楊 靜，苗 岱，劉 暢

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原 030024)

等離子清洗工藝具有成本較低、容易使用、維護(hù)及保養(yǎng)費(fèi)用低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于芯片粘結(jié)工藝前、引線鍵合和覆晶封裝工藝前的表面處理。隨著國際上對等離子體清洗技術(shù)的深入研究及其越來越廣泛的應(yīng)用，等離子清洗設(shè)備的需求也成倍增長。然而，等離子清洗在我國尚處于起步階段。中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所、北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司微電子設(shè)備分公司等為數(shù)不多的幾家研究院所近年來一直致力于等離子體清洗技術(shù)的研究，并取得了真空低壓冷等離子體清洗設(shè)備的研制成功、常壓空氣輝光冷等離子體清洗技術(shù)的初步研究進(jìn)展等一系列重要成果。目前國內(nèi)集成電路生成線上如江陰長江電子，南通富士通公司等所使用的等離子清洗機(jī)基本上都是從國外進(jìn)口，在發(fā)達(dá)國家的技術(shù)壟斷下，設(shè)備價(jià)格比較高。

為此利用現(xiàn)有成熟的等離子體清洗工藝技術(shù)和設(shè)備制造基礎(chǔ)，增加設(shè)備自動化功能，結(jié)合目前研制的常規(guī)等離子清洗設(shè)備，參考國外設(shè)備結(jié)構(gòu)形式，采用適應(yīng)于集成電路模塊全自動清洗運(yùn)行方式，制造適用于大規(guī)模生產(chǎn)的集成電路在線式清洗設(shè)備具有非常重要的意義。

圖1 在線等離子清洗工藝流程圖

1 在線等離子清洗工藝流程

以在線等離子清洗系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，參照獨(dú)立式等離子清洗工藝流程經(jīng)驗(yàn)，制定在線等離子清洗工藝流程，如圖1所示。

系統(tǒng)采用全自動運(yùn)行方式，可與上下游生產(chǎn)工序連線，滿足器件封裝行業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)要求，徹底去除污物尺寸小于1 μm的微殘留顆粒和有機(jī)薄膜，大幅度改善表面性質(zhì)，提高后續(xù)工序中如焊接、封裝、粘結(jié)的可靠性，從而保證電子產(chǎn)品在惡劣環(huán)境狀況下的高精度和高可靠性。

在線式等離子清洗設(shè)備作為一種精密干法清洗設(shè)備，可以有效去除污染物，改善材料表面性能，且具有自動化程度高，清洗效率高、設(shè)備潔凈度高、適應(yīng)范圍廣等優(yōu)勢。

2 研制過程中的難點(diǎn)和解決辦法

在線等離子清洗設(shè)備是在成熟的等離子體清洗工藝技術(shù)和設(shè)備制造基礎(chǔ)上，增加了上下料功能、物料傳輸功能等自動化功能，重點(diǎn)針對IC封裝中引線框架上點(diǎn)膠裝片、芯片鍵合及塑封等工藝前清洗。在大大提高粘接及鍵合強(qiáng)度等性能的同時(shí)，避免人為因素長時(shí)間接觸引線框架而導(dǎo)致的二次污染以及腔體式批量清洗時(shí)間長有可能造成的芯片損傷。

研制中主要難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)將獨(dú)立式的等離子清洗設(shè)備連入生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)在線式的清洗方式，所以物料傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制是重點(diǎn)。為滿足本系統(tǒng)采用分批次直接清洗物料的需求，需要設(shè)計(jì)一套全自動傳輸系統(tǒng)完成將物料從料盒移動到反應(yīng)倉以及隨后從反應(yīng)倉返回料盒的搬運(yùn)功能。解決方案：

方案A：系統(tǒng)按照物料的流通過程分為上料系統(tǒng)，物料傳輸系統(tǒng)及下料系統(tǒng)三部分，如圖2所示。

通過推桿將單片物料從料盒移動到物料傳輸系統(tǒng)中，隨后物料傳輸系統(tǒng)通過傳送帶將單張物料搬運(yùn)到反應(yīng)倉中進(jìn)行清洗，清洗結(jié)束后采用相同的方式從反應(yīng)倉右側(cè)搬運(yùn)到物料傳輸系統(tǒng)中，最后在下料系統(tǒng)的推桿配合下重新進(jìn)入料盒中。

此方案基本滿足了在線式等離子清洗系統(tǒng)自動搬運(yùn)物料的設(shè)計(jì)要求，與常規(guī)等離子清洗系統(tǒng)相比，降低了人工搬運(yùn)過成，提高了設(shè)備自動化水平。但是隨之出現(xiàn)了以下問題：

圖2 方案A系統(tǒng)圖

（1）物料采用左進(jìn)右出的流程，增加了設(shè)備整體尺寸，從而降低了潔凈車間使用面積。

（2）單位時(shí)間內(nèi)一批次的物料需要在上料位及下料位同時(shí)占用二批次料盒，增加了生產(chǎn)成本。為了解決以上問題，在設(shè)計(jì)過程中改換了思路，重新對上下料系統(tǒng)及物料傳輸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了第二套方案如圖3。

方案B：修改了上下料及物料傳輸系統(tǒng)，將方案A中的上料系統(tǒng)及下料系統(tǒng)合二為一，并在物料傳輸系統(tǒng)中增加了豎直方向的運(yùn)動，使得方案B與方案A相比縮小了近1/3的體積，并且解決了料盒增加的問題。經(jīng)過反復(fù)評審最終系統(tǒng)采用方案B。上下料系統(tǒng)如圖3所示。

系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)構(gòu)說明如下：

（1）上料臺：主體為鋁制板材，用來放置未清洗物料料盒，通過電機(jī)帶動皮帶將料盒移動到料盒夾中。

（2）下料臺：同樣采用鋁板搭構(gòu)，用來放置清洗后物料料盒，通過電機(jī)帶動皮帶將料盒從料盒夾中取出。

圖3 上下料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（3）過度橋：鋁型材為支撐柱，在鋁板上安裝陶瓷軌道，軌道數(shù)量可根據(jù)客戶需求調(diào)整，物料通過此橋往返于料盒與里外托盤之間。

（4）料盒夾：主體為無桿氣缸，通過氣缸伸縮動作實(shí)現(xiàn)夾緊及釋放料盒功能。

（5）料盒垂直移動機(jī)構(gòu)：由電機(jī)及絲杠組成，被料盒夾夾住的料盒通過此機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)垂直與地面的豎直方向運(yùn)動，使料盒中每層物料都可被推桿機(jī)構(gòu)推出。

（6）料盒：生產(chǎn)線中物料（引線框架或PCB板）承載籃具，料盒豎直方向分為16～40層，每層水平放置一張料片。

（7）推桿機(jī)構(gòu)：由電機(jī)、絲杠及推桿組成，當(dāng)料盒中料片與過度橋上軌道對齊后，推桿通過沿水平方向左右往返運(yùn)動將料片推到過度橋軌道上。

（8）料盒水平移動機(jī)構(gòu)：由電機(jī)及絲杠組成，被料盒夾夾住的料盒通過此機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)垂直與推桿運(yùn)動方向的前后運(yùn)動，使料盒中物料水平分布到過度橋的軌道上。

上述8個(gè)部件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中料盒上下搬運(yùn)以及料盒中物料取放的全自動工藝。物料傳輸系統(tǒng)如圖4所示。

系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)構(gòu)說明如下：

（1）外托盤水平移動機(jī)構(gòu)：由電機(jī)及直線定位系統(tǒng)組成，帶動托盤在過度橋與反應(yīng)倉之間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。

（2）外托盤垂直移動機(jī)構(gòu)：由氣缸及導(dǎo)軌組成，氣缸帶動外托盤在導(dǎo)軌輔助下沿豎直方向移動，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)倉開關(guān)功能。

（3）外托盤：由鋁板加工而成，鋁板上設(shè)計(jì)有可調(diào)整軌道。托盤實(shí)現(xiàn)物料承載及反應(yīng)倉門功能。

（4）里托盤：與外托盤功能機(jī)構(gòu)相同。

（5）物料夾移動機(jī)構(gòu)：由電機(jī)及絲杠組成，物料夾通過此機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)x和y方向運(yùn)動，使托盤中每個(gè)軌道上都放置一張物料。

（6）物料夾：重要部件為氣缸，通過氣缸開始實(shí)現(xiàn)物料的夾取及放松功能。

（7）里托盤垂直移動機(jī)構(gòu)：由氣缸及導(dǎo)軌組成，氣缸帶動托盤在導(dǎo)軌輔助下沿豎直方向移動，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)倉開關(guān)功能。

（8）里托盤水平移動機(jī)構(gòu)：由電機(jī)及直線定位系統(tǒng)組成，帶動托盤在過度橋與反應(yīng)倉之間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。

上述8個(gè)部件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)料盒中物料在料盒與反應(yīng)倉之間的全自動搬運(yùn)工藝。

3 設(shè)備簡介

主要包括上下料系統(tǒng)、物料傳輸系統(tǒng)、等離子清洗系統(tǒng)、視覺監(jiān)控系統(tǒng)、托盤移動機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、物料夾取機(jī)構(gòu)、推桿機(jī)構(gòu)、傳感器檢測系統(tǒng)、控制面板、操作臺面和設(shè)備框架如圖5所示。

圖4 物料傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在線等離子清洗設(shè)備的電氣系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示，包括可編程邏輯控制器（PLC）、運(yùn)動控制系統(tǒng)、等離子清洗系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)、信號采集、工控機(jī)及人機(jī)界面等。硬件系統(tǒng)以PLC為控制核心實(shí)現(xiàn)全過程控制，包括所有輸入輸出信號的處理，各軸運(yùn)動時(shí)序控制，等離子清洗工藝設(shè)定等相關(guān)功能。

圖5 等離子清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

4.1 等離子放電控制系統(tǒng)

等離子放電控制系統(tǒng)中，PLC與微波電源的信號交換有兩種類型：IO量和模擬量；IO信號類型中包含開關(guān)控制及INTERLOCK控制等，模擬量信號類型中包含微波功率的設(shè)置和讀取及反射功率的讀取等。如圖7射頻放電系統(tǒng)圖所示，PLC所采集的功率和反射功率值顯示在操作界面上，如果出現(xiàn)反射功率偏離設(shè)定值并達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，將出現(xiàn)反射功率過大報(bào)警。

圖7 射頻放電系統(tǒng)圖

4.2 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的核心部分是PLC。來自外部光電開關(guān)、氣壓、位置等傳感器的反饋信號通過輸入模塊被讀入PLC的軟元件存儲器中。PLC CPU按照事先編制好的順控程序處理這些數(shù)據(jù)，然后給出各個(gè)部件的動作命令，這些命令通過輸出模塊，傳送到電磁閥、指示燈、蜂鳴器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到命令之后做出相應(yīng)的動作，進(jìn)而完成設(shè)備動作。上位機(jī)和PLC之間利用以太網(wǎng)通信模塊互相通信：組態(tài)軟件可以讀取PLC軟元件存儲器中的數(shù)據(jù)，PLC的CPU與定位模塊實(shí)現(xiàn)無縫鏈接，接收用戶命令，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)高精度的位置控制。

4.3 氣動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動控制系統(tǒng)如圖8所示，主要由電磁閥及氣缸組成，滿足系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的低精度的往返式運(yùn)動功能，以及對料盒及物料進(jìn)行的抓取動作。當(dāng)PLC根據(jù)軟件程序向電磁閥發(fā)出控制信號后，電磁閥將電信號轉(zhuǎn)化為氣體通斷信號，從而控制氣缸實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動作。氣路圖如下，主要包括減壓閥、電磁閥、氣缸、接頭及氣管。

4.4 伺服定位系統(tǒng)

伺服定位系統(tǒng)在可編程邏輯控制器的控制之下完成料盒在設(shè)備中的搬運(yùn)和傳輸以及料片在料盒及反應(yīng)艙之間的搬運(yùn)，自動運(yùn)行方式，可與上下游生產(chǎn)工序連線，滿足器件封裝行業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)要求。

本設(shè)備中共有八個(gè)運(yùn)動機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動功能，分別為：

（1）推桿機(jī)構(gòu)：功能為沿水平將物料從料盒中推出，方便物料夾進(jìn)行物料夾取。伺服電機(jī)通過絲杠帶動推桿進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。

（2）里/外托盤水平移動機(jī)構(gòu)、料盒夾水平移動機(jī)構(gòu)以及物料夾移動機(jī)構(gòu)：此四種結(jié)構(gòu)都采用伺服電機(jī)與絲杠組合而成，其中里/外托盤水平移動機(jī)構(gòu)與料盒夾水平移動機(jī)構(gòu)為單軸系統(tǒng)，只有物料夾移動機(jī)構(gòu)是由兩套伺服電機(jī)及絲杠組合的兩軸系統(tǒng)。

（3）料盒垂直移動機(jī)構(gòu)和反應(yīng)倉閉合機(jī)構(gòu)：此兩種結(jié)構(gòu)同樣采用伺服電機(jī)配備絲杠的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)與組系統(tǒng)類似，選型基本相同。唯一不同點(diǎn)在于，伺服電機(jī)選型時(shí)要要選擇帶制動機(jī)構(gòu)的型號。制動機(jī)構(gòu)防止電機(jī)停止時(shí)，負(fù)載在垂直方向因重力導(dǎo)致自由滑落。

5 結(jié)束語

圖8 氣動控制系統(tǒng)圖

在線等離子清洗設(shè)備是在利用了現(xiàn)有成熟的等離子體清洗工藝技術(shù)和設(shè)備制造基礎(chǔ)，增加設(shè)備自動化功能，自主設(shè)計(jì)、開發(fā)的設(shè)備。該設(shè)備采用適應(yīng)于引線框架全自動清洗運(yùn)行方式，適用于大規(guī)模生產(chǎn)的在線式引線框架清洗設(shè)備，解決了集成電路制造過程中設(shè)備人力成本高、生產(chǎn)效率低等技術(shù)難題。目前該設(shè)備已在多家集成電路制造企業(yè)投入使用，給客戶帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效益，得到了客戶的一致好評。

此外在半導(dǎo)體、液晶、微系統(tǒng)加工、太陽能等行業(yè)都需要對各種原材料及元件進(jìn)行等離子處理，在線式等離子清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以推廣到以上各行業(yè)中。同時(shí)可依托對清洗物料的傳輸方式以及等離子清洗、刻蝕或表面處理系統(tǒng)進(jìn)一步研究，采用本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，通過對相應(yīng)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的修改，將整個(gè)系統(tǒng)推廣應(yīng)用。

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