自動封裝設(shè)備模具溫度控制系統(tǒng)的研究

方唐利

（安徽耐科裝備科技股份有限公司，安徽銅陵 244061）

1 引言

集成電路行業(yè)屬于國家七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的新興信息產(chǎn)業(yè)，集成電路全自動封裝設(shè)備屬于集成電路封裝必要的工藝裝備，同時又屬于高端裝備制造業(yè)。集成電路全自動封裝設(shè)備是一款涉及機械、自動化、電子電路、鑄造、壓力控制、氣動控制、溫度控制、壓力控制、軟件等多學科的自動化設(shè)備，它的核心部分就是用于封裝的壓機部分，而壓機模具溫度直接影響到封裝產(chǎn)品的品質(zhì)，因此，擁有一套可靠穩(wěn)定、控制精度高的溫度控制系統(tǒng)對集成電路全自動封裝設(shè)備至關(guān)重要，是產(chǎn)品品質(zhì)的重要保障。

2 現(xiàn)有塑封模具溫控系統(tǒng)

目前，常見的塑封模具溫度控制系統(tǒng)主要采用：

（1）加熱棒和熱電偶布局在模架上，直接控制對象是模架溫度。

（2）模架與模盒之間通過熱傳導(dǎo)實現(xiàn)模盒升溫。

（3）模面與模架之間的溫度通過手動調(diào)整溫度補償值實現(xiàn)統(tǒng)一。

（4）通過PLC 內(nèi)部控制算法直接控制溫控的啟停、加熱過程等。

上述方案主要缺陷有：

（1）由于加熱棒和熱電偶分布在模架上，上、下模架各4根加熱棒，直接控制對象是模架，控制系統(tǒng)無法獲取模面溫度，導(dǎo)致加熱過程模架溫度與模面實際溫差較大，只能通過手動調(diào)整溫度補償實現(xiàn)兩者的統(tǒng)一，但是補償值調(diào)整過程需要反復(fù)試驗和修正，直到模溫穩(wěn)定。

（2）由于外界因素影響，原先設(shè)定的溫度參數(shù)，再次升溫時可能會發(fā)生變化，出現(xiàn)模面溫度過高或過低的現(xiàn)象，需要重新調(diào)整溫度補償值，例如：設(shè)備排風系統(tǒng)，環(huán)境溫度等。

（3）加熱棒布局和選型不合理導(dǎo)致模溫一致性較差，最常見的是模具后側(cè)模溫高于前端模溫8℃～10℃，中間模溫高于左右模溫8℃～10℃。

（4）由于PLC 直接控制加熱系統(tǒng)，一旦PLC 出現(xiàn)故障模具加熱系統(tǒng)直接停止，導(dǎo)致生產(chǎn)過程的產(chǎn)品報廢現(xiàn)象。

為了徹底解決上述問題，滿足塑封工藝的模溫需求，從軟、硬件方面重新設(shè)計了一套用于集成電路全自動封裝設(shè)備模具溫度控制系統(tǒng)。

3 新型塑封模具溫控系統(tǒng)設(shè)計

隨著集成電路半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，封測廠商對效率的追求，傳統(tǒng)的單排產(chǎn)品已越來越無法適應(yīng)市場的發(fā)展，超寬、多排產(chǎn)品毫無疑問適應(yīng)了發(fā)展的需求，正成為當下發(fā)展的趨勢，產(chǎn)品的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致模具尺寸的增加，傳統(tǒng)的加熱棒分布方式已不適應(yīng)現(xiàn)有模具的需求，為適應(yīng)超寬多排大模面的模具的需求，重新對加熱棒結(jié)構(gòu)、功率和排布進行了優(yōu)化，如圖1所示。

（1）增加加熱棒數(shù)量，由原上、下模各4 個加熱棒增加到上、下模各6個加熱棒，提高加熱效率。

（2）考慮到模具左右散熱比中間大的實際情況，加熱棒采用左右功率大于中間的階梯排布方式。

（3）考慮到模具前、后溫差主要是由于前段散熱所致，加熱棒設(shè)計采用電阻絲繞組前段密度大于后端的方式。

（4）為解決模架溫度與模面問題差異導(dǎo)致加熱慢、補償難調(diào)整等問題，在模盒靠近模面位置設(shè)計增加了一個熱電偶檢測位置，用于實時檢測模面溫度，通過模面溫度與設(shè)定溫度的差值動態(tài)調(diào)整加熱過程的溫度補償值，達到快速、穩(wěn)定升溫的需求。

（5）電氣方面采用歐姆龍溫控模塊加串口通信方式實現(xiàn)溫度可靠控制。歐姆龍溫控模塊的優(yōu)點在于具有溫度控制穩(wěn)定及精度高等特點，且PID溫控算法內(nèi)置[1]，能自主完成加熱任務(wù)，PLC和溫控器之間通過485 串口通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互[2]，傳輸穩(wěn)定可靠，電氣控制框圖如圖2所示，溫控電氣原理圖如圖3所示。

（6）電氣設(shè)計方面充分考慮到整個溫控系統(tǒng)的可靠、安全性，增加了溫控器斷線檢測、短路和斷路保護功能。

通過485串口通訊實現(xiàn)PLC與溫控器之間的數(shù)據(jù)交互[3]，既可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，也可在通訊異常情況下實現(xiàn)獨立溫控。采用固態(tài)繼電器，解決機械式繼電器觸點長時間頻繁切換導(dǎo)致的燒壞現(xiàn)象，電路設(shè)計增加熱保護器和電流互感器[4]，能有效實現(xiàn)電路的短路保護和斷路檢測功能，極大的提升了整個溫控系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和安全性。

4 實際應(yīng)用

此新型自動封裝系統(tǒng)模溫控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用，經(jīng)過現(xiàn)場長時間測試結(jié)論如下：

（1）模溫加熱過程對比。

現(xiàn)場采用原溫控系統(tǒng)和新型溫控系統(tǒng)在模具徹底冷卻的基礎(chǔ)上同時升溫，設(shè)定溫度175℃，分別記錄不同時間段的模面溫度變化，如圖4 所示，圖4a 是原溫控系統(tǒng)溫度曲線，圖4b為新型溫控系統(tǒng)溫度曲線，其中橫坐標表示時間，單位為分鐘，縱坐標表示溫度，單位為攝氏度。

由圖4 可以明顯看出，原溫控系統(tǒng)從加熱開始到溫度穩(wěn)定在175℃大約需要160min，新型溫控系統(tǒng)大約需要90min，顯然增加了加熱棒數(shù)量和引入動態(tài)溫度補償參數(shù)的新型溫控系統(tǒng)比傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)升溫速度更快，效率更高。

（2）模面溫度一致性對比。

現(xiàn)場在兩組實驗?zāi)：芯_到溫度穩(wěn)定階段后，分別測量兩組模具的模面溫度進行對比驗證，結(jié)果如圖5所示。

從測量實際模溫可以看出，原溫控系統(tǒng)模面溫度一致性較差，最高溫差8℃，而經(jīng)過改進的溫控系統(tǒng)模面溫差最大3℃，一致性較好，可有效提升產(chǎn)品的塑封質(zhì)量和良品率。

5 結(jié)束語

設(shè)計的新型集成電路全自動封裝設(shè)備模具溫度控制系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)的各種弊端，具有溫度控制穩(wěn)定、精度高等特點。該套溫度控制系統(tǒng)在集成電路全自動封裝設(shè)備的成功應(yīng)用，提升了集成電路全自動封裝設(shè)備的整體性能，滿足了集成電路封裝工藝對溫度的要求，提升了集成電路封裝產(chǎn)品的品質(zhì)。