無芯片的檢測功能，這種檢測方式不受芯片襯底材料的影響，具有可靠性高、適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)，但受元件安裝尺寸及管道長度的限制，其響應(yīng)時(shí)間較長，本文主要討論吸頭用真空拾取芯片時(shí)影響吸附響應(yīng)時(shí)間的因素及縮短響應(yīng)時(shí)間的途徑。

1 檢測單元的實(shí)現(xiàn)方法

裝片機(jī)中，從藍(lán)膜上吸取的芯片放置在基底材料上的功能由拾取放置機(jī)構(gòu)來完成。拾取放置機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、四連趕機(jī)構(gòu)、滑鍵軸、固晶臂、吸頭、固定座六部分組成。

拾取放置過程中，首先打開吸頭真空閥，使吸頭腔體內(nèi)形成一定的負(fù)壓，依靠負(fù)壓，吸頭在吸晶位將藍(lán)膜上劃切分割后的芯片拾取后，運(yùn)動(dòng)到固晶位，檢測芯片是否丟失，如有芯片，則斷開吸頭處真空，將芯片放置于固晶位置；如吸頭處無芯片，表明芯片已丟失，檢測單元須給出芯片已丟失的信號(hào)，吸頭回到拾取位，重新拾取芯片。

芯片丟失的檢測功能單元組成如圖1所示，它是由真空泵、儲(chǔ)氣罐、流量傳感器、真空閥等基本元件組成，另外還有氣源附件、真空過濾器、出口消聲器、管路等輔助元件。在固晶前進(jìn)行芯片丟失的檢測時(shí)，因吸頭正空閥處于打開狀態(tài)，如吸頭處無芯片，儲(chǔ)氣罐由真空泵抽至較高的負(fù)壓，連接儲(chǔ)氣罐和吸頭的管道是暢通的，流過流量傳感器的空氣流量較大，流量傳感器輸出的電壓信號(hào)也較高；如吸頭處吸附了芯片，因芯片堵塞了吸頭處的氣路通道，連接儲(chǔ)氣罐和吸頭的管道處于封閉狀態(tài)，流過流量傳感器的空氣流量較小，流量傳感器輸出的電壓信號(hào)也較低。依據(jù)量傳感器輸出電壓信號(hào)的狀態(tài)（高低）可以判斷出芯片是否丟失。

圖1 檢測單元組成示意圖

由于連接量傳感器輸出的電壓信號(hào)是由流過它的氣體流量產(chǎn)生的，它是利用真空閥兩側(cè)氣路的空氣壓差，使大氣從夾體吸頭的空腔內(nèi)經(jīng)管道、真空過濾器流到流量傳感器，這樣由于管道的長度和過濾器的幾何尺寸的影響，氣體從吸頭處流到流量傳感器是需要一定的傳導(dǎo)時(shí)間，因此流量傳感器處達(dá)到吸著工件必須的真空度時(shí)輸出的電壓信號(hào)總是滯后于打開電磁閥真空通道的信號(hào)，這個(gè)滯后時(shí)間也就是丟片檢測功能單元的響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間過長，就會(huì)影響檢測信號(hào)的即時(shí)性，進(jìn)而影響設(shè)備的效率及檢測的靈活性。分析影響響應(yīng)時(shí)間的因素及縮短響應(yīng)時(shí)間，是依靠流量進(jìn)行芯片丟失檢測要解決的問題。

2 影響響應(yīng)時(shí)間的因素

響應(yīng)時(shí)間是指真空換向閥換向開始,到吸嘴內(nèi)達(dá)到吸著工件必須的真空度為止所需的時(shí)間，即傳感器可以可靠給出判斷信號(hào)的最短時(shí)間。換向閥換向后，吸嘴內(nèi)的真空度與到達(dá)時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 真空度與到達(dá)時(shí)間的關(guān)系曲線

設(shè)吸嘴內(nèi)的壓力p從大氣壓降至真空度達(dá)63%pv的時(shí)間為t1，降至真空度達(dá)95%pv的到達(dá)時(shí)間為t2，其中pv為真空泵可以達(dá)到的最大真空度。則：

（1）真空換向閥至吸嘴的配管容積以及這段時(shí)間內(nèi)從吸嘴吸入的氣體體積（V）；

（2）最小平均吸入流量（qv）；

（3）真空度（p）。

氣體體積V越大，響應(yīng)時(shí)間越長；平均吸入流量qv越大，響應(yīng)時(shí)間越短；要達(dá)到的真空度p越高，響應(yīng)時(shí)間越長。

3 計(jì)算及測試

下面，將圖1所示的丟片功能單元，按照安裝元件的性能指標(biāo)及管道實(shí)際安裝尺寸，依據(jù)公式（1）計(jì)算響應(yīng)時(shí)間。

式（1）中：t1（或者t2）——吸著響應(yīng)時(shí)間；

V——真空換向閥至吸嘴的配管容積與這段時(shí)間內(nèi)吸嘴吸入的氣體體積；

d——配管的內(nèi)徑；

l——配管的長度；

qv——通過真空換向閥的平均吸入流量qv1和通過配管的平均吸入流量qv2中的小者；

qv1——通過真空換向閥的平均吸入流量；

Sc——真空換向閥的有效截面積；

Cq——系數(shù)，，一般取，若真空管路中流動(dòng)阻力偏大，可取

qv2——通過配管的平均吸入流量；

S——配管的有效截面積。

在實(shí)驗(yàn)中，d=2mm，l=0.4 m，則

查表得，真空換向閥的有效截面積為3.35mm2，

查表得，配管的有效截面積為2.40mm2，

配管容積以及這段時(shí)間內(nèi)吸嘴吸入的氣體體積與真空吸嘴的結(jié)構(gòu)形狀尺寸、抽氣管道的長度以及管徑有關(guān)。由于這段時(shí)間內(nèi)的流速不穩(wěn)定，無法對吸嘴吸入的氣體體積進(jìn)行計(jì)算，但由于響應(yīng)時(shí)間較短，大約在50 ms左右，抽速較小，因此在上述計(jì)算中乘以系數(shù)k=1.1來代替。

（1）抽氣管道的長短與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系

圖3所示中，從夾體到真空電磁閥之間的管道長度定義為L1，當(dāng)抽氣管道L1=1000mm時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為90 ms左右,當(dāng)長度降至760mm時(shí)，響應(yīng)時(shí)間減少至70 ms左右。后來繼續(xù)將抽氣管道剪短，當(dāng)抽氣管道L1=260 ms時(shí)，響應(yīng)時(shí)間只需45 ms左右，由此可得出結(jié)論：抽氣管道的長短對響應(yīng)時(shí)間的影響很大，這主要是因?yàn)楣艿赖拈L短直接關(guān)系到氣體體積。但根據(jù)貼片機(jī)工作的實(shí)際情況，我們最后將抽氣管道的長度定為400mm。

圖3 抽氣管道L=400mm時(shí)的響應(yīng)時(shí)間

（2）真空度與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系

由前面的理論計(jì)算可以看出，真空度越接近真空泵能提供的最大真空度，所需要的時(shí)間越長。實(shí)驗(yàn)中，我們采用的是臺(tái)灣KAWAKE公司生產(chǎn)的JP-90V-9無油柱塞式真空泵，它理論上能提供真空度為99 kPa，但實(shí)際使用中，泵提供的最大真空度是92 kPa，比理論值要小很多。

圖4 真空度80 kPa

圖5 真空度87.6 kPa

從上面圖可以看出，當(dāng)真空壓力為-70 kPa時(shí)，響應(yīng)時(shí)間在30 ms左右，但波動(dòng)很大；當(dāng)真空壓力為-80 kPa時(shí)，響應(yīng)時(shí)間在45 ms左右，但也有小波動(dòng)；當(dāng)真空壓力為-87.6 kPa時(shí)，響應(yīng)時(shí)間在50 ms左右，且波動(dòng)很小，可忽略不計(jì)。在同樣的條件下，真空度越小，響應(yīng)時(shí)間越短但會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)調(diào)壓閥的真空壓力設(shè)定在-87.6 kPa左右時(shí)，響應(yīng)時(shí)間小而且波動(dòng)也可以忽略不計(jì)。而且-87.6 kPa剛好是實(shí)際最大真空度的95%。

（3）抽氣速度（氣體流量）與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系

由式（1）看出，抽氣速度越快，即單位時(shí)間流量越大，響應(yīng)時(shí)間越短。這涉及到管道流阻及流導(dǎo)的問題。氣體通過管道時(shí)產(chǎn)生的阻力稱為流阻。流導(dǎo)表示真空管道、孔、擋板、閥門、過濾器等等元件傳輸氣體的能力，與流阻是倒數(shù)關(guān)系。

真空泵的標(biāo)示抽速為81～90 L/min，但實(shí)際上經(jīng)過管道以后，實(shí)際抽速并沒有這么快。對于真空泵的有效抽速，有以下公式：

其中：S——真空泵的有效抽速；

Sp——真空泵的理論抽速；

U——管道流導(dǎo)。

在本試驗(yàn)中，為定值，故真空泵的有效抽速隨管道流導(dǎo)變化。下面計(jì)算管道流導(dǎo)：在低真空的管道中，氣體沿管道的主要流動(dòng)狀態(tài)為黏滯流。對于圓截面長管道而言，其流導(dǎo)公式為：

其中：d——管道直徑；

L——管道長度；

取儲(chǔ)氣罐到換向閥之間的管道計(jì)算流導(dǎo)：

真空泵的理論抽速SP≈1.5 L/s，真空過濾器的合適流量為30 L/min，即0.5 L/s，試驗(yàn)中流量傳感器的最大輸出3.7V，對應(yīng)流量為85mL/min?？梢妴渭兊墓艿懒鲗?dǎo)比真空泵的理論抽速大很多，故管道雖然對響應(yīng)速度有影響但還不是非常大。但是流量傳感器、真空過濾器等元器件引起的流阻卻對氣體流動(dòng)有很大影響，尤其是流量傳感器。如圖6所示：如果不分流，氣體全部經(jīng)過傳感器，因?yàn)锳WM3100可通過的流量很小，氣體流經(jīng)時(shí)遇到了非常大的流阻，故響應(yīng)時(shí)間甚至長達(dá)200 ms以上。

其次，在相同的管長條件下，去掉真空過濾器會(huì)使得響應(yīng)時(shí)間變短，且其影響圖7中響應(yīng)時(shí)間比圖6中縮短了12 ms，且其影響比改變管長引起的變化大。這是因?yàn)檎婵者^濾器的流量比管道的流導(dǎo)要小的緣故。

圖6 保留真空過濾器

圖7 去掉真空過濾器

4 結(jié)束語

根據(jù)分析研究，得出了真空吸附響應(yīng)時(shí)間的表達(dá)式，也就找到了縮短吸附響應(yīng)時(shí)間的途徑。得出了以下結(jié)論：在用流量方法檢測丟失時(shí)，合理縮短管道長度，采用較小的管道通徑，使真空容積減小，檢測芯片在整個(gè)氣路系統(tǒng)，在目前實(shí)際安裝條件下，優(yōu)化各種影響因素，響應(yīng)時(shí)間可以縮短到50 ms。抽氣管道真空度達(dá)95%Pv時(shí)所需時(shí)間的理論值，可以在35 ms以下。但這是在完全理想的情況下，即氣體體積完全符合計(jì)算值、真空度保持恒定、抽氣速度恒定等，才可以得到的。事實(shí)上，除了考慮以上分析的氣體體積、真空度、抽氣速度3種主要的影響因素外，還有其他一些影響因素不可避免，比如氣路系統(tǒng)的微泄露、強(qiáng)弱氣的影響、換向閥動(dòng)作時(shí)引起的氣流波動(dòng)等。

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