集成電路塑封自動上料機機架部件設計及性能試驗
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南 通 大 學
畢業(yè)設計（論文）任務書
題目： 集成電路塑封自動上料機機架部件設計及性能試驗
學生姓名 王 金 權(quán)
學 院 機械工程學院
專 業(yè) 機械工程及自動化
班 級 機03（5）
學 號 0341137W
起訖日期 2007年3月31日-2007年6月20日
指導教師 姚興田 職稱 副教授
發(fā)任務書日期 2007 年 3 月 31 日
課題的內(nèi)容和要求（研究內(nèi)容、研究目標和解決的關鍵問題）
l 研究內(nèi)容：
本課題結(jié)合縱向科研項目“集成電路塑封自動上料機研制”研究需要，進行集成電路芯片塑料封裝自動上料系統(tǒng)的機架部件設計及性能試驗。自動上料系統(tǒng)主要有料片傳送部件、料片自動排片部件、工控機系統(tǒng)及傳感檢測系統(tǒng)等組成。
l 研究目標：
（1）提高學生綜合運用多學科的理論、知識和技能進行系統(tǒng)設計的能力；
（2）使學生掌握工程設計的程序、方法，提高工程設計計算、圖紙繪制、實驗研究及分析解決工程實際問題的能力；
（3）培養(yǎng)學生嚴肅認真的科學態(tài)度和嚴謹求實的工作作風，樹立正確的工程意識。
l 關鍵問題：
（1）上料機機架部件結(jié)構(gòu)設計；
（2）上料機系統(tǒng)部分性能試驗。
課題的研究方法和技術路線
查閱相關技術資料→確定課題總體技術方案→上料機機架部件結(jié)構(gòu)設計→上料機系統(tǒng)部分性能試驗。
基礎條件
l 學生具備機械設計、傳感檢測技術、電氣控制技術、機電一體化系統(tǒng)設計等知識。
l 課題組已在手工上料機械的基礎上開展了有關前期預研工作。
l 擁有相關技術資料。
參考文獻
1、俞忠鈺.大力發(fā)展我國半導體封裝業(yè)[J]. 電子工業(yè)專用設備,2005,128:1-3
2、高尚通. 跨世紀的微電子封裝[J]. 半導體情報,2000,37(6):1-7
3、張蜀平,鄭宏宇. 電子封裝的新發(fā)展.電子與封裝[J]，2004，4（1）:3-9
4、HO-Ming Tong. Microelectronics packaging: present and future[J]. Materials Chemistry and Physics ,1995,40:147-161
5、David R Hald. A Review of the Advanced Packaging Technologies[J]. Surface Mount Technologies,1997(9):54-58
6、Rao R Tummala. Importance, Status and Chllenges in Microelectronics System-level Packaging[J].In: Proceedings of the ISEPT＇98. 1998:6-11.
7、張建萍. IC自動上料夾緊機構(gòu)[J]. 電子工業(yè)專用設備,2001,30(4):41-44
8、楊恩江. 環(huán)境與靜電對集成電路封裝過程的影響[J]. 電子電路與貼裝,2004,(3):53-55
9、劉延杰,孫立寧,孟慶鑫,祝宇虹,劉新宇. 面向芯片封裝的新型高速高精度平面定位機構(gòu)研究[J]. 工具技術,2005,39(5):19-22
10、張偉鋒.IC打標設備的自動上料技術分析[J]. 電子工業(yè)專用設備，2004,118:55-61
本課題必須完成的任務
1、查閱相關文獻15篇以上；
2、翻譯英文資料1份；
3、撰寫開題報告；
4、上料機機架部件結(jié)構(gòu)設計，畫出裝配圖、零件圖；
5、上料機系統(tǒng)部分性能試驗，撰寫試驗報告；
6、撰寫畢業(yè)設計說明書。
成果形式
1、畢業(yè)設計說明書（字數(shù)不少于1萬字）；
2、英文翻譯資料1份（字數(shù)不少于5000字符）；
3、圖紙（不少于2張A0號圖紙）；
4、畢業(yè)設計資料光盤。
進度計劃
起訖日期
工作內(nèi)容
備 注
3月31日~
4月8日
查閱資料，翻譯英文文獻，撰寫開題報告
4月9日~
4月15日
確定總體技術方案
4月16日~
5月13日
上料機機架部件結(jié)構(gòu)設計
5月14日~
6月3日
上料機系統(tǒng)部分性能試驗
6月4日~
6月17日
撰寫畢業(yè)設計說明書
6月18日~
6月20日
準備畢業(yè)設計答辯
教 研 室
審核意見
教研室主任簽名： __ ______年___月___日
學院意見
教學院長簽名： __ ______年___月___日
南通大學本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告
學生姓名
王金權(quán)
學 號
0341137W
專 業(yè)
機械工程及自動化
課題名稱
集成電路塑封自動上料機機架部件設計及性能試驗
閱讀文獻
情 況
國內(nèi)文獻 12 篇
開題日期
2007年4月9日
國外文獻 5 篇
開題地點
基301（W）
一、文獻綜述與調(diào)研報告：（闡述課題研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，本課題研究的意義和價值、參考文獻）
l 課題研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
集成電路（IC）是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)和信息社會的基礎，是改造和提升我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的核心技術[1]。近年來，我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，已成為國家經(jīng)濟發(fā)展的主要驅(qū)動力量之一。在構(gòu)成集成電路產(chǎn)業(yè)的三大支柱(IC設計、IC制造和IC封裝)之中，IC封裝在推進我國集成電路產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展過程中起到了重要的作用；多年來，我國IC封裝的銷售額在國家整個集成電路產(chǎn)業(yè)中一直占有70%的份額；從某種意義上講，我國集成電路產(chǎn)業(yè)是從IC封裝開始起家的，事實證明這是一條符合我國國情的發(fā)展道路。目前，全球IC封裝技術已經(jīng)進入第三次革命性的變革時期，對我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了一次難得的發(fā)展機遇[2]。
當人類進人一個新千年的時候，蓬勃發(fā)展的計算機、通訊、汽車電子和其它消費類系統(tǒng)對IC封裝提出了更高的要求，即高性能、高可靠、多功能、小型化、薄型化、便攜式及低成本。IC封裝面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)[3]。在迎接這一挑戰(zhàn)中，世界的集成電路封裝得到了空前的發(fā)展。隨著集成電路的發(fā)展，芯片封裝技術也一直追隨著集成電路的發(fā)展而發(fā)展。一代集成電路就有相應一代的封裝技術相配合[4]。
集成電路封裝技術的發(fā)展歷史可劃分為3個階段[5-10]。第一階段(20世紀70年代之前)，以通孔插裝型封裝為主；典型的封裝形式包括最初的金屬圓形(TO 型)封裝，以及后來的陶瓷雙列直插封裝(CDIP)、陶瓷一玻璃雙列直插封裝(CerDIP)和塑料雙列直插封裝(PDIP)等。第二階段(20世紀80年代以后)，從通孔插裝型封裝向表面貼裝型封裝的轉(zhuǎn)變。從平面兩邊引線型封裝向平面四邊引線型封裝發(fā)展。表面貼裝技術被稱為電子封裝領域的一場革命，得到迅猛發(fā)展。第三階段(20世紀90年代以后)，集成電路發(fā)展進入超大規(guī)模集成電路時代，特征尺寸達到0.18～0.25 mm ，要求集成電路封裝向更高密度和更高速度方向發(fā)展。
目前，世界集成電路封裝正在呈現(xiàn)下述快速發(fā)展趨勢：（1）為適應超大規(guī)模集成電路向著高密度、高I／O數(shù)方向的發(fā)展需求，IC封裝正在從四邊引線封裝形式(QFP／TQFP )向球柵陣列封裝形式(BGA／CSP )轉(zhuǎn)變，信號傳輸由微型焊球代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬絲引線，信號輸出由平面陣列方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四邊引線方式。這是由兩邊引線向四邊引線、由通孔插裝向表面貼裝為代表的第二次IC封裝的革命性技術變革后的第三次技術變革。（2）為適應快速增長的以手機、筆記本電腦、平板顯示等為代表的便攜式電子產(chǎn)品的需求，IC封裝正在向著微型化、薄型化、不對稱化、低成本化方向發(fā)展。（3）為適應人們?nèi)找娓邼q的綠色環(huán)保要求，集成電路封裝正在向著無鉛化、無溴阻燃化、無毒低毒化方向快速發(fā)展，這對傳統(tǒng)的IC封裝及其封裝材料提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。
全球集成電路封裝正在按照既定的規(guī)律，蓬勃地向前發(fā)展，呈現(xiàn)出8個發(fā)展方向：（1）向著高密度、多I／O數(shù)方向發(fā)展；（2 ）向著提高表面貼裝密度方向發(fā)展；（3）向著高頻、大功率方向發(fā)展；（4）向著薄型化、微型化、不對稱化、低成本化方向發(fā)展；（5）從單芯片封裝向多芯片封裝發(fā)展；（6）從兩維平面封裝向三維立體封裝方向發(fā)展；（7）向著系統(tǒng)封裝(SIP )方向發(fā)展；（8）向著綠色環(huán)?；较虬l(fā)展。
隨著電子工業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，使集成電路封裝業(yè)的市場規(guī)模越來越大，對集成電路封裝設備的自動化程度和技術含量也提出了更高的要求[11]。另外半導體集成電路在封裝過程中，環(huán)境因素和靜電因素對IC封裝方面的影響較大[12]。隨著IC的集成度和復雜性越來越高，污染控制、環(huán)境保護和靜電防護技術就越來越影響或制約微電子技術的發(fā)展。因此，在集成電路生產(chǎn)、封裝中的前后道各工序?qū)ιa(chǎn)環(huán)境提出了更高要求，不僅僅要保持一定的溫、濕度、潔凈度，還需要對靜電防護引起足夠的重視。為了解決這些問題，除了通過嚴格和苛刻的凈化、管理生產(chǎn)車間，在IC的加工生產(chǎn)和封裝過程中建立起靜電防護系統(tǒng)等措施外，最重要的還是盡可能的減少人為因素對生產(chǎn)過程的影響，用自動化設備代替人力在生產(chǎn)過程中的參與。這樣既可減少環(huán)境對集成電路生產(chǎn)封裝的影響，又可提高生產(chǎn)效率。而芯片封裝是IC制造過程中影響微電子產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和性能質(zhì)量的關鍵環(huán)節(jié)之一。半導體制造工藝的快速進步和市場對微小芯片的急切需求，對芯片封裝設備的定位精度和運動速度、加速度提出了極高的要求[13]。
l 本課題研究的意義和價值
本課題主要進行集成電路芯片塑料封裝自動上料系統(tǒng)機架部件的設計及性能試驗。研制自動上料系統(tǒng)，可代替手工上料，填補手工上料在集成電路芯片封裝生產(chǎn)工藝上的不足。就目前國內(nèi)外關于集成電路封裝的文獻表明，技術水平上，盡管我國集成電路產(chǎn)業(yè)在近幾年有了快速的發(fā)展，但在總體上與發(fā)達國家相比，還存在很大的差距[14]。就半導體生產(chǎn)設備而言，主要還依靠進口，另外在國內(nèi)封裝生產(chǎn)線上IC封裝設備的自動化程度參差不齊[15]。在市場方面，南通富士通、江蘇長電、四川樂山無線電公司等國內(nèi)大型封裝企業(yè)國內(nèi)封裝企業(yè)迅速發(fā)展，跨國半導體企業(yè)繼續(xù)將封裝測試基地轉(zhuǎn)移到國內(nèi)，專家預測今后幾年中國集成電路市場將以每年30%左右的增長速度增長，到2009年市場規(guī)模將達到9475億元[16-17]。面對蓬勃發(fā)展的IC封裝業(yè)，面對中國巨大的市場需求，本課題研制的集成電路塑封自動上料機將具有廣闊的應用前景和市場價值。
l 參考文獻
[1] 于燮康.自強不息、優(yōu)先發(fā)展、努力做大做好半導體封裝產(chǎn)業(yè)[J]. 電子工業(yè)專用設備,2003,(107):4-7
[2] 范琳. 微電子封裝技術與聚合物封裝材料的發(fā)展趨勢[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2005, (8 ): 39-46
[3] 高尚通. 跨世紀的微電子封裝[J]. 半導體情報,2000,37(6):1-7
[4] 梁紅兵.芯片封裝技術:追隨IC的發(fā)展而發(fā)展[J].集成電路應用,2002:22
[5] 張蜀平,鄭宏宇. 電子封裝的新發(fā)展.電子與封裝[J]，2004，4（1）:3-9
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[8] David R Hald. A Review of the Advanced Packaging Technologies[J]. Surface Mount Technologies,1997(9):54-58
[9] John H Lau. BGA、CSP、DCA and Flip-Chip Technology[J]. In: Proceedings of the ISEP＇96. 1996:20-27.
[10] Rao R Tummala. Importance, Status and Chllenges in Microelectronics System-level Packaging[J].In: Proceedings of the ISEPT＇98. 1998:6-11.
[11] 張建萍. IC自動上料夾緊機構(gòu)[J]. 電子工業(yè)專用設備,2001,30(4):41-44
[12] 楊恩江. 環(huán)境與靜電對集成電路封裝過程的影響[J]. 電子電路與貼裝,2004,(3):53-55
[13] 劉延杰,孫立寧,孟慶鑫,祝宇虹,劉新宇.面向芯片封裝的新型高速高精度平面定位機構(gòu)研究[J]. 工具技術,2005,39(5):19-22
[14] 關白玉.2002-2003年集成電路與專用設備發(fā)展狀況[J].IC制造技術，2004,29(3):54-57
[15] 張偉鋒.IC打標設備的自動上料技術分析[J]. 電子工業(yè)專用設備，2004,118:55-61
[16] 俞忠鈺.大力發(fā)展我國半導體封裝業(yè)[J]. 電子工業(yè)專用設備,2005,128:1-3
[17] 龍樂.國內(nèi)外集成電路封裝產(chǎn)業(yè)評述.電子與封裝[J]，2003,3(9):6-9
二、本課題的基本內(nèi)容，預計解決的難題
● 基本內(nèi)容
本課題結(jié)合縱向科研項目“集成電路塑封自動上料機研制”研究需要，進行集成電路芯片塑料封裝自動上料系統(tǒng)的機架部件設計及性能試驗。系統(tǒng)主要有料片傳送部件、料片自動排片部件、工控機系統(tǒng)及傳感檢測系統(tǒng)等組成。
● 預計解決的難題
（1） 上料機機架部件結(jié)構(gòu)設計
（2） 上料機系統(tǒng)部分性能試驗
三、課題的研究方法、技術路線
查閱相關技術資料→確定課題總體設計方案→上料機機架部件結(jié)構(gòu)設計→上料機系統(tǒng)部分性能試驗。
四、研究工作條件和基礎
●課題組已在手工上料機械的基礎上開展了有關前期預研工作
●計算機
●相關技術資料
五、計劃進度
起訖日期
工作內(nèi)容
3月31日～
4月8日
查閱資料，翻譯英文文獻，撰寫開題報告
4月9日～
4月15日
確定總體設計方案
4月16日～
5月13日
上料機機架部件結(jié)構(gòu)設計
5月14日～
6月3日
上料機系統(tǒng)部分性能試驗
6月4日～
6月17日
撰寫畢業(yè)設計說明書
6月18日～
6月20日
準備畢業(yè)設計答辯
指
導
教
師
評
語
導師簽名： 年 月 日
教
研
室
意
見
教研室主任簽名： 年 月 日
學院
意見
通過開題（ ）
開題不通過（ ）
教學院長簽名： 年 月 日
南通大學畢業(yè)設計（論文）立題卡
課題名稱
集成電路塑封自動上料機機架部件設計及性能試驗
出題人
姚興田
課題表述（簡述課題的背景、目的、意義、主要內(nèi)容、完成課題的條件、成果形式等）
1、目的、意義：
本課題結(jié)合縱向科研項目“集成電路塑封自動上料機研制”研究需要，進行集成電路芯片塑料封裝自動上料系統(tǒng)的機架部件設計及性能試驗。
2、主要內(nèi)容：
系統(tǒng)主要有料片傳送部件、料片自動排片部件、工控機系統(tǒng)及傳感檢測系統(tǒng)等組成。要求：（1）查閱相關技術資料，確定課題總體設計方案；（2）機架部件結(jié)構(gòu)設計；（3）部分性能試驗。
3、現(xiàn)有條件：
課題組已在手工上料機械的基礎上開展了有關前期預研工作。
4、成果形式：
（1）畢業(yè)設計說明書（1萬字）；（2）機架部件結(jié)構(gòu)圖、主要零部件圖（折合A0號圖紙2張）；（3）性能試驗報告。
5、其它：
（1）查閱文獻15篇，完成英文翻譯（5000字）；（2）完成AutoCAD零件圖。
課題來源
科研
課題類別
畢業(yè)設計
該 課 題對 學 生的 要 求
所需知識：機械設計、傳感檢測技術、電氣控制技術、機電一體化系統(tǒng)設計等。
教 研 室意 見
經(jīng)審核，該課題工作量、難易程度適中，符合機械工程及自動化專業(yè)培養(yǎng)目標和要求。建議同意立題。
教研室主任簽名：______________
________年________月________日
學院意見
同意立題（ ?。?
不同意立題（ ?。? 教學院長簽名：______________
________年________月________日
注：1、此表一式三份，學院、教研室、學生檔案各一份。
2、課題來源是指：1.科研，2.社會生產(chǎn)實際，3. 其他。
3、課題類別是指：1.畢業(yè)論文，2.畢業(yè)設計。
4、教研室意見：在組織專業(yè)指導委員會審核后，就該課題的工作量大小，難易程度及是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標和要求等內(nèi)容提出具體的意見和建議。
5、學院可根據(jù)專業(yè)特點，可對該表格進行適當?shù)男薷摹?
本 科 畢 業(yè) 設 計
題
目
集成電路塑封自動上料機機架部件設計及性能試驗
作 者： 王金權(quán)
學科專業(yè)： 機械工程及自動化
指導教師： 姚興田
完成日期： 2007年6月
原 創(chuàng) 性 聲 明
本人聲明：所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究成果。除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。
簽 名： 日 期：
本論文使用授權(quán)說明
本人完全了解南通大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權(quán)保留論文及送交論文復印件，允許論文被查閱和借閱；學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容。
（保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定）
學生簽名： 指導教師簽名： 日期：
南 通 大 學
畢 業(yè) 設 計（論文）
題目：集成電路塑封自動上料機機架部件設計及性能試驗
姓 名： 王金權(quán)
指導教師： 姚興田
學科專業(yè)：機械工程及自動化
南通大學機械工程學院
2007年06月
南通大學畢業(yè)設計（論文）
摘 要
本課題結(jié)合縱向科研項目“集成電路塑封自動上料機研制”研究需要，首先進行了課題總體技術方案設計，然后進行了集成電路芯片塑料封裝自動上料系統(tǒng)的機架部件結(jié)構(gòu)設計及性能試驗方案的擬定。自動上料系統(tǒng)的研制實現(xiàn)了集成電路塑封的自動化，該系統(tǒng)適用于DIP、QFP、SOP、TO等系列集成電路芯片的塑封生產(chǎn)，可顯著提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。自動上料系統(tǒng)主要由料片傳送部件、料片自動排片部件、工控機系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)及上料機機架部件等組成。上料機機架部件采用鈑金結(jié)構(gòu)制造，結(jié)構(gòu)簡單且使用方便。上料機機架部件作為上料機一個重要的基礎結(jié)構(gòu)部件，起到支撐工作臺、安裝和保護電子設備內(nèi)部各種電路單元、電氣元器件等重要元件的作用。
關鍵詞：集成電路，塑封，上料，自動化，機架部件
ABSTRACT
Based on the longitudinal research topic “IC Plastic automatic feeding machine” research needs, firstly the issue of the overall technical program was designed, then the IC chip plastic packages automatic feeding system on the rack components was designed and the performance was tested. An automatic leader system was designed that realized automation for plastic package of integrated circuit. The system can be applied to the plastic package for DIP、QFP、SOP and TO series integrated circuits. The production efficiency and the product quality would be improved greatly. The system consists mainly of transmission components, materials unit automatic film parts, industrial computer systems, sensing detection system and the rack components and so on. The rack components of the automatic feeding machine was made by Sheet-metal structure, the structure is simple and easy to use. The rack components as an important infrastructure components of the feeding machine, it play a role in supporting workstations, installation and protection of electronic equipment within various circuit modules, electrical components and other important components.
Key words: Integrated circuit, Plastic package, Load, Automation, Rack components
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 緒 論 1
1.1課題研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1
1.2課題研究的基本內(nèi)容 2
1.3課題研究的意義和價值 2
第二章 集成電路封裝概述 4
2.1 集成電路 4
2.1.1 概念 4
2.1.2 類型 4
2.1.3 集成電路在我國的發(fā)展狀況 5
2.2 集成電路封裝 5
2.2.1 封裝的發(fā)展 5
2.2.2 塑料封裝 7
2.2.3 環(huán)境因素對封裝的影響 7
2.3 封裝設備 9
2.3.1 集成電路芯片塑料封裝設備 9
2.3.2 國內(nèi)外集成電路塑封設備的概況 10
2.4 機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的設計 10
第三章 上料機系統(tǒng)設計 12
3.1 系統(tǒng)總體設計 12
3.1.1集成電路塑封上料的技術要求及其指標 12
3.1.2系統(tǒng)組成及工作過程 12
3.1.3系統(tǒng)特點 14
3.2上料機機架部件結(jié)構(gòu)設計 14
3.2.1機架部件設計準則 14
3.2.2機架部件結(jié)構(gòu)設計 15
3.3性能試驗方案擬定 17
第四章 結(jié)論與展望 20
參考文獻 21
致 謝 22
24
第一章 緒 論
1.1 課題研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
集成電路（IC）是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)和信息社會的基礎，是改造和提升我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的核心技術。近年來，我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，已成為國家經(jīng)濟發(fā)展的主要驅(qū)動力量之一。在構(gòu)成集成電路產(chǎn)業(yè)的三大支柱(IC設計、IC制造和IC封裝)之中，IC封裝在推進我國集成電路產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展過程中起到了重要的作用；多年來，我國IC封裝的銷售額在國家整個集成電路產(chǎn)業(yè)中一直占有70%的份額；從某種意義上講，我國集成電路產(chǎn)業(yè)是從IC封裝開始起家的，事實證明這是一條符合我國國情的發(fā)展道路。目前，全球IC封裝技術已經(jīng)進入第三次革命性的變革時期，對我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了一次難得的發(fā)展機遇。
當人類進人一個新千年的時候，蓬勃發(fā)展的計算機、通訊、汽車電子和其它消費類系統(tǒng)對IC封裝提出了更高的要求，即高性能、高可靠、多功能、小型化、薄型化、便攜式及低成本。IC封裝面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。在迎接這一挑戰(zhàn)中，世界的集成電路封裝得到了空前的發(fā)展。隨著集成電路的發(fā)展，芯片封裝技術也一直追隨著集成電路的發(fā)展而發(fā)展。一代集成電路就有相應一代的封裝技術相配合。
集成電路封裝技術的發(fā)展歷史可劃分為3個階段。第一階段(2 0世紀7 0年代之前)，以通孔插裝型封裝為主；典型的封裝形式包括最初的金屬圓形(T O 型)封裝，以及后來的陶瓷雙列直插封裝(C D I P)、陶瓷一玻璃雙列直插封裝(C e r D I P)和塑料雙列直插封裝(P D I P)等。第二階段(2 0世紀8 0年代以后)，從通孔插裝型封裝向表面貼裝型封裝的轉(zhuǎn)變。從平面兩邊引線型封裝向平面四邊引線型封裝發(fā)展。表面貼裝技術被稱為電子封裝領域的一場革命，得到迅猛發(fā)展。第三階段(2 0世紀9 0年代以后)，集成電路發(fā)展進入超大規(guī)模集成電路時代，特征尺寸達到0.1 8～0.2 5 mm ，要求集成電路封裝向更高密度和更高速度方向發(fā)展。
目前，世界集成電路封裝正在呈現(xiàn)下述快速發(fā)展趨勢：（1）為適應超大規(guī)模集成電路向著高密度、高I／O數(shù)方向的發(fā)展需求，IC封裝正在從四邊引線封裝形式(Q F P／T Q F P )向球柵陣列封裝形式(B G A／C S P )轉(zhuǎn)變，信號傳輸由微型焊球代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬絲引線，信號輸出由平面陣列方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四邊引線方式。這是由兩邊引線向四邊引線、由通孔插裝向表面貼裝為代表的第二次IC封裝的革命性技術變革后的第三次技術變革。（2）為適應快速增長的以手機、筆記本電腦、平板顯示等為代表的便攜式電子產(chǎn)品的需求，IC封裝正在向著微型化、薄型化、不對稱化、低成本化方向發(fā)展。（3）為適應人們?nèi)找娓邼q的綠色環(huán)保要求，集成電路封裝正在向著無鉛化、無溴阻燃化、無毒低毒化方向快速發(fā)展，這對傳統(tǒng)的IC封裝及其封裝材料提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。
全球集成電路封裝正在按照既定的規(guī)律，蓬勃地向前發(fā)展，呈現(xiàn)出8個發(fā)展方向：（1）向著高密度、多I／O數(shù)方向發(fā)展；（2 ）向著提高表面貼裝密度方向發(fā)展；（3）向著高頻、大功率方向發(fā)展；（4）向著薄型化、微型化、不對稱化、低成本化方向發(fā)展；（5）從單芯片封裝向多芯片封裝發(fā)展；（6）從兩維平面封裝向三維立體封裝方向發(fā)展；（7）向著系統(tǒng)封裝(S l P )方向發(fā)展；（8）向著綠色環(huán)保化方向發(fā)展。
1.2 課題研究的基本內(nèi)容
本課題結(jié)合縱向科研項目“集成電路塑封自動上料機研制”研究需要，首先進行了課題總體技術方案設計，然后進行集成電路芯片塑料封裝自動上料系統(tǒng)的機架部件結(jié)構(gòu)設計及性能試驗方案的擬定。系統(tǒng)主要有料片傳送部件、料片自動排片部件、工控機系統(tǒng)及傳感檢測系統(tǒng)等組成。
為實現(xiàn)集成電路芯片塑封的自動化，設計了自動上料系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多運動同步控制技術實現(xiàn)料片傳送、料片排放及料片預熱的自動控制；采用大導程滾珠絲桿副和高分辨率伺服系統(tǒng)保證機械手的快速精確定位；采用柔性流道結(jié)構(gòu)，適應不同規(guī)格集成電路料片的自動上料；并基于Windows2000開發(fā)了專用工控軟件。該系統(tǒng)適用于DIP、QFP、SOP、TO等系列集成電路芯片的塑封生產(chǎn)，可顯著提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。
基本研究設計內(nèi)容包括：
（1）課題總體技術方案設計；
（2）上料機機架部件結(jié)構(gòu)設計；
（3）上料機系統(tǒng)部分性能試驗。
1.3 課題研究的意義和價值
隨著電子工業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，使集成電路封裝業(yè)的市場規(guī)模越來越大，對集成電路封裝設備的自動化程度和技術含量也提出了更高的要求。另外半導體集成電路在封裝過程中，環(huán)境因素和靜電因素對IC封裝方面的影響較大。隨著IC的集成度和復雜性越來越高，污染控制、環(huán)境保護和靜電防護技術就越來越影響或制約微電子技術的發(fā)展。因此，在集成電路生產(chǎn)、封裝中的前后道各工序?qū)ιa(chǎn)環(huán)境提出了更高要求，不僅僅要保持一定的溫、濕度、潔凈度，還需要對靜電防護引起足夠的重視。為了解決這些問題，除了通過嚴格和苛刻的凈化、管理生產(chǎn)車間，在IC的加工生產(chǎn)和封裝過程中建立起靜電防護系統(tǒng)等措施外，最重要的還是盡可能的減少人為因素對生產(chǎn)過程的影響，用自動化設備代替人力在生產(chǎn)過程中的參與。這樣既可減少環(huán)境對集成電路生產(chǎn)封裝的影響，又可提高生產(chǎn)效率。而芯片封裝是IC制造過程中影響微電子產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和性能質(zhì)量的關鍵環(huán)節(jié)之一。半導體制造工藝的快速進步和市場對微小芯片的急切需求，對芯片封裝設備的定位精度和運動速度、加速度提出了極高的要求。
本課題主要進行集成電路芯片塑料封裝自動上料系統(tǒng)的設計及性能試驗。研制集成電路芯片塑料封裝自動上料系統(tǒng)，可代替手工上料，填補手工上料在集成電路芯片封裝生產(chǎn)工藝上的不足。就目前國內(nèi)外關于集成電路封裝的文獻表明，技術水平上，盡管我國集成電路產(chǎn)業(yè)在近幾年有了快速的發(fā)展，但在總體上與發(fā)達國家相比，還存在很大的差距。就半導體生產(chǎn)設備而言，主要還依靠進口，另外在國內(nèi)封裝生產(chǎn)線上IC封裝設備的自動化程度參差不齊。在市場方面，南通富士通、江蘇長電、四川樂山無線電公司等國內(nèi)大型封裝企業(yè)國內(nèi)封裝企業(yè)迅速發(fā)展，跨國半導體企業(yè)繼續(xù)將封裝測試基地轉(zhuǎn)移到國內(nèi)，專家預測今后幾年中國集成電路市場將以每年30%左右的增長速度增長，到2009年市場規(guī)模將達到9475億元。面對蓬勃發(fā)展的IC封裝業(yè)，面對中國巨大的市場需求，本課題研制的集成電路塑封自動上料機將具有廣闊的應用前景和市場價值。
第二章 集成電路封裝概述
2.1 集成電路
2.1.1 概念
集成電路（Integrated Circuit, 通常簡稱IC) ,又稱為集成電路。是指將很多微電子器件集成在芯片上的一種高級微電子器件。通常使用硅為基礎材料，在上面通過擴散或滲透技術形成N型和P型半導體及P－N結(jié)。集成電路是采用半導體制作工藝，在一塊較小的單晶硅片上制作上許多晶體管及電阻器、電容器等元器件，并按照多層布線或遂道布線的方法將元器件組合成完整的電子電路。
2.1.2 類型
（1）按功能結(jié)構(gòu)分類
集成電路按其功能、結(jié)構(gòu)的不同，可以分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。
模擬集成電路用來產(chǎn)生、放大和處理各種模擬信號（指幅度隨時間邊疆變化的信號。例如半導體收音機的音頻信號、錄放機的磁帶信號等），而數(shù)字集成電路用來產(chǎn)生、放大和處理各種數(shù)字信號（指在時間上和幅度上離散取值的信號。例如VCD、DVD重放的音頻信號和視頻信號）。
（2）按制作工藝分類
集成電路按制作工藝可分為半導體集成電路和薄膜集成電路。
膜集成電路又分類厚膜集成電路和薄膜集成電路。
（3）按集成度高低分類
集成電路按集成度高低的不同可分為小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路。它是以內(nèi)含晶體管等電子組件的數(shù)量來分類。
? SSI (小型集成電路)，晶體管數(shù) 10～100
? MSI (中型集成電路)，晶體管數(shù) 100～1,000
? LSI (大規(guī)模集成電路)，晶體管數(shù) 1,000～10,0000
? VLSI (超大規(guī)模集成電路)，晶體管數(shù) 100,000～
（4）按導電類型不同分類
集成電路按導電類型可分為雙極型集成電路和單極型集成電路。
雙極型集成電路的制作工藝復雜，功耗較大，代表集成電路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等類型。單極型集成電路的制作工藝簡單，功耗也較低，易于制成大規(guī)模集成電路，代表集成電路有CMOS、NMOS、PMOS等類型。
（5）按用途分類
集成電路按用途可分為電視機用集成電路、音響用集成電路、影碟機用集成電路、錄像機用集成電路、電腦（微機）用集成電路、電子琴用集成電路、通信用集成電路、照相機用集成電路、遙控集成電路、語言集成電路、報警器用集成電路及各種專用集成電路。
2.1.3 集成電路在我國的發(fā)展狀況
現(xiàn)代發(fā)達國家經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱之一——集成電路(以下稱IC)產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速。 自從1958年世界上第一塊IC問世以來，特別是近20年來，幾乎每隔2—3年就有一代產(chǎn)品問世，至目前，產(chǎn)品以由初期的小規(guī)模IC發(fā)展到當今的超大規(guī)模IC。
集成電路是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)和信息社會的基礎，是改造和提升我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的核心技術。近年來，我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，已成為國家經(jīng)濟發(fā)展的主要驅(qū)動力量之一。在構(gòu)成集成電路產(chǎn)業(yè)的三大支柱（ 集成電路設計、集成電路制造和集成電路封裝）之中，集成電路封裝在推進我國集成電路產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展過程中起到了重要的作用；多年來，我國集成電路封裝的銷售額在國家整個集成電路產(chǎn)業(yè)中一直占有7 0 % 的份額；從某種意義上講，我國集成電路產(chǎn)業(yè)是從集成電路封裝開始起家的，事實證明這是一條符合我國國情的發(fā)展道路。目前，全球集成電路封裝技術已經(jīng)進入第三次革命性的變革時期，對我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了一次難得的發(fā)展機遇。集成電路作為信息產(chǎn)業(yè)的基礎和高新技術產(chǎn)業(yè)的核心，已被列為國家重點發(fā)展的領域。尤其是國務院18號文的頒布實施，為我國半導體(集成電路、分立器件)的封裝產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了良好的政策環(huán)境。我們又迎來了封裝產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的大好時機。
2.2 集成電路封裝
2.2.1 封裝的發(fā)展
集成電路封裝技術的發(fā)展歷史可劃分為3 個階段。
第一階段（2 0 世紀7 0 年代之前），以通孔插裝型封裝為主；典型的封裝形式包括最初的金屬圓形( T O 型) 封裝，以及后來的陶瓷雙列直插封裝( C D I P ) 、陶瓷- 玻璃雙列直插封裝( C e r D I P ) 和塑料雙列直插封裝( P D I P ) 等；其中的P D I P ，由于其性能優(yōu)良、成本低廉，同時又適于大批量生產(chǎn)而成為這一階段的主流產(chǎn)品。
第二階段（2 0 世紀8 0 年代以后），從通孔插裝型封裝向表面貼裝型封裝的轉(zhuǎn)變，從平面兩邊引線型封裝向平面四邊引線型封裝發(fā)展。表面貼裝技術被稱為電子封裝領域的一場革命，得到迅猛發(fā)展。與之相適應，一些適應表面貼裝技術的封裝形式，如塑料有引線片式載體（P L C C）、塑料四邊引線扁平封裝（P Q F P）、塑料小外形封裝（P S O P）以及無引線四邊扁平封裝（P Q F N）等封裝形式應運而生，迅速發(fā)展。其中的P Q F P，由于密度高、引線節(jié)距小、成本低并適于表面安裝，成為這一時期的主導產(chǎn)品。
第三階段（ 2 0 世紀9 0 年代以后），集成電路發(fā)展進入超大規(guī)模集成電路時代，特征尺寸達到0.1 8 ~ 0.2 5mm，要求集成電路封裝向更高密度和更高速度方向發(fā)展。因此，集成電路封裝的引線方式從平面四邊引線型向平面球柵陣列型封裝發(fā)展，引線技術從金屬引線向微型焊球方向發(fā)展。在此背景下，焊球陣列封裝（B G A ）獲得迅猛發(fā)展，并成為主流產(chǎn)品。B G A 按封裝基板不同可分為塑料焊球陣列封裝（P B G A ），陶瓷焊球陣列封裝（C B G A ），載帶焊球陣列封裝（T B G A ），帶散熱器焊球陣列封裝( E B G A )，以及倒裝芯片焊球陣列封裝（F C - B G A ）等。為適應手機、筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品小、輕、薄、低成本等需求，在B G A 的基礎上又發(fā)展了芯片級封裝（C S P ）；C S P 又包括引線框架型C S P 、柔性插入板C S P 、剛性插入板C S P 、圓片級C S P 等各種形式，目前處于快速發(fā)展階段。同時，多芯片組件（M C M）和系統(tǒng)封裝（ S i P ）也在蓬勃發(fā)展，這可能孕育著電子封裝的下一場革命性變革。M C M 按照基板材料的不同分為多層陶瓷基板M C M（M C M - C）、多層薄膜基板M C M（M C M - D）、多層印制板MCM（M C M - L）和厚薄膜混合基板MCM（MCM-C/D）等多種形式。S i P 是為整機系統(tǒng)小型化的需要，提高集成電路功能和密度而發(fā)展起來的。S I P 使用成熟的組裝和互連技術，把各種集成電路如C M O S電路、G a A s電路、S i G e 電路或者光電子器件、M E M S 器件以及各類無源元件如電阻、電容、電感等集成到一個封裝體內(nèi)，實現(xiàn)整機系統(tǒng)的功能。
目前，全球集成電路封裝正在按照既定的規(guī)律蓬勃地向前發(fā)展，呈現(xiàn)出8個發(fā)展方向：
（1）向著高密度、多I / O 數(shù)方向發(fā)展；
（2）向著提高表面貼裝密度方向發(fā)展；
（3）向著高頻、大功率方向發(fā)展；
（4）向著薄型化、微型化、不對稱化、低成本化方向發(fā)展；
（5）從單芯片封裝向多芯片封裝發(fā)展；
（6）從兩維平面封裝向三維立體封裝方向發(fā)展；
（7）向著系統(tǒng)封裝（S I P ）方向發(fā)展；
（8）向著綠色環(huán)?；较虬l(fā)展。
目前，世界集成電路封裝正在呈現(xiàn)下述快速發(fā)展趨勢：
（1）為適應超大規(guī)模集成電路向著高密度、高I／O數(shù)方向的發(fā)展需求，IC封裝正在從四邊引線封裝形式(Q F P／T Q F P)向球柵陣列封裝形式(B G A／C S P)轉(zhuǎn)變，信號傳輸由微型焊球代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬絲引線，信號輸出由平面陣列方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四邊引線方式。這是由兩邊引線向四邊引線、由通孔插裝向表面貼裝為代表的第二次IC封裝的革命性技術變革后的第三次技術變革。
（2）為適應快速增長的以手機、筆記本電腦、平板顯示等為代表的便攜式電子產(chǎn)品的需求，IC封裝正在向著微型化、薄型化、不對稱化、低成本化方向發(fā)展。
（3）為適應人們?nèi)找娓邼q的綠色環(huán)保要求，集成電路封裝正在向著無鉛化、無溴阻燃化、無毒低毒化方向快速發(fā)展，這對傳統(tǒng)的IC封裝及其封裝材料提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。
2.2.2 塑料封裝
在集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中，電路設計、芯片制造、封裝測試等多業(yè)并舉，相互依存。封裝作為集成電路生產(chǎn)中極為重要的后道工序。集成電路的封裝成型工藝有金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝和塑料封裝。塑料封裝（簡稱塑封）就是用塑封料把支撐集成電路芯片的引線框架、集成電路芯片和鍵合引線包封起來，從而在裸露的集成電路芯片外表面形成塑封體，保護芯片免受機械應力熱應力、濕氣、有害氣體及外部環(huán)境的影響，保證集成電路最大限度地發(fā)揮其電學特性。金屬陶瓷玻璃封裝具有良好的氣密性，是早期主要的封裝成型工藝。上世紀60年代塑料封裝的出現(xiàn)改變了集成電路封裝成型工藝的現(xiàn)狀，由于塑料封裝制造成本只有同類其他封裝的1/3~1/10，同時上世紀80年代后，高純度、低應力的塑封材料，高質(zhì)量的芯片鈍化、芯片粘接、內(nèi)涂覆材料、引線鍵合、加速篩選工藝及自動模制等新材料、新工藝、新技術有了長足的進步，使得塑封集成電路的可靠性逐步趕上金屬封裝和陶瓷封裝，因此塑料封裝成了目前集成電路的主流封裝成型工藝，塑封集成電路的市場占有率達到90%以上。
塑封操作過程為：首先，將引線框架、集成電路芯片和鍵合引線構(gòu)成的料片配置在加熱的塑封模下模內(nèi)；然后合模，在壓機上將塑封料注入模具并固化；最后，卸模，將流道塑封料與料片分離。料片置入塑封模的過程成為上料，上料是極其重要的一個工序。上料的位置精度決定芯片在塑封體內(nèi)的位置，上料的時間影響塑封的生產(chǎn)效率，特別是在上料過程中要避免人手的直接接觸，否則易造成芯片污染，影響成品的電學特性，同時易引起鍵合引線變形，甚至折斷，影響成品合格率。
2.2.3 環(huán)境因素對封裝的影響
隨著集成電路的集成度和復雜性越來越高，污染控制、環(huán)境保護和靜電防護技術就越來越影響或制約微電子技術的發(fā)展。同時，隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定增長和生產(chǎn)技術的不斷創(chuàng)新發(fā)展，生產(chǎn)工藝對生產(chǎn)環(huán)境的要求越來越高。大規(guī)模和超大規(guī)模IC生產(chǎn)中的前后道各工序?qū)ιa(chǎn)環(huán)境提出了更高要求，不僅僅要保持一定的溫、濕度、潔凈度，還需要對靜電防護引起足夠的重視。
在半導體集成電路生產(chǎn)中，封裝形式由早期的金屬封裝或陶瓷封裝逐漸向塑料封裝方向發(fā)展。塑料封裝業(yè)隨著IC業(yè)快速發(fā)展而同步發(fā)展。據(jù)中國半導體信息網(wǎng)對我國國內(nèi)28家重點IC制造業(yè)的IC總產(chǎn)量統(tǒng)計，在2001年那年就為44.12億塊，其中95％以上的IC產(chǎn)品都采用塑料封裝形式。眾所周知，封裝業(yè)屬于整個IC生產(chǎn)中的后道生產(chǎn)過程，在該過程中，對于塑封IC、混合IC或單片IC，主要有晶圓減薄(磨片)、晶圓切割(劃片)、上芯(粘片)、壓焊(鍵合)、封裝(包封)、前固化、電鍍、打印、后固化、切筋、裝管、封后測試等等工序。各工序?qū)Σ煌墓に嚟h(huán)境都有不同的要求。工藝環(huán)境因素主要包括空氣潔凈度、高純水、壓縮空氣、二氧化碳氣體、氮氣、溫度、濕度等等。對于減薄、劃片、上芯、前固化、壓焊、包封等工序原則上要求必須在超凈廠房內(nèi)設立，因在以上各工序中，IC內(nèi)核——芯粒始終裸露在外，直到包封工序后，芯粒才被環(huán)氧樹脂包裹起來。這樣，包封以后不僅能對IC芯粒起著機械保護和引線向外電學連接的功能，而且對整個芯片的各種參數(shù)、性能及質(zhì)量都起著根本的保持作用。在以上各工序中，哪個環(huán)節(jié)或因素不合要求都將造成芯粒的報廢，所以說，凈化區(qū)內(nèi)工序?qū)Νh(huán)境諸因素要求比較嚴格和苛刻。
主要環(huán)境的影響因素：
（1）空調(diào)系統(tǒng)中潔凈度的影響
對于凈化空調(diào)系統(tǒng)來講，空氣調(diào)節(jié)區(qū)域的潔凈度是最重要的技術參數(shù)之一。潔凈廠房的潔凈級別常以單位體積的空氣中最大允許的顆粒數(shù)即粒子計數(shù)濃度來衡量。對IC封裝來說，凈化區(qū)內(nèi)的各工序的潔凈度至少必須達到l級。
（2）超純水的影響
IC的生產(chǎn)，包括IC封裝，大多數(shù)工序都需要超純水進行清洗，晶圓及工件與水直接接觸，在封裝過程中的減薄工序和劃片工序，更是離不開超純水，一方面晶圓在減薄和劃片過程中的硅粉雜質(zhì)得到洗凈，而另一方面純水中的微量雜質(zhì)又可能使芯粒再污染，這毫無疑問將對封裝后的IC質(zhì)量有著極大的影響。在半導體制造工藝中，大約有80％以上的工藝直接或間接與超純水，并且大約有一半以上工序，硅片與水接觸后，緊接著就進人高溫過程，若此時水中含有雜質(zhì)就會進人硅片而導致IC器件性能下降、成品率降低。確切一點說，向生產(chǎn)線提供穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的超純水將涉及到企業(yè)的成本問題。
（3）純氣的影響
在IC的加工與制造封裝中，高純的氣體可作為保護氣、置換氣、運載氣、反應氣等，為保證芯片加工與封裝的成品率和可靠性，其中一個重要的環(huán)節(jié)，就是嚴格控制加工過程中所用氣體的純度。所謂“高純”或“超純”也不是無休止的要求純而又純，而是指把危害IC性能、成品率和可靠性的有害雜質(zhì)及塵粒必須減少到一定值以下。
（4）溫、濕度的影響
溫、濕度在IC的生產(chǎn)中扮演著相當重要的角色，幾乎每個工序都與它們有密不可分的關系，溫、濕度對IC封裝生產(chǎn)中的重大影響。
（5）靜電因素對IC封裝的影響
靜電產(chǎn)生的原因是隨處可見的。比如人體靜電，空氣調(diào)節(jié)和空氣凈化引起的靜電，運送半成品和IC成品在包裝運輸過程中都會產(chǎn)生靜電，這都是靜電起電的因素。在科技飛速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)高度自動化的今天，靜電在工業(yè)生產(chǎn)中的危害已是顯而易見的，它可以造成各種障礙，限制自動化水平的提高和影響產(chǎn)品質(zhì)量。
（6）其它因素的影響
諸如壓差因素、微振因素、噪聲因素等對IC封裝加工中都有一定的影響。
環(huán)境諸多因素和靜電因素始終對IC的封裝加工過程起著很重要的作用，這也是IC的發(fā)展趨勢和封裝加工過程的固有特性所決定的，微電子半導體IC的超前發(fā)展，就勢必要求我們在環(huán)境與靜電方面緊緊跟上IC的發(fā)展，使之不要成為制約IC封裝加工發(fā)展的障礙和“絆腳石”。
2.3 封裝設備
2.3.1 集成電路芯片塑料封裝設備
隨著電子工業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，使集成電路封裝業(yè)的市場規(guī)模越來越大，對集成電路封裝設備的自動化程度和技術含量也提出了更高的要求。集成電路塑封自動上料機是IC生產(chǎn)線后道工序的核心設備，隨著器件設計水平和生產(chǎn)制造技術的飛速發(fā)展，尤其是封裝工藝的日新月異，要求封裝設備具有比以往更高的精度、速度、可靠性。
集成電路芯片封裝是集成電路制造過程中影響微電子產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和性能質(zhì)量的關鍵環(huán)節(jié)之一。半導體制造工藝的快速進步和市場對微小芯片的急切需求，對芯片封裝設備的定位精度和運動速度、加速度提出了極高的要求。然而，精度與速度的提高是相互矛盾的。運動速度、加速度的提高，使得機構(gòu)的慣性力增大，慣性力變化的頻率也隨之加大，系統(tǒng)易于產(chǎn)生彈性變形和振動現(xiàn)象，既破壞機構(gòu)的運動精度，又影響構(gòu)件的疲勞強度，并加劇運動副中的磨損。高精度定位希望機構(gòu)運動平緩，而高生產(chǎn)率又希望系統(tǒng)高速往復運動并高速啟停。
集成電路塑封自動上料機是一種典型的芯片塑封設備。目前大多數(shù)先進的塑封自動上料機采用先進的多運動同步控制技術，實現(xiàn)料片的傳送；采用大導程滾珠絲杠副實現(xiàn)機械手的快速定位，同時采用高分辨率伺服系統(tǒng)保證機械手定位的精確性；采用柔性的流道結(jié)構(gòu)，適應不同規(guī)格集成電路料片的傳輸，調(diào)整方便；采用先進的多傳感融合技術，系統(tǒng)控制安全可靠；基于Windows操作系統(tǒng)的軟件設計，人機交互友好。
2.3.2 國內(nèi)外集成電路塑封設備的概況
目前，國外集成電路塑封設備的主流技術采用全自動上料，將上料裝置與壓機集成在一起，形成高度自動化設備，它涉及到精密機械、自動控制、精密光學、計算機應用、氣動技術、系統(tǒng)工程學等諸多學科領域。該技術領域中，美國、日本、德國、韓國、新加坡及臺灣占據(jù)了統(tǒng)治地位。如，德國的FICO公司和日本TOWA公司生產(chǎn)的塑封壓機，從上料、塑封到卸模實現(xiàn)全自動化，其中的全自動化上料裝置保證了塑封產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。自動化、智能化、系統(tǒng)化多學科技術集成是集成電路塑封設備的主要發(fā)展趨勢。
目前，國內(nèi)集成電路塑封設備狀況存在兩種現(xiàn)象：（1）小型企業(yè)主要利用人工上料方法。人手接觸集成電路料片，可能會引起引線框架和鍵合引線的折斷；操作過程中還有可能造成芯片污染，影響成品集成電路的電學性能；人工擺放料片存在位置誤差，從而影響塑封成品的質(zhì)量。因此，人工上料方法，質(zhì)量不宜保證，而且效率較低，不能適應現(xiàn)代企業(yè)低成本大規(guī)模生產(chǎn)的需要。（2）大中型企業(yè)全套引進國外帶自動上料功能的集成電路塑封壓機，投資大，且技術受制于國外設備制造企業(yè)，當設備出現(xiàn)較大故障問題時，往往束手無策，必須依賴國外廠家技術服務，這勢必會影響本企業(yè)的正常生產(chǎn)。
為此，立足國內(nèi)，自主研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的集成電路塑封上料設備，可在一定程度上降低成本，提高企業(yè)的競爭力，是國內(nèi)集成電路封裝企業(yè)的迫切需要，符合國家走自主發(fā)展道路的產(chǎn)業(yè)政策。
2.4 機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的設計
新產(chǎn)品設計是一項復雜細致的工作，要提供性能好、質(zhì)量高、成本低、有市場競爭力、受用戶歡迎的新產(chǎn)品，必須有一套科學的工作程序和方法。新產(chǎn)品從提出任務到投放市場的全部程序要經(jīng)過四個階段：調(diào)查決策階段；研究設計階段；試制階段；投產(chǎn)銷售階段。
機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的設計流程如圖2.1所示。
（1）根據(jù)目的功能確定產(chǎn)品規(guī)格、性能指標。工作機的目的功能，不外乎是用來改變物質(zhì)的形狀、狀態(tài)、位置尺寸和特性，歸根到底必須實現(xiàn)一定的運動，并提供必要的動力。其基本性能指標主要是指實現(xiàn)運動的自由度數(shù)、軌跡、行程、精度、速度、動力、穩(wěn)定性和自動化程度。
（2）系統(tǒng)功能部件、功能要素的劃分。工作機必須具備適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)才能滿足所需性能。要形成具體結(jié)構(gòu)，應以各構(gòu)成要素及要素之間的接口為基礎劃分功能部件或功能子系統(tǒng)。復雜機器的運動常由若干直線或回轉(zhuǎn)運動組合而成，在控制上形成若干自由度。
（3）接口的設計。接口問題是各構(gòu)成要素間的匹配問題。執(zhí)行元件與運動機構(gòu)之間通常是機械接口。
（4）綜合評價（或整體評價）對機電一體化系統(tǒng)的綜合評價主要是對其實現(xiàn)目的的功能的性能、結(jié)構(gòu)進行評價。
（5）可靠性復查。機電一體化系統(tǒng)既可能產(chǎn)生電子電路故障、軟件故障，又可能產(chǎn)生機械故障，而且容易受到電噪音的干擾，因此，可靠性問題顯得格外突出，也是用戶最關心的問題之一。
（6）試制與調(diào)制。樣機試制是檢驗產(chǎn)品設計的制造可行性的重要階段，并通過樣機調(diào)制來驗證各項性能指標是否符合設計要求。
圖2.1機電一體化系統(tǒng)設計流程
第三章 上料機系統(tǒng)設計
3.1系統(tǒng)總體設計
3.1.1集成電路塑封上料的技術要求及其指標
適用于DIP、QFP、SOP、TO等系列不同規(guī)格集成電路芯片塑封的自動上料系統(tǒng)，主要作用是進行集成電路料片塑封前的自動上料排片和預熱處理，同時進行塑封成型，實現(xiàn)上料、塑封到卸料的自動化。其主要性能指標為:
(1)循環(huán)時間：5.5s/條(LEAD FRAME)
(2)定位精度:±0.03mm
(3)溫度設定:±1℃
(4)料片尺寸:長度150-210mm,寬度18-60mm
(5)料盒尺寸:長度150-210mm,寬度24-70mm
(6)排料架尺寸:長度700mm,寬度650mm
3.1.2系統(tǒng)組成及工作過程
系統(tǒng)主要由料片傳送部件、料片自動排片部件、工控機系統(tǒng)及傳感檢測系統(tǒng)等組成。圖3.1為料片傳送部件的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括料片橫向傳送機構(gòu)、料片推送結(jié)構(gòu)、料匣回收機構(gòu)、料架升降機構(gòu)、柔性料片流道及傳送帶等。圖3.2為料片自動排片部件結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括抓取機械手及多工位預熱架等。
圖3.1 料片傳送部件結(jié)構(gòu)示意圖
1.料片橫向傳送機構(gòu) 2.料片推送機構(gòu)
3.料架升降機構(gòu) 4.柔性料片流道 5.傳送帶
圖3.2 料片自動排片部件結(jié)構(gòu)示意圖
1.X軸電動機 2.Y軸電動機
3.θ軸電動機 4.抓取機械手
系統(tǒng)的工作過程包括：
（1）料片傳送
用于塑封的料片預先由前道工序疊置于料匣內(nèi)，本道工序首先從入料匣處導入一料匣，當料架位于頂部時將料匣推入料架，然后由料片橫向傳送機構(gòu)帶動料架完成橫向傳送。在推料片工位處，通過氣缸完成推料片動作，每次從料匣上推出一片料片，接著由步進電機驅(qū)動料架下降一片料片的距離，為下一個推料片動作做準備。推出的料片置于柔性料片流道上，由同步電機驅(qū)動傳送帶運動，將料片移動到等候排片工位，從而完成料片的縱向傳送。
（2）自動排片
當排料架上沒有排滿料片時，即進行料片的自動排放工作。機械手首先在等候排片工位抓取料片并抬起一定高度，然后在兩只伺服電機的驅(qū)動下進行X、Y軸向的定位移動，并根據(jù)多工位預熱架相應工位的方向在空中移動過程中，由第三只伺服電機驅(qū)動進行θ軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)整料片排放方向。最后在相應排放工位，由氣缸完成料片放置動作。
（3）料片預熱
多工位預熱架置于加熱臺上，當料片排放到預熱架后，即根據(jù)熱傳遞的原理進行料片的預熱，預熱溫度的控制通過溫度控制模塊來實現(xiàn)。預熱架通過4個加熱管進行加熱，通過熱電偶來實現(xiàn)溫度檢測。
3.1.3系統(tǒng)特點
該系統(tǒng)具有下列特點：
（1）采用先進的多運動同步控制技術，實現(xiàn)橫向傳送料片、推送料片、回收料盒、縱向傳送料片及矩陣式排片的協(xié)同工作。
（2）采用大導程滾珠絲杠副實現(xiàn)機械手的快速定位，同時采用高分辨率伺服系統(tǒng)保證機械手定位的精確性；
（3）采用柔性的流道結(jié)構(gòu)，適應不同規(guī)格集成電路料片的傳輸，調(diào)整方便；
（4）采用先進的多傳感融合技術，系統(tǒng)控制安全可靠；
（5）基于Windows2000的工控軟件設計，人機交互友好。
3.2 上料機機架部件結(jié)構(gòu)設計
機架部件是安裝和保護電子設備內(nèi)部各種電路單元、元器件及機械零部件的重要結(jié)構(gòu)，對于消除各種復雜環(huán)境對設備的干擾，保證設備安全、穩(wěn)定、可靠地工作，提高設備的使用效率、壽命，以及增強設備安裝、維修的方便等起著非常重要的作用。上料機機架部件作為上料機一個重要的基礎結(jié)構(gòu)，其設計也是整個上料機系統(tǒng)設計的重要內(nèi)容之一。
3.2.1機架部件設計準則
(1)確保上料機技術指標的實現(xiàn)設計機架部件時，應根據(jù)上料機設備的使用環(huán)境，綜合考慮設備內(nèi)部的電磁干擾和熱問題，以及外部的機械、電磁、電氣和氣候等因素的影響，以確保設備電性能的穩(wěn)定性，并使機架部件具有足夠的強度、剛度，以確保設備機電連接的可靠性以及設備的防振沖能力，同時采取相應措施，確保設備各項技術指標的實現(xiàn)和可靠性要求。
(2)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性
所謂結(jié)構(gòu)工藝性好就是能優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低成本地進行設備的生產(chǎn)，包括加工、裝配、調(diào)試、維修等。結(jié)構(gòu)與工藝密切相關，結(jié)構(gòu)不同則所采用的工藝也不相同。設計機架部件時，應根據(jù)設備的使用要求綜合考慮當時的生產(chǎn)水平，包括加工設備、人員、工藝方法以及檢驗手段、方法等，使設計的機架部件符合當時的生產(chǎn)實際，并具有良好的裝配工藝，從而確保設備質(zhì)量。
(3)便于裝配、操作、維修
為了充分發(fā)揮上料機設備的效能，設計的機架部件應便于操作使用，并符合使用者的心理和生理特點，同時結(jié)構(gòu)上力求最簡，便于裝配、拆卸，使設備可達性、維修性好，另外，設計的機架部件應確保操作人員的使用安全，如避免銳邊、棱角、采用漏電保護裝置等。
(4)標準化、模塊化
機架部件設計時，應盡可能地滿足標準化、模塊化要求，并采用模塊化設計方法，所有尺寸均采用標準尺寸系列，并符合公差配合標準及有關通用標準，以確保上料機機架部件的互換性，這樣，在研制類似設備或設備改型時，可以少改動甚至不改動上料機的機架部件尺寸即可完成新研或改型設備的機架設計。
(5)小型化
所謂小型化就是盡可能地減小設備體積和重量。機架部件的小型化不僅在設備的使用性能上有重大意義，在經(jīng)濟上也具有重要價值，因而在設計機架部件時應予以重視。
(6)外形美觀
上料機的外形不僅關系到操作者的感官要求，而且關系到上料機的銷售。設計機架時，應將工程設計與造型設計相結(jié)合，充分利用造型設計的手法，對機架部件外形精心設計，以使上料機外形美觀。
綜上所述，確保上料機技術指標的實現(xiàn)和便于裝配、操作、維修的準則體現(xiàn)了機架部件設計的實用性要求，具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性體現(xiàn)了機架部件設計的經(jīng)濟性要求，標準化、模塊化和小型化既體現(xiàn)了機架部件設計的創(chuàng)新要求又體現(xiàn)了經(jīng)濟性要求，造型設計則體現(xiàn)了機架部件設計的美觀要求。
3.2.2 機架部件結(jié)構(gòu)設計
上料機機架部件的結(jié)構(gòu)設計是在消化吸收國外集成電路塑封設備的基礎上，依據(jù)機架設計準則綜合考慮上料機的用途、使用環(huán)境和復雜程度來進行設計的。上料機機架采用鈑金結(jié)構(gòu)機架。上料機的機架部件外型如圖3.3所示。
上料機機架部件作為上料機一個重要的基礎結(jié)構(gòu)，它的上面支撐著預熱架工作臺、料片傳送部件、料片自動排片部件。穩(wěn)固平整的機架部件為芯片的塑封上料工作過程提供了一個穩(wěn)定的工作平臺。
圖3.3上料機機架部件
根據(jù)機架部件的設計準則，上料機機架部件設計成箱體結(jié)構(gòu)，起到安裝和保護電子設備內(nèi)部各種電器元件，消除各種復雜環(huán)境對設備的干擾，保證設備安全、穩(wěn)定、可靠地工作的作用。上料機鈑金結(jié)構(gòu)機架部件設計成四方體機箱，箱內(nèi)部分由隔板、后電器板與側(cè)電器板分成四塊空間。分別命名為后機箱部分、右機箱部分、左上機箱部分和左下機箱部分。后電器板上安裝有X軸、Y軸與θ軸伺服電機驅(qū)動器、升降臺步進電機驅(qū)動器、開關電源、濾波器、接線端子排和信號輸入輸出接口，這些部件都安裝在后機箱部分。側(cè)電器板安裝有直流24V開關電源、若干繼電器、接線端子排等部件，這些電器元件都安裝在右機箱部分，設備的變壓器也安裝在這一機箱部分。上料機系統(tǒng)的工控機安放在左下機箱部分，氣源過濾組合安裝在左上機箱部分。另外在機架部件的前固定門上還安裝有控制面板和總電源開關。
圖3.4 上料機機架部件機架部分
機架部件具有足夠的強度、剛度，機架部件各零件的材料均為Q235A，機架部件的機架部分如圖3.4所示。機架部分與各活動門采用餃鏈連接。機架部件為了外觀美觀，各零部件磷化處理后噴乳白色油漆。總的來說機架部件結(jié)構(gòu)簡單，便于裝配、拆卸，操作使用方便，維修性好。
3.3 性能試驗方案擬定
性能試驗檢驗表格
序號
檢驗項目
單位
技術要求
檢驗
結(jié)果
單位
評價
1
工作環(huán)境
安裝在陰涼，干燥，通風，無塵的環(huán)境
2
環(huán)境溫度控制變化范圍
℃
25±1℃
3
整機外觀
整機外觀整潔，無明顯瑕疵
油漆涂層應色澤鮮明、均勻、平整光滑，無裸露、流痕、起泡和皺紋，不得有磕碰、劃傷等缺陷
4
工作電源
該機系統(tǒng)電源電壓為單相220VAC、50-60HZ，使用截面積不小于2.5mm2的12＃銅芯電源線將電源接入本機電源板上端子座“R，T”
5
氣壓要求
不低于0.33Bar氣壓的大氣以直徑8mm的氣管與本機相連
6
防電擊和漏電
使用截面積不小于2.5mm2的12#專用接地線將該機電源板上的專用接地端子與整個系統(tǒng)的接地線相連
7
抗干擾
該機不能與大功率，大電流設備安裝在一起，電源與其相隔開
8
設備適用范圍
適用于DIP、QFP、SOP、TO等系列不同規(guī)格集成電路芯片塑封
9
料盒尺寸
mm
長度150-210 mm,寬度24-70 mm
10
所測樣機料盒尺寸
mm
長度183 mm，寬度34mm
11
所測樣機料盒可容納料片數(shù)目
每個料盒可容納40個料片
12
料片尺寸
mm
長度150-210 mm,寬度18-60 mm
13
所測樣機料片尺寸
mm
長度183 mm，寬度27 mm
14
料片傳送與控制運行方式
（1）
推送料盒
通過氣動控制模塊驅(qū)動氣缸來將已在上道工序裝滿料片的料盒推入料架
（2）
推送料盒架可調(diào)節(jié)寬度范圍
mm
170-249 mm
（3）
推送料片
在推料片工位處，通過氣動控制模塊驅(qū)動氣缸來實現(xiàn)推送料片
（4）
料架升降
每次從料盒推出一片料片后，接著通過步進驅(qū)動模塊驅(qū)動步進電機來實現(xiàn)料架下降一片料片的距離，為下一個推料片動作做準備
（5）
料盒回收
通過氣動控制模塊驅(qū)動氣缸來實現(xiàn)料盒的回收
（6）
所測樣機料架每次上升距離
mm
3 mm
（7）
步進電機控制料架升降精度
mm
±0.05 mm
（8）
傳送帶的同步控制
推出的料片置于柔性料片流道上，通過同步控制模塊驅(qū)動同步電機來實現(xiàn)傳送帶運動，將料片移動到等候排片工位
（9）
流道結(jié)構(gòu)
采用柔性的流道結(jié)構(gòu)，適應不同規(guī)格集成電路料片的傳輸，調(diào)整方便
（10）
所測樣機流道尺寸
mm
流道總長380 mm，總寬51 mm
（11）
料片在流道上橫向傳送距離
mm
342 mm
15
自動排片與控制運行方式
（1）
抓取料片
通過氣動控制模塊驅(qū)動氣缸來實現(xiàn)機械手結(jié)構(gòu)的開合與升降控制，機械手在等待排片的工位抓取料片并抬起一定高度
（2）
料片定位
通過伺服控制模塊驅(qū)動伺服電機來實現(xiàn)機械手的X、Y、θ軸定位運動控制，兩只伺服電機控制X、Y軸向定位，第三只伺服電機控制θ軸旋轉(zhuǎn)
（3）
機械手定位精度
mm
±0.03 mm
（4）
放置料片
通過氣動控制模塊驅(qū)動氣缸來實現(xiàn)機械手結(jié)構(gòu)的開合與升降控制，最后在相應的排放工位，由氣缸完成料片的放置動作
（5）
機械手手爪開合尺寸范圍
mm
長度方向開合尺寸范圍：183-195 mm
寬度方向開合尺寸范圍：27-39 mm
（6）
排料架尺寸
mm
長度700 mm,寬度650 mm
（7）
料片安放循環(huán)時間
s
5.5s/條(LEAD FRAME)
16
料片預熱與控制
（1）
料片預熱
多工位預熱架置于加熱臺上，當料片排放到預熱架上后，即根據(jù)熱傳導的原理進行料片的預熱，這里通過4個加熱管進行加熱
（2）
預熱溫度
溫度的控制通過溫度控制模塊來實現(xiàn)，這里通過熱電偶來實現(xiàn)溫度檢測
（3）
加熱溫度控制范圍
℃
170-220℃
17
潤滑系統(tǒng)
滾珠絲桿潤滑部分潤滑良好
18
機架部件焊接件
焊接件應牢固，不得有裂縫，夾渣，燒穿和漏焊等缺陷
19
運轉(zhuǎn)過程
應運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無異常聲響
20
安全防護措施
有緊急停止開關，在運行過程中，如保護門打開或光幕被擋光，機械手會停止運行，并伴隨聲光報警
21
警告和故障
遇到問題，相關運動部件停止工作，并提示出錯
22
傳感技術
采用先進的多傳感信息融合技術，系統(tǒng)控制安全可靠
23
人機界面
基于Windows2000的軟件設計，人機交互友好
24
防護門
在操作人員易接近的傳動部位，設置防護門，防護門透明可見
第四章 總結(jié)與展望
本課題來源于南通富士通微電子股份有限公司與南通大學合作的科研項目“集成電路塑封自動上料機研制”。本項目已進行了大量的前期研究開發(fā)工作，在消化吸收國外集成電路塑封設備的基礎上，設計了全新的技術方案，開展了多項關鍵技術的研究，完成了原理樣機的試制。本人在導師的指導下對集成電路芯片塑料封裝自動上料系統(tǒng)的總體技術方案進行了設計，對上料機機架部件進行了結(jié)構(gòu)設計并完成了上料機系統(tǒng)部分性能試驗。
盡管我國集成電路產(chǎn)業(yè)在近幾年有了快速的發(fā)展，但在總體上與發(fā)達國家相比，還存在很大的差距。就半導體生產(chǎn)設備而言，主要還依靠進口，另外在國內(nèi)封裝生產(chǎn)線上IC封裝設備的自動化程度參差不齊。集成電路塑封自動上料系統(tǒng)研制成功后，已經(jīng)投入企業(yè)實際生產(chǎn)，顯著地提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。該系統(tǒng)廣泛適用于DIP、QFP、SOP、TO等系列集成電路的塑料封裝，推廣應用可取得較大的經(jīng)濟效益和社會效益。
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