在線等離子清洗設備控制系統設計

楊 靜，苗 岱，劉 暢

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024)

等離子清洗工藝具有成本較低、容易使用、維護及保養費用低、環保等優點，可應用于芯片粘結工藝前、引線鍵合和覆晶封裝工藝前的表面處理。隨著國際上對等離子體清洗技術的深入研究及其越來越廣泛的應用，等離子清洗設備的需求也成倍增長。然而，等離子清洗在我國尚處于起步階段。中國電子科技集團公司第二研究所、北京七星華創電子股份有限公司微電子設備分公司等為數不多的幾家研究院所近年來一直致力于等離子體清洗技術的研究，并取得了真空低壓冷等離子體清洗設備的研制成功、常壓空氣輝光冷等離子體清洗技術的初步研究進展等一系列重要成果。目前國內集成電路生成線上如江陰長江電子，南通富士通公司等所使用的等離子清洗機基本上都是從國外進口，在發達國家的技術壟斷下，設備價格比較高。

為此利用現有成熟的等離子體清洗工藝技術和設備制造基礎，增加設備自動化功能，結合目前研制的常規等離子清洗設備，參考國外設備結構形式，采用適應于集成電路模塊全自動清洗運行方式，制造適用于大規模生產的集成電路在線式清洗設備具有非常重要的意義。

圖1 在線等離子清洗工藝流程圖

1 在線等離子清洗工藝流程

以在線等離子清洗系統機械結構為基礎，參照獨立式等離子清洗工藝流程經驗，制定在線等離子清洗工藝流程，如圖1所示。

系統采用全自動運行方式，可與上下游生產工序連線，滿足器件封裝行業大規模生產要求，徹底去除污物尺寸小于1 μm的微殘留顆粒和有機薄膜，大幅度改善表面性質，提高后續工序中如焊接、封裝、粘結的可靠性，從而保證電子產品在惡劣環境狀況下的高精度和高可靠性。

在線式等離子清洗設備作為一種精密干法清洗設備，可以有效去除污染物，改善材料表面性能，且具有自動化程度高，清洗效率高、設備潔凈度高、適應范圍廣等優勢。

2 研制過程中的難點和解決辦法

在線等離子清洗設備是在成熟的等離子體清洗工藝技術和設備制造基礎上，增加了上下料功能、物料傳輸功能等自動化功能，重點針對IC封裝中引線框架上點膠裝片、芯片鍵合及塑封等工藝前清洗。在大大提高粘接及鍵合強度等性能的同時，避免人為因素長時間接觸引線框架而導致的二次污染以及腔體式批量清洗時間長有可能造成的芯片損傷。

研制中主要難點是如何實現將獨立式的等離子清洗設備連入生產線實現在線式的清洗方式，所以物料傳輸系統的設計和控制是重點。為滿足本系統采用分批次直接清洗物料的需求，需要設計一套全自動傳輸系統完成將物料從料盒移動到反應倉以及隨后從反應倉返回料盒的搬運功能。解決方案：

方案A：系統按照物料的流通過程分為上料系統，物料傳輸系統及下料系統三部分，如圖2所示。

通過推桿將單片物料從料盒移動到物料傳輸系統中，隨后物料傳輸系統通過傳送帶將單張物料搬運到反應倉中進行清洗，清洗結束后采用相同的方式從反應倉右側搬運到物料傳輸系統中，最后在下料系統的推桿配合下重新進入料盒中。

此方案基本滿足了在線式等離子清洗系統自動搬運物料的設計要求，與常規等離子清洗系統相比，降低了人工搬運過成，提高了設備自動化水平。但是隨之出現了以下問題：

圖2 方案A系統圖

（1）物料采用左進右出的流程，增加了設備整體尺寸，從而降低了潔凈車間使用面積。

（2）單位時間內一批次的物料需要在上料位及下料位同時占用二批次料盒，增加了生產成本。為了解決以上問題，在設計過程中改換了思路，重新對上下料系統及物料傳輸系統進行設計，提出了第二套方案如圖3。

方案B：修改了上下料及物料傳輸系統，將方案A中的上料系統及下料系統合二為一，并在物料傳輸系統中增加了豎直方向的運動，使得方案B與方案A相比縮小了近1/3的體積，并且解決了料盒增加的問題。經過反復評審最終系統采用方案B。上下料系統如圖3所示。

系統中各個機構說明如下：

（1）上料臺：主體為鋁制板材，用來放置未清洗物料料盒，通過電機帶動皮帶將料盒移動到料盒夾中。

（2）下料臺：同樣采用鋁板搭構，用來放置清洗后物料料盒，通過電機帶動皮帶將料盒從料盒夾中取出。

圖3 上下料系統結構圖

（3）過度橋：鋁型材為支撐柱，在鋁板上安裝陶瓷軌道，軌道數量可根據客戶需求調整，物料通過此橋往返于料盒與里外托盤之間。

（4）料盒夾：主體為無桿氣缸，通過氣缸伸縮動作實現夾緊及釋放料盒功能。

（5）料盒垂直移動機構：由電機及絲杠組成，被料盒夾夾住的料盒通過此機構實現垂直與地面的豎直方向運動，使料盒中每層物料都可被推桿機構推出。

（6）料盒：生產線中物料（引線框架或PCB板）承載籃具，料盒豎直方向分為16～40層，每層水平放置一張料片。

（7）推桿機構：由電機、絲杠及推桿組成，當料盒中料片與過度橋上軌道對齊后，推桿通過沿水平方向左右往返運動將料片推到過度橋軌道上。

（8）料盒水平移動機構：由電機及絲杠組成，被料盒夾夾住的料盒通過此機構實現垂直與推桿運動方向的前后運動，使料盒中物料水平分布到過度橋的軌道上。

上述8個部件實現了系統中料盒上下搬運以及料盒中物料取放的全自動工藝。物料傳輸系統如圖4所示。

系統中各個機構說明如下：

（1）外托盤水平移動機構：由電機及直線定位系統組成，帶動托盤在過度橋與反應倉之間進行往復運動。

（2）外托盤垂直移動機構：由氣缸及導軌組成，氣缸帶動外托盤在導軌輔助下沿豎直方向移動，實現反應倉開關功能。

（3）外托盤：由鋁板加工而成，鋁板上設計有可調整軌道。托盤實現物料承載及反應倉門功能。

（4）里托盤：與外托盤功能機構相同。

（5）物料夾移動機構：由電機及絲杠組成，物料夾通過此機構實現水平面內x和y方向運動，使托盤中每個軌道上都放置一張物料。

（6）物料夾：重要部件為氣缸，通過氣缸開始實現物料的夾取及放松功能。

（7）里托盤垂直移動機構：由氣缸及導軌組成，氣缸帶動托盤在導軌輔助下沿豎直方向移動，實現反應倉開關功能。

（8）里托盤水平移動機構：由電機及直線定位系統組成，帶動托盤在過度橋與反應倉之間進行往復運動。

上述8個部件實現了系統料盒中物料在料盒與反應倉之間的全自動搬運工藝。

3 設備簡介

主要包括上下料系統、物料傳輸系統、等離子清洗系統、視覺監控系統、托盤移動機構、傳送機構、物料夾取機構、推桿機構、傳感器檢測系統、控制面板、操作臺面和設備框架如圖5所示。

圖4 物料傳輸系統結構圖

4 電氣系統設計

在線等離子清洗設備的電氣系統構成如圖6所示，包括可編程邏輯控制器（PLC）、運動控制系統、等離子清洗系統、氣動控制系統、信號采集、工控機及人機界面等。硬件系統以PLC為控制核心實現全過程控制，包括所有輸入輸出信號的處理，各軸運動時序控制，等離子清洗工藝設定等相關功能。

圖5 等離子清洗設備結構示意圖

4.1 等離子放電控制系統

等離子放電控制系統中，PLC與微波電源的信號交換有兩種類型：IO量和模擬量；IO信號類型中包含開關控制及INTERLOCK控制等，模擬量信號類型中包含微波功率的設置和讀取及反射功率的讀取等。如圖7射頻放電系統圖所示，PLC所采集的功率和反射功率值顯示在操作界面上，如果出現反射功率偏離設定值并達到設定時間時，將出現反射功率過大報警。

圖7 射頻放電系統圖

4.2 PLC系統設計

該控制系統的核心部分是PLC。來自外部光電開關、氣壓、位置等傳感器的反饋信號通過輸入模塊被讀入PLC的軟元件存儲器中。PLC CPU按照事先編制好的順控程序處理這些數據，然后給出各個部件的動作命令，這些命令通過輸出模塊，傳送到電磁閥、指示燈、蜂鳴器等執行機構，執行機構接收到命令之后做出相應的動作，進而完成設備動作。上位機和PLC之間利用以太網通信模塊互相通信：組態軟件可以讀取PLC軟元件存儲器中的數據，PLC的CPU與定位模塊實現無縫鏈接，接收用戶命令，實現伺服電機高精度的位置控制。

4.3 氣動控制系統設計

氣動控制系統如圖8所示，主要由電磁閥及氣缸組成，滿足系統在運行過程中的低精度的往返式運動功能，以及對料盒及物料進行的抓取動作。當PLC根據軟件程序向電磁閥發出控制信號后，電磁閥將電信號轉化為氣體通斷信號，從而控制氣缸實現相應的動作。氣路圖如下，主要包括減壓閥、電磁閥、氣缸、接頭及氣管。

4.4 伺服定位系統

伺服定位系統在可編程邏輯控制器的控制之下完成料盒在設備中的搬運和傳輸以及料片在料盒及反應艙之間的搬運，自動運行方式，可與上下游生產工序連線，滿足器件封裝行業大規模生產要求。

本設備中共有八個運動機構采用伺服電機實現其運動功能，分別為：

（1）推桿機構：功能為沿水平將物料從料盒中推出，方便物料夾進行物料夾取。伺服電機通過絲杠帶動推桿進行往復運動。

（2）里/外托盤水平移動機構、料盒夾水平移動機構以及物料夾移動機構：此四種結構都采用伺服電機與絲杠組合而成，其中里/外托盤水平移動機構與料盒夾水平移動機構為單軸系統，只有物料夾移動機構是由兩套伺服電機及絲杠組合的兩軸系統。

（3）料盒垂直移動機構和反應倉閉合機構：此兩種結構同樣采用伺服電機配備絲杠的機械結構，其基本結構與組系統類似，選型基本相同。唯一不同點在于，伺服電機選型時要要選擇帶制動機構的型號。制動機構防止電機停止時，負載在垂直方向因重力導致自由滑落。

5 結束語

圖8 氣動控制系統圖

在線等離子清洗設備是在利用了現有成熟的等離子體清洗工藝技術和設備制造基礎，增加設備自動化功能，自主設計、開發的設備。該設備采用適應于引線框架全自動清洗運行方式，適用于大規模生產的在線式引線框架清洗設備，解決了集成電路制造過程中設備人力成本高、生產效率低等技術難題。目前該設備已在多家集成電路制造企業投入使用，給客戶帶來了很好的經濟效益，得到了客戶的一致好評。

此外在半導體、液晶、微系統加工、太陽能等行業都需要對各種原材料及元件進行等離子處理，在線式等離子清洗系統的設計可以推廣到以上各行業中。同時可依托對清洗物料的傳輸方式以及等離子清洗、刻蝕或表面處理系統進一步研究，采用本系統的設計思路，通過對相應結構及控制系統設計的修改，將整個系統推廣應用。

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