【摘 　 要】：1 引言 半導體制造技術(shù)接近突破摩爾定律的飛速發(fā)展，推動半導體產(chǎn)業(yè)分工在全球區(qū)域重新分配，半導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

半導體制造技術(shù)接近突破摩爾定律的飛速發(fā)展，推動半導體產(chǎn)業(yè)分工在全球區(qū)域重新分配，半導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)階段中國半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點。中國的半導體封裝測試行業(yè)充滿生機。

半導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、隔離保護和機械支撐等。封裝工藝實現(xiàn)半導體芯片的外界物理侵蝕隔離與電氣連接以及熱量擴散和產(chǎn)品包裝運輸，是半導體制造至關(guān)重要的工藝流程。封裝是半導體芯片與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。半導體芯片封裝主要基于以下四個目的。

（1）保護：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，再利用超細的金屬（金錫銅鋁）導線或者導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。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。

塑封之后還要進行一系列操作，封裝完成后進行成品測試，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 封裝機項目背景

基于歐姆龍NJ系列PLC運動控制系統(tǒng)的封裝機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實現(xiàn)。塑封設(shè)備通過伺服運動分別控制合模壓力和塑膠注射，如圖2所示。

合模注射封裝機結(jié)構(gòu)原理參見圖3所示。

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

（2）注塑電機通過八段速度進行八段位置控制，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系列機器自動化控制器，是運動控制、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動控制系列；涵括最多64軸的NJ5系列電子凸輪多軸運動控制系列。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器自動化控制。

3.4 基于NJ系統(tǒng)的封裝機架構(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；

（3）R88D-KN20F-ECT 歐姆龍伺服電機；

（4）R88M-K5K020C 歐姆龍AC伺服電機；

（5）R88M-K2K020C 歐姆龍AC伺服電機；

（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到110T。

（2）要求精度高：控制精度要達到0.1T，精度達到千分之一。

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

自動封裝機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性，磨具溫度導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)場伺服電機在實現(xiàn)壓力控制是容易產(chǎn)生過載（電機偏小），要達到目標壓力，伺服瞬間轉(zhuǎn)矩可能達到200%以上；

（5）現(xiàn)場采用力臂機構(gòu)傳動，導致負載非線性，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)行機構(gòu)帶積分部件的對象，如步進電機，伺服電機，加熱棒。位置式PID直接對對象輸出，適用于執(zhí)行機構(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，如果計算機出現(xiàn)故障，誤動作影響較小，而執(zhí)行機構(gòu)本身有記憶功能，可仍保持原位，不會嚴重影響系統(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），目標壓力和當前壓力通過PID計算得出MV，通過（運行速度* MV）作為速度，控制電機JOG，逼近目標壓力。當壓力越靠近，PID計算得到的MV越低，電機速度越慢，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)試達到控制要求。

5 注塑壓力軟極限解決方案

客戶設(shè)備運行過程中，要求注射伺服設(shè)置軟極限保護，但因為整臺設(shè)備有四臺壓機組成，機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的注射伺服軟極限可以通過觸摸屏或上位機修改。從而也保證了每臺機器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斍拔恢门袛?，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上限位置后再停止伺服，但伺服此時有速度，慣性導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PLC重新上電后，參數(shù)恢復成軸參數(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)進行一次寫操作。

5.4 使用固定修改軟極限

（1）開機延時，確保NJ啟動完成，因為NJ啟動時間較長：

（2）開機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）；整個過程中負載非線性，傳動軸大概在45°左右出現(xiàn)一個負載小高點，現(xiàn)場調(diào)試發(fā)現(xiàn)一般出現(xiàn)在40-50T時，電機實時轉(zhuǎn)矩有一個高點，之后又會降下來。機械非線性是有現(xiàn)場機械結(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，伺服電機跟隨虛軸運行。

根據(jù)圖4所示的裝備現(xiàn)場實測傳動數(shù)據(jù)，伺服電機和上臺面?zhèn)鲃臃蔷€性，通過數(shù)學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)編程對力學傳動非線性進行修正奠定基礎(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。負責對應(yīng)關(guān)系錯誤，可能導致設(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，虛軸最多只能保持斷電前的位置，導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)學建模方案

（1）方案：通過數(shù)學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換算成伺服電機目標位置Y，伺服電機準確定位到達位置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致Y<> Y’?，F(xiàn)場調(diào)試發(fā)現(xiàn)誤差最大達到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） ：

導出的凸輪表數(shù)據(jù)如下：如果當前臺面位置為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已經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試成功?，F(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200%，但由于時間控制未導致伺服過載。注塑壓力到達后采用抱閘保壓，合模壓力抱閘穩(wěn)定度達到工藝要求。機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。