基于DDR電機和音圈電機的高速拾放片機構研究

劉嚴慶，紀 偉，夏志偉，馬雪婷

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

基于DDR電機和音圈電機的高速拾放片機構研究

劉嚴慶，紀 偉，夏志偉，馬雪婷

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

采用DDR電機和音圈電機來實現高速固晶機的拾放片機構，采用了半閉環的角度PID控制系統和全閉環的位置PID控制系統。通過實驗測試實現了高速固晶，單次取放速度可達到180 ms/周期，位置誤差可達到±15 μm。

LED芯片封裝設備；DDR電機；音圈電機；固晶；PID控制

20世紀60年代，世界第一個半導體發光二極管即LED的問世，引發了一場用半導體照明產業取代白熾燈、日光燈等傳統照明產業的全球性光電子產業革命，開創了照明材料的新紀元。LED高速固晶機作為LED封裝設備之一，實現了LED芯片和框架的粘接工藝，在LED的制造過程中起著重要的作用。

固晶過程（Die Bonding）是LED高速固晶機實現方案中最核心的工藝之一。如何實現高速的拾放片機構一直是各個半導體設備制造商研發的重點。

1 取放動作與固晶過程

在半導體封裝設備當中，速度是非常重要的考量因素，如何在最短的時間內，生產出最多的產品，一直是各個設備廠商所追求的目標[2]。尤其是針對LED這種低端產品的封裝，速度更成為了一個產品生產中一個重要的考量因素。而在半導體后道封裝中，晶片往往需要不斷地傳輸運送。因此晶片的取放是相當關鍵的技術。一般而言，能完成取放動作的機構有很多種，且各有優缺點，但固晶過程的原理還是一致的，其過程如圖1所示。

圖1 固晶過程示意圖

全自動固晶機固晶過程的核心包括工作臺的進出料、傳送、點膠、取晶粒、放晶粒。固晶開始后，首先從進料系統傳送到工作臺的點膠位，由點膠機構進行點膠后，傳送到下一個工作臺的固晶位，由拾放片機構從晶片臺吸取晶粒，放置到點膠后的固晶位。完成固晶動作后，傳導到收料系統中，等待下一固晶，以此來完成自動化的生產作業。固晶過程中需要注意粘膠的狀態、吸晶過程中丟片檢測、固晶過程中壓力控制等，還有一個更重要的取放定位的設計。對設備的要求必須要滿足市場中主流的芯片尺寸。隨著晶粒尺寸不斷縮小、封裝產品漸趨高密集化，針對晶粒的偏移、表面的裂痕等要求也越趨嚴格。芯片取放動作如圖2所示[2]。

圖2 芯片取放流程

取放裝置設計成擺臂形式的鍵合頭，可將劃切完成的晶粒從藍膜上吸取，放置在工作臺的引線框架上。在晶片臺的晶圓底下有頂針機構，可將晶粒頂起以配合吸取的動作。由于晶粒之間間隔很小，一般只有幾個微米，而且材質脆弱，對吸取和放置力的要求較高。取放時必須利用CCD檢測晶粒的圖像，來判斷晶粒是否符合要求，角度與定位是否準確等，并根據識別后的圖像進行比對調整。取放動作的速度通常以兩種形式來計。一種是每小時取放的單位數UPH（Units per hour：單位小時產能）；另一種是單次取放動作的時間(即：循環周期)，通常以ms/周期計。取放的精度測試以晶粒放置未知的重復精度來判斷。因此，高速裝片機固晶過程的好壞取決于拾放片機構精度、速度及穩定度。如何在最短的時間內精確穩定地取放最多的芯片，一直是業界追求的目標[2]。而且這里的取放是有效的取放，單次取放過程中不能出現漏晶粒，掉晶粒的現象出現，所以重點分析拾放片機構對于LED高速固晶機的設計研發具有重要的意義。

2 現有的拾放片機構分析

目前市場上主流的LED高速固晶機中仍然使用的是四連桿帶動的擺臂式機械結構如圖3、圖4所示。

圖3 擺臂式機械結構的花鍵軸[3]

圖4 擺臂式機械結構的四連桿

通過伺服電機帶動花鍵軸來實現Z向運動，通過伺服電機帶動四連桿機構實現擺臂的θ向運動。采用半閉環的PID位置控制系統，可有效地實現UPH 12 000個，單次運行周期為270 ms。該設計的優點在于利用四連桿機構的死點位置，可以很好地減少擺臂機構的端點振動。但隨著LED封裝技術的發展對設備的運行速度越來越高，而此機構在速度的提升上已經收到限制，開發新的拾放片機構也就成為了各大設備廠商研發的重點之一。

3 基于DDR電機和音圈電機的拾放片機構

3.1 DDR電機

直接驅動技術(DDT)是相對于傳統的伺服系統發展而來的一種新技術，傳統的伺服系統的機械傳動一般有齒輪、齒輪頭、皮帶/皮帶輪或凸輪，它們連接在電機和負載之間。而直接驅動技術，則不需要機械傳動，電機直接連接負載。這種新型驅動技術提高了精度、吞吐量和可靠性，降低了電機的噪音，減少了維護成本。直接驅動旋轉（DDR）電機則是采用了直接驅動技術制造的可旋轉的電機，可直接帶動擺臂類機構旋轉運動。

3.2 音圈電機

音圈電機(Voice Coil Motor)是一種特殊形式的直接驅動電機。具有結構簡單、體積小、高速、高加速、響應快等特性。其工作原理是通電線圈(導體)被置于磁場內就會產生力，力的大小與施加在線圈上的電流成比例?；诖嗽碇圃斓囊羧﹄姍C運動形式可以為直線或者圓弧。音圈電機的機構形式主要有3種：（1）傳統結構形式；（2）集中通量結構形式；（3）磁力交叉存取結構形式。

在運動控制中，有時需要的力比傳統移動音圈電機所能提供的力要大，傳統結構形式的音圈電機不能滿足要求。為解決此問題需要提高音圈電機工作效率，為此應合理設計其結構，盡量減少磁路漏磁。設計音圈電機時總是希望磁鋼的磁力線盡可能多地通過氣隙，以提高氣隙磁密，從而產生盡可能大的磁力。采用集中磁通技術能夠使制造的電機氣隙磁密等于甚至大于磁體中的剩余量。基于該技術的電機內部是一個一端封閉的空心圓柱磁鐵(見圖5)。圓柱內部形成N極，圓柱的外部形成S極，緊貼磁體外部由一個也有一端封閉的軟鐵圓柱殼罩住，軟鐵殼的開口端伸出磁體開口端，由軟鐵制成的圓柱芯在磁體內部緊緊貼合，并從其開口端伸出。殼的內表面與圓柱芯的外表面之間的環形空間形成氣隙，圓柱狀線圈可在氣隙中沿軸向運動。該電機結構形式允許磁體面大于氣隙面，這樣的設計不會引起泄漏，幾乎從磁體表面發出的所有磁力線都通過氣隙。

圖5 集中通量結構的音圈電機[7]

3.3 新型拾放片機構的設計

基于以上電機模型，本設計采用DDR電機和音圈電機來實現拾放片功能，音圈電機直接帶動擺臂，考慮到Z向音圈電機本身的質量以及Z向的導軌導向機構的質量，為減少DDR電機的轉動慣量，音圈電機中軸與DDR電機中軸同軸設計，并且嵌入在DDR電機內，如圖6所示。柔性擺臂機構連接于Z向滑軌的下端如圖7所示，通過實驗測試DDR電機的磁場并未影響到音圈電機的特性。而此機構的巧妙設計減少了拾放片系統的復雜度，尤其是機械機構的復雜性。

圖6 新型拾放片機構設計

圖7 帶有擺臂機構的新型拾放片機構

4 拾放片控制系統

全自動固晶機運動控制系統是一個復雜的多軸運動控制系統，控制系統采用主從式控制方式，上位機為工控機，下位機為多軸運動控制卡。θ向采用交流伺服電機驅動器驅動DDR電機的結構進行半閉環控制，Z向采用直流伺服電機驅動器驅動音圈電機，光柵尺位置反饋的結構進行全閉環控制?？刂平Y構圖如圖8所示。

圖8 運動控制結構圖

在控制算法上采用傳統的PID控制，PID控制是按偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)組合而成的一種基于誤差的控制規律。比例增益為系統提供剛性，它的大小決定系統響應的快速性；積分增益可以消除系統的穩態誤差；微分增益是為系統提供穩定性的阻尼項，能改善系統的動態特性，阻止偏差的變化，有利于減小超調量，縮短調節時間，允許加大比例增益，使得系統的穩定誤差減小，提高控制精度。典型的PID控制如圖9所示。

圖9 典型控制系統流圖

5 實驗結果及其分析

對上述的實驗模型通過搭建實驗平臺，采用工控機和固高的GTS-800運動控制卡對系統進行調試，采用試湊法調整PID參數，對θ向DDR電機的控制方式為：采用脈沖和方向的控制方式。編碼器分辨率為655360cpr（counts per revolution：單位分辨率的旋轉格數），系統的行程為90°旋轉，系統的負載慣量為0.000 677 kg·m2，θ向DDR電機的角速度為8.145 rad/s，角加速度為9582.52 rad/s2，角減速度為7666.0156 rad/s2，平滑時間為7.8 ms，調整時間為40 ms，測試結果如圖10所示。

圖10 θ向電機運動曲線

Z向音圈電機采用位置控制模式，光柵尺分辨率為0.5 μm（MicroE M1500），負載為160 g，行程4.5 mm，最大速度為0.425 m/s，加速度為42.5 m/s2，減速度為42.5 m/s2，平滑時間為3.9 ms，調整時間40 ms，測試結果如圖11所示。

采用高速攝像機對端點進行位置監控，拍攝時用強光源照射擺臂端點處，對運動過程的兩端處分別進行拍攝，將影像存儲在計算機內，將采樣的周期設置在1 ms，分析端點處的穩定時間在5 ms內，位置誤差可達到±15 μm（如圖12所示）。

圖11 Z向電機運動曲線

圖12 擺臂尖端位置精度散點圖

6 結論及展望

采用新型的拾放片機構已是高速固晶機發展的一個趨勢，目前各大設備廠商都在高速固晶機中應用線性電機。因此這一新技術的實現也為固晶機的發展提供了一個新的方向。DDR電機和音圈電機的巧妙設計解決了擺臂型高速固晶機的高速拾放片方案，為20 000UPH的高速固晶機市場化提供了技術保證。

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The Research on Mechanism of High Speed Picking-up and Placement Based on DDR Motor and Voice Coil Motor

LIU Yanqing，JI Wei，XIA Zhiwei，MA Xueting

(CETC Beijing Electronic Equipment CO.,LTD,Beijing 100176,China)

In this paper the DDR motor and voice coil motor is used to realize mechanism of picking and placement for the high speed die bonder.It's used a half closed-loop Angle control system and a full closed-loop position system with PID control.Through the experiment and testing,it realizes a high speed die bonding.The test results show that the system can reach a maximum speed of 180 ms/cycle,and its positioning precision is±15 μm.

LED chips seal assembly equipment；DDR motor；Voice coil motor；Die bonding；PID control

TM383

B

1004-4507(2015)01-0029-06

2014-12-25