自动塑封系统压机结构分析

陈昌太，赵仁家，程 刚，汪 洋，卢剑伟

(1.铜陵富仕三佳机器有限公司，安徽，铜陵244000；2.江苏长电科技股份有限公司，江苏江阴214400；3.合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽 合肥230009)

近年来，随着电子产业的飞速发展，微电子封装作为集成电路(IC)制造业的一个环节，已发展成为一个重要的具有广大发展前景的封装产业。尤其对于微电子塑料封装，它具有成本低、工艺简单、易适合进行大规模的自动化生产的特点。虽然塑料封装属于非气密性封装，在耐热性、散热性、密封性上与气密性封装相比有所差距，但随着封装材料的逐渐改进和新的工艺技术和模具的不断开发，塑料封装的可靠性得到大大的提高。

自动塑封系统是集成电路高端自动化封装设备，主要用于中高档集成电路产品的后工序——封装的自动化塑封。系统集排片、上料、条带预热、装料、清模、冲流道和产品收集于一体，大大提高了工作效率和封装质量[1]。本文围绕着自动塑封系统核心部件压机结构的运动特性和力学特性进行分析研究，为微电子塑料封装压机的结构设计和制造提供一个合理的参考依据。

1 压机模型

目前江苏长电，华天科技，通富微电等国内封测企业在塑封工序上使用的设备主要以120 吨自动塑封系统为主，而TOWA，YAMADA，ASM 等半导体装备制造商正在研发或已经研发更高压力的自动塑封系统，我们以120 吨自动塑封系统压机结构为目标进行研究[2]，压机三维模型如图1所示。

图1 自动塑封系统压机三维模型

图2 压机运动模型

压机结构有两种，一种是通过液压操作，通常吨位较大，精度低，一台压机配多副塑封模具；另一种采用伺服电机控制系统，吨位小，精度高，每台压机配一副模具。压机的运动通常包括：合模、软合模确认、加压、快速注塑、慢速注塑、压力保持、树脂固化、开模、产品顶出、复位等阶段。

压机运动主要是通过伺服电机通过高扭矩同步带带动滚珠丝杠轴承座和升降座上下运动，升降座通过曲柄BD，连杆AB，BC 将带动活动台板的运动。该结构具有力的放大功能，但是过大的力的放大倍数不利于合模力精度的控制，而过小的力的放大倍数则会需求更大的电机，增加功耗，一般自动塑封压机力的放大倍数选择4.5～5 倍[3]。

2 压机结构分析

目前关于注塑机行业的压机结构研究较为深入，在内容上主要集中在对合模机构的结构、尺寸参数、质量的优化以及对合模力放大比、行程放大比、动模板强度有限元分析等的研究上，在方法上大多以传统的刚性多体动力学研究方法，对合模机构升降座和活动台板运动分析和弹性动力研究的并不多[4]。本文主要从运动特性和力学特性上对塑封压机进行性能分析。

图3 压机结构力学模型

2.1 压机结构运动特性

注塑机合模机构通常要求机构具有较高的运动速度和平稳变速以及大的力的放大能力，而塑封压机对合模机构运动速度的要求是：慢-快-慢，合适的力的放大能力。由于对活动台板运动分析直接关系到模具的开模行程，上下料机械手设计。开模行程设计尺寸约为165～180 mm，开模行程过大将增加升降座的行程，需要更大行程的滚珠丝杆，增大造成压机整体尺寸偏大，而开模行程过小将影响自动上下料机械手的运动设计。

根据图2模型建立活动台板行程方程：

升降座运动方程：

其中：Xad为AD 杆在水平方向的尺寸

以AB 杆转动的角度为变量——转动角度α，通过测高仪测量活动台板和上台板之间的距离对比计算公式（2）的转动角度与活动台板运动曲线数据见图4，通过计算方法得到公式（3）转动角度与升降座运动曲线如图5所示。

图4 转动角度与活动台板运动曲线

由上述结果分析得到：

（1）活动台板随着转动角度的的增加，小于30°，活动台板上升基本为线性增加，随着转动角度进一步的加大，活动台板运动曲线斜率逐渐减小，直至为0；升降座上升带动转动角度的变化，由于对比相同转角下，活动台板和升降座的位移变化，仍然以转动角度为水平坐标。升降座的变化趋势和活动台板相反，在转动角度超过50°之后的阶段，曲线斜率逐渐增大。

图5 转动角度与升降座运动曲线

（2）塑封压机机构合模压力的要求，初始阶段，未合模前要求曲线斜率大，电机转动一圈，活动台板有较大行程，而进入合模阶段，要求曲线斜率小，即电机转动一圈，活动台板上升行程较小，有利于合模压力的精确控制，一般要求合模压力与工艺要求相差±3 吨，4 个立柱的压力为±2 吨。

2.2 压机结构力学特性

根据120 吨自动塑封系统压机结构——双曲肘五铰链直排列合模结构进行简化得到图3所示力学模型[5，6]，并假设合模压力为2F，每个肘节式结构上负载为F，则有各杆的受力公式为：

CE 杆所受压力为

AC 杆所受压力为

BC 杆所受压力为

AB 杆所受压力为

BD 杆所受压力为

丝杠所受下压力为

以最大合模压力时的角度CAE 为变量，绘制公式（4）BD 杆和公式（5）滚珠丝杆轴向力的曲线，如图6所示。

由上述结果分析得到：

图6 120 吨压力下滚珠丝杆和连杆力学曲线

120 吨合模压力时，随着合模角度CAE 的增加，连杆BD 的受力呈现增大趋势，最大和最小值相差77 000 N，变化幅度达到15%。滚珠丝杆的轴向力则逐渐减小，最大和最小值相差51 000 N，变化幅度达到22%。

不同零件的结构设计和强度校核以及伺服电机扭矩的选择等，均与最大吨位合模角度密切相关，选择合适的合模角度显得至关重要，通常软合模（合模压力3～5 吨）时的角度选择为α=6°，最大压力（合模压力120 吨）时角度选择为α=2.5°，不超过3°。

3 结 论

（1）通过塑封压机结构运动特性的分析，对于塑封过程的工艺控制有着重要的参考意义；不同合模角度下，合模机构的零件受力有很大幅度的变化，对于其拓扑结构以及零件可靠性的设计起着一定的指导作用。

（2）面对快速发展的国内半导体行业，未来自动塑封系统压机结构的设计即将出现分化，其中一极将向更精密级的压机方向发展，合模力不增加，但是合模力更加均衡，注塑结构更加精密以适应高端产品的需求[7，8]，另一极为产量大的低端产品，要求压机更高的稳定性，更大的吨位。

[1]中国电子学会电子制造与封装技术分会.电子封装工艺设备[M].北京：化学工业出版社，2012.

[2]中国半导体行业协会封装分会，编审委员会.中国半导体封装测试产业调研报告(2013年度)[R].北京：《电子工业专用设备》编辑部，2014.

[3]严文贤.曲肘式合模机构最佳参数的确定方法[R].北京：北京化工学院塑机教研室.1979.15-26.

[4]陈学锋.塑料注射成型机双曲肘合模机构动力学研究[D].广州：华南理工大学.2007.

[5]高瑜.注塑机合模装置主要构件的有限元分析及优化设计[D].太原：太原理工大学.2006

[6]黄步明.注塑机合模装置存在的主要问题及解决方法[J].中国塑料.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.