自動封裝設備模具溫度控制系統的研究

方唐利

（安徽耐科裝備科技股份有限公司，安徽銅陵 244061）

1 引言

集成電路行業屬于國家七大戰略性新興產業的新興信息產業，集成電路全自動封裝設備屬于集成電路封裝必要的工藝裝備，同時又屬于高端裝備制造業。集成電路全自動封裝設備是一款涉及機械、自動化、電子電路、鑄造、壓力控制、氣動控制、溫度控制、壓力控制、軟件等多學科的自動化設備，它的核心部分就是用于封裝的壓機部分，而壓機模具溫度直接影響到封裝產品的品質，因此，擁有一套可靠穩定、控制精度高的溫度控制系統對集成電路全自動封裝設備至關重要，是產品品質的重要保障。

2 現有塑封模具溫控系統

目前，常見的塑封模具溫度控制系統主要采用：

（1）加熱棒和熱電偶布局在模架上，直接控制對象是模架溫度。

（2）模架與模盒之間通過熱傳導實現模盒升溫。

（3）模面與模架之間的溫度通過手動調整溫度補償值實現統一。

（4）通過PLC 內部控制算法直接控制溫控的啟停、加熱過程等。

上述方案主要缺陷有：

（1）由于加熱棒和熱電偶分布在模架上，上、下模架各4根加熱棒，直接控制對象是模架，控制系統無法獲取模面溫度，導致加熱過程模架溫度與模面實際溫差較大，只能通過手動調整溫度補償實現兩者的統一，但是補償值調整過程需要反復試驗和修正，直到模溫穩定。

（2）由于外界因素影響，原先設定的溫度參數，再次升溫時可能會發生變化，出現模面溫度過高或過低的現象，需要重新調整溫度補償值，例如：設備排風系統，環境溫度等。

（3）加熱棒布局和選型不合理導致模溫一致性較差，最常見的是模具后側模溫高于前端模溫8℃～10℃，中間模溫高于左右模溫8℃～10℃。

（4）由于PLC 直接控制加熱系統，一旦PLC 出現故障模具加熱系統直接停止，導致生產過程的產品報廢現象。

為了徹底解決上述問題，滿足塑封工藝的模溫需求，從軟、硬件方面重新設計了一套用于集成電路全自動封裝設備模具溫度控制系統。

3 新型塑封模具溫控系統設計

隨著集成電路半導體技術的發展，封測廠商對效率的追求，傳統的單排產品已越來越無法適應市場的發展，超寬、多排產品毫無疑問適應了發展的需求，正成為當下發展的趨勢，產品的發現導致模具尺寸的增加，傳統的加熱棒分布方式已不適應現有模具的需求，為適應超寬多排大模面的模具的需求，重新對加熱棒結構、功率和排布進行了優化，如圖1所示。

（1）增加加熱棒數量，由原上、下模各4 個加熱棒增加到上、下模各6個加熱棒，提高加熱效率。

（2）考慮到模具左右散熱比中間大的實際情況，加熱棒采用左右功率大于中間的階梯排布方式。

（3）考慮到模具前、后溫差主要是由于前段散熱所致，加熱棒設計采用電阻絲繞組前段密度大于后端的方式。

（4）為解決模架溫度與模面問題差異導致加熱慢、補償難調整等問題，在模盒靠近模面位置設計增加了一個熱電偶檢測位置，用于實時檢測模面溫度，通過模面溫度與設定溫度的差值動態調整加熱過程的溫度補償值，達到快速、穩定升溫的需求。

（5）電氣方面采用歐姆龍溫控模塊加串口通信方式實現溫度可靠控制。歐姆龍溫控模塊的優點在于具有溫度控制穩定及精度高等特點，且PID溫控算法內置[1]，能自主完成加熱任務，PLC和溫控器之間通過485 串口通訊實現數據交互[2]，傳輸穩定可靠，電氣控制框圖如圖2所示，溫控電氣原理圖如圖3所示。

（6）電氣設計方面充分考慮到整個溫控系統的可靠、安全性，增加了溫控器斷線檢測、短路和斷路保護功能。

通過485串口通訊實現PLC與溫控器之間的數據交互[3]，既可實現數據傳輸，也可在通訊異常情況下實現獨立溫控。采用固態繼電器，解決機械式繼電器觸點長時間頻繁切換導致的燒壞現象，電路設計增加熱保護器和電流互感器[4]，能有效實現電路的短路保護和斷路檢測功能，極大的提升了整個溫控系統的工作穩定性和安全性。

4 實際應用

此新型自動封裝系統模溫控制系統已成功應用，經過現場長時間測試結論如下：

（1）模溫加熱過程對比。

現場采用原溫控系統和新型溫控系統在模具徹底冷卻的基礎上同時升溫，設定溫度175℃，分別記錄不同時間段的模面溫度變化，如圖4 所示，圖4a 是原溫控系統溫度曲線，圖4b為新型溫控系統溫度曲線，其中橫坐標表示時間，單位為分鐘，縱坐標表示溫度，單位為攝氏度。

由圖4 可以明顯看出，原溫控系統從加熱開始到溫度穩定在175℃大約需要160min，新型溫控系統大約需要90min，顯然增加了加熱棒數量和引入動態溫度補償參數的新型溫控系統比傳統的溫控系統升溫速度更快，效率更高。

（2）模面溫度一致性對比。

現場在兩組實驗模盒均達到溫度穩定階段后，分別測量兩組模具的模面溫度進行對比驗證，結果如圖5所示。

從測量實際模溫可以看出，原溫控系統模面溫度一致性較差，最高溫差8℃，而經過改進的溫控系統模面溫差最大3℃，一致性較好，可有效提升產品的塑封質量和良品率。

5 結束語

設計的新型集成電路全自動封裝設備模具溫度控制系統有效地解決了傳統溫控系統的各種弊端，具有溫度控制穩定、精度高等特點。該套溫度控制系統在集成電路全自動封裝設備的成功應用，提升了集成電路全自動封裝設備的整體性能，滿足了集成電路封裝工藝對溫度的要求，提升了集成電路封裝產品的品質。