一種快速變節距（pitch）機構

程丙坤　李文

摘要：伴隨著國產智能手機的崛起及智能化物聯網的快速發展，作為消費電子產品的“心臟”或“大腦”，半導體芯片（IC）在國內的需求越來越大。文章針對半導體行業對變節距存在的廣泛需求，從工藝制定、運動原理、具體結構、設計注意事項、安裝調試五個維度提出了解決方案，希望能夠給相關從業者帶來一些借鑒或啟發。

關鍵詞：半導體芯片；IC；快速變節距機構；pitch；國產智能手機；智能化物聯網 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN452 文章編號：1009-2374（2017）11-0005-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.003

近年來，伴隨著國產智能手機的崛起及智能化物聯網的快速發展，作為消費電子產品的“心臟”或“大腦”，半導體芯片（IC）在國內的需求越來越大。據報道，過去幾年，中國制造了全球超過70%的智能手機、超過75%的平板電腦、超過80%的STB、約80%的筆記本電腦、50%的DTV、88%的顯示器，日漸增長的市場份額產生了龐大的IC需求。伴隨著需求的增長及國家對半導體集成電路行業的大力投資和支持，中國半導體產業從無到有，從小到大，開始迎來快速發展，半導體加工工藝及技術也受到越來越多從業者的關注。

在半導體芯片加工過程中，在singulation（切單顆）工藝之后，經常需要變換節距（pitch）。因為剛剛切割后的芯片是一粒一粒挨著的，中間只有一個金剛石砂輪厚度的間隙（半導體的切割砂輪通常都比較窄，有的甚至只有約0.4mm的厚度），如此小的間隙，要轉到托盤里進行后續加工例如清洗，就不能讓它們一粒一粒挨著，否則難以清洗干凈，變節距的需求應運而生。如何實現這個目的呢？筆者憑借著在夾具設計及自動化領域多年的設計經驗，給出了一個解決方案。實踐證明，這一方案是成功的，它結構簡單、成本低廉、效率高、穩定可靠，對工件沒有傷害，特別適合芯片行業大規模生產使用。

傳統的變節距辦法是通過工人手持真空吸頭腳踩真空開關一粒一粒地吸和放，單調枯燥，勞動強度大，效率低，成本高，精度達不到要求，質量無法保證，難以滿足大規模生產的需要，再加上目前在珠三角和長三角一帶持續發酵的用工荒，基本決定了自動化是此工藝唯一可行的方案。下圖是一種在生產實踐中已經證明其可行性的變節距工藝：首先將切割好的芯片（芯片之間有一個金剛石砂輪的間隔約0.4mm）吸放到變節距機構的托板上（參見圖3的托板1～7），X方向（水平方向）拍一拍使芯片顆顆靠緊，Y方向（豎直方向）拍一拍使芯片排列整齊，這樣就完全消除了來料可能存在的各種誤差，然后開啟托板上的真空將芯片緊緊吸?。榱吮ＷC足夠的吸力，真空度要達到-80kPa以上，托板的表面粗糙度要達到1.6以上，氣管接頭處加螺紋膠），氣缸運動將滑板（參見圖2滑板1～6，托板固定在滑板上跟隨滑板一起運動）拉開，芯片跟著滑板運動變成右邊帶有指定間隙a的一列，然后就可以用一排帶有同樣間隔a的真空吸頭（注意：為了不傷害工件，固定真空吸頭的機構必須設計成帶一定的彈性，防止吸頭和工件硬碰硬的接觸）將它們吸放到下一個工位進行后續加工。

那具體用什么機構去實現呢？如下剖面圖所示，用一個氣缸加一套簡單常用的機構，在氣缸伸出的一剎那（約1秒左右）就能實現所有芯片的變節距，方便快捷。

如圖2所示，滑板從左到右依次編號為滑板1～滑板6。氣缸通過氣缸作用板帶動變節距板運動，6個滑板通過內置的無油襯套（注：無油襯套是鋼金屬底層、青銅燒結層與含填充劑的聚四氟乙烯樹脂層的復合產品，作用是能夠防止滑板和導向桿直接接觸，能夠在它們之間形成持續的潤滑膜，減小摩擦力，延長機構的使用壽命，磨損后又比較容易更換。但安裝時應注意：壓入無油襯套時，需利用臺鉗或沖壓機靜靜壓入。為方便壓入，建議在滑塊端部進行倒角處理，對滑塊內徑、襯套外徑涂抹少量潤滑油），套在2根導向桿上（導向桿要表面淬火使HRC>58，外圓面要磨削使表面粗糙度達到0.4，兩端面磨削使表面粗糙度達到0.8），2根導向桿一端固定在左立板的精孔里限定桿的位置，另一端端面固定在右立板上，先將兩端面的螺絲帶上，待滑動6個滑塊順暢后，慢慢鎖緊一點，把這兩個動作反復幾次，這樣讓滑塊自動調節2桿的相互平行度，待滑塊都運動順暢后就可以徹底鎖緊了。工件放在托板上，左起第一個托板固定在左立板上，其余6個托板依次固定在滑板1～6上（托板和滑板等寬，尺寸等于工件的寬度，但公差為正公差，這樣當氣缸收縮時，氣缸的擠壓力就作用在滑塊/托板上，工件只是輕輕地碰在一起，避免了對工件的傷害），托板上有孔和真空接頭連通，以便在真空接通時吸住工件，使之始終和滑板一起運動，保證工件位置的精確。運動原理：氣缸帶動變節距板，變節距板首先帶動最右端的滑板6往右運動一段距離a，此時變節距板右起第一臺階碰到滑板5，從而帶動滑板5一起往右運動一段距離a，然后變節距板右起第二臺階碰到滑板4，帶動滑板4一起往右運動一段距離a……，最后變節距板右起第五臺階碰到滑板1，帶動滑板1往右運動一段距離a后碰到上/下擋板的臺階停止運動，其他各編號滑板也依次碰到上/下擋板的臺階而停止運動，這樣就達到了帶動芯片運動并將它們分開的目的。

設計時的注意事項：（1）變節距板的各臺階間隔要和上/下擋板的各臺階間隔相同且標注合適的公差，既要避免運動時產生干涉現象，又要避免讓滑板和上/下擋板之間有間隙導致工件位置不精確，同時由于各個滑板都同時碰到上下立板，分散了氣缸對單個滑板的作用力，保持了滑板的精度；（2）為保證各運動部件相對位置的精確性，最好在安裝底板上打上定位孔，通過定位銷將左/右立板及上/下擋板固定在安裝底板上，這樣通過加工精度來保證了安裝的精度，大大減少了對安裝的精度要求及調機的勞動強度，又方便以后的維修及快速更換；（3）調節氣缸的節流閥，使氣缸運動速度保持在合理水平，既要保證cycle time，又要防止產生大的沖擊及噪聲。

為便于讀者對其結構有個直觀認識，給出了其立體圖3供參考。注：氣缸、左/右立板、上/下擋板都固定在安裝底板上，氣缸為兩端帶油壓緩沖器的導軌氣缸[這里油壓緩沖器有兩個作用：減輕氣缸行程末端的沖擊力；調節行程。因為大多數情況下（n-1）*a都不會剛好和氣缸行程相等，所以調行程必不可少。例如假設本文的a=0.5mm，那行程=（7-1）*0.5=3mm，很顯然沒有這樣行程的氣缸，導軌氣缸的最小行程為10mm，像這樣的情況，就只有讓氣缸在伸出3.5mm時為狀態1，伸出6.5mm時為狀態2，兩端油壓緩沖器的調節行程都為3.5mm]。

如果各個芯片之間的間隔不是a，而是b，那么將圖2所示機構的上/下擋板及變節距板的各臺階間隔距離由a的1/2/3/4/5/6倍改為b的1/2/3/4/5/6倍即可。如果要求各個芯片之間的間隔各不相等，那同樣將圖2所示機構的上/下擋板及變節距板的各臺階間隔距離修改成各不相同即可。如果要求變節距的工件數n發生變化，則因為第一個工件安裝在左立板上做基準，后面的工件才安裝在滑塊上，所以滑塊數應改為n-1，從圖2可知，上/下擋板上的臺階數應變為n個，變節距板上的臺階數應變為n-1個。例如要求變節距的工件數由目前的7件變為10件，則滑板數由目前的6個增加到9個，上/下擋板上的臺階數由7個增加到10個，變節距板上的臺階數由6個增加到9個。精度方面，可以根據工藝要求、加工能力及成本來綜合設定，一般加工精度要比最終的工藝要求高1～2個等級或加工誤差為最后總誤差的20%～30%。

此機構（指帶此機構的機器）使用前后的收益對比：

可見此機構雖小，卻質量可靠、效率高且適應范圍廣，在工業生產上有廣闊的應用前景。

參考文獻

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[4] 方昆凡.實用公差與配合技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2012.

作者簡介：程丙坤（1969-），男，湖北天門人，東莞新科技術研究開發有限公司高級工程師，研究方向：機器換人或自動化設備開發設計與研究；李文（1979-），男，湖北荊門人，東莞市卓安精機自動化設備有限公司高級工程師，研究方向：新能源鋰電池設備開發設計。

（責任編輯：黃銀芳）