LD芯片贴片机顶针机构的改进

郝耀武，张泽义，侯一雪，杨凯骏，曹国斌，张 媛

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

GJJ-450全自动共晶贴片机是专用于TO型（晶体管外形）激光器件的全自动芯片封装设备。主要用于激光器芯片与TO管座之间的共晶焊接，是TO型激光器封装的核心设备。随着激光器件功率的不断提升，对自动化设备提出了更高精度、更快速度、适应性更强的要求[1]。顶针机构的稳定性决定了LD（半导体激光器）芯片从蓝膜盘能否顺利拾取而最终决定设备能否稳定可靠地生产。

1 现有顶针机构分析及问题描述

1.1 现有顶针机构分析

LD芯片的拾放由吸嘴、蓝膜运动平台、顶针机构共同完成，如图1所示。芯片矩阵式分布在蓝膜盘上，蓝膜盘安装在蓝膜运动平台上，蓝膜盘可沿x轴、y轴移动，待完成当前芯片的拾取后，蓝膜运动平台快速移动使下一颗芯片迅速位于顶针上方，准备下一次的拾取。顶针机构位于蓝膜下方，针筒上部接触蓝膜，针筒内部安装1个固定顶针。搬运吸嘴在蓝膜上方完成芯片的拾取和搬运。

图1 原顶针机构示意图

1.2 现有结构存在的问题

在芯片拾取完成瞬间，蓝膜由于自身张力恢复至顶针上方。在芯片拾取过程中，针筒与负压接通，由于蓝膜的上下压差使蓝膜变形，如图2（a）所示，顶针刺穿蓝膜，使芯片与蓝膜分离。分离后，针筒与大气压接通，蓝膜通过自身张力恢复，拾取工作完成，如图 2（b）所示。

图2 原顶针机构原理图

但是，同一客户现场经常同时使用多种不同材质的蓝膜盘，有些蓝膜材质较软或张力不够，蓝膜经常难以快速恢复至顶针上方，经过长期的客户现场试验，材质较软的蓝膜恢复时间长达2 s，导致单品时间无法提高，生产效率低。尤其当两种材质的蓝膜盘更换时，很容易出现蓝膜未及时回位而蓝膜盘移动造成顶针损坏的现象。同时这种结构主要通过蓝膜的上下压差来实现蓝膜的变形，尤其对于材质较软的蓝膜盘，针筒内负压调整难度较大，维护十分不便。

使用材质较软的蓝膜盘，势必造成单品时间增加，生产效率变低，而且很容易造成顶针的损毁，增加设备维护时间，有效生产时间变短。只有改进顶针机构，进而提高设备对不同蓝膜的适应能力以及稳定性，为客户创造更大利润。

2 新型顶针机构的设计

原顶针机构针筒和顶针都固定不动，通过蓝膜自身张力使蓝膜复位到顶针上方，可靠性较差，并且这种方式无法对蓝膜变形量进行精确控制。如果使针筒或顶针具有沿针尖方向的移动能力，可以解决蓝膜不能及时回位的问题，同时通过电机驱动，可以使顶针机构的调试更加可控、便捷。

2.1 两种新型顶针结构分析

顶针移动型顶针机构原理如图3（b）所示，在芯片拾取过程中，针筒上表面与蓝膜接触固定不动，拾取吸嘴沿z向接触芯片后暂时静止，通过凸轮带动顶针向上移动，扎破蓝膜同时顶起芯片，吸嘴上抬完成芯片的拾取。此种结构在向上顶起芯片的过程中，由于芯片与吸嘴对芯片的相互作用力，极容易造成芯片的破损[2]，客户较难接受。

图3 两种新结构吸附原理对比

针筒移动型顶针机构原理如图3（a）所示，在芯片拾取过程中，顶针固定不动，针筒上表面与蓝膜接触，首先拾取吸嘴沿z向接触芯片后暂时静止并开启吸附，通过凸轮带动针筒拖拽蓝膜向下移动，顶针扎破蓝膜同时芯片与蓝膜分离，吸嘴上抬完成芯片的拾取。相比于顶针移动型结构，此种结构可以避免对芯片的共同挤压，有效保护芯片，使客户利益最大化，同时减轻调机人员的工作强度。

2.2 改进后结构介绍

图4 新顶针机构模型

图4是新型顶针机构模型图，当开始生产时，通过气缸推动，顶针筒与顶针组成的机构同时上升至蓝膜盘的下表面，等待芯片拾取。当开始拾取时，针筒内负压开启，顶针筒上环形分布的开孔产生的真空吸附力将芯片周围一定面积的蓝膜固定，然后电机驱动凸轮旋转，凸轮带动针筒向下移动，顶针扎破蓝膜实现芯片与蓝膜的剥离。

该结构的优点是：通过电机带动凸轮移动，顶针可以非常迅速的在蓝膜平台移动之前移动至蓝膜下方，杜绝由于顶针未及时回位同时蓝膜移动造成的顶针破损的风险。并且经过对凸轮轨迹的优化设计[3]，实现针筒移动距离的精确控制，进而实现蓝膜变形量的可控，顶针机构的调整更加容易，调试时间大大缩短。

3 改进后效果

更换新型顶针机构后，在客户现场进行了实验对比，并进行数据统计。对两台工况接近分别采用新旧顶针机构的设备进行12 h数据记录，两台设备由同一熟练操作人员操作，采用相同物料，蓝膜盘采用同一卷蓝膜由同一人员制作。进行12 h的连续运行，对比结果见表1。

表1 采用新旧顶针机构设备对比

采用原顶针机构的设备，在12 h内因吸附失败造成的报警3次，原因是虽然蓝膜盘由同一人员制作，但不同蓝膜盘的张力略有差异，造成了芯片拾取失败的结果。但是新型顶针机构改进后效果明显，经观察，在电机驱动下，每次蓝膜变形位置一致，与芯片分离迅速。

之后进行了更换蓝膜盘的对比实验。采用原顶针机构的设备，每次更换不同材质的蓝膜盘都需要调整针筒内负压使蓝膜变形一致，通过肉眼很难判断，需要反复调试，稍不注意就会损坏顶针，熟练的调试人员调试时间也长达5～10 min，大大减少了设备的有效工作时间。而新型顶针机构在更换蓝膜时，基本不需要做任何调整，就能立刻投入生产，兼容能力强。即使需要调整，只需调整凸轮旋转角度，使蓝膜变形程度微调即可顺利生产，调试时间不超过2 min，大大降低了调试人员的工作强度，提高了设备的效率。

4 结束语

从客户现场的对比验证试验以及后续的大批量生产验证可知，改进后的顶针机构对不同材质、不同张力的蓝膜适应性非常好，从根本上解决了原顶针机构在调试过程中调试维护难度大、顶针容易断裂等问题，极大地提升了设备稳定性与可靠性，为全自动共晶贴片机的大规模应用及市场占有率的提升提供了有力的技术支持，得到了客户的广泛好评。

[1] 张媛，侯一雪，曹国斌，等.共晶贴片机传送系统故障预示研究[J].机械工程与自动化，2017，(6)：45-47.

[2] 彭波.IC薄芯片拾取建模与控制研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

[3] 戴威.芯片剥离过程分析及其机构[D].武汉：华中科技大学，2011.