方唐利，趙 松，丁麗成

(安徽銅陵富仕三佳機(jī)器有限公司，安徽 銅陵 244000)

0 引言

集成電路全自動(dòng)封裝設(shè)備是一款涉及機(jī)械、自動(dòng)化、電子電路、鑄造、壓力控制、氣動(dòng)控制、溫度控制等多學(xué)科的自動(dòng)化設(shè)備，其核心部分就是用于封裝的壓機(jī)系統(tǒng)。壓機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)多變量、離散、大滯后、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，壓機(jī)控制技術(shù)的合理性、穩(wěn)定性、可靠性直接影響著自動(dòng)封裝設(shè)備的可靠性，是自動(dòng)封裝設(shè)備設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其中工藝流程、溫度控制和壓力控制又是壓機(jī)控制技術(shù)的核心。

1 壓機(jī)控制系統(tǒng)的工藝流程

壓機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的間歇重復(fù)過(guò)程，根據(jù)封裝工藝的要求，壓機(jī)系統(tǒng)主要對(duì)溫度、壓力、速度、位置等進(jìn)行控制，從而生產(chǎn)出合格的半導(dǎo)體制品。根據(jù)壓機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要完成的工作，將其工藝流程分為合模、注塑保壓和開(kāi)模頂出。

1.1 合模

合模過(guò)程中，首先進(jìn)行快速合模，當(dāng)下模臺(tái)板與上模臺(tái)板接近時(shí)自動(dòng)切換為低速合模，進(jìn)行軟合模，確認(rèn)軟合模正常后進(jìn)行高壓合模，模具閉合，加壓到設(shè)定壓力。此處軟合模過(guò)程的主要作用是：①保護(hù)模具，防止異物掉落在模具上合模時(shí)將模具損壞；②保護(hù)產(chǎn)品，當(dāng)模具中待封裝的產(chǎn)品出現(xiàn)疊料或產(chǎn)品在模具中出現(xiàn)放偏現(xiàn)象時(shí)，軟合模可以檢測(cè)異常并禁止壓機(jī)后續(xù)動(dòng)作，保護(hù)產(chǎn)品安全。

1.2 注塑保壓

完成合模動(dòng)作后，注射電機(jī)通過(guò)滾珠絲桿推動(dòng)螺桿前移，帶動(dòng)注塑單元移動(dòng)，將樹(shù)脂料注入模腔。注射過(guò)程分為注塑階段和保壓階段。根據(jù)樹(shù)脂料的特性和注塑工藝要求，將注塑過(guò)程分為8級(jí)變速進(jìn)行分段控制。8級(jí)變速、分段控制的優(yōu)點(diǎn)是：①可以根據(jù)樹(shù)脂的流動(dòng)性特點(diǎn)設(shè)置合適的多段注射速度，保證樹(shù)脂料能充分地注入到模腔；②設(shè)備工藝人員可以根據(jù)不同的產(chǎn)品需求設(shè)置不同的多段注射速度，充分保證產(chǎn)品品質(zhì)，避免注塑過(guò)程中出現(xiàn)力過(guò)沖、金絲沖彎等損壞產(chǎn)品的現(xiàn)象。注塑完成后應(yīng)進(jìn)行保壓，其作用是防止樹(shù)脂倒流并對(duì)熔體保持一定的壓力使其固化成型，避免出現(xiàn)未滿、酥松等影響產(chǎn)品質(zhì)量的現(xiàn)象。

1.3 開(kāi)模頂出

模腔內(nèi)的樹(shù)脂經(jīng)固化成型后，壓機(jī)開(kāi)始開(kāi)模頂出動(dòng)作，壓機(jī)開(kāi)模也有多段速要求，其基本原則為慢、快、慢。首先慢速開(kāi)模，此段慢速開(kāi)模主要是泄壓過(guò)程，將壓機(jī)合模壓力慢慢釋放，避免壓力突然釋放對(duì)設(shè)備造成損壞；泄壓完成后為了保證壓機(jī)的工作效率，壓機(jī)開(kāi)始快速開(kāi)模到頂出開(kāi)始位；快速開(kāi)模完成后壓機(jī)開(kāi)始慢速開(kāi)模頂出產(chǎn)品，為了保證產(chǎn)品與模具脫模過(guò)程的安全可靠，開(kāi)模頂出過(guò)程需慢速。產(chǎn)品頂出、取出后頂針回位，壓機(jī)回到初始位，一個(gè)周期結(jié)束。

綜上所述，壓機(jī)的動(dòng)作流程如圖1所示。

2 壓機(jī)的溫度控制系統(tǒng)

本壓機(jī)溫度控制采用先進(jìn)的模溫控制裝置，該裝置的最大優(yōu)點(diǎn)在于PLC控制器將溫度控制的指揮權(quán)下發(fā)給溫控模塊，PLC控制器僅僅是將設(shè)定溫度通過(guò)通訊方式傳遞給通訊模塊，溫控模塊就可以獨(dú)立完成加熱過(guò)程。當(dāng)PLC控制器發(fā)生錯(cuò)誤停止時(shí)，通訊模塊則無(wú)法從網(wǎng)絡(luò)讀取設(shè)定的溫度值，而溫控模塊中所保存的原先設(shè)置的溫度值還繼續(xù)有效，溫控模塊根據(jù)這些原先的參數(shù)繼續(xù)對(duì)加熱部件進(jìn)行加熱控制，從而保證了溫度的穩(wěn)定，也保證了不會(huì)出現(xiàn)由于溫度驟降而導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢的現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)中PLC控制器恢復(fù)正常工作時(shí)，通訊模塊訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)是否需要對(duì)溫度參數(shù)進(jìn)行刷新。

圖2為溫度控制系統(tǒng)框圖。測(cè)溫部件負(fù)責(zé)檢測(cè)模具溫度，采用的測(cè)溫電氣元器件為熱電偶，測(cè)溫部件將檢測(cè)溫度傳送給溫控模塊，溫控模塊的輸出端連接繼電器，繼電器控制加熱部件的供電回路，溫控模塊通過(guò)測(cè)溫部件的檢測(cè)數(shù)據(jù)控制繼電器部件動(dòng)作，控制加熱部件供電回路，從而控制加熱溫度。

同時(shí)溫控模塊通過(guò)通訊模塊與PLC控制器進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)顯示模具溫度，也可通過(guò)在PLC控制器中修改溫控參數(shù)實(shí)現(xiàn)模具溫度的可控性。同時(shí)為了確保電路的安全、可靠，設(shè)計(jì)時(shí)還加入了短路保護(hù)、斷線檢測(cè)等功能。溫度控制系統(tǒng)電氣原理圖如圖3所示。為了增加繼電器的使用壽命，保證溫度控制系統(tǒng)的可靠性，繼電器選用固態(tài)繼電器；繼電器控制端的供電回路中串接有用于短路保護(hù)的保險(xiǎn)絲，對(duì)加熱棒等外圍電路發(fā)生短路時(shí)進(jìn)行保護(hù)，避免因短路導(dǎo)致的電氣元器件損壞；溫控模塊的輸出端設(shè)有用于斷線檢測(cè)的電流互感器，電流互感器套接在與加熱部件連接的供電回路中，以便于供電回路發(fā)生斷路時(shí)及時(shí)報(bào)警并處理，避免因供電回路斷路溫度異常導(dǎo)致的產(chǎn)品報(bào)廢現(xiàn)象。

圖1 壓機(jī)的動(dòng)作流程

3 壓機(jī)的壓力控制系統(tǒng)

壓力控制采用閉環(huán)控制方式，其控制精度高、穩(wěn)定性好。首先模擬量輸入模塊采集壓力值(0 V～10 V或4 mA～20 mA)，并通過(guò)A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再通過(guò)Devicenet通訊網(wǎng)絡(luò)傳送給PLC控制器，PLC控制器根據(jù)數(shù)據(jù)運(yùn)算給出壓力控制指令。壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，其中控制算法為PID控制算法。在過(guò)程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制的PID控制器(亦稱PID調(diào)節(jié)器)是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器，它具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨(dú)立、參數(shù)選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本壓力控制系統(tǒng)選用歐姆龍NJ-1400 PLC，此PLC集成了運(yùn)動(dòng)、邏輯、 安全、視覺(jué)傳感器及網(wǎng)絡(luò)功能；伺服電機(jī)選用歐姆龍7.5 kW電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min；壓力檢測(cè)傳感器選用日本美蓓亞壓力檢測(cè)，設(shè)定壓力為100×104N。

本壓力控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果如圖5所示。實(shí)際使用結(jié)果表明：PID控制算法具有響應(yīng)速度快、控制輸出穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)以及魯棒性好等特點(diǎn)。

圖2 溫度控制系統(tǒng)框圖

1-Devicenet通訊模塊；2-歐姆龍溫控模塊；3-繼電器；4-加熱棒；5-保險(xiǎn)絲；6-電流互感器；7-熱電偶

圖4 壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖5 PID壓力控制曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文以多變量、離散、大滯后、非線性的復(fù)雜壓機(jī)系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別對(duì)工藝流程、溫度控制和壓力控制技術(shù)進(jìn)行了分析研究。此壓機(jī)控制技術(shù)已成功應(yīng)用于集成電路自動(dòng)封裝設(shè)備中，控制技術(shù)可靠又不失簡(jiǎn)易性，控制思想先進(jìn)，且考慮全面、合理。

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