【摘 　 要】：1 引言 半導(dǎo)體制造技術(shù)接近突破摩爾定律的飛速發(fā)展，推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分工在全球區(qū)域重新分配，半導(dǎo)體芯片封裝測試流程業(yè)務(wù)外包已成為國際IC 大廠的必然選擇。

1 引言

半導(dǎo)體制造技術(shù)接近突破摩爾定律的飛速發(fā)展，推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分工在全球區(qū)域重新分配，半導(dǎo)體芯片封裝測試流程業(yè)務(wù)外包已成為國際IC 大廠的必然選擇。根據(jù)中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會初步統(tǒng)計，2010年中國集成電路封裝測試行業(yè)銷售額為632億元。技術(shù)壁壘和資金壁壘決定了封裝測試行業(yè)，是現(xiàn)階段中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點。中國的半導(dǎo)體封裝測試行業(yè)充滿生機(jī)。

半導(dǎo)體芯片封裝工藝最重要的工序之一是后道工藝過程段的芯片塑封。塑封封裝工藝裝備自動化，是本文研討的核心內(nèi)容。

2 芯片封裝概要

2.1 封裝目的

封裝（Packaging）是半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)過程的最后一道工序，是將集成電路用絕緣的材料打包的技術(shù)。封裝工藝主要有以下功能：功率分配（電源分配）、信號分配、散熱通道、隔離保護(hù)和機(jī)械支撐等。封裝工藝實現(xiàn)半導(dǎo)體芯片的外界物理侵蝕隔離與電氣連接以及熱量擴(kuò)散和產(chǎn)品包裝運(yùn)輸，是半導(dǎo)體制造至關(guān)重要的工藝流程。封裝是半導(dǎo)體芯片與PCB電路板的鏈接橋梁，封裝技術(shù)的好壞還直接影響到芯片自身的性能和PCB的設(shè)計與制造。半導(dǎo)體芯片封裝主要基于以下四個目的。

（1）保護(hù)：裸露的芯片容易損壞。

（2）支撐：固定芯片便于安裝 。

（3）連接：通過金絲外部電路聯(lián)系 。

（4）可靠性：封裝材料和工藝決定芯片的壽命。

2.2 封裝流程

半導(dǎo)體封裝是指將通過測試的晶圓按照產(chǎn)品型號及功能需求加工得到獨立芯片的過程。封裝分為前后2段工藝流程實現(xiàn)。

（1） 前道封裝生產(chǎn)工序。來自晶圓前道工藝的晶圓通過劃片工藝后被切割為小的晶片（Die），然后將切割好的晶片用膠水貼裝到相應(yīng)的基板（引線框架）架的小島上，再利用超細(xì)的金屬（金錫銅鋁）導(dǎo)線或者導(dǎo)電性樹脂將晶片的接合焊盤（Bond Pad）連接到基板的相應(yīng)引腳（Lead），并構(gòu)成所要求的電路。前道封裝生產(chǎn)工藝物理架構(gòu)如圖1所示。

（2） 后道封裝生產(chǎn)工序。在完成前道封裝工藝之后，對獨立的晶片用熱熔型塑膠外殼加以封裝保護(hù)。常見的雙列直插（DIP）芯片后道塑封封裝工序物理架構(gòu)如圖1所示。

塑封之后還要進(jìn)行一系列操作，封裝完成后進(jìn)行成品測試，通常經(jīng)過入檢Incoming、測試Test和包裝Packing等工序，最后入庫出貨。

3 項目分析

3.1 封裝機(jī)項目背景

基于歐姆龍NJ系列PLC運(yùn)動控制系統(tǒng)的封裝機(jī)項目為某裝備制造商客戶研發(fā)。受困于此前的裝備自動化第三方供應(yīng)商合作問題，本項目屬于該裝備后期核心技術(shù)攻關(guān)研發(fā)階段。

3.2 注塑封裝工藝

熱熔型塑封是實現(xiàn)塑封芯片封裝最重要的工序環(huán)節(jié)。塑封工序由芯片封裝合模注射機(jī)實現(xiàn)。塑封設(shè)備通過伺服運(yùn)動分別控制合模壓力和塑膠注射，如圖2所示。

合模注射封裝機(jī)結(jié)構(gòu)原理參見圖3所示。

（1）合模電機(jī)帶動下模具向上移動，與上模具產(chǎn)生壓力，到達(dá)設(shè)定壓力后，保持此壓力。

（2）注塑電機(jī)通過八段速度進(jìn)行八段位置控制，之后轉(zhuǎn)換成壓力控制，保持此壓力直到樹脂固化時間到。

（3）注射完成后多段速度開模并頂出工件等待取料。

3.3 NJ控制器概要

歐姆龍NJ系列機(jī)器自動化控制器，是運(yùn)動控制、邏輯控制、視覺控制三位一體Sysmac自動化平臺的核心控制器。Sysmac自動化平臺于2011年推出。歐姆龍NJ控制器家族涵括4-8軸的NJ3系列電子凸輪多軸運(yùn)動控制系列；涵括最多64軸的NJ5系列電子凸輪多軸運(yùn)動控制系列。歐姆龍NJ控制器簡約概括：一個Sysmac NJ控制器。外加一個Sysmac Studio軟件平臺，等于歐姆龍自動化全面高性能機(jī)器自動化控制。

3.4 基于NJ系統(tǒng)的封裝機(jī)架構(gòu)配置

（1）NJ501-1500 歐姆龍多功能一體化高性能控制系統(tǒng)；

（2）R88D-KN50F-ECT 歐姆龍伺服電機(jī)；

（3）R88D-KN20F-ECT 歐姆龍伺服電機(jī)；

（4）R88M-K5K020C 歐姆龍AC伺服電機(jī)；

（5）R88M-K2K020C 歐姆龍AC伺服電機(jī)；

（6）NS15 歐姆龍HMI。

4 合模壓力解決方案

4.1 技術(shù)挑戰(zhàn)

熱熔型合模注射封裝機(jī)整個設(shè)備控制關(guān)鍵點在于合模壓力控制。合模壓力控制難點在于：

（1）控制壓力高：最高控制壓力需要達(dá)到110T。

（2）要求精度高：控制精度要達(dá)到0.1T，精度達(dá)到千分之一。

（3）控制速度快：整個合模過程要求在2.5秒，壓力控制必須在2秒內(nèi)完成。[!--empirenews.page--]

（4）負(fù)載變化：下模具和傳動機(jī)構(gòu)上百公斤，傳動機(jī)構(gòu)和立柱的潤滑性能導(dǎo)致負(fù)載變化，潤滑好的情況下負(fù)載低，潤滑不好負(fù)載加大。

自動封裝機(jī)由伺服帶動力臂傳動下模上升，與固定的上模具產(chǎn)生壓力。為了達(dá)到精確的壓力控制，分析有三種備選解決方案：1.位置控制；2.轉(zhuǎn)矩控制；3.增量式PID控制伺服逼近壓力。

4.2位置控制

因為上模具固定，設(shè)想伺服電機(jī)上升的固定的位置會產(chǎn)生相同壓力，把壓力控制轉(zhuǎn)換為伺服的絕對位置控制。但是模具安裝的隨機(jī)性，磨具溫度導(dǎo)致模具膨脹的不確定性，生產(chǎn)中磨具磨損，原點位置偏移等諸多因素影響，在相同位置產(chǎn)生的壓力有很大的偏差。

4.3轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制是實現(xiàn)壓力控制常用的方法，效果顯著。但轉(zhuǎn)矩控制弊端在本案中有以下幾點困難：

（1）轉(zhuǎn)矩控制重復(fù)精度不高±2%，相同轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生不同壓力；

（2）現(xiàn)場設(shè)備潤滑性能改變，導(dǎo)致相同轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生不同壓力；

（3）如果使用PID控制轉(zhuǎn)矩，需要位置型PID，需要自己編寫（NJ控制器內(nèi)自帶的PID是增量型的）

（4）即使自己編寫了位置型PID，現(xiàn)場伺服電機(jī)在實現(xiàn)壓力控制是容易產(chǎn)生過載（電機(jī)偏?。_(dá)到目標(biāo)壓力，伺服瞬間轉(zhuǎn)矩可能達(dá)到200%以上；

（5）現(xiàn)場采用力臂機(jī)構(gòu)傳動，導(dǎo)致負(fù)載非線性，在40-50T左右會出現(xiàn)一個較大轉(zhuǎn)矩，之后又會降下來。

綜上所述，轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)壓力控制存在難度。

4.3增量PID控制

數(shù)字式PID閉環(huán)控制算法分為位置式PID與增量式PID 兩類。增量式PID的輸出的是控制增量，并無積分作用，因此該方式適用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶積分部件的對象，如步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)，加熱棒。位置式PID直接對對象輸出，適用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)不帶積分部件的對象，如電液伺服閥。由于增量式PID輸出的是控制量增量，如果計算機(jī)出現(xiàn)故障，誤動作影響較小，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有記憶功能，可仍保持原位，不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作，而位置式PID的輸出直接對應(yīng)對象的輸出，因此對系統(tǒng)影響較大。

本案通過NJ控制器PID指令（增量式），目標(biāo)壓力和當(dāng)前壓力通過PID計算得出MV，通過（運(yùn)行速度* MV）作為速度，控制電機(jī)JOG，逼近目標(biāo)壓力。當(dāng)壓力越靠近，PID計算得到的MV越低，電機(jī)速度越慢，有效的防止超調(diào)的產(chǎn)生。

NJ控制器增量式PID控制算法（指令）經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試達(dá)到控制要求。

5 注塑壓力軟極限解決方案

客戶設(shè)備運(yùn)行過程中，要求注射伺服設(shè)置軟極限保護(hù)，但因為整臺設(shè)備有四臺壓機(jī)組成，機(jī)械安裝的不確定性和最終客戶的要求不定，所以客戶希望每臺壓機(jī)的注射伺服軟極限可以通過觸摸屏或上位機(jī)修改。從而也保證了每臺機(jī)器PLC程序沒有變動。

5.1 軸參數(shù)控制局限

NJ伺服軟極限是通過軸參數(shù)中啟用和設(shè)置，步驟如下：

（1）雙擊需要設(shè)定的軸參數(shù)設(shè)定：

（2）啟用軟極限功能，默認(rèn)設(shè)置時Disabled：

（3）設(shè)定軟極限位置。如下圖軟極限上極限設(shè)置為1000mm，軟極限下極限設(shè)置為-1000mm：

這樣設(shè)置的軟極限固定無法修改，無法滿足客戶工藝要求。

5.2 使用程序設(shè)定軟極限

使用程序設(shè)定軟極限，把NJ自帶的軟極限功能關(guān)閉，通過程序?qū)λ欧?dāng)前位置判斷，如果超過設(shè)定的值就通過MC_Stop或MC_ImmediateStop指令停止伺服：

但是現(xiàn)場調(diào)試發(fā)現(xiàn)伺服停下來的位置總比設(shè)定值多一點點，客戶無法接受。分析原因是由于使用程序比較到達(dá)上限位置后再停止伺服，但伺服此時有速度，慣性導(dǎo)致伺服不能立即停止，繼續(xù)往前多走一點點距離。

5.3使用MC_Write臨時修改伺服軟極限

使用MC_Write臨時修改伺服軟極限。設(shè)定要寫入的參數(shù)和寫入的地址，執(zhí)行MC_Write即可以完成修改伺服的部分參數(shù)：

但是這種方式只能臨時修改參數(shù)，當(dāng)PLC重新上電后，參數(shù)恢復(fù)成軸參數(shù)中設(shè)定的值。所以要想辦法在PLC上電時對所以要修改的參數(shù)進(jìn)行一次寫操作。

5.4 使用固定修改軟極限

（1）開機(jī)延時，確保NJ啟動完成，因為NJ啟動時間較長：

（2）開機(jī)完成后啟動第一個寫入程序（寫入步號=1）。然后100ms后啟動下一個步號：

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（3）當(dāng)所有的步號都寫完了把步號置為0，停止參數(shù)寫入：

5.5 運(yùn)行中修改參數(shù)的寫入實現(xiàn)

dPress[0].Prm.Xfr.PosManMax為觸摸屏設(shè)定值，dPress[0].Loc.Xfr.PosManMax為上一個PLC掃描周期時設(shè)定值。當(dāng)本次PLC掃描周期和上次PLC掃描周期的值不同時啟動一次寫入，具體程序如下：

（1）比較本周期和上周期設(shè)定值是否相同，不同則啟動寫入步號：

（2）寫入?yún)?shù)和寫入地址的設(shè)置，執(zhí)行寫入程序：

（3）把最新的值寫入臨時地址，保存這周期的設(shè)定值以于下一周期的值比較：

5.6方案評估

程序設(shè)定軟極限方案因為伺服停的位置和設(shè)定值有偏差，客戶沒有采納，最終使用MC_Write臨時修改伺服軟極限，較好滿足用戶要求。

6 線性化伺服控制

本案樣機(jī)采用力臂結(jié)構(gòu)傳動，伺服通過同步帶再通過絲桿驅(qū)動臺面，臺面通過力臂關(guān)節(jié)驅(qū)動下模具。這樣導(dǎo)致：伺服轉(zhuǎn)一圈下模具移動距離非線性（模具越低，伺服轉(zhuǎn)一圈模具上升距離越大）；整個過程中負(fù)載非線性，傳動軸大概在45°左右出現(xiàn)一個負(fù)載小高點，現(xiàn)場調(diào)試發(fā)現(xiàn)一般出現(xiàn)在40-50T時，電機(jī)實時轉(zhuǎn)矩有一個高點，之后又會降下來。機(jī)械非線性是有現(xiàn)場機(jī)械結(jié)構(gòu)決定，轉(zhuǎn)矩非線性現(xiàn)階段無法解決，除非改變機(jī)械結(jié)構(gòu)。傳動非線性設(shè)想可以通過電子凸輪功能得以糾正，可以設(shè)置一個虛軸建立一個凸輪表，直接控制虛軸，伺服電機(jī)跟隨虛軸運(yùn)行。

根據(jù)圖4所示的裝備現(xiàn)場實測傳動數(shù)據(jù)，伺服電機(jī)和上臺面?zhèn)鲃臃蔷€性，通過數(shù)學(xué)建模軟件采點擬合曲線得到多階方程，為實現(xiàn)用戶要求的通過控制系統(tǒng)編程對力學(xué)傳動非線性進(jìn)行修正奠定基礎(chǔ)。

6.1 電子凸輪方案

（1）方案：采用NJ電子凸輪功能，定義一個虛軸作為主軸，現(xiàn)場測量得到虛軸（臺面真實位置）和實軸（伺服電機(jī)位置）之間關(guān)系制成凸輪表。實軸通過凸輪表關(guān)系跟隨虛軸動作。PLC只控制虛軸運(yùn)動，而實際的伺服軸是實時跟隨虛軸動作。PLC實際控制的是虛軸（臺面位置），達(dá)到現(xiàn)場設(shè)備非線性的修正。

（2）分析：首先需要找到對應(yīng)點，比如伺服軸在0的位置，虛軸也要在對應(yīng)的0位置才能開始。啟動MC_CamIN。負(fù)責(zé)對應(yīng)關(guān)系錯誤，可能導(dǎo)致設(shè)備撞車?？梢酝ㄟ^伺服軸原點搜索完成在啟動MC_CamIN此時虛軸實軸都在0位置。

由于客戶不想每次開機(jī)都搜索原點，所以選擇絕對型伺服，上電后不允許有搜索原點的過程。即不可能每次上電都重新做一次實軸和虛軸之間的對應(yīng)重置（無法消除累計誤差）。實軸采用絕對性編碼器可以實時反映實軸實際位置，但虛軸的位置無法在斷電階段實時根據(jù)臺面位置變化而變化，這樣如果在斷電過程中實軸（臺面）產(chǎn)生了相對移動，虛軸最多只能保持?jǐn)嚯娗暗奈恢茫瑢?dǎo)致虛軸和實軸的對應(yīng)關(guān)系錯誤（實軸位置正確，虛軸位置錯誤），長時間這種誤差會累計疊加，最終產(chǎn)生很大的偏差。

6.2 數(shù)學(xué)建模方案

（1）方案：通過數(shù)學(xué)建模得出伺服位置和臺面位置之間的關(guān)系。正向求解較為麻煩需要準(zhǔn)確測量各個力臂長度和角度等關(guān)系。所以選擇測點反推公式的方法，現(xiàn)場測量伺服位置和臺面位置關(guān)系點上百個，通過數(shù)學(xué)建模軟件得到近似公式。根據(jù)實際精度要求和PLC計算能力選擇幾階方程，選擇四幾階方程得到的表達(dá)式為

實軸到虛軸的關(guān)系（公式1）

Y=5.83991*10-8*X4-2.89331*10-5*X3+1.13492*10-3*X2+1.3258*X-1.9369

虛軸到實軸的關(guān)系（公式2）

Y=7.16569*10-7*X4-1.95228*10-4*X3+0.0179*X2+0.21282*X+4.24585

（2）分析：伺服電機(jī)位置通過公式1換算成臺面位置顯示給客戶看，客戶設(shè)定值通過公式2轉(zhuǎn)換為伺服應(yīng)該走的目標(biāo)位置。通過這種方式存在誤差，1：公式是近似的，且存在常數(shù)項即X=0時Y<>0。2：通過兩次計算誤差疊加?？蛻粼O(shè)定位置X通過公式2換算成伺服電機(jī)目標(biāo)位置Y，伺服電機(jī)準(zhǔn)確定位到達(dá)位置Y，位置Y通過公式1換算成臺面位置Y’顯示給客戶，但是因為公式存在誤差導(dǎo)致Y<> Y’。現(xiàn)場調(diào)試發(fā)現(xiàn)誤差最大達(dá)到3-4mm。

6.3 凸輪查表方案

盡管電子凸輪應(yīng)用在這種場合存在局限，但是受到凸輪表生成曲線坐標(biāo)點的原理啟發(fā)，本案通過凸輪表生成精確的表格，然后通過查表方式實現(xiàn)位置修正。建立兩張互逆凸輪表，phase pitch為0.01（修正精度為0.01mm）。通過查表方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。 修正后值：= （Cam0[修正前值*100].Distance） ：

導(dǎo)出的凸輪表數(shù)據(jù)如下：如果當(dāng)前臺面位置為0.1根據(jù)上面公式可以得到伺服位置應(yīng)該為：0.0648 =（Cam0[0.1*100].Distance）即是凸輪表第十行主軸數(shù)據(jù)。以此類推很容易查到根據(jù)凸輪關(guān)系得到的轉(zhuǎn)換位置。[!--empirenews.page--]

7 結(jié)束語

基于歐姆龍NJ系列高性能多功能一體化控制器的半自動芯片封裝機(jī)已經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試成功。現(xiàn)場壓力控制順利實現(xiàn)。在壓力控制過程中，盡管轉(zhuǎn)矩瞬時超載高達(dá)200%，但由于時間控制未導(dǎo)致伺服過載。注塑壓力到達(dá)后采用抱閘保壓，合模壓力抱閘穩(wěn)定度達(dá)到工藝要求。機(jī)械傳動非線性通過凸輪查表方案實現(xiàn)高精度線性化伺服跟蹤定位，大幅度提升裝備易用性。