1 引言    隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)效率逐步提高，設(shè)備生產(chǎn)速度也越來越高。目前，國際最高水平的粘片機粘片速度可達4只／s以上，UPH值達到15 000片／h，粘片精度小于38 μm。我們通過該項目的研制，可以為半導(dǎo)體后封裝各種器件的芯片鍵合提供實用設(shè)備，逐步實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化。高速自動粘片機適用于多種封裝形式(如T092、SOT等)，IrDA、QFN、印制電路板、陶瓷、LED、成型引線框架、高密度點陣引線框架等等。 2 高速粘片機芯片拾放機構(gòu) 高速粘片機主要由上料機構(gòu)、傳輸機構(gòu)、點膠機構(gòu)、芯片臺、芯片拾放機構(gòu)、頂針機構(gòu)、收料機構(gòu)、圖像識別系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等主要部分組成。其中芯片拾放機構(gòu)是該機的核心部件，主要功能是將芯片臺上經(jīng)圖像處理后的完好芯片柔性吸附、提升、高速運行到框架點漿位置上、通過柔性擠壓與框架粘結(jié)牢固。要求在芯片的拾放過程中要實現(xiàn)對芯片的"柔性"拾放，以防止對芯片的損傷。 高速粘片機芯片拾放機構(gòu)技術(shù)參數(shù)： Ymax向行程：80 mm Z向行程：15 mm 粘片速度：4只／s(包括圖像識別) 粘片精度：?38 μm@3σ 工藝要求："柔性"拾放片 根據(jù)功能和技術(shù)參數(shù)要求，拾放機構(gòu)可采取以下幾種常見結(jié)構(gòu)(見圖1～圖3)。  

  圖1結(jié)構(gòu)：y向和z向主要由兩個線性電動機組成芯片拾放機構(gòu)，該機構(gòu)特點是加速度高、速度高，精度很高，壽命長，但成本也高。適于高端設(shè)備的選用。 圖2結(jié)構(gòu)：y向和z向主要由交流伺服電動機和絲杠組成芯片拾放機構(gòu)，該機構(gòu)特點是速度高、精度高、成本低但運行噪音大，摩擦損害大，壽命較短。適于中低端低速設(shè)備。 圖3結(jié)構(gòu)：y向和z向組成90?擺臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，該機構(gòu)簡便輕巧，速度高、精度高，適合于LED等器件的粘片設(shè)備。 3 高速粘片機芯片拾放機構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù) 高速粘片機是集機械、電氣、計算機、光學(xué)、軟件等為一體的高智能高效率設(shè)備，必須要解決以下2個關(guān)鍵問題： （1)高速運動的焊臂運動控制 要達到4次／s的粘片速度，首先要解決焊臂高速運動的控制問題，從機構(gòu)的剛性、質(zhì)量、定位、加減速度和壓力控制等多方面重點研究，使之既能高速準(zhǔn)確運動，又能柔性拾取、粘壓芯片，不對芯片造成撞擊。 (2)芯片柔性拾放技術(shù) 由于晶圓上的每一塊小芯片(DIE)在拾取時先要采用一種頂針機構(gòu)將芯片高速頂起，同時吸頭也要高速接近、柔性接觸，這樣才能保證芯片在拾取時不至于破損，即所謂柔性接觸。這當(dāng)然要使用：芯片柔性拾放技術(shù)，對執(zhí)行組件進行力量大小、速度大小的控制，也就是對電機的速度和力矩的動態(tài)切換及其控制。在粘接時，附帶有芯片的吸頭也要進行高速接近框架柔性粘接，這樣才能保證芯片安全地粘接在框架上。在芯片拾放的過程中，快速與柔性是一對矛盾，因此需要采取特殊的技術(shù)措施，才能保證芯片安全快速地拾取與粘接。為此，在芯片拾放機構(gòu)中首先選用線性電動機。線性電動機的特點是快速性好，推力大小可編程，也就是說取片壓力和粘片壓力可以根據(jù)芯片、粘接膠、材料等情況設(shè)定，實現(xiàn)芯片的高速柔性拾放。 4 線性電機的特性 線性電動機與旋轉(zhuǎn)電動機相比，主要特點：一是結(jié)構(gòu)簡單，由于直線電動機不需要把旋轉(zhuǎn)運動變成直線返動的附加裝置，因而使得系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)大為簡化，重量和體積大大地下降；二是定位精度高，在需要直線運動的地方，直線電動機可以實現(xiàn)直接傳動，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微機控制，還可以大大地提高整個系統(tǒng)的定位精度；二是反應(yīng)速度快、靈敏度高，隨動性好。線性電動機容易做到其動子用磁懸浮支撐，因而使得動子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定、動子間的接觸摩擦阻力，因而大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度、快速性和隨動性；四是工作安全可靠、壽命長。線性電動機可以實現(xiàn)無接觸傳遞力，機械摩擦損耗幾乎為零，所以故障少，免維修，因而工作安全可靠、壽命長，但價格比較昂貴。 線性電動機它在以下領(lǐng)域仍具有得天獨厚的優(yōu)勢：其一，適用于高速、超高速、高加(減)速度，生產(chǎn)批量大、要求定位運動多、速度和方向頻繁變化的場合，其二，也可適用于要求高動態(tài)特性、高速隨動性、高靈敏的動態(tài)精密定位、超精密加工。 綜合以上線性電動機的特點和芯片拾放機構(gòu)的技術(shù)要求，針對y向運動和Z向運動，我們分別選用了美國SMAC公司生產(chǎn)的MLA55-100-81和LARl5-015線性電動機作為該機構(gòu)的驅(qū)動部件。美國SMAC公司開發(fā)生產(chǎn)的線性電動機，利用音圈電動機特有的高響應(yīng)、高加速度、高速度、體積小的特點，與導(dǎo)軌和高精度編碼器組合，構(gòu)成完整的閉環(huán)系統(tǒng)。在位置、速度、力矩控制模式中可以直接動態(tài)切換。 Z向拾放片執(zhí)行機構(gòu)中，LARl5-015線性電動機可通過力矩控制模式進行可編程力矩輸出控制，達到對芯片拾放的柔性控制模式。該功能被廣泛地應(yīng)用在半導(dǎo)體后封裝設(shè)備中。應(yīng)用實例見圖4。  

5 柔性拾放過程控制 芯片拾取和粘接的工藝要求必須是柔性拾放，而Z向LAR15-015線性電機的最大的優(yōu)勢就是精度高、運動過程輸出力可編程控制，這一特性的應(yīng)用很好地保證了芯片粘接的工藝要求。在芯片拾放過程中的運動控制如圖5所示。

具體過程： 拾取芯片過程：Z向電動機首先以位置模式高速運動到接近芯片表面某一位置，然后轉(zhuǎn)換為速度模式運動到芯片表面，再轉(zhuǎn)換為力矩模式，輸出一定的力矩進行柔性吸附拾片，此輸出力矩可根據(jù)芯片的大小和工藝要求可編程。 放置芯片過程：Z向電動機首先以位置模式高速運動到接近放片某一位置，然后轉(zhuǎn)換為速度模式運動到放片表面，再轉(zhuǎn)換為力矩模式，輸出一定的力矩進行柔性粘壓放片，此輸出力矩可根據(jù)芯片的大小和工藝要求可編程。Z向線性電動機運動過程中位置、速度和力矩工作剖面圖如圖6所示：

6 芯片拾放機構(gòu)運動控制測試 控制系統(tǒng)采用PMAC(programmable multiaxes controller)多軸控制器進行控制，它是美國Delta Tau公司20世紀(jì)90年代推出的開放式多軸運動控制器，它提供運動控制、離散控制、內(nèi)務(wù)處理、同主機的交互等數(shù)控的基本功能。PMAC內(nèi)部使用了一片Motorola DSP 56001數(shù)字信號處理芯片，它的速度、分辨率、帶寬等指針遠優(yōu)于一般的控制器。伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前饋控制，其伺服周期單軸可達40 μs，二軸聯(lián)動為110 μs。產(chǎn)品的種類可從二軸聯(lián)動到三十二軸聯(lián)動。甚至連接MACRO現(xiàn)場總線的高速環(huán)網(wǎng)，直接進行生產(chǎn)線的聯(lián)動控制。與同類產(chǎn)品相比，PMAC的特性給系統(tǒng)集成者和最終用戶提供了更大的柔性。 PMAC控制器與Y向和Z向線性電動機即驅(qū)動器以及編碼器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。分別對Z軸和Y軸以及整個拾放機構(gòu)進行運動測試。 Z軸運動：位移從0～10 mm～0進行往復(fù)運動，每個循環(huán)為50 ms進行測試，運動軌跡如圖7。 根據(jù)圖7可計算出Z軸的加速度和最大速度分別為：  

Y軸運動：位移從0～55mm運動測試，通過調(diào)整和優(yōu)化電機及控制器參數(shù)，最佳運動曲線如圖8所示。

根據(jù)圖8可計算出Y軸的加速度和最大速度分別為：

拾放片運動測試：針對拾放片運動進行模擬測試，Y向移動距離為50mm，z向移動距離為10mm，拾放片等待時間為35ms，運動控制模式采用PVT模式。y軸和Z軸運動邏輯時序圖如圖9所示。

運動控制程序： CLOSE END GATHER DELETE GATHER DELETE TRACE &1 #1->Y #2->Z

Y軸運動曲線如圖10所示

由上圖Y軸運行曲線可以看出，芯片拾放周期可達到210 ms，接近4.8只／s的拾片速度，而且運動曲線沒有出現(xiàn)超調(diào)和跟隨誤差超差的現(xiàn)象，說明用該線性電機組成的拾放機構(gòu)是完全可以達到高速粘片機項目的技術(shù)要求。當(dāng)然在實際拾放片過程中要考慮到拾片的工藝以及減少振動等其它方面的因素，速度會有所降低，但影響不會太大，完全可以保證設(shè)備所要求的4只／s的技術(shù)要求。 7 總結(jié) 通過實際運行測試說明，采用由美