自動塑封系統(tǒng)壓機(jī)結(jié)構(gòu)分析

陳昌太，趙仁家，程 剛，汪 洋，盧劍偉

(1.銅陵富仕三佳機(jī)器有限公司，安徽，銅陵244000；2.江蘇長電科技股份有限公司，江蘇江陰214400；3.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

近年來，隨著電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，微電子封裝作為集成電路(IC)制造業(yè)的一個(gè)環(huán)節(jié)，已發(fā)展成為一個(gè)重要的具有廣大發(fā)展前景的封裝產(chǎn)業(yè)。尤其對于微電子塑料封裝，它具有成本低、工藝簡單、易適合進(jìn)行大規(guī)模的自動化生產(chǎn)的特點(diǎn)。雖然塑料封裝屬于非氣密性封裝，在耐熱性、散熱性、密封性上與氣密性封裝相比有所差距，但隨著封裝材料的逐漸改進(jìn)和新的工藝技術(shù)和模具的不斷開發(fā)，塑料封裝的可靠性得到大大的提高。

自動塑封系統(tǒng)是集成電路高端自動化封裝設(shè)備，主要用于中高檔集成電路產(chǎn)品的后工序——封裝的自動化塑封。系統(tǒng)集排片、上料、條帶預(yù)熱、裝料、清模、沖流道和產(chǎn)品收集于一體，大大提高了工作效率和封裝質(zhì)量[1]。本文圍繞著自動塑封系統(tǒng)核心部件壓機(jī)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動特性和力學(xué)特性進(jìn)行分析研究，為微電子塑料封裝壓機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造提供一個(gè)合理的參考依據(jù)。

1 壓機(jī)模型

目前江蘇長電，華天科技，通富微電等國內(nèi)封測企業(yè)在塑封工序上使用的設(shè)備主要以120 噸自動塑封系統(tǒng)為主，而TOWA，YAMADA，ASM 等半導(dǎo)體裝備制造商正在研發(fā)或已經(jīng)研發(fā)更高壓力的自動塑封系統(tǒng)，我們以120 噸自動塑封系統(tǒng)壓機(jī)結(jié)構(gòu)為目標(biāo)進(jìn)行研究[2]，壓機(jī)三維模型如圖1所示。

圖1 自動塑封系統(tǒng)壓機(jī)三維模型

圖2 壓機(jī)運(yùn)動模型

壓機(jī)結(jié)構(gòu)有兩種，一種是通過液壓操作，通常噸位較大，精度低，一臺壓機(jī)配多副塑封模具；另一種采用伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，噸位小，精度高，每臺壓機(jī)配一副模具。壓機(jī)的運(yùn)動通常包括：合模、軟合模確認(rèn)、加壓、快速注塑、慢速注塑、壓力保持、樹脂固化、開模、產(chǎn)品頂出、復(fù)位等階段。

壓機(jī)運(yùn)動主要是通過伺服電機(jī)通過高扭矩同步帶帶動滾珠絲杠軸承座和升降座上下運(yùn)動，升降座通過曲柄BD，連桿AB，BC 將帶動活動臺板的運(yùn)動。該結(jié)構(gòu)具有力的放大功能，但是過大的力的放大倍數(shù)不利于合模力精度的控制，而過小的力的放大倍數(shù)則會需求更大的電機(jī)，增加功耗，一般自動塑封壓機(jī)力的放大倍數(shù)選擇4.5～5 倍[3]。

2 壓機(jī)結(jié)構(gòu)分析

目前關(guān)于注塑機(jī)行業(yè)的壓機(jī)結(jié)構(gòu)研究較為深入，在內(nèi)容上主要集中在對合模機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)、質(zhì)量的優(yōu)化以及對合模力放大比、行程放大比、動模板強(qiáng)度有限元分析等的研究上，在方法上大多以傳統(tǒng)的剛性多體動力學(xué)研究方法，對合模機(jī)構(gòu)升降座和活動臺板運(yùn)動分析和彈性動力研究的并不多[4]。本文主要從運(yùn)動特性和力學(xué)特性上對塑封壓機(jī)進(jìn)行性能分析。

圖3 壓機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

2.1 壓機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)動特性

注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)通常要求機(jī)構(gòu)具有較高的運(yùn)動速度和平穩(wěn)變速以及大的力的放大能力，而塑封壓機(jī)對合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度的要求是：慢-快-慢，合適的力的放大能力。由于對活動臺板運(yùn)動分析直接關(guān)系到模具的開模行程，上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)。開模行程設(shè)計(jì)尺寸約為165～180 mm，開模行程過大將增加升降座的行程，需要更大行程的滾珠絲桿，增大造成壓機(jī)整體尺寸偏大，而開模行程過小將影響自動上下料機(jī)械手的運(yùn)動設(shè)計(jì)。

根據(jù)圖2模型建立活動臺板行程方程：

升降座運(yùn)動方程：

其中：Xad為AD 桿在水平方向的尺寸

以AB 桿轉(zhuǎn)動的角度為變量——轉(zhuǎn)動角度α，通過測高儀測量活動臺板和上臺板之間的距離對比計(jì)算公式（2）的轉(zhuǎn)動角度與活動臺板運(yùn)動曲線數(shù)據(jù)見圖4，通過計(jì)算方法得到公式（3）轉(zhuǎn)動角度與升降座運(yùn)動曲線如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)動角度與活動臺板運(yùn)動曲線

由上述結(jié)果分析得到：

（1）活動臺板隨著轉(zhuǎn)動角度的的增加，小于30°，活動臺板上升基本為線性增加，隨著轉(zhuǎn)動角度進(jìn)一步的加大，活動臺板運(yùn)動曲線斜率逐漸減小，直至為0；升降座上升帶動轉(zhuǎn)動角度的變化，由于對比相同轉(zhuǎn)角下，活動臺板和升降座的位移變化，仍然以轉(zhuǎn)動角度為水平坐標(biāo)。升降座的變化趨勢和活動臺板相反，在轉(zhuǎn)動角度超過50°之后的階段，曲線斜率逐漸增大。

圖5 轉(zhuǎn)動角度與升降座運(yùn)動曲線

（2）塑封壓機(jī)機(jī)構(gòu)合模壓力的要求，初始階段，未合模前要求曲線斜率大，電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈，活動臺板有較大行程，而進(jìn)入合模階段，要求曲線斜率小，即電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈，活動臺板上升行程較小，有利于合模壓力的精確控制，一般要求合模壓力與工藝要求相差±3 噸，4 個(gè)立柱的壓力為±2 噸。

2.2 壓機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性

根據(jù)120 噸自動塑封系統(tǒng)壓機(jī)結(jié)構(gòu)——雙曲肘五鉸鏈直排列合模結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化得到圖3所示力學(xué)模型[5，6]，并假設(shè)合模壓力為2F，每個(gè)肘節(jié)式結(jié)構(gòu)上負(fù)載為F，則有各桿的受力公式為：

CE 桿所受壓力為

AC 桿所受壓力為

BC 桿所受壓力為

AB 桿所受壓力為

BD 桿所受壓力為

絲杠所受下壓力為

以最大合模壓力時(shí)的角度CAE 為變量，繪制公式（4）BD 桿和公式（5）滾珠絲桿軸向力的曲線，如圖6所示。

由上述結(jié)果分析得到：

圖6 120 噸壓力下滾珠絲桿和連桿力學(xué)曲線

120 噸合模壓力時(shí)，隨著合模角度CAE 的增加，連桿BD 的受力呈現(xiàn)增大趨勢，最大和最小值相差77 000 N，變化幅度達(dá)到15%。滾珠絲桿的軸向力則逐漸減小，最大和最小值相差51 000 N，變化幅度達(dá)到22%。

不同零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核以及伺服電機(jī)扭矩的選擇等，均與最大噸位合模角度密切相關(guān)，選擇合適的合模角度顯得至關(guān)重要，通常軟合模（合模壓力3～5 噸）時(shí)的角度選擇為α=6°，最大壓力（合模壓力120 噸）時(shí)角度選擇為α=2.5°，不超過3°。

3 結(jié) 論

（1）通過塑封壓機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)動特性的分析，對于塑封過程的工藝控制有著重要的參考意義；不同合模角度下，合模機(jī)構(gòu)的零件受力有很大幅度的變化，對于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及零件可靠性的設(shè)計(jì)起著一定的指導(dǎo)作用。

（2）面對快速發(fā)展的國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)，未來自動塑封系統(tǒng)壓機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)即將出現(xiàn)分化，其中一極將向更精密級的壓機(jī)方向發(fā)展，合模力不增加，但是合模力更加均衡，注塑結(jié)構(gòu)更加精密以適應(yīng)高端產(chǎn)品的需求[7，8]，另一極為產(chǎn)量大的低端產(chǎn)品，要求壓機(jī)更高的穩(wěn)定性，更大的噸位。

[1]中國電子學(xué)會電子制造與封裝技術(shù)分會.電子封裝工藝設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會封裝分會，編審委員會.中國半導(dǎo)體封裝測試產(chǎn)業(yè)調(diào)研報(bào)告(2013年度)[R].北京：《電子工業(yè)專用設(shè)備》編輯部，2014.

[3]嚴(yán)文賢.曲肘式合模機(jī)構(gòu)最佳參數(shù)的確定方法[R].北京：北京化工學(xué)院塑機(jī)教研室.1979.15-26.

[4]陳學(xué)鋒.塑料注射成型機(jī)雙曲肘合模機(jī)構(gòu)動力學(xué)研究[D].廣州：華南理工大學(xué).2007.

[5]高瑜.注塑機(jī)合模裝置主要構(gòu)件的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].太原：太原理工大學(xué).2006

[6]黃步明.注塑機(jī)合模裝置存在的主要問題及解決方法[J].中國塑料.2001(9)：76-80.

[7]Kleinebrahm M，et al.Precision injection moldings[J].Kunststoffe Plast Europe，1998，88(1)：41

[8]Havlicsek，Alleyne.A Nonlinear modeling of an injection molding machine Proceedings of the 1999 Conference[C].1999 electrohydraulic American Control.