自動塑封系統壓機結構分析

陳昌太，趙仁家，程 剛，汪 洋，盧劍偉

(1.銅陵富仕三佳機器有限公司，安徽，銅陵244000；2.江蘇長電科技股份有限公司，江蘇江陰214400；3.合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽 合肥230009)

近年來，隨著電子產業的飛速發展，微電子封裝作為集成電路(IC)制造業的一個環節，已發展成為一個重要的具有廣大發展前景的封裝產業。尤其對于微電子塑料封裝，它具有成本低、工藝簡單、易適合進行大規模的自動化生產的特點。雖然塑料封裝屬于非氣密性封裝，在耐熱性、散熱性、密封性上與氣密性封裝相比有所差距，但隨著封裝材料的逐漸改進和新的工藝技術和模具的不斷開發，塑料封裝的可靠性得到大大的提高。

自動塑封系統是集成電路高端自動化封裝設備，主要用于中高檔集成電路產品的后工序——封裝的自動化塑封。系統集排片、上料、條帶預熱、裝料、清模、沖流道和產品收集于一體，大大提高了工作效率和封裝質量[1]。本文圍繞著自動塑封系統核心部件壓機結構的運動特性和力學特性進行分析研究，為微電子塑料封裝壓機的結構設計和制造提供一個合理的參考依據。

1 壓機模型

目前江蘇長電，華天科技，通富微電等國內封測企業在塑封工序上使用的設備主要以120 噸自動塑封系統為主，而TOWA，YAMADA，ASM 等半導體裝備制造商正在研發或已經研發更高壓力的自動塑封系統，我們以120 噸自動塑封系統壓機結構為目標進行研究[2]，壓機三維模型如圖1所示。

圖1 自動塑封系統壓機三維模型

圖2 壓機運動模型

壓機結構有兩種，一種是通過液壓操作，通常噸位較大，精度低，一臺壓機配多副塑封模具；另一種采用伺服電機控制系統，噸位小，精度高，每臺壓機配一副模具。壓機的運動通常包括：合模、軟合模確認、加壓、快速注塑、慢速注塑、壓力保持、樹脂固化、開模、產品頂出、復位等階段。

壓機運動主要是通過伺服電機通過高扭矩同步帶帶動滾珠絲杠軸承座和升降座上下運動，升降座通過曲柄BD，連桿AB，BC 將帶動活動臺板的運動。該結構具有力的放大功能，但是過大的力的放大倍數不利于合模力精度的控制，而過小的力的放大倍數則會需求更大的電機，增加功耗，一般自動塑封壓機力的放大倍數選擇4.5～5 倍[3]。

2 壓機結構分析

目前關于注塑機行業的壓機結構研究較為深入，在內容上主要集中在對合模機構的結構、尺寸參數、質量的優化以及對合模力放大比、行程放大比、動模板強度有限元分析等的研究上，在方法上大多以傳統的剛性多體動力學研究方法，對合模機構升降座和活動臺板運動分析和彈性動力研究的并不多[4]。本文主要從運動特性和力學特性上對塑封壓機進行性能分析。

圖3 壓機結構力學模型

2.1 壓機結構運動特性

注塑機合模機構通常要求機構具有較高的運動速度和平穩變速以及大的力的放大能力，而塑封壓機對合模機構運動速度的要求是：慢-快-慢，合適的力的放大能力。由于對活動臺板運動分析直接關系到模具的開模行程，上下料機械手設計。開模行程設計尺寸約為165～180 mm，開模行程過大將增加升降座的行程，需要更大行程的滾珠絲桿，增大造成壓機整體尺寸偏大，而開模行程過小將影響自動上下料機械手的運動設計。

根據圖2模型建立活動臺板行程方程：

升降座運動方程：

其中：Xad為AD 桿在水平方向的尺寸

以AB 桿轉動的角度為變量——轉動角度α，通過測高儀測量活動臺板和上臺板之間的距離對比計算公式（2）的轉動角度與活動臺板運動曲線數據見圖4，通過計算方法得到公式（3）轉動角度與升降座運動曲線如圖5所示。

圖4 轉動角度與活動臺板運動曲線

由上述結果分析得到：

（1）活動臺板隨著轉動角度的的增加，小于30°，活動臺板上升基本為線性增加，隨著轉動角度進一步的加大，活動臺板運動曲線斜率逐漸減小，直至為0；升降座上升帶動轉動角度的變化，由于對比相同轉角下，活動臺板和升降座的位移變化，仍然以轉動角度為水平坐標。升降座的變化趨勢和活動臺板相反，在轉動角度超過50°之后的階段，曲線斜率逐漸增大。

圖5 轉動角度與升降座運動曲線

（2）塑封壓機機構合模壓力的要求，初始階段，未合模前要求曲線斜率大，電機轉動一圈，活動臺板有較大行程，而進入合模階段，要求曲線斜率小，即電機轉動一圈，活動臺板上升行程較小，有利于合模壓力的精確控制，一般要求合模壓力與工藝要求相差±3 噸，4 個立柱的壓力為±2 噸。

2.2 壓機結構力學特性

根據120 噸自動塑封系統壓機結構——雙曲肘五鉸鏈直排列合模結構進行簡化得到圖3所示力學模型[5，6]，并假設合模壓力為2F，每個肘節式結構上負載為F，則有各桿的受力公式為：

CE 桿所受壓力為

AC 桿所受壓力為

BC 桿所受壓力為

AB 桿所受壓力為

BD 桿所受壓力為

絲杠所受下壓力為

以最大合模壓力時的角度CAE 為變量，繪制公式（4）BD 桿和公式（5）滾珠絲桿軸向力的曲線，如圖6所示。

由上述結果分析得到：

圖6 120 噸壓力下滾珠絲桿和連桿力學曲線

120 噸合模壓力時，隨著合模角度CAE 的增加，連桿BD 的受力呈現增大趨勢，最大和最小值相差77 000 N，變化幅度達到15%。滾珠絲桿的軸向力則逐漸減小，最大和最小值相差51 000 N，變化幅度達到22%。

不同零件的結構設計和強度校核以及伺服電機扭矩的選擇等，均與最大噸位合模角度密切相關，選擇合適的合模角度顯得至關重要，通常軟合模（合模壓力3～5 噸）時的角度選擇為α=6°，最大壓力（合模壓力120 噸）時角度選擇為α=2.5°，不超過3°。

3 結 論

（1）通過塑封壓機結構運動特性的分析，對于塑封過程的工藝控制有著重要的參考意義；不同合模角度下，合模機構的零件受力有很大幅度的變化，對于其拓撲結構以及零件可靠性的設計起著一定的指導作用。

（2）面對快速發展的國內半導體行業，未來自動塑封系統壓機結構的設計即將出現分化，其中一極將向更精密級的壓機方向發展，合模力不增加，但是合模力更加均衡，注塑結構更加精密以適應高端產品的需求[7，8]，另一極為產量大的低端產品，要求壓機更高的穩定性，更大的噸位。

[1]中國電子學會電子制造與封裝技術分會.電子封裝工藝設備[M].北京：化學工業出版社，2012.

[2]中國半導體行業協會封裝分會，編審委員會.中國半導體封裝測試產業調研報告(2013年度)[R].北京：《電子工業專用設備》編輯部，2014.

[3]嚴文賢.曲肘式合模機構最佳參數的確定方法[R].北京：北京化工學院塑機教研室.1979.15-26.

[4]陳學鋒.塑料注射成型機雙曲肘合模機構動力學研究[D].廣州：華南理工大學.2007.

[5]高瑜.注塑機合模裝置主要構件的有限元分析及優化設計[D].太原：太原理工大學.2006

[6]黃步明.注塑機合模裝置存在的主要問題及解決方法[J].中國塑料.2001(9)：76-80.

[7]Kleinebrahm M，et al.Precision injection moldings[J].Kunststoffe Plast Europe，1998，88(1)：41

[8]Havlicsek，Alleyne.A Nonlinear modeling of an injection molding machine Proceedings of the 1999 Conference[C].1999 electrohydraulic American Control.