LED芯片鍵合機固晶臂的結構優化

馬翔 劉光哲

摘? 要：LED產業是我國新技術產業的代表之一。LED的發展與應用將有助于節能減排促進我國能源實現高效利用。為做好LED產業的發展需要加強在LED的技術和研究投入，在實現LED技術升級的同時提高LED的生產效率，降低LED的生產成本。固晶臂是LED芯片鍵合機中的重要組成部分，同時也是LED芯片全自動生產中的取放執行機構，其性能的好壞直接影響到LED芯片鍵合的穩定性與效果。文章在分析LED芯片鍵合機結構的基礎上對如何做好LED芯片鍵合機固晶臂的優化設計進行了分析闡述。

關鍵詞：LED芯片鍵合機;固晶臂;結構;優化;設計

Abstract： LED industry is one of the representatives of new technology industry in China. The development and application of LED will help to save energy and reduce emissions and promote the efficient use of energy in China. In order to facilitate the development of LED industry， it is necessary to strengthen the technology and research investment in LED， improve the production efficiency of LED and reduce the production cost of LED while upgrading LED technology. Solid crystal arm is not only an important part of LED chip bonding machine， but also an executive mechanism in the automatic production of LED chip. Its performance directly affects the stability and effect of LED chip bonding. Based on the analysis of the structure of LED chip bonding machine， this paper analyzes and expounds how to optimize the solid crystal arm of LED chip bonding machine.

前言

新時期我國的LED產業進入了一個嶄新的階段，在國家大力扶持和產業需求不斷增加的基礎上，做好LED核心技術與生產技術的不斷升級是現代LED產業發展的重要方向。全自動LED芯片鍵合機是LED的封裝設備，做好LED芯片鍵合機的發展與應用將有助于提高鍵合機的封裝效率與封裝效果。本文以LED芯片鍵合機的固晶臂為落腳點就如何做好LED芯片鍵合機固晶臂的優化設計進行了說明。

1 LED芯片鍵合機的工作流程與特點

LED芯片鍵合機是高精密機械設備，其主要完成LED芯片的封裝作業。LED芯片鍵合機作業時，依靠高精密的氣動、機械和自動化系統能夠以超高的速度完成LED芯片的封裝，現今LED芯片鍵合機最短的封裝時間已經達到了160ms，在這樣短的時間內完成LED芯片鍵合機內物料的上料和卸料對于鍵合機的機械結構要求極高。固晶臂就是執行這一動作的相關機構。LED芯片鍵合機固晶臂的動作流程如圖1所示。

從圖中可看出固晶臂在旋轉的過程中要求平穩、高速，且為了能夠在短時間內完成動作，固晶臂還需要能夠抵抗高加速度所帶來的應力。因此，需要對固晶臂進行結構優化設計，使其能夠滿足上述要求。

2 兩種固晶臂設計方案的對比

固晶臂的設計其核心在于固晶臂截面形狀的設計，由于固晶臂運動過程中會產生極大的慣性，良好的固晶臂截面設計將有助于提高固晶臂在高速、高加減速情況下的運動平滑性，并降低固晶臂在運動過程中末端的振動。固晶臂結構可以看做懸臂梁模型，下文將與懸臂梁的形式對固晶臂進行建模分析，分析固晶臂在等截面和變截面兩種形式下其剛度和強度特性。

2.1 不同截面形式下固晶臂的剛度特性

在選用同一材質、厚度和長度的基礎上分別以等截面和變截面的形式為固晶臂建立模型，使用ANSYS軟件完成兩種不同截面形式的固晶臂的三維模型的建立。還需要注意的是所建立的模型需要具有相同的體積和重量。在完成了模型的建立后分別在等截面模型和變截面模型末端加設固定約束，并在另一端施加相同的外力（5N），通過模型對固晶臂進行有限元分析。根據模型結果記錄并對比等截面固晶臂模型和變截面固晶臂模型在相同外力下的變形量和應力分布情況。通過模型分析后可以發現變截面固晶臂的變形量和應力集中情況相對于等截面固晶臂都小，從而可以判定變截面固晶臂相對于等截面固晶臂具有更好的剛度特性。

2.2 不同截面形式下固晶臂的慣量特性

由于固晶臂需要在高加減速情況下動作，因此慣量特性對于固晶臂的運動特性有著極大的影響。使用SolidWorks軟件建立起等截面和變截面的固晶臂三維模型。在三維模型建立后在設定相同的重量、材質、長度和體積的情況下對比兩種截面形式下固晶臂的慣量特性。模擬后慣量特性數據為：等截面固晶臂為3472.856kg·mm2，變截面固晶臂為3098.867kg·mm2。通過數據可以看出相同運動條件下等截面固晶臂所產生的運動管理特性較小，能夠獲得更好的運動特性。

從上述模型數據的對比可以發現，變截面固晶臂相對于等截面固晶臂具有更好的剛度和轉動慣量特性，因此在固晶臂的結構設計和優化中需要以變截面固晶臂作為初始的設計模型，并在此基礎上對變截面固晶臂模型進行結構和細節優化。

3 變截面固晶臂的結構優化設計

變截面固晶臂結構設計關鍵是要確保變截面固晶臂在高加速、高慣量的點位置運動中具有良好的剛度和穩定性，由于LED芯片體積和重量很小，在變截面固晶臂的末端振動要求控制在±35μm的范圍內，只有如此變截面固晶臂才能夠在LED芯片鍵合機中獲得良好的運動效果。在初始變截面固晶臂模型的基礎上使用ANSYS軟件建立模型，完成有限元分析。模型選用鎂鋁合金，結合變截面固晶臂的尺寸將變截面固晶臂劃分為8796塊，在變截面固晶臂模型上施加靜壓力實現對于變截面固晶臂模型的靜力和模態分析。

3.1 變截面固晶臂的靜態分析

在使用ANSYS軟件對變截面固晶臂進行有限元分析時，將變截面固晶臂模型的末端使用固定約束進行固定，固定約束采用的是R=7mm的圓孔。完成了變截面固晶臂模型的固定后，在變截面固晶臂模型的另一端施加靜態力矩，以此來分析變截面固晶臂模型的靜態特性，模擬分析過程中對變截面固晶臂所承受的最大壓應力和最大變形量進行統計，看其是否在使用要求的±35μm的范圍內。

3.2 變截面固晶臂的模態分析

在完成了變截面固晶臂模型的靜態分析后，需要對變截面固晶臂運動過程中的動態特性進行分析，并以此來確定變截面固晶臂的各項參數。變截面固晶臂同樣采用末端約束且與靜態約束方式相同，其后在變截面固晶臂上施加三種不同頻率的外力。通過對模擬后的振型圖進行觀察后發現其中的第二階固有頻率所對應的振型圖與變截面固晶臂模型的橫向振型圖相匹配。

3.3 變截面固晶臂運動位移量模擬

在變截面固晶臂的模態模擬分析后，可以獲得變截面固晶臂模型的相關模態參數和變截面固晶臂在模態狀態下的運動位移量。通過對變截面固晶臂在模態狀態下運動位移量進行對比分析用以判定變截面固晶臂模型是否符合所需。在獲取變截面固晶臂模態狀態下運動位移量的相關數據時，需要以10ms、15ms和20ms三個時間節點為基準完成相關參數的獲取。通過模型實驗所獲取的上述三個時間節點的位移量后發現其都在LED芯片鍵合機運動所要求的±35μm的范圍內，因此選用的變截面固晶臂相關參數是符合要求的。

3.4 變截面固晶臂轉動慣量的模擬

模型以變截面固晶臂相對于中心軸建立模擬運動過程中所產生的轉動慣量，通過判定轉動慣量是否在要求范圍內來對變截面固晶臂的參數進行優化。通過模擬計算變截面固晶臂的模擬轉動慣量在變截面固晶臂運動所要求的范圍內。

通過使用ANSYS軟件的模擬分析，變截面固晶臂的前三階固有頻率得到了極大的提高，經過優化的變截面固晶臂固有頻率最少達到了1000Hz以上，這一數值已經遠遠超過了LED芯片鍵合機所要求的工作頻率，此外，LED芯片鍵合機工作時的其他相關參數也通過模擬進行了相關的優化，遠遠滿足LED芯片鍵合機運行時對于固晶臂所要求的安全數值。因此，通過對LED芯片鍵合機固晶臂的結構設計和模擬優化取得了良好的效果。優化后的固晶臂模型如圖2所示。

4 結束語

LED芯片鍵合機固晶臂是LED芯片鍵合機中的重要零部件，由于其需要高速運動因此對于固晶臂的運用特性有著極高的要求。本文在分析固晶臂結構特點的基礎上對固晶臂的結構進行了模擬，并借助于模擬數據對所建立的變截面固晶臂的初始設計進行了優化。通過不斷的調整優化最終確定了變截面固晶臂是符合LED芯片鍵合機的固晶臂結構形式與參數。

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