指紋識別模組熱壓工藝設(shè)備分析及研究

王偉民，李慶亮

（太原風華信息裝備股份有限公司，山西太原030024）

指紋識別模組熱壓工藝設(shè)備分析及研究

王偉民，李慶亮

（太原風華信息裝備股份有限公司，山西太原030024）

為了實現(xiàn)指紋識別模組自動化生產(chǎn)，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和良率，提出了指紋識別模組自動熱壓的工藝流程，并對全自動熱壓設(shè)備部分結(jié)構(gòu)的功能和工作原理進行詳細敘述。

指紋識別模組；熱壓固化；位置偏移；射頻傳感器

2013年蘋果以引領(lǐng)市場的姿態(tài)率先采用指紋識別技術(shù)，iPhone 5S的指紋解鎖功能一經(jīng)推出便深受用戶歡迎。2015年9月蘋果發(fā)布Apple Pay，既支持線上支付，也支持NFC近場支付。線上支付可以實現(xiàn)“一鍵完成”，不再需要輸入信用卡信息和地址等，通過Touch ID，用戶可以憑指紋來輕松確認支付。而NFC近場支付，也無需密碼等任何信息，只要將具備NFC功能的手機或智能可穿戴設(shè)備靠近POS機（具備近場支付功能），通過指紋確認即可。

指紋識別功能作為手機上一項新功能歷經(jīng)考驗成為標配，關(guān)鍵在于要切中用戶痛點。攝像頭、觸摸屏、大屏化等成為手機標配都說明了這一點。指紋識別既迎合移動智能設(shè)備對安全性要求更高

指紋識別芯片制造的過程大致可以歸納為：芯片電路方案和算法設(shè)計-芯片晶圓代工-封裝（包括Middle-end）-模組組裝-測試等幾大環(huán)節(jié)。相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，封測+模組組裝的費用可占到整個指紋識別模組成本的45%左右。全自動熱壓設(shè)備則是指紋識別模組組裝中關(guān)鍵一環(huán)，指紋識別模組中的金屬環(huán)由搭載機通過膠水貼合在模組上，然后由該熱壓設(shè)備對指紋識別模組進行熱壓固化，通過高溫加快膠水的固化速度，通過壓合保證了膠水在高溫固化過程中發(fā)生形變時，金屬環(huán)與模組不會發(fā)生相對位置偏移。

1　指紋識別原理及結(jié)構(gòu)組成

指紋識別模組根據(jù)傳感器采集類型不同大致可分為以下三種：

第一種為光學傳感器。光學傳感技術(shù)可以說是掃描儀的縮小版。使用時，用戶將手指按在掃面設(shè)備的玻璃表面，光源光線照射到壓有指紋的玻璃表面形成反射光線，反射光線再經(jīng)過凸鏡聚焦后由光電圖像傳感器去捕獲成像，并對比資料庫看是否一致。

第二種為電容式指紋識別傳感器。該技術(shù)得益于硅晶體電容傳感器誕生，電容式指紋識別技術(shù)才出現(xiàn)。如圖1所示電容傳感器包含數(shù)萬個金屬導體陣列，外部一層絕緣保護層。手指放上面時，金屬導體陣列/絕緣層/皮膚構(gòu)成相應(yīng)的小電容器陣列。利用指紋的凹凸，通過對每個像素點上充放電，便可檢測到指紋的紋路情況，要求絕緣保護層很薄。電容式指紋識別技術(shù)才使指紋識別真正普及開來，進入每一個電子設(shè)備。

第三種為生物射頻式指紋識別傳感器。射頻傳感器在電容式傳感器的基礎(chǔ)上擴展，通過發(fā)射微量的射頻信號，穿透手指的表皮層獲取里層的紋路以獲取信息。相比之下，射頻傳感技術(shù)可以排除手指表面的污垢、油脂干擾，精確度很高。

iPhone 5S指紋識別的原理。iPhone5s的Touch ID指紋傳感器被放置在Home鍵，這個用戶與iPhone自然而然頻頻接觸的地方。按鈕表面由激光切割的藍寶石水晶制成，可精確聚焦手指，保護傳感器；該傳感器會識別和記錄指紋信息。按鈕周圍是不銹鋼環(huán)，用于監(jiān)測手指，激活傳感器和改善信噪比。隨后，軟件將讀取指紋信息，查找匹配指紋來解鎖手機。

圖1　指紋識別模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2　指紋識別模組自動熱壓工藝流程

（1）設(shè)備啟動后，在觸摸屏中選擇熱板加熱模式，選擇所需工作溫度（例如：120℃）。當所有溫控表顯示值穩(wěn)定到120℃后，使用測溫計對各個加熱板上的溫度進行測量。確認所有加熱板表面溫度是否與溫控表顯示溫度一致，是否保持在±2℃范圍之內(nèi)。確認工作完成，進行溫度校準后，設(shè)備方可進行正常工作。

（2）指紋識別模組工件通過搭載機搭載完成一版后，工件從搭載機傳輸軌道送出至熱板機的上料機構(gòu)接收軌道，熱板機上料機構(gòu)傳感器檢測工件到位，由電動機驅(qū)動平皮帶運動，將工件傳送至一號緩存料盒中，緩存料盒接收工件后自動上升一定距離至下一接收工作位置，等待接收下版工件。搭載機完成一版模組搭載時間約為1 min，每片工件傳送時間間隔為1 min，一號緩存料盒設(shè)計為六層。預計6 min一號緩存料盒存滿工件。

（3）一號緩存料盒接收六版工件后，由推料機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動撥桿旋轉(zhuǎn)90°，使撥桿處于緩存料盒正前方中心位置，由伺服電機驅(qū)動撥桿進行x向運動。將6片工件整體推入二號緩存料盒中。

（4）一號緩存料盒運動至初始位置繼續(xù)接收工件，二號緩存料盒由伺服電器驅(qū)動模組進行y向運動，二號緩存料盒運動至一號固化線，z向電機驅(qū)動二號緩存料盒，將最底層工件提升至傳輸軌道位置高度，同時由撥爪A推動工件進入一號固化線傳輸軌道后，撥爪A返回初始位置，二號緩存料盒下降一定距離，將第二版工件運動至傳輸導軌位置高度。撥爪A推動第二版工件進入軌道，同時撥爪B推動第一版工件至第二加熱工位，依此類推，直至六版工件由1號固化線七個撥爪全部推入一號固化線六個加熱工位。二號緩存料盒運動至初始位置，等待繼續(xù)接收工件，此過程時間約為2 min左右。

（5）一號固化線6個加熱工位分別由6個氣缸驅(qū)動同時上升，將六版工件頂起至上壓板位置，上下壓板壓緊工件后，計時器開始計時進行固化，固化時間為30 min。

（6）當一號固化線工件固化完成后，氣缸驅(qū)動加熱工位向下運動，六版工件下降至傳輸導軌上，由步進電機驅(qū)動同步帶運動，帶動6個撥爪撥動工件同時向前運動，收料機構(gòu)收取第一版固化完成的工件，同時氣缸驅(qū)動撥桿機構(gòu)向上運動，電機驅(qū)動撥桿回到初始位置后，氣缸驅(qū)動撥桿機構(gòu)向下運動。依次往復運動，將一號固化線六版工件傳送至收料盒中，于此同時，二號緩存盒運動至一號固化線，繼續(xù)向一號固化線傳送工件。

（7）收料機構(gòu)繼續(xù)等待二號固化線工件完成固化，進行收料。收料盒設(shè)置為30層。

（8）當收料部件第一個料盒收滿30個產(chǎn)品，收料機構(gòu)運動至卸載料盒位置，由電機驅(qū)動卸載料盒機構(gòu)向料盒方向運動，卸載料盒機構(gòu)運動至料盒上方，z向氣缸驅(qū)動夾緊氣缸向下運動，由夾緊氣缸夾緊料盒。z向氣缸向上運動，電機驅(qū)動模組向后運動，運動至料盒緩存臺位置，氣缸向下運動，將料盒放置料盒緩存臺。收料機構(gòu)繼續(xù)收料，直至第二個料盒收滿，運動至卸載料盒位置，設(shè)備報警提醒操作人員取走緩存臺上的料盒。卸載料盒機構(gòu)繼續(xù)重復卸載料盒動作。操作人員放置空料盒繼續(xù)生產(chǎn)。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)指紋識別模組生產(chǎn)自動化，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，減少因人工干預產(chǎn)生的不良率，該設(shè)備設(shè)計了指紋識別模組的接收傳送機構(gòu)，加熱壓合機構(gòu)。采用步進電機、同步帶以及導軌組合的接收傳送機構(gòu)。采用氣缸、直線軸承、導向軸以及通過電氣比例閥控制壓力的結(jié)構(gòu)設(shè)計了加熱壓合結(jié)構(gòu)。

3.1接收傳送機構(gòu)

接收傳送機構(gòu)示意圖如圖2所示。接收傳送機構(gòu)主要由步進電機、同步帶、推桿、導桿氣缸組成。該機構(gòu)工作原理是通過氣缸來控制皮帶傳送機構(gòu)整體上下運動，推桿機構(gòu)中6個推桿分別等間距安裝在導軌上，滑塊固定安裝在上下導板上，導軌由電機驅(qū)動同步帶進行往復運動，帶動6個推桿進行前后運動，從而實現(xiàn)了推桿往復傳送指紋識別模組的功能，能夠?qū)⒅讣y識別模組推送進各自加熱工位進行熱壓固化。

圖2　接收傳送機構(gòu)示意圖

在產(chǎn)品固化加熱前，推桿向前推送指紋識別模組過程中，采用此機構(gòu)可以消除推桿因運動而產(chǎn)生的振動，避免了因推桿振動導致產(chǎn)品發(fā)生位置偏移，從而增加了產(chǎn)品的良率。機構(gòu)中使用同步帶作為傳動媒介，是由于同步帶在工作時無滑動，有準確的傳動比，雖然同步帶是彈性體，但由于其中承受負載的承載繩具有在拉力作用下不伸長的特性，故能保持帶節(jié)距不變，使帶與輪齒槽能正確嚙合，實現(xiàn)無滑差的同步傳動，獲得精確的傳動比，將產(chǎn)品精確的推送到加熱工位。并且在產(chǎn)品送入加熱工位后，加熱臺需上升對產(chǎn)品進行壓合，此時推桿必須避讓開壓合位置。設(shè)計此機構(gòu)既可以滿足自動推送產(chǎn)品的需求，在產(chǎn)品進行加熱壓合時又巧妙避開了產(chǎn)品壓合位置。

3.2加熱壓合機構(gòu)

隨著產(chǎn)品工藝的改進，產(chǎn)品對于溫度和壓力精度的要求更為苛刻。為了滿足現(xiàn)有指紋識別模組對壓力精度XX N±3 N的要求。必須改善現(xiàn)有的壓合結(jié)構(gòu)以及壓力控制方式，提高產(chǎn)品的良率。從決定壓力精度的因素分析，有靜態(tài)和動態(tài)兩方面因素，靜態(tài)方面有：上下壓板平行精度及工作表面的平面度；動態(tài)方面有氣缸進行動作時對氣缸輸出力時的控制方式。

加熱壓合機構(gòu)示意圖如圖3所示。加熱壓合機構(gòu)主要由氣缸、導向軸、上壓板組件、加熱板、隔熱板等組成。其中，上壓板是通過關(guān)節(jié)軸承連接在上基板上，在上壓板的下表面貼附柔性的硅海綿。防止壓合時產(chǎn)品直接接觸金屬表面，對產(chǎn)品造成劃傷、壓傷。由于硅海綿使用一段時間后會產(chǎn)生磨損。需要定時更換，每次更換后需要重新調(diào)節(jié)上下壓板的平行度。在一臺自動生產(chǎn)線上有30個工位，所以調(diào)節(jié)平行度的方便與快捷至關(guān)重要。在壓合機構(gòu)的上基板上裝有4個調(diào)節(jié)螺桿，它們的作用就是調(diào)節(jié)上下壓板的平行度。在調(diào)整前先將4個調(diào)節(jié)螺桿旋至離開上壓板，使上壓板處于自由狀態(tài)。控制下加熱板組件氣缸動作，使下加熱板組件上升，上下壓板壓合，上壓板以下加熱板為基準自動找平。在這個狀態(tài)下，將上基板的4個調(diào)節(jié)螺桿旋轉(zhuǎn)至上壓板表面貼合，然后用螺母鎖緊，上下壓板的平行精度調(diào)整完成。平行精度的調(diào)整保證了在壓合過程中不會使產(chǎn)品發(fā)生位置偏移，不會導致一版產(chǎn)品中由于壓合力度不均勻，部分產(chǎn)品膠水在規(guī)定工藝時間內(nèi)不能烘干、產(chǎn)生氣泡、膠水溢出等不良現(xiàn)象。

另一方面就是對氣缸動作的控制方式，氣缸動作帶動加熱板組件上升過程分為接觸產(chǎn)品前與接觸產(chǎn)品后兩個階段，在接觸產(chǎn)品瞬間和接觸產(chǎn)品后向上運動都需要盡可能減少震動。這就要求加熱板組件的運動必須平穩(wěn)、順暢。加熱板組件向上運動時，影響氣缸平穩(wěn)運動的因素有兩點，一方面是氣缸自身導桿與缸徑摩擦力的不穩(wěn)定型，另一方面是調(diào)壓閥輸出氣壓的變化，基于這兩方面的原因，使用了摩擦系數(shù)更小的低摩擦氣缸，消除摩擦力的影響。在控制方面，另外通過使用電器比例閥來控制氣缸的動作，在壓力調(diào)試過程中，在下壓板表面分別安裝3個壓力測試計，測試不同位置的壓力值，通過調(diào)節(jié)電氣比例閥，記錄不同的電壓信號下生成的壓力值，使用壓力測試計對壓力進行標定。標定結(jié)果顯示壓力精度可以滿足客戶±3 N的要求。客戶在使用過程中，只需要在觸摸屏輸入提前標定好的電壓數(shù)據(jù)，即可得到所需要的產(chǎn)品壓力，在大量生產(chǎn)過程中，這種機構(gòu)和控制方式的穩(wěn)定性和便捷性也得到了驗證，同時得到了客戶的認可。

圖3　加熱壓合機構(gòu)示意圖

4　結(jié)束語

為了實現(xiàn)客戶自動化連線生產(chǎn)要求，開發(fā)研制的指紋識別模組全自動熱壓設(shè)備。它是一種對指紋識別模組的設(shè)備，適用于高度小于11 mm的指紋識別模組。通過自動接收傳輸指紋識別模組，可連續(xù)完成多個指紋識別模組的熱壓，可以提高指紋識別模組的生產(chǎn)效率和品質(zhì)。是指紋識別模組后制程中的關(guān)鍵設(shè)備之一。

該設(shè)備的性能指標達到了生產(chǎn)企業(yè)提出的要求。在指紋識別模組生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)連續(xù)使用兩年多的時間，效果良好。同時該設(shè)備適用于攝像頭模組的生產(chǎn)。

［1］ 王文斌.機械設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［2］ 來瞞虔.機械原理教學指南［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［3］周開勤.機械零件手冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1994.

Fingerprint Identification Module Hot-pressing Process Equipment Research and Analysis

WANG Weimin，LI Qingliang

（Taiyuan fenghua information equipment co.，Taiyuan 030024，China）

In order to achieve fingerprint identification module automatic production，and improve the production efficiency and yield of the product，we put forward the fingerprint recognition module，automatic hot pressing process，and describe the function of automatic hot pressing equipment part structure and working principle in detail.

Fingerprint identification module；Thermal curing；The position offset；Radio frequency sensor

TN605

B

1004-4507（2016）08-0038-05

2016-05-26的痛點，又滿足用戶使用便捷性需求。

王偉民（1983-），男，畢業(yè)于中北大學，工程師，現(xiàn)就職于太原風華信息裝備股份有限公司，現(xiàn)主要從事電子專用設(shè)備研究。