LD芯片貼片機頂針機構的改進

郝耀武，張澤義，侯一雪，楊凱駿，曹國斌，張 媛

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

GJJ-450全自動共晶貼片機是專用于TO型（晶體管外形）激光器件的全自動芯片封裝設備。主要用于激光器芯片與TO管座之間的共晶焊接，是TO型激光器封裝的核心設備。隨著激光器件功率的不斷提升，對自動化設備提出了更高精度、更快速度、適應性更強的要求[1]。頂針機構的穩定性決定了LD（半導體激光器）芯片從藍膜盤能否順利拾取而最終決定設備能否穩定可靠地生產。

1 現有頂針機構分析及問題描述

1.1 現有頂針機構分析

LD芯片的拾放由吸嘴、藍膜運動平臺、頂針機構共同完成，如圖1所示。芯片矩陣式分布在藍膜盤上，藍膜盤安裝在藍膜運動平臺上，藍膜盤可沿x軸、y軸移動，待完成當前芯片的拾取后，藍膜運動平臺快速移動使下一顆芯片迅速位于頂針上方，準備下一次的拾取。頂針機構位于藍膜下方，針筒上部接觸藍膜，針筒內部安裝1個固定頂針。搬運吸嘴在藍膜上方完成芯片的拾取和搬運。

圖1 原頂針機構示意圖

1.2 現有結構存在的問題

在芯片拾取完成瞬間，藍膜由于自身張力恢復至頂針上方。在芯片拾取過程中，針筒與負壓接通，由于藍膜的上下壓差使藍膜變形，如圖2（a）所示，頂針刺穿藍膜，使芯片與藍膜分離。分離后，針筒與大氣壓接通，藍膜通過自身張力恢復，拾取工作完成，如圖 2（b）所示。

圖2 原頂針機構原理圖

但是，同一客戶現場經常同時使用多種不同材質的藍膜盤，有些藍膜材質較軟或張力不夠，藍膜經常難以快速恢復至頂針上方，經過長期的客戶現場試驗，材質較軟的藍膜恢復時間長達2 s，導致單品時間無法提高，生產效率低。尤其當兩種材質的藍膜盤更換時，很容易出現藍膜未及時回位而藍膜盤移動造成頂針損壞的現象。同時這種結構主要通過藍膜的上下壓差來實現藍膜的變形，尤其對于材質較軟的藍膜盤，針筒內負壓調整難度較大，維護十分不便。

使用材質較軟的藍膜盤，勢必造成單品時間增加，生產效率變低，而且很容易造成頂針的損毀，增加設備維護時間，有效生產時間變短。只有改進頂針機構，進而提高設備對不同藍膜的適應能力以及穩定性，為客戶創造更大利潤。

2 新型頂針機構的設計

原頂針機構針筒和頂針都固定不動，通過藍膜自身張力使藍膜復位到頂針上方，可靠性較差，并且這種方式無法對藍膜變形量進行精確控制。如果使針筒或頂針具有沿針尖方向的移動能力，可以解決藍膜不能及時回位的問題，同時通過電機驅動，可以使頂針機構的調試更加可控、便捷。

2.1 兩種新型頂針結構分析

頂針移動型頂針機構原理如圖3（b）所示，在芯片拾取過程中，針筒上表面與藍膜接觸固定不動，拾取吸嘴沿z向接觸芯片后暫時靜止，通過凸輪帶動頂針向上移動，扎破藍膜同時頂起芯片，吸嘴上抬完成芯片的拾取。此種結構在向上頂起芯片的過程中，由于芯片與吸嘴對芯片的相互作用力，極容易造成芯片的破損[2]，客戶較難接受。

圖3 兩種新結構吸附原理對比

針筒移動型頂針機構原理如圖3（a）所示，在芯片拾取過程中，頂針固定不動，針筒上表面與藍膜接觸，首先拾取吸嘴沿z向接觸芯片后暫時靜止并開啟吸附，通過凸輪帶動針筒拖拽藍膜向下移動，頂針扎破藍膜同時芯片與藍膜分離，吸嘴上抬完成芯片的拾取。相比于頂針移動型結構，此種結構可以避免對芯片的共同擠壓，有效保護芯片，使客戶利益最大化，同時減輕調機人員的工作強度。

2.2 改進后結構介紹

圖4 新頂針機構模型

圖4是新型頂針機構模型圖，當開始生產時，通過氣缸推動，頂針筒與頂針組成的機構同時上升至藍膜盤的下表面，等待芯片拾取。當開始拾取時，針筒內負壓開啟，頂針筒上環形分布的開孔產生的真空吸附力將芯片周圍一定面積的藍膜固定，然后電機驅動凸輪旋轉，凸輪帶動針筒向下移動，頂針扎破藍膜實現芯片與藍膜的剝離。

該結構的優點是：通過電機帶動凸輪移動，頂針可以非常迅速的在藍膜平臺移動之前移動至藍膜下方，杜絕由于頂針未及時回位同時藍膜移動造成的頂針破損的風險。并且經過對凸輪軌跡的優化設計[3]，實現針筒移動距離的精確控制，進而實現藍膜變形量的可控，頂針機構的調整更加容易，調試時間大大縮短。

3 改進后效果

更換新型頂針機構后，在客戶現場進行了實驗對比，并進行數據統計。對兩臺工況接近分別采用新舊頂針機構的設備進行12 h數據記錄，兩臺設備由同一熟練操作人員操作，采用相同物料，藍膜盤采用同一卷藍膜由同一人員制作。進行12 h的連續運行，對比結果見表1。

表1 采用新舊頂針機構設備對比

采用原頂針機構的設備，在12 h內因吸附失敗造成的報警3次，原因是雖然藍膜盤由同一人員制作，但不同藍膜盤的張力略有差異，造成了芯片拾取失敗的結果。但是新型頂針機構改進后效果明顯，經觀察，在電機驅動下，每次藍膜變形位置一致，與芯片分離迅速。

之后進行了更換藍膜盤的對比實驗。采用原頂針機構的設備，每次更換不同材質的藍膜盤都需要調整針筒內負壓使藍膜變形一致，通過肉眼很難判斷，需要反復調試，稍不注意就會損壞頂針，熟練的調試人員調試時間也長達5～10 min，大大減少了設備的有效工作時間。而新型頂針機構在更換藍膜時，基本不需要做任何調整，就能立刻投入生產，兼容能力強。即使需要調整，只需調整凸輪旋轉角度，使藍膜變形程度微調即可順利生產，調試時間不超過2 min，大大降低了調試人員的工作強度，提高了設備的效率。

4 結束語

從客戶現場的對比驗證試驗以及后續的大批量生產驗證可知，改進后的頂針機構對不同材質、不同張力的藍膜適應性非常好，從根本上解決了原頂針機構在調試過程中調試維護難度大、頂針容易斷裂等問題，極大地提升了設備穩定性與可靠性，為全自動共晶貼片機的大規模應用及市場占有率的提升提供了有力的技術支持，得到了客戶的廣泛好評。

[1] 張媛，侯一雪，曹國斌，等.共晶貼片機傳送系統故障預示研究[J].機械工程與自動化，2017，(6)：45-47.

[2] 彭波.IC薄芯片拾取建模與控制研究[D].武漢：華中科技大學，2012.

[3] 戴威.芯片剝離過程分析及其機構[D].武漢：華中科技大學，2011.