芯片自動壓裝機構的設計與控制

作者/羅智蕓、陳鈞、朱重陽，中山市中等專業學校

芯片自動壓裝機構的設計與控制

作者/羅智蕓、陳鈞、朱重陽，中山市中等專業學校

根據芯片壓裝特點和機械傳動原理設計了渦輪式芯片壓裝機構，對其進行結構的受力分析和傳動分析，得出了機構關鍵參數的計算方法。采用模塊化的方法，基于PLC設計了機構的控制電路，解決了壓力精確測試和運動準確控制的問題。經實際測試，壓裝效果良好，自動化程度高，很好地解決了芯片自動壓裝生產的問題。對相關企業提高生產效率和產品質量具有重要意義。

芯片壓裝；自動壓裝；壓裝機構；自動控制

引言

隨著現代科技的發展，電子產品已成為我們日常生活中的必須品，而電子產品尤其是內部電路板的制作確是一件很繁瑣的事情—元件小而多，定位精度要求高，尤其是各種各樣的半導體集成芯片的插裝，需要有一定的壓裝力，需要有恰當的保壓時間。這些工藝一旦沒有控制好，就會影響電子產品的質量和壽命，直接影響產品品牌和廠家聲譽。

在很長一段時間內，電子產品的插裝都是靠人工勞動力來完成的，這種生產方式效率不高。同時因為人的倦怠和疲勞因素，出錯率非常高，而且早期還不容易發現。近年隨著勞動力成本的上升和社會對產品高品質的訴求，不少廠家開始了電子元件自動貼裝或插裝的嘗試。文獻[1—5]中介紹了近年國內外各種相關的研究，其中大部分只是停留在理論層面，或者是對工藝要求不高的電子元件自動裝配的研究。本文針對芯片自動壓裝的需求和現實困難，結合渦輪蝸桿傳動和絲桿傳動等設計了自動壓裝機構，并以PLC為主控設計了結構的控制系統，解決了芯片自動壓裝的問題。

1. 結構設計與傳動分析

圖1 壓裝機構

根據芯片壓裝特點和要求，并根據機械傳動原理，設計了如圖1的自動壓裝機構。機構由動力步進電機①提供動力，驅動蝸桿渦輪副⑤把橫向的旋轉運動轉變為豎向的旋轉運動，絲桿②的旋轉帶動活動塊做上下運動。當下壓運動達到預壓彈簧④的預緊力時，壓力傳感器⑦與壓裝上模⑧接觸并推動其向下運動壓裝芯片。原點傳感器⑥用于保證每次運動的起點一致。當控制系統出現意外情況不可控時限位塊⑨可以通過剛性阻擋機構繼續下壓，確保電路板不被壓壞。

本機構的主要部件是渦輪蝸桿副傳動和絲桿傳動。電機產生的扭矩傳導給蝸桿，蝸桿傳導給渦輪，渦輪傳導給絲桿，絲桿再傳導給活動塊，最終實現從扭矩到壓力的轉變。根據它們之間的配合關系可以得到如圖2的受力分析圖。

圖2 傳動機構的受力分析圖

圖中，Fy、Fz和Fj分別是圓周力、軸向力和徑向力，ω和α分別為角速度和壓力角；根據構件間的傳動和相互作用力關系，可得：

式中，d1、d2和d3是蝸桿、渦輪絲桿的直徑；T1是電機和蝸桿的扭矩，T2是渦輪和絲桿的扭矩。又因為傳動過程中扭矩存在損耗，T1和T2滿足如下關系：

式中，i是渦輪蝸桿的傳動比，η是功率損耗系數。

那么，根據（1）式和（2）式可得壓裝力為：

在設計強度方面，根據赫茲公式[6]可以推導出渦輪蝸桿的齒面接觸強度應滿足如下關系：

式中，K為載荷系數，ZE、Zρ為接觸線長度和曲率半徑對接觸強度的影響系數，σH為許用接觸應力，a為蝸桿傳動的中心距。

那么，根據式子（4），可以得出設計時傳動中心距應該滿足以下條件：

2. 控制系統設計

在控制系統設計方面采用單元模塊化的設計思路，控制系統框圖如圖3所示。由主控單元負責系統的信息采集和輸出控制；輸出單元分為運動控制單元和指示信號單元并執行相應功能。輸入部分分為壓力檢測單元、位置檢測單元和設置單元。

圖3 控制框圖

3. 電路設計

3.1 主控電路

主控電路采用三菱品牌的FX2N—16MT，線路如圖4所示。信息輸入部分采用點動按鈕。當按下開始按鈕，裝置開始運行；停止和繼續按鈕可以隨時改變運行的狀態，也可以通過復位重新開始；通過加速和減速按鈕調節運行的速度。運動的位置信息通過一個光電傳感器和一個位置開關來實現。

輸出部分有三個狀態指示燈和電機控制單元。步進電機的控制通過一個步進驅動器作為中間元件，PLC通過給驅動器脈沖信號、方向信號和聯機信號，從而實現機構的運動控制。

3.2 壓力檢測電路

壓力信號來自四線式壓力傳感器[7]，這種傳感器的內部結構是由四個370Ω電阻組成的雙臂電橋。當傳感器受到壓力時，因電阻變形發生阻值變化，而直接導致電橋雙邊的電壓分量發生變化[8]。兩邊電壓差值的大小直接體現壓力的大小。但是這個變化量是很小的，只有幾個毫伏到幾十個毫伏，沒辦法讓控制器直接讀取，需要進行放大。

圖4 主控電路

圖5 信號放大電路

根據傳感器輸出信號的特點，設計了如圖5的信號放大電路。電路采用LM358集成運算放大器為主要元件，把來自傳感器的信號進行兩級放大。第一級放大是根據差動放大原理，把差動信號放大成單向變化信號；第二級采用同相比例運算放大電路，把第一級信號再次放大。這樣可以保證把信號放大到足夠的倍數，而又不至于失真。從而保證把壓力信息真實地傳導出去[9]。

3.3 模/數轉換電路

壓力信號被放大后，仍然是模擬信號，PLC主控單元本身沒有辦法直接讀取模擬信號，必須將模擬信號轉變成數字信號才可以讀取和識別。本設計采用模擬量輸入擴展模塊FX2N—4AD來實現信號的轉換與識讀。該模塊有四個輸入通道，最大分辨率是12 位，輸入信號的類型有—10V～+10V電壓、—20mA～+20mA和+4mA～+20 mA電流。端口結構如圖6所示。每個通道可以獨立指定為電壓輸入或電流輸入。采用光電隔離，可靠性高；轉換速度為每通道6m/ s 或15m/s，轉換速度快。PLC的基本單元通過對緩沖寄存器BFK4進行通信聯絡。采用BFM進行參數設定，并與基本單元進行數據交換。

圖6 AD模塊結構

4. 程序設計

程序根據壓裝要求進行編寫，程序結構工作流程如圖7所示。首先判斷結構是否在原點位置，在原點才向下壓裝；壓裝過程中先檢測的是預壓力，如果沒有預壓力則說明機構有異常，馬上報錯并回返回原點。到了位置后，需要保持3秒，確保壓裝完成，然后程序才返回。整個過程可以在任意位置停止或繼續，也可以進行調速。

圖7 程序流程圖

程序使用GX Developer軟件進行編寫，根據圖7 的流程逐步完成。如圖8是信號檢測的部分程序。程序采用梯形圖來編寫，這樣可以提高程序的可寫性和可讀性。

圖8 AD轉換程序

5. 應用與測試

裝置整體設計完畢后，進行了實際的加工、制作和調試。機構的主要構件均用45號鋼制作，部分結構件使用硬鋁制作。使用該機構對華碩主板CUP芯片進行了一萬次不同條件的應用測試，測試結果如表1所示。可以看出結構的壓力測試誤差均在0.1N以下，壓裝效果良好。但是當壓裝速度繼續往上增加時，機構的運動噪音會增大。

表1 測試結果

6. 結論

（1）運用渦輪蝸桿傳動的原理，設計了一芯片自動壓裝機構，并進行了結構的受力和傳動分析，結構簡單實用。

（2）利用差動放大加同向放大兩次放大，并結合AD轉換，實現了壓力信號的轉換和準確讀取。

（3）以PLC為主控單元，設計了完整的控制電路，通過編寫程序和調試，實現了整個壓裝系統的自動控制。

＊ [1] F. Wakeman, K.Billet, R.Irons and M.Evans, “Electromech anical characteristics of a bond—less pressure contact IGBT”, APEC99, Dallas USA, 1999: 312—317

＊ [2] 李湘波.UCOS_在基于C8051f060的壓裝監測設備數據采集系統應用[J].電子產品世界,2014,(12):43—48

＊ [3] 李湘波,柯慧,高印寒,等.智能壓裝力單片機測控系統的抗干擾設計[J].計算機測量與控制,2013,21(11):2926—2928

＊ [4] 曹志宏.全自動插件機中特定異型元件的自動傳送裝置研究與應用[J].電子制作,2014,(17):55—57

＊ [5] 戴政國,柯慧,高印寒,等.電視投影指標電子元件插裝機系統[J].重慶師范大學學報(自然科學版),2000,3(17):51—55

＊ [6] 張淑玲. 赫茲公式與軸承壽命[J].哈爾濱軸承,1994,1(22):41—42

＊ [7] 石欣,熊慶宇,雷璐寧.基于壓力傳感器的跌倒檢測系統研究[J].儀器儀表學報,2010,3(21):715—720

＊ [8] 王佑明,張志利,龍勇.直流雙臂電橋測量低電阻的誤差分析[J].電子測量技術,2007, 1(30):154—156

＊ [9] 鄭宏軍,黎昕,楊少卿,等.幾種典型運算放大器的應用技術[J].電子應用技術,1999,8(21):56—58

＊ [10] 吳明亮.FX2N—4AD在小型水電站基于PLC的繼電保護中的應用[J].湖南農機,2013,7(40):56—58