基于PLC的自動切筋分離系統設計

朱晶川++孫力

摘 要： 隨著集成電路封裝產業的高速發展，切筋工藝在其封裝生產中的地位也不斷上升，然而傳統的手動切筋作業方式嚴重阻礙了IC封裝生產效率的發展。目前，PLC技術在工控領域得到廣泛應用，軟件設計方法已逐步完善，適合運用于自動切筋分離系統的設計開發中。該課題中涉及的MCM?3D封裝工藝，運用低弧度立體鍵合技術、集成電路智能塑封系統、自動切筋分離系統等多項研發成果。開發了PLC自動控制系統，設計了切筋模具定位結構、切筋刀具和自動推料裝置等，利用光纖傳感器，結合PLC定位電路和PLC反饋控制系統，實現了切筋工藝的自動化，提高了切筋工序的生產效率，降低了故障率和安全風險，控制了人工和設備成本。

關鍵詞： 切筋； 集成電路封裝； PLC； 自動控制； 定位

中圖分類號： TN605?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0111?04

0 引 言

隨著國內外電子行業的迅猛發展，集成電路芯片（IC）封裝產業規模不斷擴大，封裝技術也從DIP、SOP、TQFP到MCM?3D等不斷發展[1]。在集成電路芯片封裝的流程過程中，有一道切筋工序，其主要目的就是把前工序已經封裝完成的條狀產品通過模具沖床把它切分成獨立的單只產品。集成電路封裝切筋工藝作為電子封裝產業的分支技術，在集成電路產業近年來迅猛發展的推動下，也得到了飛速發展[2]。自動切筋分離系統的發展正逐漸改變以往多副模具單工序加工的狀態，減輕了操作人員的勞動強度。切筋分離系統的性能是提升IC芯片封裝速度及提高產品成品率和生產效率的決定因素之一，這使自動切筋分離技術成為集成電路封裝產業中的一項核心技術[3]。

在切筋工藝中，根據產品外形的不同，有一部分產品因為其下料方向的原因，機械方面無法進行雙側機械定位，導致集成電路芯片器件的定位擺放不方便，容易造成因為定位錯誤而引起的不良品發生。目前，國內IC生產切筋工序中上料、推料等操作多數采用純手動方式，大大影響生產效率，在作業中存在安全隱患。另一方面，國內切筋工藝只依靠液動沖壓機單一操作、速度一般在70沖次/min 左右，與國外先進水平有較大差距。此外，隨著集成電路集成化程度的提高，產品引線腳的數量不斷增加，達200個左右，引腳間密度逐漸增大，間距縮小至0.4 mm，這給提高切筋功率工作效率帶來了很大難度[4]。

圖1為本課題中MCM?3D封裝樣品RZ1033。MCM?3D封裝集成電路的輸出電流大、抗干擾性強、內阻小、結構緊湊、功耗低，作為先進的集成電路封裝形式，是目前國際半導體封裝行業中的核心技術，現已廣泛應用于現代4C市場和航空航天領域。由于MCM?3D封裝產品制造難度大，國內能生產MCM?3D封裝集成電路的企業只有少數幾家，市場需求遠大于供應，所以提高生產效率迫在眉睫[5]。

圖1 集成電路MCM?3D封裝樣品RZ1033

本文擬通過設計PLC自動定位控制程序，集成光纖傳感器、LED報警系統，控制切筋分離系統中模具及器件的μm級定位擺放，實現一種便于集成電路芯片封裝加工的高速切筋分離系統，達到切筋自動化，降低不良品率，提高封裝工藝整體生產效率的目的，同時保護了操作人員的安全，降低生產成本[6]。

1 PLC在工控領域的應用及設計方法

1.1 PLC在工控領域的應用

PLC即可編程序控制器，目前是在工業環境中運用最為廣泛的數字運算電子系統。PLC控制技術綜合了自動控制技術、計算機技術和通信技術等多方面的現代科技。它既可以實現簡單的邏輯控制、順序控制，同時也可以實現復雜的連續控制和過程控制等[7]。PLC現已滲透至工業控制的各個領域，從單機自動化到工業生產的局部網絡。PLC因其在開關量的邏輯控制上的優勢，已取代了傳統的繼電器控制系統；在對溫度、流量、壓力等連續變化的模擬量的閉環控制中，PLC的模擬量控制功能也已被廣泛應用，例如塑料擠壓成型機、鍋爐等設備；現代PLC同時也具有運算、數據傳輸、轉換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數據采集、分析和處理，目前已用在大、中型控制系統中[8]。PLC可通過傳感器控制生產過程，適合于本課題自動切筋分離系統的研究。

1.2 PLC選型與配置

合理選擇PLC是研發PLC控制程序的關鍵，需要以滿足研發系統功能為基礎，同時避免資源浪費和控制研發成本。對于以開關量控制為主的工程，選用以A/D轉換、D/A轉換、數據傳送功能、加減算法的低檔機，無須考慮其控制速度。而在較復雜的控制程序中，一般有PID運算、閉環控制、通信聯網等，應根據其控制過程所需可視化程度來選擇中高檔機。另外，在企業中PLC選型應盡量統一，同機型的PLC模塊可互相備用，編程方法統一，配合上位計算機的應用，便于相互通信，各獨立控制系統可聯成統一的多級分布式控制系統[9]。

1.3 PLC可靠性設計

PLC控制程序設計過程中，首要考慮的是可靠性。為預測預防系統中可能發生的故障，消除安全隱患，一般方法包括：降額設計、冗余設計、電磁兼容設計等。PLC程序開發時，利用PLC內部的軟元件代替一部分元器件，屏蔽誤信號，在程序的關鍵部位采用冗余設計，都可以有效提高PLC控制系統的可靠性。在PLC軟件設計的具體過程中，可采用輸入點濾波、輸出點備份、通信數據校核、停電記憶、工藝流程冗余等措施提高系統運行的可靠性[10]。

1.4 PLC軟件設計方法

PLC軟件系統設計方法主要可分為圖解法、經驗法和計算機輔助設計等[11]。其中圖解法主要依靠梯形圖、邏輯流程圖等。梯形圖圖形與繼電器控制電路非常相近，此方法容易將控制電路與PLC語言關聯[12]；邏輯流程圖便于描繪PLC的執行過程，明確反應其中的輸入/輸出關系以及工藝流程，便于查找故障點和調試維護程序，幫助理清程序的脈絡。經驗法是運用自己或別人的開發經驗進行設計，選擇與本課題相近的程序進行“試驗”，需要大量積累與總結。計算機輔助設計主要是利用計算機或者移動終端上的PLC編程軟件進行程序設計，同時運用在線編程、在線調試和離線仿真等方法，輔助PLC軟件系統的設計開發[13]。

2 MCM?3D集成電路封裝工藝

根據集成電路MCM?3D封裝的技術性能要求，在已有技術基礎和工藝條件下，對MCM?3D封裝的引線框架設計、磨劃片工藝、裝片鍵合工藝、塑封和切筋分離系統等核心技術進行研究，解決工藝優化和各項關鍵技術的系統整合應用，以獲得性能優越的MCM?3D封裝集成電路[14]。其封裝工藝技術路線如圖2所示。

圖2 集成電路MCM?3D封裝技術路線圖

具體分解為：

（1） 集成電路MCM?3D封裝框架設計包括7引腳、防塌絲、強結合力3個方面，并集合為MCM?3D封裝用特制框架。該框架從根本上消除了引腳間的電壓干擾，有效減少塑封過程中的沖絲，避免塑封體開裂。

（2） 集成電路MCM?3D封裝磨片工藝包括粗磨、細磨、濕蝕刻3道工序，將芯片背面減薄后獲得厚度小于200 μm的超薄芯片，磨片后的芯片翹曲度極小，鏡面效果理想。

（3） MCM?3D封裝劃片工藝包括超薄芯片定位無損劃片技術，配以防靜電技術和30 μm窄間距雙刀劃片工藝，降低在劃片過程中芯片有可能產生的靜電損傷及背崩。

（4） 芯片逐次上芯烘烤固化，鍵合絲反向拉弧，經低弧度立體鍵合連接各芯片和引線框架，充分利用了塑封體內的立體空間，解決了鍵合絲易短路的問題。因鍵合絲長度縮短，封裝體的內阻更小，輸出電流和輸出功率更大，產品性能得到大幅提升。

（5） 塑封系統采用封裝模具智能定位結構，通過光電傳感器、接近傳感器以及螺旋測試頭的感應和數據讀取，配合PLC控制系統，確保框架不易移位，提高模具使用壽命。

（6） 切筋分離系統采用切筋模具智能定位結構，在切筋模具下模架頂部設置光纖傳感器，配合PLC自動控制系統，確保器件定位擺放，實現切筋自動化，提高良品率。

（7） 測試環節包括：FT功能測試、URS能量測試、OS開短路測試、絕緣耐壓測試。

3 硬件設計

本文選用YH系列切筋壓力機，該機型可配置不同的入料出料接口，同時電氣由PLC智能控制，PLC擴展性好，具有良好的人機界面，切筋刀具也可自由定制與更換，沖壓行程、速度、壓力均可調節。為了適應自動切筋分離系統提高生產效率的需求，設計了便于定位擺放的半導體切筋模具。如圖3所示，在下模架頂部的右端設置光纖傳感器，通過光纖傳感器讀取芯片框架位置并輸出信號，經放大傳輸至PLC自動控制系統并由LED報警反饋，確定集成電路產品的定位擺放。

圖3 便于定位擺放的切筋模具結構示意圖

為適應本文的自動切筋分離系統，分別設計了相匹配的切筋模具與切筋刀具，并為了提高生產效率和控制成本，對其進行了以下改進。切筋模具通過光纖輸出信號，保證集成電路芯片器件框架的定位擺放，從而減少因定位錯誤而引起的不良品的發生，同時也能起到安全保護的作用。采用自動推料裝置，利用開模時上模上升的時間間隔，通過換向氣缸帶動推送氣缸的推桿，將產品送入料管。可減少手動推料環節，提高產能，同時也確保切出高質量產品，避免在手動推料時出現劃痕；實現自動化操作，節省人力的同時避免了一臺機器多人作業的不安全因素。傳統刀具單面切筋，壽命短報廢率高。采用的半導體切筋刀具橫截面成正方形，使得刀口的兩組對稱面均能用于切筋，可令使用壽命提高100%，而成本下降一半。

4 軟件設計

為適應上述的自動切筋分離系統功能的實現，選擇三菱Mtsubishi作為本課題的開發工具，其PLC可靠性高，調試簡易，便于維護；同時其I/O的響應時間短。另外，目前在工控領域，三菱PLC因性能優異且擴展性好等優點，已得到廣泛應用[15]。自動切筋分離系統的智能定位結構根據應用系統的不同，選擇合適的傳感器，參考學習三菱PLC編程手冊[16]，結合PLC定位電路和PLC反饋系統，集成光纖傳感器、LED報警系統，實現切筋分離系統中模具及器件的μm級定位擺放。

切筋分離系統硬件包括定位銷和雙通道同芯光纖等定位裝置，以及切筋模具，切筋壓力機等生產裝置，由PLC自動控制程序配合傳感器進行控制。系統流程見圖4。

圖4 切筋分離系統流程圖

第一步啟動生產設備，同時將未加工的集成電路芯片框架放入切筋模具中。安裝在切筋模具的光纖末端連接光纖放大器，當光纖傳感器感應到推料時，會產生感應信號給放大器，然后光纖放大器產生的高低電平信號將直接輸出到電路控制盒，通過電路轉換成兩組同步信號，其中一組輸出到PLC的安全控制點，另一組輸出致LED，PLC定位簡易電路圖如圖5所示。

圖5 PLC定位簡易電路圖

若檢測到芯片框架正常擺放，PLC安全控制點輸出命令，控制切筋模具下降，因已安裝了有自動推料裝置，推料沖壓等實現自動化操作，切筋操作持續循環運行。在切筋分離系統運行的同時，PLC控制程序和光纖傳感器繼續工作。當集成電路芯片的芯片框架在工作軌道中未能定位準確時，光纖放大器將輸出高電平，高電平通過轉換電路，轉換電路的輸出部分將直接觸發PLC的安全控制點，使正在運行的切筋模具停止正常開合，暫停正常工作；同時，轉換電路的另一路信號將輸出致LED指示燈，指示燈亮，提示操作人員此時芯片框架未能擺放正常到位。當芯片框架被擺放到位后，PLC控制程序將控制切筋分離系統繼續工作。

圖6為自動切筋分離系統中PLC控制程序的梯形圖。

圖6 切筋分離系統PLC梯形圖

5 結 語

本文與以往側重理論研究不同，根據MCM?3D集成電路封裝中對切筋工藝實際要求，設計并開發了基于PLC控制高速自動切筋分離系統，利用光纖傳感器和自動推料裝置等，實現高速、精準、自動化切筋，提高集成電路封裝芯片品質。系統沖切速度達到150沖次/min，遠高于傳統人工推料切筋工藝速度；平均切筋誤差小于0.1 mm；工作噪音小于50 dB；人機交互界面簡潔友好，系統可靠性得到顯著提升，故障率低，降低了生產中的安全風險。系統有效地解決了芯片封裝個工藝中切筋分離工藝瓶頸問題，大幅提高了芯片封裝工藝的整體效率，同時有力推動了IC芯片封裝產業的自動化進程。系統性能目前處于國內領先地位，性價比高，具有廣闊的市場前景。

參考文獻

[1] 劉勁松.高端IC封裝技術[J].集成電路應用，2004（12）：75?78.

[2] SAID F， DEREK A， FRANZON P D， et al. A review of 3?D packaging [J]. IEEE Transactions on Components， 1998， 21（1）： 2?14.

[3] 胡必武，余成.高速集成電路切筋系統設計[J].電子與封裝，2009（5）：33?35.

[4] 汪祥國.引線框架自動沖切成形系統[J].模具工業，2004 （5）：18?21.

[5] BRAUN T， BECKER K. Fan?out wafer level packaging for MEMS and sensor applications [J]. Sensors and Measuring Systems， 2014（6）： 1?5.

[6] 沖模設計手冊編寫組.沖模設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2000.

[7] 陳有根，危韌勇.可編程序控制器概述[J].大眾用電，2003（1）：34?35.

[8] Anon. Programmable controllers： voting draft?IEC 61131?3 [M]. 2nd ed. Kista， Sweden： International Electrometrical Commission， 1999.

[9] DUSCHI K. An experimental study on UML Modeling errors and their causes in the education of model driven PLC programming [C]// Proceedings of Global Engineering Education Conference. [S.l.] ： [s.n.]， 2014： 119?128.

[10] 趙中敏，張秋云，楊廣才.PLC控制系統設計[J].機床電器，2007（2）：38?46.

[11] 陳延奎.淺談PLC控制系統的設計方法[J].中國科技信息，2009（20）：116?118.

[12] 蘇淑芝.軟PLC梯形圖編程系統的研究與實現[D].廣州：華南理工大學，2012.

[13] ALI S， AKBAR A， PEDRAM V. A remote and virtual PLC laboratory via smartphones [J]. E?Learning and E?Teaching， 2013 （13）： 63?68.

[14] ZIABARI A， PARK J， ARDESTANI E， et al. Power blurring： fast static and transient thermal analysis method for packaged integrated circuits and power devices [J]. Very Large Scale Integration Systems， 2014， 6： 99?100.

[15] 蓋超會.三菱PLC與變頻器觸摸屏綜合培訓教程[M].北京：中國電力出版社，2010.endprint