基于插卡式载具小型芯片自动喷砂清洗设备的研究

2023-10-18沈瑞芳

南方农机 2023年21期

沈瑞芳

（贵州职业技术学院，贵州贵阳 550023）

0 引言

小型芯片在封装过程中，一般都会使用助焊剂和锡膏辅料，保证芯片封装的可靠性。这些辅料在焊接过程中由于高温冷却或操作时，会形成辅料残留物，如果是人工操作还会留存人体的皮肤组织、汗液等污染物。无论是表面的残留物还是污染物，在空气中都会对芯片本体或者引脚产生腐蚀作用，从而对芯片造成不可逆的损伤，导致芯片性能受到极大的影响，甚至直接失效[1]。

一般情况下，小型芯片的主体和引脚的表面质量是影响芯片性能，特别是能耗的重要因素，而目前，小型芯片封装后的主体和引脚一般采用人工喷砂处理清洗，极大地制约了芯片清洗的效率，也不能保证芯片喷砂清洗的一致性[2]。基于此，本文针对现有技术的不足，开发了一种基于插卡式载具的小型芯片自动喷砂清洗设备，旨在提高芯片喷砂清洗的效率，保证芯片喷砂清洗后的产品一致性，同时，也提高了喷砂磨料的利用率，为喷砂清洗的自动化工艺降低了设备成本。

1 芯片喷砂清洗设备的工作原理

目前，芯片喷砂清洗一般采用人工作业的方式，也有采用非标自动化设备进行清洗的情况，但是目前的自动化设备一般需要人工进行多次干预，且不易达到良好的清洗效果[3]。此外，目前的自动化设备清洗效率也比较低，实用性不强。

而本文开发的自动清洗设备具有人工干预少、清洗效率高、清洗覆盖面广、节省清洗耗材等优点。首先，需要人工将待清洗的芯片安放在载具上并压紧，再将装有芯片的载具卡紧在同步带的卡槽上，启动芯片清洗设备，清洗设备启动搅拌电机使砂水混合均匀，再由抽水泵将混合均匀的砂水抽至喷嘴，皮带驱动机构开始带动载具水平移动，齿轮齿条机构带动喷嘴前后往复移动，最终形成平面十字交叉运动，实现对芯片的喷砂清洗。喷砂箱底部呈现内凹的弧面，并用导管将箱体底部与砂水混合箱连接，实现砂水的往复使用。具体工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程

工艺流程中需要注意以下几点：

1）操作人员需要穿戴特制的隔离手套或者工装，喷砂过程需避免皮肤与石英砂直接接触。

2）喷嘴不得对准芯片表面进行垂直喷砂，需要喷嘴与芯片上表面形成一个夹角，夹角范围在30°～60°之间，避免损伤芯片表面[4-5]。

3）喷砂过程需保护芯片引脚和芯片本体的侧面[6]，本设备中是利用压紧条的形状设计保护。

4）启动设备前需先检查设备的状态是否满足启动条件。

设备系统布局合理，总体协调，操作维护方便。机架底部装有脚轮及减振脚垫，所有金属零件表面光洁、平整，各个边棱倒角。设备电路、气路管线应尽量位于装配机下部，并进行整齐排布、固定位置，对于部分外露的电路、气路管线，应进行定位及隐蔽处理，保持装配机外观整齐有序、操作方便。

2 喷砂清洗设备的主体结构

设备整体尺寸约为1 300 mm×1 100 mm×1 530 mm（长×宽×高），包括砂水混合的搅拌箱和安装电控元件的控制柜，其中，喷砂箱的箱体开口中心距地面高度为1 m 左右，预估设备整机重量为100 kg。

2.1 喷砂清洗设备的主体结构

主体结构包括电控箱、砂水混合机构、机架、皮带驱动机构、喷砂箱、齿轮齿条机构、芯片载具等部分，如图2 所示。其中，电控箱由PLC 控制器等部分组成；砂水混合机构包括箱体、搅拌电机、抽水泵、回流管等部分，回流管与喷砂箱的底部联通，抽水泵将混合均匀的砂水混合物抽至齿轮齿条机构的喷嘴内；齿轮齿条机构包括齿轮电机、齿轮齿条、喷嘴等部分；芯片载具用于安装芯片并固定压紧。

图2 主体结构

2.2 功能实现

2.2.1 清洗箱体

设备工作一段时间以后，箱体内壁会附着一定的石英砂，需要定期清理，清理过程主要用水枪喷水清理，清理后的砂水混合物会流入搅拌箱内。

2.2.2 芯片装入

将芯片装入载板，排列整齐，用压紧条压紧后同载板一同放在皮带上的卡槽内，完成上料过程；每条载板上放入的芯片数量为64 颗左右（根据芯片尺寸决定），皮带上每50 mm 分布一个安装卡槽。

2.2.3 双皮带送料

芯片同载板放在皮带上的卡槽内以后，步进电机驱动皮带做水平运动，持续上料。

2.2.4 喷砂处理

芯片与载板在皮带带动下在箱体内移动，到达指定位置后，齿轮齿条机构驱动喷嘴左右滑动，实现摆动喷砂清洗。目前这类齿轮齿条机构分布有三排，以保证喷砂清洗充分，提高效率。

3 芯片尺寸

需要喷砂表面处理的芯片有两个型号[7]，针对两款芯片设计两套载板，两套载板外形尺寸保持一致，由于两种芯片外形尺寸不同，导致每套载板每次可放入的芯片数量也不同。芯片模型如图3 所示。

图3 芯片模型

4 功能组成

4.1 砂水混合机构

砂水混合机构包括箱体、搅拌电机、抽水泵、回流管等部分。搅拌电机安装在箱体上，电机输出轴上安装有搅拌叶片，其功能是将砂水进行均匀混合；抽水泵将混合均匀的砂水抽至喷嘴；回流导管用于连接箱体底部与砂水混合箱，保证连接过程不漏水。箱体的直径为600 mm，且箱体底部呈内凹形，便于清洗后的砂水混合物回流，箱体的容积约为120 L。砂水混合箱自带搅拌机，有外接接口连接喷嘴，还有补水用的入水口和通气口[8]。

4.2 同步带驱动机构

同步带电机驱动同步带轮转动，同步带轮上安装有同步带，同步带上有与同步带一体的卡槽，卡槽均匀分布在整条同步带上，将两条相同的同步带上的卡槽水平对齐安装，就可以将芯片载板安装在两根同步带上相对的卡槽内。

根据实际生产需求，在同步带上的卡槽内安装若干芯片载具，安装完成以后，设置同步带轮上的驱动电机转速，让载具在同步带轮上移动，实现芯片的自动送料过程。同步带驱动机构如图4所示。

图4 同步带驱动机构

4.3 齿轮齿条机构

齿轮齿条机构包括齿轮电机、齿轮齿条、喷嘴等部分。电机安装在喷砂箱的顶部，由电机驱动下端的齿轮运动，齿轮和L 形的板筋连接并安装在方形滑槽上的支持条上，L 形板筋上安装有若干个喷嘴，若干喷嘴通过分流器连接后与抽水泵的出水口连接，喷嘴的方形滑槽可以在前后两个支座槽内滑动[9]。

喷砂过程中，喷嘴不能在固定位置一直喷涂，需根据喷砂实际效果调整其喷砂的移动速度[10]。电机往复转动，驱动支持条往复运动，最终驱动安装在L形板筋上的若干喷嘴往复运动，由喷嘴内喷出的砂水混合物对芯片进行清洗。

齿轮齿条机构可以进行阵列排布，或者先镜像排布后进行阵列排布，实现多组多喷嘴的清洗效果。根据实验及实际生产的效果，设置电机正反转的速度及翻转切换的频率，保证喷头往复运动的速度和运动方向切换的频率。通过设置多组齿轮齿条机构，多组喷头的往复运动和皮带轮的转动，保证了喷砂的均匀度，从而实现了喷砂清洗后芯片表面的一致性。齿轮齿条机构如图5所示。

图5 齿轮齿条机构

4.4 芯片载板机构

芯片载板机构包括排列整齐的芯片、中空的芯片载板以及芯片载板两侧的卡口，如图6 所示。将芯片均匀地摆放在芯片载板上，然后用磁铁材质的压紧条压在芯片表面，再使用磁铁将压紧条两端与芯片载板吸合，从而将芯片压紧在载板上。由于芯片有多根引脚，引脚的形状与排列位置会影响芯片插装的效果，所以在对芯片表面进行喷砂去毛刺的过程中，需要将引脚保护起来。芯片一般安装在芯片载板上，芯片上表面需要清洗，裸露在外，而引脚则被压紧条盖住，能够被保护起来。

图6 芯片载板机构

5 控制系统

整套设备采用PLC 控制，控制逻辑为：操作人员启动设备开关—砂水混合装置上的搅拌电机开始运动—抽水泵将砂水混合物抽至喷嘴并由喷嘴喷出—皮带驱动机构在电机的带动下实现水平匀速进料—齿轮齿条机构在电机的带动下使喷嘴进行往复运动—清洗完成以后，操作人员停机。

在上述过程中，控制系统设置了急停系统、接近开关报警系统、喷头堵塞报警系统、电机失速反馈系统、砂水混合物水位报警系统等，保证了设备的正常运行。

1）急停系统。在出现危险情况，如设备漏电、设备撞机、线路起火等严重事故时，及时按压红色急停按钮，设备将立即断开电源和气源，保证事故不会扩大。

2）接近开关报警系统。本文研制的设备属于非标自动化设备，设备由专门的铝制门框和亚克力面板制成，如果设备在正常工作过程中由于不按规定操作非正常打开设备门框，设备的接近开关报警系统就会因为金属门框与接近传感器分离而开始工作，发出蜂鸣声提示，当设备门关闭后，蜂鸣声消失，按压启动键，设备能够立即开始正常工作。

3）喷头堵塞报警系统。由于设备是利用砂水混合物进行清洗，如果喷头堵塞了，不仅设备不能稳定运行，降低了芯片清洗的效率，还会导致抽水泵一直工作而无法将砂水混合物抽起，对抽水泵的寿命影响巨大。所以喷头堵塞报警系统能够保证在喷头堵塞后发出蜂鸣声，并使设备停机，在设备的操作面板上会显示故障原因为喷头堵塞，待工作人员解决该故障后，按压启动键，设备就能开始正常工作。

4）砂水混合物水位报警系统。设备要利用砂水混合物进行清洗，在设备长时间工作后，难以避免会有砂水混合物的外溢或流失。本文研制的设备在砂水混合箱中设置了水位传感器，当砂水流失比较严重，低于水位传感器所在的位置时，设备就会停机并报警，发出蜂鸣声，操作人员在按照比例补充砂水混合物使其达到一定水位后，故障解除，按压启动键，设备就能开始正常工作。