裝片機丟片檢測響應時間分析

任紹彬，徐品烈，郎 平

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

近年來，隨著LED產品工藝和技術的改進，使LED產品的應用范圍不斷擴大，尤其是大功率高亮度LED產品的逐漸成熟，使得LED產品應用到日常生活的各個方面。相應的，市場上對LED產品不斷提出新的需求，使得LED生產廠家及相關的設備制造商不斷改進生產及加工工藝來滿足市場需求。

LED裝片機是從藍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化設備。

拾取放置機構在拾取芯片，往放置位快速運行的過程中，芯片有可能未能拾取或在運動過程中脫落，因此，在固晶前須檢測吸頭上是否有芯片，以避免放置時因無芯片造成吸頭沾膠或焊盤缺芯，在國內生產線上所用的粘片機，其芯片丟失的傳統檢測方法一般采用光電信號的方式來實現，這種方法具有成本低、響應速度快、實現方便的優點，但隨著白光LED產品的發展，此類產品所采用芯片的藍寶石襯底逐漸變薄，使其透光率越來越高，光電檢測方式的可靠性、穩定性已不能滿足生產需求，本文提出一種由真空負壓產生的微小氣流的方式實現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、適應性廣的優點，但受元件安裝尺寸及管道長度的限制，其響應時間較長，本文主要討論吸頭用真空拾取芯片時影響吸附響應時間的因素及縮短響應時間的途徑。

1 檢測單元的實現方法

裝片機中，從藍膜上吸取的芯片放置在基底材料上的功能由拾取放置機構來完成。拾取放置機構由伺服電機、四連趕機構、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，使吸頭腔體內形成一定的負壓，依靠負壓，吸頭在吸晶位將藍膜上劃切分割后的芯片拾取后，運動到固晶位，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，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。在固晶前進行芯片丟失的檢測時，因吸頭正空閥處于打開狀態，如吸頭處無芯片，儲氣罐由真空泵抽至較高的負壓，連接儲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，連接儲氣罐和吸頭的管道處于封閉狀態，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也較低。依據量傳感器輸出電壓信號的狀態（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是由流過它的氣體流量產生的，它是利用真空閥兩側氣路的空氣壓差，使大氣從夾體吸頭的空腔內經管道、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時間，因此流量傳感器處達到吸著工件必須的真空度時輸出的電壓信號總是滯后于打開電磁閥真空通道的信號，這個滯后時間也就是丟片檢測功能單元的響應時間。響應時間過長，就會影響檢測信號的即時性，進而影響設備的效率及檢測的靈活性。分析影響響應時間的因素及縮短響應時間，是依靠流量進行芯片丟失檢測要解決的問題。

2 影響響應時間的因素

響應時間是指真空換向閥換向開始,到吸嘴內達到吸著工件必須的真空度為止所需的時間，即傳感器可以可靠給出判斷信號的最短時間。換向閥換向后，吸嘴內的真空度與到達時間的關系如圖2所示。

圖2 真空度與到達時間的關系曲線

設吸嘴內的壓力p從大氣壓降至真空度達63%pv的時間為t1，降至真空度達95%pv的到達時間為t2，其中pv為真空泵可以達到的最大真空度。則：

（1）真空換向閥至吸嘴的配管容積以及這段時間內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，響應時間越長；平均吸入流量qv越大，響應時間越短；要達到的真空度p越高，響應時間越長。

3 計算及測試

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及管道實際安裝尺寸，依據公式（1）計算響應時間。

式（1）中：t1（或者t2）——吸著響應時間；

V——真空換向閥至吸嘴的配管容積與這段時間內吸嘴吸入的氣體體積；

d——配管的內徑；

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，，一般取，若真空管路中流動阻力偏大，可取

qv2——通過配管的平均吸入流量；

S——配管的有效截面積。

在實驗中，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間內吸嘴吸入的氣體體積與真空吸嘴的結構形狀尺寸、抽氣管道的長度以及管徑有關。由于這段時間內的流速不穩定，無法對吸嘴吸入的氣體體積進行計算，但由于響應時間較短，大約在50 ms左右，抽速較小，因此在上述計算中乘以系數k=1.1來代替。

（1）抽氣管道的長短與響應時間的關系

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，當抽氣管道L1=1000mm時，響應時間為90 ms左右,當長度降至760mm時，響應時間減少至70 ms左右。后來繼續將抽氣管道剪短，當抽氣管道L1=260 ms時，響應時間只需45 ms左右，由此可得出結論：抽氣管道的長短對響應時間的影響很大，這主要是因為管道的長短直接關系到氣體體積。但根據貼片機工作的實際情況，我們最后將抽氣管道的長度定為400mm。

圖3 抽氣管道L=400mm時的響應時間

（2）真空度與響應時間的關系

由前面的理論計算可以看出，真空度越接近真空泵能提供的最大真空度，所需要的時間越長。實驗中，我們采用的是臺灣KAWAKE公司生產的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，當真空壓力為-70 kPa時，響應時間在30 ms左右，但波動很大；當真空壓力為-80 kPa時，響應時間在45 ms左右，但也有小波動；當真空壓力為-87.6 kPa時，響應時間在50 ms左右，且波動很小，可忽略不計。在同樣的條件下，真空度越小，響應時間越短但會產生波動。經過多次實驗證明，當調壓閥的真空壓力設定在-87.6 kPa左右時，響應時間小而且波動也可以忽略不計。而且-87.6 kPa剛好是實際最大真空度的95%。

（3）抽氣速度（氣體流量）與響應時間的關系

由式（1）看出，抽氣速度越快，即單位時間流量越大，響應時間越短。這涉及到管道流阻及流導的問題。氣體通過管道時產生的阻力稱為流阻。流導表示真空管道、孔、擋板、閥門、過濾器等等元件傳輸氣體的能力，與流阻是倒數關系。

真空泵的標示抽速為81～90 L/min，但實際上經過管道以后，實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。

在本試驗中，為定值，故真空泵的有效抽速隨管道流導變化。下面計算管道流導：在低真空的管道中，氣體沿管道的主要流動狀態為黏滯流。對于圓截面長管道而言，其流導公式為：

其中：d——管道直徑；

L——管道長度；

取儲氣罐到換向閥之間的管道計算流導：

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，試驗中流量傳感器的最大輸出3.7V，對應流量為85mL/min。可見單純的管道流導比真空泵的理論抽速大很多，故管道雖然對響應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，氣體全部經過傳感器，因為AWM3100可通過的流量很小，氣體流經時遇到了非常大的流阻，故響應時間甚至長達200 ms以上。

其次，在相同的管長條件下，去掉真空過濾器會使得響應時間變短，且其影響圖7中響應時間比圖6中縮短了12 ms，且其影響比改變管長引起的變化大。這是因為真空過濾器的流量比管道的流導要小的緣故。

圖6 保留真空過濾器

圖7 去掉真空過濾器

4 結束語

根據分析研究，得出了真空吸附響應時間的表達式，也就找到了縮短吸附響應時間的途徑。得出了以下結論：在用流量方法檢測丟失時，合理縮短管道長度，采用較小的管道通徑，使真空容積減小，檢測芯片在整個氣路系統，在目前實際安裝條件下，優化各種影響因素，響應時間可以縮短到50 ms。抽氣管道真空度達95%Pv時所需時間的理論值，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算值、真空度保持恒定、抽氣速度恒定等，才可以得到的。事實上，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，比如氣路系統的微泄露、強弱氣的影響、換向閥動作時引起的氣流波動等。

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