基于插卡式載具小型芯片自動噴砂清洗設備的研究

沈瑞芳

（貴州職業技術學院，貴州 貴陽 550023）

0 引言

小型芯片在封裝過程中，一般都會使用助焊劑和錫膏輔料，保證芯片封裝的可靠性。這些輔料在焊接過程中由于高溫冷卻或操作時，會形成輔料殘留物，如果是人工操作還會留存人體的皮膚組織、汗液等污染物。無論是表面的殘留物還是污染物，在空氣中都會對芯片本體或者引腳產生腐蝕作用，從而對芯片造成不可逆的損傷，導致芯片性能受到極大的影響，甚至直接失效[1]。

一般情況下，小型芯片的主體和引腳的表面質量是影響芯片性能，特別是能耗的重要因素，而目前，小型芯片封裝后的主體和引腳一般采用人工噴砂處理清洗，極大地制約了芯片清洗的效率，也不能保證芯片噴砂清洗的一致性[2]。基于此，本文針對現有技術的不足，開發了一種基于插卡式載具的小型芯片自動噴砂清洗設備，旨在提高芯片噴砂清洗的效率，保證芯片噴砂清洗后的產品一致性，同時，也提高了噴砂磨料的利用率，為噴砂清洗的自動化工藝降低了設備成本。

1 芯片噴砂清洗設備的工作原理

目前，芯片噴砂清洗一般采用人工作業的方式，也有采用非標自動化設備進行清洗的情況，但是目前的自動化設備一般需要人工進行多次干預，且不易達到良好的清洗效果[3]。此外，目前的自動化設備清洗效率也比較低，實用性不強。

而本文開發的自動清洗設備具有人工干預少、清洗效率高、清洗覆蓋面廣、節省清洗耗材等優點。首先，需要人工將待清洗的芯片安放在載具上并壓緊，再將裝有芯片的載具卡緊在同步帶的卡槽上，啟動芯片清洗設備，清洗設備啟動攪拌電機使砂水混合均勻，再由抽水泵將混合均勻的砂水抽至噴嘴，皮帶驅動機構開始帶動載具水平移動，齒輪齒條機構帶動噴嘴前后往復移動，最終形成平面十字交叉運動，實現對芯片的噴砂清洗。噴砂箱底部呈現內凹的弧面，并用導管將箱體底部與砂水混合箱連接，實現砂水的往復使用。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

工藝流程中需要注意以下幾點：

1）操作人員需要穿戴特制的隔離手套或者工裝，噴砂過程需避免皮膚與石英砂直接接觸。

2）噴嘴不得對準芯片表面進行垂直噴砂，需要噴嘴與芯片上表面形成一個夾角，夾角范圍在30°～60°之間，避免損傷芯片表面[4-5]。

3）噴砂過程需保護芯片引腳和芯片本體的側面[6]，本設備中是利用壓緊條的形狀設計保護。

4）啟動設備前需先檢查設備的狀態是否滿足啟動條件。

設備系統布局合理，總體協調，操作維護方便。機架底部裝有腳輪及減振腳墊，所有金屬零件表面光潔、平整，各個邊棱倒角。設備電路、氣路管線應盡量位于裝配機下部，并進行整齊排布、固定位置，對于部分外露的電路、氣路管線，應進行定位及隱蔽處理，保持裝配機外觀整齊有序、操作方便。

2 噴砂清洗設備的主體結構

設備整體尺寸約為1 300 mm×1 100 mm×1 530 mm（長×寬×高），包括砂水混合的攪拌箱和安裝電控元件的控制柜，其中，噴砂箱的箱體開口中心距地面高度為1 m 左右，預估設備整機重量為100 kg。

2.1 噴砂清洗設備的主體結構

主體結構包括電控箱、砂水混合機構、機架、皮帶驅動機構、噴砂箱、齒輪齒條機構、芯片載具等部分，如圖2 所示。其中，電控箱由PLC 控制器等部分組成；砂水混合機構包括箱體、攪拌電機、抽水泵、回流管等部分，回流管與噴砂箱的底部聯通，抽水泵將混合均勻的砂水混合物抽至齒輪齒條機構的噴嘴內；齒輪齒條機構包括齒輪電機、齒輪齒條、噴嘴等部分；芯片載具用于安裝芯片并固定壓緊。

圖2 主體結構

2.2 功能實現

2.2.1 清洗箱體

設備工作一段時間以后，箱體內壁會附著一定的石英砂，需要定期清理，清理過程主要用水槍噴水清理，清理后的砂水混合物會流入攪拌箱內。

2.2.2 芯片裝入

將芯片裝入載板，排列整齊，用壓緊條壓緊后同載板一同放在皮帶上的卡槽內，完成上料過程；每條載板上放入的芯片數量為64 顆左右（根據芯片尺寸決定），皮帶上每50 mm 分布一個安裝卡槽。

2.2.3 雙皮帶送料

芯片同載板放在皮帶上的卡槽內以后，步進電機驅動皮帶做水平運動，持續上料。

2.2.4 噴砂處理

芯片與載板在皮帶帶動下在箱體內移動，到達指定位置后，齒輪齒條機構驅動噴嘴左右滑動，實現擺動噴砂清洗。目前這類齒輪齒條機構分布有三排，以保證噴砂清洗充分，提高效率。

3 芯片尺寸

需要噴砂表面處理的芯片有兩個型號[7]，針對兩款芯片設計兩套載板，兩套載板外形尺寸保持一致，由于兩種芯片外形尺寸不同，導致每套載板每次可放入的芯片數量也不同。芯片模型如圖3 所示。

圖3 芯片模型

4 功能組成

4.1 砂水混合機構

砂水混合機構包括箱體、攪拌電機、抽水泵、回流管等部分。攪拌電機安裝在箱體上，電機輸出軸上安裝有攪拌葉片，其功能是將砂水進行均勻混合；抽水泵將混合均勻的砂水抽至噴嘴；回流導管用于連接箱體底部與砂水混合箱，保證連接過程不漏水。箱體的直徑為600 mm，且箱體底部呈內凹形，便于清洗后的砂水混合物回流，箱體的容積約為120 L。砂水混合箱自帶攪拌機，有外接接口連接噴嘴，還有補水用的入水口和通氣口[8]。

4.2 同步帶驅動機構

同步帶電機驅動同步帶輪轉動，同步帶輪上安裝有同步帶，同步帶上有與同步帶一體的卡槽，卡槽均勻分布在整條同步帶上，將兩條相同的同步帶上的卡槽水平對齊安裝，就可以將芯片載板安裝在兩根同步帶上相對的卡槽內。

根據實際生產需求，在同步帶上的卡槽內安裝若干芯片載具，安裝完成以后，設置同步帶輪上的驅動電機轉速，讓載具在同步帶輪上移動，實現芯片的自動送料過程。同步帶驅動機構如圖4所示。

圖4 同步帶驅動機構

4.3 齒輪齒條機構

齒輪齒條機構包括齒輪電機、齒輪齒條、噴嘴等部分。電機安裝在噴砂箱的頂部，由電機驅動下端的齒輪運動，齒輪和L 形的板筋連接并安裝在方形滑槽上的支持條上，L 形板筋上安裝有若干個噴嘴，若干噴嘴通過分流器連接后與抽水泵的出水口連接，噴嘴的方形滑槽可以在前后兩個支座槽內滑動[9]。

噴砂過程中，噴嘴不能在固定位置一直噴涂，需根據噴砂實際效果調整其噴砂的移動速度[10]。電機往復轉動，驅動支持條往復運動，最終驅動安裝在L形板筋上的若干噴嘴往復運動，由噴嘴內噴出的砂水混合物對芯片進行清洗。

齒輪齒條機構可以進行陣列排布，或者先鏡像排布后進行陣列排布，實現多組多噴嘴的清洗效果。根據實驗及實際生產的效果，設置電機正反轉的速度及翻轉切換的頻率，保證噴頭往復運動的速度和運動方向切換的頻率。通過設置多組齒輪齒條機構，多組噴頭的往復運動和皮帶輪的轉動，保證了噴砂的均勻度，從而實現了噴砂清洗后芯片表面的一致性。齒輪齒條機構如圖5所示。

圖5 齒輪齒條機構

4.4 芯片載板機構

芯片載板機構包括排列整齊的芯片、中空的芯片載板以及芯片載板兩側的卡口，如圖6 所示。將芯片均勻地擺放在芯片載板上，然后用磁鐵材質的壓緊條壓在芯片表面，再使用磁鐵將壓緊條兩端與芯片載板吸合，從而將芯片壓緊在載板上。由于芯片有多根引腳，引腳的形狀與排列位置會影響芯片插裝的效果，所以在對芯片表面進行噴砂去毛刺的過程中，需要將引腳保護起來。芯片一般安裝在芯片載板上，芯片上表面需要清洗，裸露在外，而引腳則被壓緊條蓋住，能夠被保護起來。

圖6 芯片載板機構

5 控制系統

整套設備采用PLC 控制，控制邏輯為：操作人員啟動設備開關—砂水混合裝置上的攪拌電機開始運動—抽水泵將砂水混合物抽至噴嘴并由噴嘴噴出—皮帶驅動機構在電機的帶動下實現水平勻速進料—齒輪齒條機構在電機的帶動下使噴嘴進行往復運動—清洗完成以后，操作人員停機。

在上述過程中，控制系統設置了急停系統、接近開關報警系統、噴頭堵塞報警系統、電機失速反饋系統、砂水混合物水位報警系統等，保證了設備的正常運行。

1）急停系統。在出現危險情況，如設備漏電、設備撞機、線路起火等嚴重事故時，及時按壓紅色急停按鈕，設備將立即斷開電源和氣源，保證事故不會擴大。

2）接近開關報警系統。本文研制的設備屬于非標自動化設備，設備由專門的鋁制門框和亞克力面板制成，如果設備在正常工作過程中由于不按規定操作非正常打開設備門框，設備的接近開關報警系統就會因為金屬門框與接近傳感器分離而開始工作，發出蜂鳴聲提示，當設備門關閉后，蜂鳴聲消失，按壓啟動鍵，設備能夠立即開始正常工作。

3）噴頭堵塞報警系統。由于設備是利用砂水混合物進行清洗，如果噴頭堵塞了，不僅設備不能穩定運行，降低了芯片清洗的效率，還會導致抽水泵一直工作而無法將砂水混合物抽起，對抽水泵的壽命影響巨大。所以噴頭堵塞報警系統能夠保證在噴頭堵塞后發出蜂鳴聲，并使設備停機，在設備的操作面板上會顯示故障原因為噴頭堵塞，待工作人員解決該故障后，按壓啟動鍵，設備就能開始正常工作。

4）砂水混合物水位報警系統。設備要利用砂水混合物進行清洗，在設備長時間工作后，難以避免會有砂水混合物的外溢或流失。本文研制的設備在砂水混合箱中設置了水位傳感器，當砂水流失比較嚴重，低于水位傳感器所在的位置時，設備就會停機并報警，發出蜂鳴聲，操作人員在按照比例補充砂水混合物使其達到一定水位后，故障解除，按壓啟動鍵，設備就能開始正常工作。

6 創新點

1）實現了砂水混合物的回流和重新使用，極大地節約了生產成本。

2）采用雙重陣列式的多噴嘴布置，極大地提高了芯片清洗的效率，也保證了清洗的效果。

3）通過噴嘴往復運動與芯片的定向移動，在X-Y平面內實現了更大范圍的清洗效果，保證了芯片清洗的全面性。

4）通過對芯片在載具上的創新性設計，既實現了對芯片表面的清洗，也保證了芯片引腳不變形、不錯位。