在线等离子清洗设备控制系统设计

杨 静，苗 岱，刘 畅

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024)

等离子清洗工艺具有成本较低、容易使用、维护及保养费用低、环保等优点，可应用于芯片粘结工艺前、引线键合和覆晶封装工艺前的表面处理。随着国际上对等离子体清洗技术的深入研究及其越来越广泛的应用，等离子清洗设备的需求也成倍增长。然而，等离子清洗在我国尚处于起步阶段。中国电子科技集团公司第二研究所、北京七星华创电子股份有限公司微电子设备分公司等为数不多的几家研究院所近年来一直致力于等离子体清洗技术的研究，并取得了真空低压冷等离子体清洗设备的研制成功、常压空气辉光冷等离子体清洗技术的初步研究进展等一系列重要成果。目前国内集成电路生成线上如江阴长江电子，南通富士通公司等所使用的等离子清洗机基本上都是从国外进口，在发达国家的技术垄断下，设备价格比较高。

为此利用现有成熟的等离子体清洗工艺技术和设备制造基础，增加设备自动化功能，结合目前研制的常规等离子清洗设备，参考国外设备结构形式，采用适应于集成电路模块全自动清洗运行方式，制造适用于大规模生产的集成电路在线式清洗设备具有非常重要的意义。

图1 在线等离子清洗工艺流程图

1 在线等离子清洗工艺流程

以在线等离子清洗系统机械结构为基础，参照独立式等离子清洗工艺流程经验，制定在线等离子清洗工艺流程，如图1所示。

系统采用全自动运行方式，可与上下游生产工序连线，满足器件封装行业大规模生产要求，彻底去除污物尺寸小于1 μm的微残留颗粒和有机薄膜，大幅度改善表面性质，提高后续工序中如焊接、封装、粘结的可靠性，从而保证电子产品在恶劣环境状况下的高精度和高可靠性。

在线式等离子清洗设备作为一种精密干法清洗设备，可以有效去除污染物，改善材料表面性能，且具有自动化程度高，清洗效率高、设备洁净度高、适应范围广等优势。

2 研制过程中的难点和解决办法

在线等离子清洗设备是在成熟的等离子体清洗工艺技术和设备制造基础上，增加了上下料功能、物料传输功能等自动化功能，重点针对IC封装中引线框架上点胶装片、芯片键合及塑封等工艺前清洗。在大大提高粘接及键合强度等性能的同时，避免人为因素长时间接触引线框架而导致的二次污染以及腔体式批量清洗时间长有可能造成的芯片损伤。

研制中主要难点是如何实现将独立式的等离子清洗设备连入生产线实现在线式的清洗方式，所以物料传输系统的设计和控制是重点。为满足本系统采用分批次直接清洗物料的需求，需要设计一套全自动传输系统完成将物料从料盒移动到反应仓以及随后从反应仓返回料盒的搬运功能。解决方案：

方案A：系统按照物料的流通过程分为上料系统，物料传输系统及下料系统三部分，如图2所示。

通过推杆将单片物料从料盒移动到物料传输系统中，随后物料传输系统通过传送带将单张物料搬运到反应仓中进行清洗，清洗结束后采用相同的方式从反应仓右侧搬运到物料传输系统中，最后在下料系统的推杆配合下重新进入料盒中。

此方案基本满足了在线式等离子清洗系统自动搬运物料的设计要求，与常规等离子清洗系统相比，降低了人工搬运过成，提高了设备自动化水平。但是随之出现了以下问题：

图2 方案A系统图

（1）物料采用左进右出的流程，增加了设备整体尺寸，从而降低了洁净车间使用面积。

（2）单位时间内一批次的物料需要在上料位及下料位同时占用二批次料盒，增加了生产成本。为了解决以上问题，在设计过程中改换了思路，重新对上下料系统及物料传输系统进行设计，提出了第二套方案如图3。

方案B：修改了上下料及物料传输系统，将方案A中的上料系统及下料系统合二为一，并在物料传输系统中增加了竖直方向的运动，使得方案B与方案A相比缩小了近1/3的体积，并且解决了料盒增加的问题。经过反复评审最终系统采用方案B。上下料系统如图3所示。

系统中各个机构说明如下：

（1）上料台：主体为铝制板材，用来放置未清洗物料料盒，通过电机带动皮带将料盒移动到料盒夹中。

（2）下料台：同样采用铝板搭构，用来放置清洗后物料料盒，通过电机带动皮带将料盒从料盒夹中取出。

图3 上下料系统结构图

（3）过度桥：铝型材为支撑柱，在铝板上安装陶瓷轨道，轨道数量可根据客户需求调整，物料通过此桥往返于料盒与里外托盘之间。

（4）料盒夹：主体为无杆气缸，通过气缸伸缩动作实现夹紧及释放料盒功能。

（5）料盒垂直移动机构：由电机及丝杠组成，被料盒夹夹住的料盒通过此机构实现垂直与地面的竖直方向运动，使料盒中每层物料都可被推杆机构推出。

（6）料盒：生产线中物料（引线框架或PCB板）承载篮具，料盒竖直方向分为16～40层，每层水平放置一张料片。

（7）推杆机构：由电机、丝杠及推杆组成，当料盒中料片与过度桥上轨道对齐后，推杆通过沿水平方向左右往返运动将料片推到过度桥轨道上。

（8）料盒水平移动机构：由电机及丝杠组成，被料盒夹夹住的料盒通过此机构实现垂直与推杆运动方向的前后运动，使料盒中物料水平分布到过度桥的轨道上。

上述8个部件实现了系统中料盒上下搬运以及料盒中物料取放的全自动工艺。物料传输系统如图4所示。

系统中各个机构说明如下：

（1）外托盘水平移动机构：由电机及直线定位系统组成，带动托盘在过度桥与反应仓之间进行往复运动。

（2）外托盘垂直移动机构：由气缸及导轨组成，气缸带动外托盘在导轨辅助下沿竖直方向移动，实现反应仓开关功能。

（3）外托盘：由铝板加工而成，铝板上设计有可调整轨道。托盘实现物料承载及反应仓门功能。

（4）里托盘：与外托盘功能机构相同。

（5）物料夹移动机构：由电机及丝杠组成，物料夹通过此机构实现水平面内x和y方向运动，使托盘中每个轨道上都放置一张物料。

（6）物料夹：重要部件为气缸，通过气缸开始实现物料的夹取及放松功能。

（7）里托盘垂直移动机构：由气缸及导轨组成，气缸带动托盘在导轨辅助下沿竖直方向移动，实现反应仓开关功能。

（8）里托盘水平移动机构：由电机及直线定位系统组成，带动托盘在过度桥与反应仓之间进行往复运动。

上述8个部件实现了系统料盒中物料在料盒与反应仓之间的全自动搬运工艺。

3 设备简介

主要包括上下料系统、物料传输系统、等离子清洗系统、视觉监控系统、托盘移动机构、传送机构、物料夹取机构、推杆机构、传感器检测系统、控制面板、操作台面和设备框架如图5所示。

图4 物料传输系统结构图

4 电气系统设计

在线等离子清洗设备的电气系统构成如图6所示，包括可编程逻辑控制器（PLC）、运动控制系统、等离子清洗系统、气动控制系统、信号采集、工控机及人机界面等。硬件系统以PLC为控制核心实现全过程控制，包括所有输入输出信号的处理，各轴运动时序控制，等离子清洗工艺设定等相关功能。

图5 等离子清洗设备结构示意图

4.1 等离子放电控制系统

等离子放电控制系统中，PLC与微波电源的信号交换有两种类型：IO量和模拟量；IO信号类型中包含开关控制及INTERLOCK控制等，模拟量信号类型中包含微波功率的设置和读取及反射功率的读取等。如图7射频放电系统图所示，PLC所采集的功率和反射功率值显示在操作界面上，如果出现反射功率偏离设定值并达到设定时间时，将出现反射功率过大报警。

图7 射频放电系统图

4.2 PLC系统设计

该控制系统的核心部分是PLC。来自外部光电开关、气压、位置等传感器的反馈信号通过输入模块被读入PLC的软元件存储器中。PLC CPU按照事先编制好的顺控程序处理这些数据，然后给出各个部件的动作命令，这些命令通过输出模块，传送到电磁阀、指示灯、蜂鸣器等执行机构，执行机构接收到命令之后做出相应的动作，进而完成设备动作。上位机和PLC之间利用以太网通信模块互相通信：组态软件可以读取PLC软元件存储器中的数据，PLC的CPU与定位模块实现无缝链接，接收用户命令，实现伺服电机高精度的位置控制。

4.3 气动控制系统设计

气动控制系统如图8所示，主要由电磁阀及气缸组成，满足系统在运行过程中的低精度的往返式运动功能，以及对料盒及物料进行的抓取动作。当PLC根据软件程序向电磁阀发出控制信号后，电磁阀将电信号转化为气体通断信号，从而控制气缸实现相应的动作。气路图如下，主要包括减压阀、电磁阀、气缸、接头及气管。

4.4 伺服定位系统

伺服定位系统在可编程逻辑控制器的控制之下完成料盒在设备中的搬运和传输以及料片在料盒及反应舱之间的搬运，自动运行方式，可与上下游生产工序连线，满足器件封装行业大规模生产要求。

本设备中共有八个运动机构采用伺服电机实现其运动功能，分别为：

（1）推杆机构：功能为沿水平将物料从料盒中推出，方便物料夹进行物料夹取。伺服电机通过丝杠带动推杆进行往复运动。

（2）里/外托盘水平移动机构、料盒夹水平移动机构以及物料夹移动机构：此四种结构都采用伺服电机与丝杠组合而成，其中里/外托盘水平移动机构与料盒夹水平移动机构为单轴系统，只有物料夹移动机构是由两套伺服电机及丝杠组合的两轴系统。

（3）料盒垂直移动机构和反应仓闭合机构：此两种结构同样采用伺服电机配备丝杠的机械结构，其基本结构与组系统类似，选型基本相同。唯一不同点在于，伺服电机选型时要要选择带制动机构的型号。制动机构防止电机停止时，负载在垂直方向因重力导致自由滑落。

5 结束语

图8 气动控制系统图

在线等离子清洗设备是在利用了现有成熟的等离子体清洗工艺技术和设备制造基础，增加设备自动化功能，自主设计、开发的设备。该设备采用适应于引线框架全自动清洗运行方式，适用于大规模生产的在线式引线框架清洗设备，解决了集成电路制造过程中设备人力成本高、生产效率低等技术难题。目前该设备已在多家集成电路制造企业投入使用，给客户带来了很好的经济效益，得到了客户的一致好评。

此外在半导体、液晶、微系统加工、太阳能等行业都需要对各种原材料及元件进行等离子处理，在线式等离子清洗系统的设计可以推广到以上各行业中。同时可依托对清洗物料的传输方式以及等离子清洗、刻蚀或表面处理系统进一步研究，采用本系统的设计思路，通过对相应结构及控制系统设计的修改，将整个系统推广应用。

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