劉正龍

（銅陵三佳山田科技股份有限公司，安徽銅陵 244000）

1 引言

目前國內(nèi)半導(dǎo)體封裝形式仍以DIP、SOP、QFP等中低端產(chǎn)品為主，但近年來隨著TSV、3D、Flip Chip、EMMC等先進(jìn)封裝技術(shù)的成熟，國內(nèi)的BGA、QFN封裝產(chǎn)品已經(jīng)在穩(wěn)步增長。BGA、QFN封裝與傳統(tǒng)封裝的工藝路線有了很大變化，封裝后需要進(jìn)行切割分選，目前業(yè)內(nèi)有兩種方式進(jìn)行，一種是采用切割分選一體機(jī)的方案，一種是采用切割后進(jìn)行剝離分選的方案，本文探討是切割后剝離分選的技術(shù)方案。當(dāng)前國內(nèi)封測(cè)企業(yè)BGA、QFN分選設(shè)備基本依賴進(jìn)口，國家大力支持半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的背景也給封測(cè)設(shè)備制造商帶來布局良機(jī)。

全自動(dòng)分選機(jī)是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體先進(jìn)封裝BGA、QFN封裝后工序剝離、分選的專用設(shè)備。分選機(jī)主要由上料機(jī)構(gòu)、傳輸機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、剝離工作臺(tái)、陳列臺(tái)、圖像定位及檢測(cè)機(jī)構(gòu)、托盤收料機(jī)構(gòu)、軟件控制等部分構(gòu)成，分別完成料片上料、輸送、檢測(cè)定位、剝離、陳列、分選、裝盤等工序的工作?？刂葡到y(tǒng)采用C+語言，配置人機(jī)界面，設(shè)備自動(dòng)化程序高，是BGA/QFN封裝后工序處理的關(guān)鍵設(shè)備。

2 全自動(dòng)分選機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)分選機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由上料部分、傳輸機(jī)構(gòu)、定位與正反面檢測(cè)機(jī)構(gòu)、剝離工作臺(tái)、剝離和分選機(jī)械手、陣列臺(tái)、托盤收料部機(jī)構(gòu)、離子氣吹組件、機(jī)架等組成。系統(tǒng)總體工作流程如下：

當(dāng)放入料盒之后，啟動(dòng)機(jī)器，料片夾持部件夾取滿料片放置在升降機(jī)上，空料片吸取機(jī)械手吸取空料片，料片上料機(jī)械手吸取滿料片放置在剝離工作臺(tái)上，這是整個(gè)上料過程；剝離工作臺(tái)固定滿料片，由相機(jī)拍照定位校準(zhǔn)，剝離機(jī)械手對(duì)芯片進(jìn)行剝離，剝離后機(jī)械手移動(dòng)將芯片放置在陣列臺(tái)上，這是整個(gè)剝離過程；陣列臺(tái)運(yùn)動(dòng)至正面檢測(cè)相機(jī)下方檢測(cè)芯片正面，分選機(jī)械手吸取陣列臺(tái)上芯片，移動(dòng)芯片運(yùn)動(dòng)至反面檢測(cè)相機(jī)的上方檢測(cè)芯片反面，這是分選的過程；正反面檢測(cè)后分選機(jī)械手將合格芯片放置在良品托盤中，不良芯片放置在次品托盤中。托盤裝滿時(shí)從空料盤倉中夾取空料盤放入，這是裝盤收料的過程。設(shè)備工作時(shí)由離子吹負(fù)責(zé)消除產(chǎn)生的靜電，防止芯片受損。

圖1 全自動(dòng)分選機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 上料機(jī)構(gòu)

上料機(jī)構(gòu)包括齒形料盒、料盒固定機(jī)構(gòu)、料片搬運(yùn)夾持機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)（見圖2）。料盒固定機(jī)構(gòu)分為上下兩層，抽拉式結(jié)構(gòu)，方便取放料盒，帶自鎖保護(hù)，安全性好，可同時(shí)放置兩個(gè)齒形料盒。齒形料盒最大存放料片數(shù)量達(dá)25片，存儲(chǔ)量大。使用時(shí)將已切割后的料片逐片放入齒形料盒內(nèi)，手動(dòng)將齒形料盒推入機(jī)器，料片搬運(yùn)夾持機(jī)構(gòu)將料片由料盒中拖動(dòng)至升降機(jī)平臺(tái)并定位，由升降機(jī)升至與剝離工作臺(tái)相同的高度，再由傳輸機(jī)構(gòu)完成轉(zhuǎn)運(yùn)?？樟掀祷貢r(shí)則動(dòng)作相反。

圖2 上料機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 傳輸機(jī)構(gòu)

傳輸機(jī)構(gòu)在本設(shè)備中主要負(fù)責(zé)料片、剝離后芯片的搬運(yùn)（見圖3）。采用高精度直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，動(dòng)子分為3組，分別為料片上料機(jī)械手、剝離機(jī)械臂、分選機(jī)械臂。剝離機(jī)械臂采用高伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿機(jī)構(gòu)，上面安裝空料片返回機(jī)械手、定位相機(jī)、剝離機(jī)械手，分別負(fù)責(zé)空料片的返回搬運(yùn)、料片的定位檢測(cè)和剝離功能。分選機(jī)械臂也采用高伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿機(jī)構(gòu)，上面安裝了分選機(jī)械手、料盤搬運(yùn)機(jī)械手，主要完成分選和托盤搬運(yùn)的功能。傳輸機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)速度快。

圖3 傳輸機(jī)構(gòu)示意圖

2.3 剝離、分選機(jī)械手

剝離和分選機(jī)械手（見圖4）采用多頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可大大提高設(shè)備的綜合產(chǎn)能。機(jī)械手的主要作用是完成剝離、分選時(shí)的轉(zhuǎn)運(yùn)，其結(jié)構(gòu)相同，均采用微型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)吸嘴組件，每個(gè)機(jī)械手上分別有8個(gè)吸嘴，吸嘴可單獨(dú)控制上下運(yùn)動(dòng)。吸嘴采用專門設(shè)計(jì)的非標(biāo)吸盤，內(nèi)置彈簧機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高速真空吸附、真空釋放的動(dòng)作。

圖4 剝離和分選機(jī)械手

2.4 剝離工作臺(tái)

剝離工作臺(tái)采用可旋轉(zhuǎn)式機(jī)構(gòu)，最大裝載料片尺寸340 mm×340 mm。工作臺(tái)將料片夾緊固定后，定位相機(jī)對(duì)料片位置拍照檢測(cè)，并對(duì)每一個(gè)芯片的絕對(duì)位置進(jìn)行計(jì)算?？刂栖浖?huì)根據(jù)料片標(biāo)記的位置要求旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，保證與收料托盤上產(chǎn)品的標(biāo)記位置符合。工作臺(tái)采用精密同步帶+伺服電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)定位精度為±0.1’，最大旋轉(zhuǎn)角度330°。

工作臺(tái)按產(chǎn)品步距Y向移動(dòng)，頂針機(jī)構(gòu)按產(chǎn)品步距X向左右移動(dòng)，根據(jù)定位相機(jī)檢測(cè)的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)每一顆產(chǎn)品的位置進(jìn)行微調(diào)后，保證產(chǎn)品的位置與頂起機(jī)構(gòu)的位置重合，此時(shí)頂針機(jī)構(gòu)上的真空吸附UV膜，然后由伺服凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)頂針將產(chǎn)品頂起，剝離機(jī)械手依次吸取被頂起的芯片后放入陣列臺(tái)，如圖5所示。

圖5 剝離工作臺(tái)

2.5 陣列臺(tái)

陣列臺(tái)由兩組移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成，交替完成剝離后的產(chǎn)品進(jìn)行陳列，調(diào)整步距，便于進(jìn)行下一步分選（見圖6）。陣列臺(tái)的移動(dòng)平臺(tái)內(nèi)設(shè)真空吸附功能，防止高速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)品跳動(dòng)。陣列臺(tái)的移動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿機(jī)構(gòu)完成。

圖6 陣列臺(tái)

2.6 圖像定位與檢測(cè)機(jī)構(gòu)

本設(shè)備設(shè)計(jì)了3組視覺圖像機(jī)構(gòu)，分別為定位、芯片正面、芯片反面檢測(cè)部分。圖7為視覺圖像檢測(cè)機(jī)構(gòu)。在剝離機(jī)械手背面設(shè)置了定位圖像部分，主要功能是在每次料片放入后，設(shè)備對(duì)料片進(jìn)行檢測(cè)定位。在陣列位置的前后設(shè)置了正、反面檢測(cè)。當(dāng)一組陣列臺(tái)在芯片放入后，先移動(dòng)至正面檢測(cè)位置，相機(jī)對(duì)產(chǎn)品正面進(jìn)行拍照檢測(cè)判定，此時(shí)剝離機(jī)械手就將吸取的芯片放入另一組陣列臺(tái)上，分選機(jī)械手將做完正面檢測(cè)的產(chǎn)品再次吸取后移動(dòng)至芯片反面檢測(cè)位置，相機(jī)對(duì)芯片的反面進(jìn)行拍照檢測(cè)判定，然后分選機(jī)械手根據(jù)圖像處理軟件的判定結(jié)果將芯片逐個(gè)放入不同的托盤中。

圖7 視覺圖像機(jī)構(gòu)示意圖

2.7 托盤收料

托盤收料主要完成托盤上料和芯片的分類擺放，結(jié)構(gòu)如圖8所示，從左至右3組料倉分別為良品托盤、次品托盤、空托盤，抓取托盤機(jī)械手抓取空的托盤后分別放入良品倉位及次品倉位，分選機(jī)械手根據(jù)托盤的步距自動(dòng)調(diào)整位置將產(chǎn)品逐一放入托盤內(nèi)，托盤倉內(nèi)置傳感器，當(dāng)托盤數(shù)量滿時(shí)，傳感器給出信號(hào)，升降機(jī)構(gòu)將托盤降至取料操作門位置，機(jī)器報(bào)警提示取出托盤。最大料盤存儲(chǔ)數(shù)量28個(gè)，托盤定位機(jī)構(gòu)采用雙側(cè)氣缸夾緊定位，穩(wěn)定可靠。

圖8 托盤收料示意圖

3 控制軟件系統(tǒng)

全自動(dòng)分選機(jī)控制部分采用工業(yè)PC機(jī)和PLC控制器結(jié)合控制，所要完成的主要功能包括人機(jī)界面、狀態(tài)顯示、定位、識(shí)別、檢測(cè)、輸入及輸出控制以及多種電機(jī)的控制。PLC控制器采用的是安川的MP2000系列中的MP2300型機(jī)器控制器，此型號(hào)可控制32個(gè)軸，滿足分選機(jī)系統(tǒng)23軸的要求，還可以為以后系統(tǒng)的擴(kuò)展留下空間。機(jī)器控制器MP2300系列采用高速CPU，可縮短命令執(zhí)行時(shí)間，其適用運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)MECHATROLINK，能靈活地進(jìn)行高精度的伺服驅(qū)動(dòng)器控制。除了機(jī)械控制所需的轉(zhuǎn)矩、位置與速度控制模式外，也實(shí)現(xiàn)了精度要求極高的同步相位控制。由于可在線切換控制模式，因此可有效地控制復(fù)雜的機(jī)械動(dòng)作。

根據(jù)分選機(jī)控制部分的構(gòu)成其對(duì)應(yīng)的軟件分為以工業(yè)PC機(jī)為平臺(tái)的上位機(jī)控制軟件和基于PLC控制器的下位機(jī)控制軟件。上位機(jī)控制軟件又分為系統(tǒng)控制軟件和視覺控制軟件。

3.1 上位機(jī)控制軟件

分選機(jī)上位機(jī)系統(tǒng)控制部分軟件主要完成功能包括參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)控（傳感器、輸入輸出等）、異常處理（傳感器異常、電機(jī)異常等）、手動(dòng)控制、各個(gè)子控系統(tǒng)協(xié)調(diào)和控制、伺服電機(jī)的控制、網(wǎng)絡(luò)通信控制等，主要功能包括參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)操作、示校操作、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、運(yùn)行監(jiān)控、報(bào)警提示、系統(tǒng)設(shè)置。

3.2 分選機(jī)視覺部分軟件

分選機(jī)系統(tǒng)視覺部分軟件主要完成功能包括視覺部分示校、運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、參數(shù)設(shè)置、視頻監(jiān)控管理和系統(tǒng)設(shè)置等功能。

3.3 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)思路的第一步是建立框架，了解每個(gè)電機(jī)的具體參數(shù)以及控制系統(tǒng)中每一個(gè)傳感器的作用。將系統(tǒng)準(zhǔn)確劃分為4個(gè)功能模塊。第二步是分析時(shí)間邏輯，根據(jù)電機(jī)的運(yùn)作過程對(duì)具體過程分析其時(shí)間邏輯，明確每一個(gè)電機(jī)和傳感器的工作時(shí)間和先后順序。第三步是編程，基于分析出的時(shí)間邏輯來對(duì)電機(jī)控制進(jìn)行編程。第四步是調(diào)試及優(yōu)化程序。下位機(jī)軟件按工藝流程分為上料控制、自動(dòng)剝離、自動(dòng)分選以及下料控制4部分。

4 結(jié)束語

本文簡單介紹了適應(yīng)于BGA、QFN封裝后剝離分選的專用設(shè)備。由于BGA、QFN封裝采用切割的方式分離為單獨(dú)的芯片，因此需要對(duì)切割后的芯品進(jìn)行剝離和分選。分選主要是識(shí)別芯片的封裝缺陷、印章缺陷、切割缺陷等。本文介紹的全自動(dòng)分選機(jī)由于采用多頭式吸嘴，同時(shí)通過整體式傳輸機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行效率高。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示：本設(shè)備產(chǎn)能單位小時(shí)內(nèi)可達(dá)到6000～8000個(gè)，適用芯片尺寸為3 mm×3 mm到20 mm×20 mm，能較好地完成剝離和分選的工藝要求。目前國內(nèi)先進(jìn)封裝的設(shè)備基本依賴進(jìn)口，國產(chǎn)化道路仍需要繼續(xù)努力。

[1]郝靖，石藝楠.直線電機(jī)在芯片分選機(jī)中的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2012，41(2):37-39.

[2]吳曉.面向LED芯片檢測(cè)與分選的機(jī)器視覺定位系統(tǒng)的開發(fā)[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然版)，2013，30(3):93-103.

[3]蘆俊，曹盤江，皮志松，朱衛(wèi)良.轉(zhuǎn)盤式分選機(jī)中高速旋轉(zhuǎn)吸盤的動(dòng)力學(xué)分析與計(jì)算[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28(12):35-38.

[4]格蘭達(dá)技術(shù)有限公司.全自動(dòng)檢測(cè)分選編帶機(jī)[J].中國集成電路，2009，18(4):45-45.

[5]黃永雄.COBLED全自動(dòng)分選機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)旬刊，2012(20):110-111.

[6]徐銀森，吳華.基于PLC的芯片測(cè)試分選機(jī)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造，2015(15):134-135.