基于PLC的自動切筋分離系統(tǒng)設(shè)計

朱晶川++孫力

摘 要： 隨著集成電路封裝產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，切筋工藝在其封裝生產(chǎn)中的地位也不斷上升，然而傳統(tǒng)的手動切筋作業(yè)方式嚴(yán)重阻礙了IC封裝生產(chǎn)效率的發(fā)展。目前，PLC技術(shù)在工控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，軟件設(shè)計方法已逐步完善，適合運(yùn)用于自動切筋分離系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)中。該課題中涉及的MCM?3D封裝工藝，運(yùn)用低弧度立體鍵合技術(shù)、集成電路智能塑封系統(tǒng)、自動切筋分離系統(tǒng)等多項(xiàng)研發(fā)成果。開發(fā)了PLC自動控制系統(tǒng)，設(shè)計了切筋模具定位結(jié)構(gòu)、切筋刀具和自動推料裝置等，利用光纖傳感器，結(jié)合PLC定位電路和PLC反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了切筋工藝的自動化，提高了切筋工序的生產(chǎn)效率，降低了故障率和安全風(fēng)險，控制了人工和設(shè)備成本。

關(guān)鍵詞： 切筋； 集成電路封裝； PLC； 自動控制； 定位

中圖分類號： TN605?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0111?04

0 引 言

隨著國內(nèi)外電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，集成電路芯片（IC）封裝產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，封裝技術(shù)也從DIP、SOP、TQFP到MCM?3D等不斷發(fā)展[1]。在集成電路芯片封裝的流程過程中，有一道切筋工序，其主要目的就是把前工序已經(jīng)封裝完成的條狀產(chǎn)品通過模具沖床把它切分成獨(dú)立的單只產(chǎn)品。集成電路封裝切筋工藝作為電子封裝產(chǎn)業(yè)的分支技術(shù)，在集成電路產(chǎn)業(yè)近年來迅猛發(fā)展的推動下，也得到了飛速發(fā)展[2]。自動切筋分離系統(tǒng)的發(fā)展正逐漸改變以往多副模具單工序加工的狀態(tài)，減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度。切筋分離系統(tǒng)的性能是提升IC芯片封裝速度及提高產(chǎn)品成品率和生產(chǎn)效率的決定因素之一，這使自動切筋分離技術(shù)成為集成電路封裝產(chǎn)業(yè)中的一項(xiàng)核心技術(shù)[3]。

在切筋工藝中，根據(jù)產(chǎn)品外形的不同，有一部分產(chǎn)品因?yàn)槠湎铝戏较虻脑颍瑱C(jī)械方面無法進(jìn)行雙側(cè)機(jī)械定位，導(dǎo)致集成電路芯片器件的定位擺放不方便，容易造成因?yàn)槎ㄎ诲e誤而引起的不良品發(fā)生。目前，國內(nèi)IC生產(chǎn)切筋工序中上料、推料等操作多數(shù)采用純手動方式，大大影響生產(chǎn)效率，在作業(yè)中存在安全隱患。另一方面，國內(nèi)切筋工藝只依靠液動沖壓機(jī)單一操作、速度一般在70沖次/min 左右，與國外先進(jìn)水平有較大差距。此外，隨著集成電路集成化程度的提高，產(chǎn)品引線腳的數(shù)量不斷增加，達(dá)200個左右，引腳間密度逐漸增大，間距縮小至0.4 mm，這給提高切筋功率工作效率帶來了很大難度[4]。

圖1為本課題中MCM?3D封裝樣品RZ1033。MCM?3D封裝集成電路的輸出電流大、抗干擾性強(qiáng)、內(nèi)阻小、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低，作為先進(jìn)的集成電路封裝形式，是目前國際半導(dǎo)體封裝行業(yè)中的核心技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代4C市場和航空航天領(lǐng)域。由于MCM?3D封裝產(chǎn)品制造難度大，國內(nèi)能生產(chǎn)MCM?3D封裝集成電路的企業(yè)只有少數(shù)幾家，市場需求遠(yuǎn)大于供應(yīng)，所以提高生產(chǎn)效率迫在眉睫[5]。

圖1 集成電路MCM?3D封裝樣品RZ1033

本文擬通過設(shè)計PLC自動定位控制程序，集成光纖傳感器、LED報警系統(tǒng)，控制切筋分離系統(tǒng)中模具及器件的μm級定位擺放，實(shí)現(xiàn)一種便于集成電路芯片封裝加工的高速切筋分離系統(tǒng)，達(dá)到切筋自動化，降低不良品率，提高封裝工藝整體生產(chǎn)效率的目的，同時保護(hù)了操作人員的安全，降低生產(chǎn)成本[6]。

1 PLC在工控領(lǐng)域的應(yīng)用及設(shè)計方法

1.1 PLC在工控領(lǐng)域的應(yīng)用

PLC即可編程序控制器，目前是在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)用最為廣泛的數(shù)字運(yùn)算電子系統(tǒng)。PLC控制技術(shù)綜合了自動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等多方面的現(xiàn)代科技。它既可以實(shí)現(xiàn)簡單的邏輯控制、順序控制，同時也可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的連續(xù)控制和過程控制等[7]。PLC現(xiàn)已滲透至工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，從單機(jī)自動化到工業(yè)生產(chǎn)的局部網(wǎng)絡(luò)。PLC因其在開關(guān)量的邏輯控制上的優(yōu)勢，已取代了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)；在對溫度、流量、壓力等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制中，PLC的模擬量控制功能也已被廣泛應(yīng)用，例如塑料擠壓成型機(jī)、鍋爐等設(shè)備；現(xiàn)代PLC同時也具有運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)采集、分析和處理，目前已用在大、中型控制系統(tǒng)中[8]。PLC可通過傳感器控制生產(chǎn)過程，適合于本課題自動切筋分離系統(tǒng)的研究。

1.2 PLC選型與配置

合理選擇PLC是研發(fā)PLC控制程序的關(guān)鍵，需要以滿足研發(fā)系統(tǒng)功能為基礎(chǔ)，同時避免資源浪費(fèi)和控制研發(fā)成本。對于以開關(guān)量控制為主的工程，選用以A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送功能、加減算法的低檔機(jī)，無須考慮其控制速度。而在較復(fù)雜的控制程序中，一般有PID運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等，應(yīng)根據(jù)其控制過程所需可視化程度來選擇中高檔機(jī)。另外，在企業(yè)中PLC選型應(yīng)盡量統(tǒng)一，同機(jī)型的PLC模塊可互相備用，編程方法統(tǒng)一，配合上位計算機(jī)的應(yīng)用，便于相互通信，各獨(dú)立控制系統(tǒng)可聯(lián)成統(tǒng)一的多級分布式控制系統(tǒng)[9]。

1.3 PLC可靠性設(shè)計

PLC控制程序設(shè)計過程中，首要考慮的是可靠性。為預(yù)測預(yù)防系統(tǒng)中可能發(fā)生的故障，消除安全隱患，一般方法包括：降額設(shè)計、冗余設(shè)計、電磁兼容設(shè)計等。PLC程序開發(fā)時，利用PLC內(nèi)部的軟元件代替一部分元器件，屏蔽誤信號，在程序的關(guān)鍵部位采用冗余設(shè)計，都可以有效提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性。在PLC軟件設(shè)計的具體過程中，可采用輸入點(diǎn)濾波、輸出點(diǎn)備份、通信數(shù)據(jù)校核、停電記憶、工藝流程冗余等措施提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[10]。

1.4 PLC軟件設(shè)計方法

PLC軟件系統(tǒng)設(shè)計方法主要可分為圖解法、經(jīng)驗(yàn)法和計算機(jī)輔助設(shè)計等[11]。其中圖解法主要依靠梯形圖、邏輯流程圖等。梯形圖圖形與繼電器控制電路非常相近，此方法容易將控制電路與PLC語言關(guān)聯(lián)[12]；邏輯流程圖便于描繪PLC的執(zhí)行過程，明確反應(yīng)其中的輸入/輸出關(guān)系以及工藝流程，便于查找故障點(diǎn)和調(diào)試維護(hù)程序，幫助理清程序的脈絡(luò)。經(jīng)驗(yàn)法是運(yùn)用自己或別人的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計，選擇與本課題相近的程序進(jìn)行“試驗(yàn)”，需要大量積累與總結(jié)。計算機(jī)輔助設(shè)計主要是利用計算機(jī)或者移動終端上的PLC編程軟件進(jìn)行程序設(shè)計，同時運(yùn)用在線編程、在線調(diào)試和離線仿真等方法，輔助PLC軟件系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)[13]。

2 MCM?3D集成電路封裝工藝

根據(jù)集成電路MCM?3D封裝的技術(shù)性能要求，在已有技術(shù)基礎(chǔ)和工藝條件下，對MCM?3D封裝的引線框架設(shè)計、磨劃片工藝、裝片鍵合工藝、塑封和切筋分離系統(tǒng)等核心技術(shù)進(jìn)行研究，解決工藝優(yōu)化和各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)整合應(yīng)用，以獲得性能優(yōu)越的MCM?3D封裝集成電路[14]。其封裝工藝技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 集成電路MCM?3D封裝技術(shù)路線圖

具體分解為：

（1） 集成電路MCM?3D封裝框架設(shè)計包括7引腳、防塌絲、強(qiáng)結(jié)合力3個方面，并集合為MCM?3D封裝用特制框架。該框架從根本上消除了引腳間的電壓干擾，有效減少塑封過程中的沖絲，避免塑封體開裂。

（2） 集成電路MCM?3D封裝磨片工藝包括粗磨、細(xì)磨、濕蝕刻3道工序，將芯片背面減薄后獲得厚度小于200 μm的超薄芯片，磨片后的芯片翹曲度極小，鏡面效果理想。

（3） MCM?3D封裝劃片工藝包括超薄芯片定位無損劃片技術(shù)，配以防靜電技術(shù)和30 μm窄間距雙刀劃片工藝，降低在劃片過程中芯片有可能產(chǎn)生的靜電損傷及背崩。

（4） 芯片逐次上芯烘烤固化，鍵合絲反向拉弧，經(jīng)低弧度立體鍵合連接各芯片和引線框架，充分利用了塑封體內(nèi)的立體空間，解決了鍵合絲易短路的問題。因鍵合絲長度縮短，封裝體的內(nèi)阻更小，輸出電流和輸出功率更大，產(chǎn)品性能得到大幅提升。

（5） 塑封系統(tǒng)采用封裝模具智能定位結(jié)構(gòu)，通過光電傳感器、接近傳感器以及螺旋測試頭的感應(yīng)和數(shù)據(jù)讀取，配合PLC控制系統(tǒng)，確保框架不易移位，提高模具使用壽命。

（6） 切筋分離系統(tǒng)采用切筋模具智能定位結(jié)構(gòu)，在切筋模具下模架頂部設(shè)置光纖傳感器，配合PLC自動控制系統(tǒng)，確保器件定位擺放，實(shí)現(xiàn)切筋自動化，提高良品率。

（7） 測試環(huán)節(jié)包括：FT功能測試、URS能量測試、OS開短路測試、絕緣耐壓測試。

3 硬件設(shè)計

本文選用YH系列切筋壓力機(jī)，該機(jī)型可配置不同的入料出料接口，同時電氣由PLC智能控制，PLC擴(kuò)展性好，具有良好的人機(jī)界面，切筋刀具也可自由定制與更換，沖壓行程、速度、壓力均可調(diào)節(jié)。為了適應(yīng)自動切筋分離系統(tǒng)提高生產(chǎn)效率的需求，設(shè)計了便于定位擺放的半導(dǎo)體切筋模具。如圖3所示，在下模架頂部的右端設(shè)置光纖傳感器，通過光纖傳感器讀取芯片框架位置并輸出信號，經(jīng)放大傳輸至PLC自動控制系統(tǒng)并由LED報警反饋，確定集成電路產(chǎn)品的定位擺放。

圖3 便于定位擺放的切筋模具結(jié)構(gòu)示意圖

為適應(yīng)本文的自動切筋分離系統(tǒng)，分別設(shè)計了相匹配的切筋模具與切筋刀具，并為了提高生產(chǎn)效率和控制成本，對其進(jìn)行了以下改進(jìn)。切筋模具通過光纖輸出信號，保證集成電路芯片器件框架的定位擺放，從而減少因定位錯誤而引起的不良品的發(fā)生，同時也能起到安全保護(hù)的作用。采用自動推料裝置，利用開模時上模上升的時間間隔，通過換向氣缸帶動推送氣缸的推桿，將產(chǎn)品送入料管?？蓽p少手動推料環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)能，同時也確保切出高質(zhì)量產(chǎn)品，避免在手動推料時出現(xiàn)劃痕；實(shí)現(xiàn)自動化操作，節(jié)省人力的同時避免了一臺機(jī)器多人作業(yè)的不安全因素。傳統(tǒng)刀具單面切筋，壽命短報廢率高。采用的半導(dǎo)體切筋刀具橫截面成正方形，使得刀口的兩組對稱面均能用于切筋，可令使用壽命提高100%，而成本下降一半。

4 軟件設(shè)計

為適應(yīng)上述的自動切筋分離系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，選擇三菱Mtsubishi作為本課題的開發(fā)工具，其PLC可靠性高，調(diào)試簡易，便于維護(hù)；同時其I/O的響應(yīng)時間短。另外，目前在工控領(lǐng)域，三菱PLC因性能優(yōu)異且擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用[15]。自動切筋分離系統(tǒng)的智能定位結(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的不同，選擇合適的傳感器，參考學(xué)習(xí)三菱PLC編程手冊[16]，結(jié)合PLC定位電路和PLC反饋系統(tǒng)，集成光纖傳感器、LED報警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)切筋分離系統(tǒng)中模具及器件的μm級定位擺放。

切筋分離系統(tǒng)硬件包括定位銷和雙通道同芯光纖等定位裝置，以及切筋模具，切筋壓力機(jī)等生產(chǎn)裝置，由PLC自動控制程序配合傳感器進(jìn)行控制。系統(tǒng)流程見圖4。

圖4 切筋分離系統(tǒng)流程圖

第一步啟動生產(chǎn)設(shè)備，同時將未加工的集成電路芯片框架放入切筋模具中。安裝在切筋模具的光纖末端連接光纖放大器，當(dāng)光纖傳感器感應(yīng)到推料時，會產(chǎn)生感應(yīng)信號給放大器，然后光纖放大器產(chǎn)生的高低電平信號將直接輸出到電路控制盒，通過電路轉(zhuǎn)換成兩組同步信號，其中一組輸出到PLC的安全控制點(diǎn)，另一組輸出致LED，PLC定位簡易電路圖如圖5所示。

圖5 PLC定位簡易電路圖

若檢測到芯片框架正常擺放，PLC安全控制點(diǎn)輸出命令，控制切筋模具下降，因已安裝了有自動推料裝置，推料沖壓等實(shí)現(xiàn)自動化操作，切筋操作持續(xù)循環(huán)運(yùn)行。在切筋分離系統(tǒng)運(yùn)行的同時，PLC控制程序和光纖傳感器繼續(xù)工作。當(dāng)集成電路芯片的芯片框架在工作軌道中未能定位準(zhǔn)確時，光纖放大器將輸出高電平，高電平通過轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換電路的輸出部分將直接觸發(fā)PLC的安全控制點(diǎn)，使正在運(yùn)行的切筋模具停止正常開合，暫停正常工作；同時，轉(zhuǎn)換電路的另一路信號將輸出致LED指示燈，指示燈亮，提示操作人員此時芯片框架未能擺放正常到位。當(dāng)芯片框架被擺放到位后，PLC控制程序?qū)⒖刂魄薪罘蛛x系統(tǒng)繼續(xù)工作。

圖6為自動切筋分離系統(tǒng)中PLC控制程序的梯形圖。

圖6 切筋分離系統(tǒng)PLC梯形圖

5 結(jié) 語

本文與以往側(cè)重理論研究不同，根據(jù)MCM?3D集成電路封裝中對切筋工藝實(shí)際要求，設(shè)計并開發(fā)了基于PLC控制高速自動切筋分離系統(tǒng)，利用光纖傳感器和自動推料裝置等，實(shí)現(xiàn)高速、精準(zhǔn)、自動化切筋，提高集成電路封裝芯片品質(zhì)。系統(tǒng)沖切速度達(dá)到150沖次/min，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)人工推料切筋工藝速度；平均切筋誤差小于0.1 mm；工作噪音小于50 dB；人機(jī)交互界面簡潔友好，系統(tǒng)可靠性得到顯著提升，故障率低，降低了生產(chǎn)中的安全風(fēng)險。系統(tǒng)有效地解決了芯片封裝個工藝中切筋分離工藝瓶頸問題，大幅提高了芯片封裝工藝的整體效率，同時有力推動了IC芯片封裝產(chǎn)業(yè)的自動化進(jìn)程。系統(tǒng)性能目前處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，性價比高，具有廣闊的市場前景。

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