全自动高精度多功能车规级元器件封装贴合方法及系统与流程

1.本发明涉及半导体封装贴合设备技术领域，更具体地说，涉及一种全自动高精度多功能车规级元器件封装贴合方法及系统。


背景技术：

2.功率半导体封装设备是将晶元芯片，编带电子元器件或fedder等产品全自动封装，是功率半导体生产产线重要的一环节。在相关领域中，功率半导体贴合设备只能够对单一的产品进行封装加工，无法将晶元芯片、电子元器件、焊片等集中在一台设备实现全自动贴合封装，使得功率半导体贴合设备的生产效率较低。
3.例如，公开号为cn114415428a的中国专利公开了一种封装对位贴合装置，该装置包括支架，支架包括设置有用于固定芯片的吸附平台，吸附平台的四周设置有调节机构和挡板以围合形成容置区域，通过容置区域以在芯片设置有框胶的一面上设置导电玻璃，调节机构调节容置区域的范围；吸附平台上方还设置有可移动的震动模块和固化模块，震动模块可移动至导电玻璃并向导电玻璃加压，以向芯片和导电玻璃之间的框胶传递高频振荡，使框胶的间隔子单层分布，提高压盒过程中cell gap的均匀性；固化模块用于向框胶提供辐射能量以固化框胶。
4.上述设备除了无法在同一台设备上实现晶元芯片、电子元器件、焊片的全自动贴合封装之外，其芯片与工件的定位不够准确、芯片贴合位置不够精确，导致上述设备无法进行高精度多功能车规级元器件的封装贴合加工。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种全自动高精度多功能车规级元器件封装贴合方法及系统，旨在提高元器件在工件上贴合位置的精确度。
6.为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
7.本发明的一种全自动高精度多功能车规级元器件封装贴合方法，包括以下步骤：
8.步骤一、待封装的工件被输送机构输送至封装工位；
9.步骤二、物料存储机构将若干个元器件运输至元器件待吸取区域；同时，物料存储机构利用焊片飞达组件加工出若干个设计长度的焊片，并将所述焊片运输至焊片待吸取区域；
10.步骤三、封装机构移动至元器件待吸取区域，并利用飞行对中视觉组件完成对所述元器件的轮廓的识别，以及对所述元器件在第一方向、第二方向和第一角度方向上相对于所述工件位置的定位；之后，封装机构利用吸嘴组件上的吸附嘴完成对若干个所述元器件的对中吸取；
11.步骤四、封装机构移动至焊片待吸取区域，并利用飞行对中视觉组件完成对所述焊片的轮廓的识别，以及对所述焊片在第一方向、第二方向和第一角度方向上相对于所述工件位置的定位；之后，封装机构利用吸嘴组件上的吸附嘴完成对若干个所述焊片的吸取；
12.步骤五、封装机构移动至封装工位，分别将所吸取的若干个所述元器件和若干个所述焊片贴合、封装在所述工件上；
13.其中，在步骤五中，所述封装机构由xyzr四轴伺服系统驱动，以相对于工件在第一方向、第二方向、第三方向和第一角度方向上移动/转动；并对所述xyzr四轴伺服系统的xy轴和zr轴进行串级双回路负反馈pid控制方法进行控制，所述串级双回路负反馈pid控制方法的闭环传递函数为：
[0014][0015]
式中，g(s)为闭环传递函数。
[0016]
进一步的，在步骤五中，xy轴为所述串级双回路负反馈pid控制方法的主回路，zr轴为所述串级双回路负反馈pid控制方法的副回路，其中，
[0017]
副回路的pid控制率为：
[0018][0019]
主回路的pid控制率为：
[0020][0021]
其中，p1取值为21.0444699575628，i1取值为0.0299186293504582，d1取值为6.16274046829904，n1取值为146.909788134716，p2取值为24.4995471074342，i2取值为0.021350026171645，d2取值为11.6651979624218，n2取值为48.5476605821728。
[0022]
进一步的，在所述步骤三，利用飞行对中视觉组件完成对所述元器件的轮廓的识别后，若当所述吸嘴组件上的吸附嘴与元器件不匹配，所述封装机构移动至吸嘴存储机构，并更换吸附嘴；或者，
[0023]
步骤四中，利用飞行对中视觉组件完成对所述焊片的轮廓的识别后，若当所述吸嘴组件上的吸附嘴与焊片不匹配，所述封装机构移动至吸嘴存储机构，并更换吸附嘴。
[0024]
进一步的，所述步骤五之前，当所述吸嘴组件上的吸附嘴将所需的元器件和焊片全部吸取后，利用飞行对中视觉组件完成对所述吸附嘴上吸附的元器件和焊片的二次定位，二次定位包括元器件和焊片在第一方向和第二方向上相对于工件的位置，以及元器件和焊片在第一角度方向所需转动的角度。
[0025]
本发明的用于实施上述的全自动高精度多功能车规级元器件封装贴合方法的系统，其特征在于：包括，
[0026]
输送机构，所述输送机构上设有封装工位，所述输送机构用于将待封装的工件输送至封装工位上，并在完成封装贴合加工后，继续输送所述工件；以及，
[0027]
物料存储机构，所述物料存储机构包括焊片飞达组件和至少一个提篮，所述焊片飞达组件用于加工出设计长度的焊片，所述提篮能存储有元器件；所述物料存储机构用于将焊片输送至焊片待吸取区域，并将元器件输送至元器件待吸取区域；以及，
[0028]
封装机构，所述封装机构包括吸嘴组件和飞行对中视觉组件，所述吸嘴组件包括若干个用于吸取焊片/元器件的吸附嘴；所述封装机构由xyzr四轴伺服系统驱动，以相对于
工件在第一方向、第二方向、第三方向和第一角度方向上移动/转动。
[0029]
进一步的，所述封装机构还包括封装底座、z轴移动组件和r轴伺服电机，所述吸嘴组件安装在所述封装底座上，所述z轴移动组件用于驱动所述吸嘴组件相对于工件在第三方向上移动，所述r轴伺服电机用于驱动所述吸嘴组件相对于工件在第一角度方向上转动。
[0030]
进一步的，所述吸嘴组件包括四个吸附嘴，所述z轴移动组件包括四个z轴移动件，四个所述吸附嘴分别由四个所述z轴移动件驱动。
[0031]
进一步的，还包括移动龙门机构，所述移动龙门机构包括y轴移动组件、x轴移动组件和安装板，所述封装机构滑动设置在所述x轴移动组件上，所述x轴移动组件滑动设置在所述y轴移动组件上。
[0032]
进一步的，所述物料存储机构包括焊片飞达组件、第一提篮和第二提篮，所述焊片飞达组件位于所述第一提篮和第二提篮之间，所述焊片飞达组件包括若干个用于安装焊片飞达的飞达安装位；所述第一提篮安装在第一滑动板上，并由第一升降组件驱动，以在第三方向上移动；所述第二提篮安装在第二滑动板上，并由第二升降组件驱动，以在第三方向上移动。
[0033]
进一步的，还包括吸嘴存储机构，所述吸嘴存储机构包括存储板，所述存储板上开设有若干个储存位，若干个所述储存位内储存有不同尺寸的吸附嘴。
[0034]
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0035]
(1)本发明的全自动高精度多功能车规级元器件封装贴合方法中，用于封装贴合的封装机构由xyzr四轴伺服系统驱动，以相对于工件在第一方向、第二方向、第三方向和第一角度方向上移动/转动；并对xyzr四轴伺服系统的xy轴和zr轴进行串级双回路负反馈pid控制方法进行控制，提高了封装机构控制的精确度，从而提高元器件在工件上贴合位置的精确度，进而提高了元器件封装贴合加工的产品良率。
[0036]
(2)本发明中，利用封装机构吸取元器件或焊片前，先识别元器件或焊片的轮廓，若当元器件或焊片的尺寸与封装机构的吸附嘴不匹配时，封装机构会移动至吸嘴存储机构，并更换吸附嘴，使得本发明能的方法够快速地对不同尺寸的元器件和焊片进行封装贴合加工，提高了该方法的通用性。
[0037]
(3)本发明的系统，通过设置输送机构、物料存储机构和封装机构，用以实施本发明的全自动高精度多功能车规级元器件封装贴合方法，使得本发明的系统能够提高元器件在工件上贴合位置的精确度，进而提高了元器件封装贴合加工的产品良率。
附图说明
[0038]
图1为本发明的封装贴合系统的结构示意图；
[0039]
图2为本发明中输送机构的结构示意图；
[0040]
图3为本发明中封装机构的结构示意图；
[0041]
图4为本发明中移动龙门机构与封装机构的配合关系示意图；
[0042]
图5为本发明中物料存储机构的结构示意图；
[0043]
图6为本发明中吸嘴存储机构的结构示意图；
[0044]
图7为本发明中xy轴和zr轴进行串级双回路负反馈pid控制架构图；
[0045]
图8为本采用单纯的pid控制时，xyzr四轴伺服系统对单位阶跃响应的反馈结果
图；
[0046]
图9为发明中采用双回路pid控制后，xyzr四轴伺服系统对单位阶跃响应的反馈结果图。
具体实施方式
[0047]
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
[0048]
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0049]
本实施方式提供了一种元器件封装贴合系统。参照图1，本实施方式的元器件封装贴合系统包括输送机构100、封装机构200和物料存储机构400。具体的，输送机构100沿着第一方向设置，并用于在第一方向上输送工件600；封装机构200和物料存储机构400依附于输送机构100设置，物料存储机构400用于存储元器件和焊片，当工件600被输送至输送机构100上的封装工位后，封装机构200用于将物料存储机构400内的元器件和焊片吸取，并封装贴合在工件600上。
[0050]
应当说明的是，本实施方式所称的第一方向，指的是工件600传输的方向，例如图1～6中所示的x轴方向；本实施方式所称的第二方向，指的是在工件600所在的平面内，并垂直于第一方向的方向，例如图1～6中所示的y轴方向；本实施方式的第三方向，指的是垂直于第一方向，且垂直于第二方向的方向，例如图1～6中所示的z轴方向。
[0051]
参照图2，作为输送机构100的一个具体实施例，输送机构100可以包括第一输送带110和第二输送带120。其中，第一输送带110和第二输送带120相互平行设置，第一输送带110和第二输送带120之间的距离小于工件600在第二方向上的长度，使得工件600可以同时搁置在第一输送带110和第二输送带120上，以完成输送。第一输送带110和第二输送带120上均可以设置有调节组件130，该调节组件130用于调整第一输送带110和第二输送带120的输送速度等参数。
[0052]
输送机构100上可以设有封装工位，该封装工位既可以是实体的，即设置第一输送带110和第二输送带120之间的工台，该工台能够在第三方向上移动，以将搁置在第一输送带110和第二输送带120上的工件600托起；封装工位也可以是虚设的，即输送机构100在输送工件600时，当工件600到达封装工位时，第一输送带110和第二输送带120停止输送，工件600停留在输送机构100上。当封装工位上的工件600完成封装贴合加工后，输送机构100可以继续输送工件600。
[0053]
封装机构200包括吸嘴组件230和飞行对中视觉组件240，吸嘴组件230包括若干个用于吸取焊片/元器件的吸附嘴；封装机构200由xyzr四轴伺服系统驱动，以相对于工件600在第一方向、第二方向、第三方向移动，在第一角度方向上转动。
[0054]
飞行对中视觉组件240可包括ccd相机，该ccd相机用于拍摄元器件、焊片和工件
600的图像，并识别元器件、焊片的轮廓，元器件和焊片在第一方向、第二方向、第三方向上相对于工件600的位置，以及元器件和焊片第一角度方向与工件600所呈角度，上述识别结果用于计算、规划封装机构200在第一方向、第二方向、第三方向的移动距离，以及在第一角度方向上所需转动的角度。
[0055]
参照图3，作为封装机构200的一个具体实施例，封装机构200还包括封装底座210、z轴移动组件220和r轴伺服电机260，吸嘴组件230安装在封装底座210上，z轴移动组件220用于驱动吸嘴组件230相对于工件600在第三方向上移动，r轴伺服电机260用于驱动吸嘴组件230相对于工件600在第一角度方向上转动。z轴移动组件220作为xyzr四轴伺服系统的z轴驱动件，r轴伺服电机260作为xyzr四轴伺服系统的r轴驱动件。
[0056]
作为该实施例的进一步优化，吸嘴组件230包括四个吸附嘴，z轴移动组件220包括四个z轴移动件，四个吸附嘴分别由四个z轴移动件驱动，因而每个吸附嘴都由独立的z轴移动组件220驱动，以在第三方向上相对于工件600移动。z轴移动组件220可以包括z轴伺服电机221，吸附嘴传动连接在z轴伺服电机221的运动高端上。
[0057]
此外，封装底座210上可以设置有真空电磁阀250控制，该真空电磁阀250通过通断的方式用于控制吸附嘴的吸取和放下。当吸嘴组件230包括四个吸附嘴时，封装底座210上可以设置有四个真空电磁阀250，每个吸附嘴都由独立的真空电磁阀250控制。
[0058]
作为更进一步的优化，本实施方式的封装贴合系统还可以包括移动龙门机构300，该移动龙门机构300作为xyzr四轴伺服系统的x轴驱动件和y轴驱动件。
[0059]
参照图4，作为一个具体的实施例，移动龙门机构300可以包括y轴移动组件310和x轴移动组件320。其中，y轴移动组件310由y轴伺服电机311提供动力，x轴移动组件320由x轴伺服电机322提供动力。
[0060]
y轴移动组件310的y轴滑轨沿着第二方向设置，x轴移动组件320的x轴滑轨沿着第一方向设置。x轴移动组件320还包括安装板321，封装机构200通过安装板321滑动连接在x轴移动组件320上，x轴移动组件320滑动连接在y轴移动组件310，x轴移动组件320和y轴移动组件310能够相互配合，以在第一方向和第二方向上驱使封装机构200移动。
[0061]
参照图5，作为物料存储机构400的具体实施例，物料存储机构400包括焊片飞达组件430、第一提篮411和第二提篮421，焊片飞达组件430位于第一提篮411和第二提篮421之间，焊片飞达组件430包括若干个用于安装焊片飞达431的飞达安装位432；焊片飞达组件430可根据设计所需的焊片长度，利用不同的焊片飞达431，加工出设计所需长度的焊片，并将焊片移动至焊片待吸取区域。
[0062]
第一提篮411安装在第一滑动板413上，并由第一升降组件412驱动，以在第三方向上移动；第二提篮421安装在第二滑动板上，并由第二升降组件422驱动，以在第三方向上移动。第一提篮411和第二提篮421可通过在第三方向上移动的方式，将提篮内的元器件依次对准元器件待吸取区域，并配合传输带等转移机构，将提篮内的元器件转移至元器件待吸取区域。
[0063]
在对工件600进行元器件封装贴合加工时，根据设计的需要，元器件和焊片往往会有多种尺寸，因而需要更换封装机构200的吸附嘴，从而满足不同尺寸的元器件和焊片的吸取。因此，为解决吸附嘴的更换问题，本实施方式的封装贴合系统还可以包括吸嘴存储机构500。
[0064]
具体的，参照图6，吸嘴存储机构500包括存储板510和支持板520，存储板510连接在支持板520的上端，支持板520可以与封装贴合系统的支架连接。存储板510上开设有若干个储存位511，若干个储存位511内储存有不同尺寸的吸附嘴，当封装机构200需要更换吸附嘴时，可以移动至吸嘴存储机构500上方，并完成吸附嘴的更换。
[0065]
此外，本实施方式还提供了一种全自动高精度多功能车规级元器件封装贴合方法，该封装贴合方法可以依托于本实施方式的封装贴合系统实施，也可以采用其他封装贴合系统实施。具体的，本实施方式的封装贴合方法，具体包括以下步骤。
[0066]
步骤一、待封装的工件600被输送机构100输送至封装工位；
[0067]
步骤二、物料存储机构400将若干个元器件运输至元器件待吸取区域；同时，物料存储机构400利用焊片飞达组件430加工出若干个设计长度的焊片，并将焊片运输至焊片待吸取区域；
[0068]
步骤三、封装机构200移动至元器件待吸取区域，并利用飞行对中视觉组件240完成对元器件的轮廓的识别，以及对元器件在第一方向、第二方向和第一角度方向上相对于工件600位置的定位；之后，封装机构200利用吸嘴组件230上的吸附嘴完成对若干个元器件的对中吸取；
[0069]
步骤四、封装机构200移动至焊片待吸取区域，并利用飞行对中视觉组件240完成对焊片的轮廓的识别，以及对焊片在第一方向、第二方向和第一角度方向上相对于工件600位置的定位；之后，封装机构200利用吸嘴组件230上的吸附嘴完成对若干个焊片的吸取；
[0070]
步骤五、封装机构200移动至封装工位，分别将所吸取的若干个元器件和若干个焊片贴合、封装在工件600上；
[0071]
其中，在步骤五中，封装机构200由xyzr四轴伺服系统驱动，以相对于工件600在第一方向、第二方向、第三方向和第一角度方向上移动/转动；并对xyzr四轴伺服系统的xy轴和zr轴进行串级双回路负反馈pid控制方法进行控制，图7xy轴和zr轴进行串级双回路负反馈pid控制架构图，串级双回路负反馈pid控制方法的闭环传递函数为：
[0072][0073]
式(1)中，g(s)为闭环传递函数。
[0074]
进一步的，在步骤五中，xy轴为串级双回路负反馈pid控制方法的主回路，zr轴为串级双回路负反馈pid控制方法的副回路，其中，
[0075]
副回路的pid控制率为：
[0076][0077]
主回路的pid控制率为：
[0078][0079]
其中，p1取值为21.0444699575628，i1取值为0.0299186293504582，d1取值为6.16274046829904，n1取值为146.909788134716，p2取值为24.4995471074342，i2取值为0.021350026171645，d2取值为11.6651979624218，n2取值为48.5476605821728。
[0080]
作为一个具体的示例，图9示出了本实施方式采用双回路pid控制后，xyzr四轴伺
服系统对单位阶跃响应的反馈结果。具体的，从图9可以看出，xyzr四轴伺服系统较为快速的收敛于阶跃控制信号，控制误差也较小。
[0081]
作为对比例，图8示出了采用单纯的pid控制时，xyzr四轴伺服系统对单位阶跃响应的反馈结果。从图8可以看出，在规定时间内系统无法收敛于控制目标信号，且处于一直发散的状态。
[0082]
对比图8和图9可知，单纯pid控制无法实现对系统稳定且准确的控制，而本实施方式采用串级双回路负反馈pid控制对于xyzr轴的控制实现了稳定和精确的控制目标。
[0083]
本实施方式在通过对xyzr四轴伺服系统的xy轴和zr轴进行串级双回路负反馈pid控制方法进行控制的方式之外，还通过在贴装机构进行封装贴合过程中进行多次定位的方式，以提高封装贴合的精确度。
[0084]
具体的，步骤五之前，当吸嘴组件230上的吸附嘴将所需的元器件和焊片全部吸取后，利用飞行对中视觉组件240完成对吸附嘴上吸附的元器件和焊片的二次定位，二次定位包括元器件和焊片在第一方向和第二方向上相对于工件600的位置，以及元器件和焊片在第一角度方向所需转动的角度，从而进一步提高了封装贴合机构对于工件600、元器件和焊片定位的准确性，提高元器件在工件600上封装贴合的精确度。
[0085]
此外，为解决吸附嘴的更换问题，在步骤三，利用飞行对中视觉组件240完成对元器件的轮廓的识别后，若当吸嘴组件230上的吸附嘴与元器件不匹配，封装机构200移动至吸嘴存储机构500，并更换吸附嘴；或者，
[0086]
步骤四中，利用飞行对中视觉组件240完成对焊片的轮廓的识别后，若当吸嘴组件230上的吸附嘴与焊片不匹配，封装机构200移动至吸嘴存储机构500，并更换吸附嘴。
[0087]
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。