研讨基于欧姆龙NJ控制器的塑封封装工艺装备自动化

【摘 　 要】：1 引言 半导体制造技术接近突破摩尔定律的飞速发展，推动半导体产业分工在全球区域重新分配，半导体芯片封装测试流程业务外包已成为国际IC 大厂的必然选择。

1 引言

半导体制造技术接近突破摩尔定律的飞速发展，推动半导体产业分工在全球区域重新分配，半导体芯片封装测试流程业务外包已成为国际IC 大厂的必然选择。根据中国半导体行业协会初步统计，2010年中国集成电路封装测试行业销售额为632亿元。技术壁垒和资金壁垒决定了封装测试行业，是现阶段中国半导体产业发展重点。中国的半导体封装测试行业充满生机。

半导体芯片封装工艺最重要的工序之一是后道工艺过程段的芯片塑封。塑封封装工艺装备自动化，是本文研讨的核心内容。

2 芯片封装概要

2.1 封装目的

封装（Packaging）是半导体芯片生产过程的最后一道工序，是将集成电路用绝缘的材料打包的技术。封装工艺主要有以下功能：功率分配（电源分配）、信号分配、散热通道、隔离保护和机械支撑等。封装工艺实现半导体芯片的外界物理侵蚀隔离与电气连接以及热量扩散和产品包装运输，是半导体制造至关重要的工艺流程。封装是半导体芯片与PCB电路板的链接桥梁，封装技术的好坏还直接影响到芯片自身的性能和PCB的设计与制造。半导体芯片封装主要基于以下四个目的。

（1）保护：裸露的芯片容易损坏。

（2）支撑：固定芯片便于安装 。

（3）连接：通过金丝外部电路联系 。

（4）可靠性：封装材料和工艺决定芯片的寿命。

2.2 封装流程

半导体封装是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。封装分为前后2段工艺流程实现。

（1） 前道封装生产工序。来自晶圆前道工艺的晶圆通过划片工艺后被切割为小的晶片（Die），然后将切割好的晶片用胶水贴装到相应的基板（引线框架）架的小岛上，再利用超细的金属（金锡铜铝）导线或者导电性树脂将晶片的接合焊盘（Bond Pad）连接到基板的相应引脚（Lead），并构成所要求的电路。前道封装生产工艺物理架构如图1所示。

（2） 后道封装生产工序。在完成前道封装工艺之后，对独立的晶片用热熔型塑胶外壳加以封装保护。常见的双列直插（DIP）芯片后道塑封封装工序物理架构如图1所示。

塑封之后还要进行一系列操作，封装完成后进行成品测试，通常经过入检Incoming、测试Test和包装Packing等工序，最后入库出货。

3 项目分析

3.1 封装机项目背景

基于欧姆龙NJ系列PLC运动控制系统的封装机项目为某装备制造商客户研发。受困于此前的装备自动化第三方供应商合作问题，本项目属于该装备后期核心技术攻关研发阶段。

3.2 注塑封装工艺

热熔型塑封是实现塑封芯片封装最重要的工序环节。塑封工序由芯片封装合模注射机实现。塑封设备通过伺服运动分别控制合模压力和塑胶注射，如图2所示。

合模注射封装机结构原理参见图3所示。

（1）合模电机带动下模具向上移动，与上模具产生压力，到达设定压力后，保持此压力。

（2）注塑电机通过八段速度进行八段位置控制，之后转换成压力控制，保持此压力直到树脂固化时间到。

（3）注射完成后多段速度开模并顶出工件等待取料。

3.3 NJ控制器概要

欧姆龙NJ系列机器自动化控制器，是运动控制、逻辑控制、视觉控制三位一体Sysmac自动化平台的核心控制器。Sysmac自动化平台于2011年推出。欧姆龙NJ控制器家族涵括4-8轴的NJ3系列电子凸轮多轴运动控制系列；涵括最多64轴的NJ5系列电子凸轮多轴运动控制系列。欧姆龙NJ控制器简约概括：一个Sysmac NJ控制器。外加一个Sysmac Studio软件平台，等于欧姆龙自动化全面高性能机器自动化控制。

3.4 基于NJ系统的封装机架构配置

（1）NJ501-1500 欧姆龙多功能一体化高性能控制系统；

（2）R88D-KN50F-ECT 欧姆龙伺服电机；

（3）R88D-KN20F-ECT 欧姆龙伺服电机；

（4）R88M-K5K020C 欧姆龙AC伺服电机；

（5）R88M-K2K020C 欧姆龙AC伺服电机；

（6）NS15 欧姆龙HMI。

4 合模压力解决方案

4.1 技术挑战

热熔型合模注射封装机整个设备控制关键点在于合模压力控制。合模压力控制难点在于：

（1）控制压力高：最高控制压力需要达到110T。

（2）要求精度高：控制精度要达到0.1T，精度达到千分之一。

（3）控制速度快：整个合模过程要求在2.5秒，压力控制必须在2秒内完成。[!--empirenews.page--]

（4）负载变化：下模具和传动机构上百公斤，传动机构和立柱的润滑性能导致负载变化，润滑好的情况下负载低，润滑不好负载加大。

自动封装机由伺服带动力臂传动下模上升，与固定的上模具产生压力。为了达到精确的压力控制，分析有三种备选解决方案：1.位置控制；2.转矩控制；3.增量式PID控制伺服逼近压力。

4.2位置控制

因为上模具固定，设想伺服电机上升的固定的位置会产生相同压力，把压力控制转换为伺服的绝对位置控制。但是模具安装的随机性，磨具温度导致模具膨胀的不确定性，生产中磨具磨损，原点位置偏移等诸多因素影响，在相同位置产生的压力有很大的偏差。

4.3转矩控制

转矩控制是实现压力控制常用的方法，效果显着。但转矩控制弊端在本案中有以下几点困难：

（1）转矩控制重复精度不高±2%，相同转矩产生不同压力；

（2）现场设备润滑性能改变，导致相同转矩产生不同压力；

（3）如果使用PID控制转矩，需要位置型PID，需要自己编写（NJ控制器内自带的PID是增量型的）

（4）即使自己编写了位置型PID，现场伺服电机在实现压力控制是容易产生过载（电机偏小），要达到目标压力，伺服瞬间转矩可能达到200%以上；

（5）现场采用力臂机构传动，导致负载非线性，在40-50T左右会出现一个较大转矩，之后又会降下来。

综上所述，转矩实现压力控制存在难度。

4.3增量PID控制

数字式PID闭环控制算法分为位置式PID与增量式PID 两类。增量式PID的输出的是控制增量，并无积分作用，因此该方式适用于执行机构带积分部件的对象，如步进电机，伺服电机，加热棒。位置式PID直接对对象输出，适用于执行机构不带积分部件的对象，如电液伺服阀。由于增量式PID输出的是控制量增量，如果计算机出现故障，误动作影响较小，而执行机构本身有记忆功能，可仍保持原位，不会严重影响系统的工作，而位置式PID的输出直接对应对象的输出，因此对系统影响较大。

本案通过NJ控制器PID指令（增量式），目标压力和当前压力通过PID计算得出MV，通过（运行速度* MV）作为速度，控制电机JOG，逼近目标压力。当压力越靠近，PID计算得到的MV越低，电机速度越慢，有效的防止超调的产生。

NJ控制器增量式PID控制算法（指令）经过现场调试达到控制要求。

5 注塑压力软极限解决方案

客户设备运行过程中，要求注射伺服设置软极限保护，但因为整台设备有四台压机组成，机械安装的不确定性和最终客户的要求不定，所以客户希望每台压机的注射伺服软极限可以通过触摸屏或上位机修改。从而也保证了每台机器PLC程序没有变动。

5.1 轴参数控制局限

NJ伺服软极限是通过轴参数中启用和设置，步骤如下：

（1）双击需要设定的轴参数设定：

（2）启用软极限功能，默认设置时Disabled：

（3）设定软极限位置。如下图软极限上极限设置为1000mm，软极限下极限设置为-1000mm：

这样设置的软极限固定无法修改，无法满足客户工艺要求。

5.2 使用程序设定软极限

使用程序设定软极限，把NJ自带的软极限功能关闭，通过程序对伺服当前位置判断，如果超过设定的值就通过MC_Stop或MC_ImmediateStop指令停止伺服：

但是现场调试发现伺服停下来的位置总比设定值多一点点，客户无法接受。分析原因是由于使用程序比较到达上限位置后再停止伺服，但伺服此时有速度，惯性导致伺服不能立即停止，继续往前多走一点点距离。

5.3使用MC_Write临时修改伺服软极限

使用MC_Write临时修改伺服软极限。设定要写入的参数和写入的地址，执行MC_Write即可以完成修改伺服的部分参数：

但是这种方式只能临时修改参数，当PLC重新上电后，参数恢复成轴参数中设定的值。所以要想办法在PLC上电时对所以要修改的参数进行一次写操作。

5.4 使用固定修改软极限

（1）开机延时，确保NJ启动完成，因为NJ启动时间较长：

（2）开机完成后启动第一个写入程序（写入步号=1）。然后100ms后启动下一个步号：

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（3）当所有的步号都写完了把步号置为0，停止参数写入：

5.5 运行中修改参数的写入实现

dPress[0].Prm.Xfr.PosManMax为触摸屏设定值，dPress[0].Loc.Xfr.PosManMax为上一个PLC扫描周期时设定值。当本次PLC扫描周期和上次PLC扫描周期的值不同时启动一次写入，具体程序如下：

（1）比较本周期和上周期设定值是否相同，不同则启动写入步号：

（2）写入参数和写入地址的设置，执行写入程序：

（3）把最新的值写入临时地址，保存这周期的设定值以于下一周期的值比较：

5.6方案评估

程序设定软极限方案因为伺服停的位置和设定值有偏差，客户没有采纳，最终使用MC_Write临时修改伺服软极限，较好满足用户要求。

6 线性化伺服控制

本案样机采用力臂结构传动，伺服通过同步带再通过丝杆驱动台面，台面通过力臂关节驱动下模具。这样导致：伺服转一圈下模具移动距离非线性（模具越低，伺服转一圈模具上升距离越大）；整个过程中负载非线性，传动轴大概在45°左右出现一个负载小高点，现场调试发现一般出现在40-50T时，电机实时转矩有一个高点，之后又会降下来。机械非线性是有现场机械结构决定，转矩非线性现阶段无法解决，除非改变机械结构。传动非线性设想可以通过电子凸轮功能得以纠正，可以设置一个虚轴建立一个凸轮表，直接控制虚轴，伺服电机跟随虚轴运行。

根据图4所示的装备现场实测传动数据，伺服电机和上台面传动非线性，通过数学建模软件采点拟合曲线得到多阶方程，为实现用户要求的通过控制系统编程对力学传动非线性进行修正奠定基础。

6.1 电子凸轮方案

（1）方案：采用NJ电子凸轮功能，定义一个虚轴作为主轴，现场测量得到虚轴（台面真实位置）和实轴（伺服电机位置）之间关系制成凸轮表。实轴通过凸轮表关系跟随虚轴动作。PLC只控制虚轴运动，而实际的伺服轴是实时跟随虚轴动作。PLC实际控制的是虚轴（台面位置），达到现场设备非线性的修正。

（2）分析：首先需要找到对应点，比如伺服轴在0的位置，虚轴也要在对应的0位置才能开始。启动MC_CamIN。负责对应关系错误，可能导致设备撞车。可以通过伺服轴原点搜索完成在启动MC_CamIN此时虚轴实轴都在0位置。

由于客户不想每次开机都搜索原点，所以选择绝对型伺服，上电后不允许有搜索原点的过程。即不可能每次上电都重新做一次实轴和虚轴之间的对应重置（无法消除累计误差）。实轴采用绝对性编码器可以实时反映实轴实际位置，但虚轴的位置无法在断电阶段实时根据台面位置变化而变化，这样如果在断电过程中实轴（台面）产生了相对移动，虚轴最多只能保持断电前的位置，导致虚轴和实轴的对应关系错误（实轴位置正确，虚轴位置错误），长时间这种误差会累计叠加，最终产生很大的偏差。

6.2 数学建模方案

（1）方案：通过数学建模得出伺服位置和台面位置之间的关系。正向求解较为麻烦需要准确测量各个力臂长度和角度等关系。所以选择测点反推公式的方法，现场测量伺服位置和台面位置关系点上百个，通过数学建模软件得到近似公式。根据实际精度要求和PLC计算能力选择几阶方程，选择四几阶方程得到的表达式为

实轴到虚轴的关系（公式1）

Y=5.83991*10-8*X4-2.89331*10-5*X3+1.13492*10-3*X2+1.3258*X-1.9369

虚轴到实轴的关系（公式2）

Y=7.16569*10-7*X4-1.95228*10-4*X3+0.0179*X2+0.21282*X+4.24585

（2）分析：伺服电机位置通过公式1换算成台面位置显示给客户看，客户设定值通过公式2转换为伺服应该走的目标位置。通过这种方式存在误差，1：公式是近似的，且存在常数项即X=0时Y<>0。2：通过两次计算误差叠加。客户设定位置X通过公式2换算成伺服电机目标位置Y，伺服电机准确定位到达位置Y，位置Y通过公式1换算成台面位置Y’显示给客户，但是因为公式存在误差导致Y<> Y’。现场调试发现误差最大达到3-4mm。

6.3 凸轮查表方案

尽管电子凸轮应用在这种场合存在局限，但是受到凸轮表生成曲线坐标点的原理启发，本案通过凸轮表生成精确的表格，然后通过查表方式实现位置修正。建立两张互逆凸轮表，phase pitch为0.01（修正精度为0.01mm）。通过查表方式实现转换。 修正后值：= （Cam0[修正前值*100].Distance） ：

导出的凸轮表数据如下：如果当前台面位置为0.1根据上面公式可以得到伺服位置应该为：0.0648 =（Cam0[0.1*100].Distance）即是凸轮表第十行主轴数据。以此类推很容易查到根据凸轮关系得到的转换位置。[!--empirenews.page--]

7 结束语

基于欧姆龙NJ系列高性能多功能一体化控制器的半自动芯片封装机已经现场调试成功。现场压力控制顺利实现。在压力控制过程中，尽管转矩瞬时超载高达200%，但由于时间控制未导致伺服过载。注塑压力到达后采用抱闸保压，合模压力抱闸稳定度达到工艺要求。机械传动非线性通过凸轮查表方案实现高精度线性化伺服跟踪定位，大幅度提升装备易用性。