文|?？怂箍禍y(cè)量技術(shù)（青島）有限公司 趙寧濤

一、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

封裝是把集成電路裸片放到承載作用的基板上，把管腳引出來(lái)，然后固定包裝成為一個(gè)整體，如圖1 所示。實(shí)際就是給集成電路封一個(gè)殼，將其保護(hù)起來(lái)。外殼不僅起著安放、固定、密封、保護(hù)芯片和增強(qiáng)電熱性能的作用，還是溝通芯片內(nèi)部世界與外部電路的橋梁。芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過(guò)印制板上的導(dǎo)線與其他器件建立連接。

封裝材料也從最初的合金封裝到陶瓷金屬封裝，然后塑料封裝取代了陶瓷金屬封裝，隨著新材料的發(fā)展，現(xiàn)在基本是陶瓷封裝與塑料封裝兩種。

近年來(lái)，陶瓷封裝雖不再是使用數(shù)量最多的封裝方法，但陶瓷封裝仍然是高可靠度需求的最主要封裝方法。陶瓷封裝殼需要在封裝前，預(yù)先按設(shè)計(jì)制造好，并通過(guò)品質(zhì)檢驗(yàn)，合格品才能用于后續(xù)的封裝。品質(zhì)檢驗(yàn)中重要的一項(xiàng)就是對(duì)陶瓷殼體進(jìn)行尺寸公差的檢測(cè)，確保殼體尺寸合格，以保證后續(xù)封裝過(guò)程的產(chǎn)品性能和一致性。

傳統(tǒng)的尺寸檢驗(yàn)方法是采用影像測(cè)量設(shè)備對(duì)殼體進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，測(cè)量過(guò)程需要預(yù)先編寫(xiě)測(cè)量程序，并人工進(jìn)行殼體的上下料和定位，根據(jù)測(cè)量結(jié)果人工將工件進(jìn)行分揀。由于芯片工廠品種眾多，一般工廠都有上百種產(chǎn)品，每種產(chǎn)品每批次生產(chǎn)成千上萬(wàn)件。而這些產(chǎn)品需要進(jìn)行全部檢測(cè)并分級(jí)，無(wú)疑這是個(gè)浩大的工作量，對(duì)設(shè)備和人工的投入都非常大。本文主要介紹一套自動(dòng)化系統(tǒng)，通過(guò)簡(jiǎn)單的人工輔助，實(shí)現(xiàn)多品種大批量的自動(dòng)化檢測(cè)和分揀，降低人工和設(shè)備的投入，并通過(guò)系統(tǒng)保證測(cè)量的一致性，規(guī)避人工參與測(cè)量的干擾導(dǎo)致的結(jié)果不確定性。

圖1 常見(jiàn)的封裝形式

二、整體方案

傳統(tǒng)的殼體測(cè)量方式是采用影像測(cè)量機(jī)對(duì)殼體進(jìn)行逐一的測(cè)量判別，由于品種多和數(shù)量大，測(cè)量分揀工作量巨大，耗費(fèi)大量人工，由于測(cè)量效率的低下，導(dǎo)致殼體廠家不得不配置多臺(tái)影像測(cè)量?jī)x來(lái)滿足生產(chǎn)需求，硬件投資巨大。

本文介紹一種自動(dòng)化測(cè)量的單元，可以實(shí)現(xiàn)批量快速檢測(cè)，設(shè)計(jì)如下系統(tǒng)：主要由測(cè)量機(jī)上下料機(jī)械手、上料傳送帶、托盤下料線、分揀機(jī)械手、分類傳送帶、影像測(cè)量機(jī)、控制系統(tǒng)和軟件組成，如圖2 所示。系統(tǒng)二維平面圖如圖3所示。機(jī)械手可以根據(jù)前端測(cè)量的分級(jí)結(jié)果，自動(dòng)將被測(cè)產(chǎn)品從托盤上取出放置到優(yōu)、良和差三個(gè)分揀托盤中。其中上料過(guò)程和下料過(guò)程，需要人工從料帶上放置或取下。

該項(xiàng)目根據(jù)客戶測(cè)量殼體的大小和精度要求配置?？怂箍灯放频母呔犬a(chǎn)品，型號(hào)Performace 442，外觀如圖4 所示，測(cè)量范圍：410mm×410mm×200mm，精度：1.4μ+L/200（L 是測(cè)量距離，單位為mm）。該系統(tǒng)包含CCD 攝像系統(tǒng)、三軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理控制柜、測(cè)量軟件以及專用計(jì)算機(jī)等部件，該測(cè)量機(jī)通過(guò)一套CCD 拍攝系統(tǒng)對(duì)被測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行圖像捕捉，并通過(guò)直流伺服控制x、y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)采集各個(gè)部分的被測(cè)邊緣，影像測(cè)量主機(jī)原理圖如圖5所示。通過(guò)圖像處理和軟件算法得到各投影特征間的尺寸信息，配置靈活、高可靠性影像測(cè)量?jī)x。一次設(shè)置快速完成各種特征測(cè)量，基于CAD 的編程技術(shù)可脫機(jī)便捷、精確地完成編程任務(wù)。滿足多任務(wù)測(cè)量需求，廣泛應(yīng)用于平板電腦、手機(jī)和半導(dǎo)體、PCB 板、精密機(jī)械加工、醫(yī)療等行業(yè)。對(duì)于其他類似應(yīng)用，可以選配不同尺寸和精度的機(jī)型。

軟件配置PC-DMIS-Vision，可以手動(dòng)操作機(jī)器對(duì)特征進(jìn)行測(cè)量，也可以通過(guò)預(yù)先編程對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量。

圖2 自動(dòng)化測(cè)量的單元系統(tǒng)

圖3 自動(dòng)化測(cè)量的單元二維平面圖

圖4 Performace 442

圖5 影像測(cè)量主機(jī)原理圖

1、上料線及托盤

托盤為透明材質(zhì)，利于影像測(cè)量機(jī)的底光的投射，托盤外形設(shè)計(jì)為統(tǒng)一尺寸，利于在料線上進(jìn)行碼垛，每個(gè)托盤上加工有矩陣式的淺槽，用于放置芯片殼體，并大致使每個(gè)殼體在固定的區(qū)域，以免殼體間相互接觸不利于測(cè)量。根據(jù)不同的殼體產(chǎn)品可以將托盤分為大致三類，用于大中小殼體的擺放，人工放置芯片殼體到每個(gè)托盤槽里，擺放時(shí)需要保證測(cè)量面朝上。上料線的托盤放置區(qū)可以上下多層碼垛放置，最多可以放置10 盤，每個(gè)托盤大致可以放置150 件，每個(gè)批產(chǎn)最多可以上料將近1 500 件。

托盤上料完成后，點(diǎn)啟動(dòng)按鈕，上料線會(huì)自動(dòng)從最下面的料盤開(kāi)始拆垛，料盤被傳輸帶運(yùn)載到上料等待區(qū)，測(cè)量機(jī)可以上料時(shí)，料盤抓手抓取料盤到測(cè)量機(jī)平臺(tái)。測(cè)量等待區(qū)無(wú)料時(shí)，繼續(xù)拆垛準(zhǔn)備下一盤。上料線及托盤結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

2、托盤上料機(jī)械手

托盤上料機(jī)械手為兩軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，可以左右橫移，托盤抓手可以上下移動(dòng)。

托盤從上料準(zhǔn)備區(qū)到測(cè)量機(jī)平臺(tái)再到下料線的移動(dòng)，如圖7 所示。

圖7 托盤上料機(jī)械手圖示

3、影像測(cè)量機(jī)及CCD 識(shí)別

托盤上料到測(cè)量機(jī)測(cè)量平臺(tái)后，被放置在定位裝置上定位。由于芯片在托盤槽里的確切位置是未知的，在影像測(cè)量機(jī)上除自有的測(cè)量CCD 外，又額外配置了工件識(shí)別CCD。此CCD 可以識(shí)別托盤上工件的準(zhǔn)確位置和數(shù)量，并將識(shí)別的信息轉(zhuǎn)遞給測(cè)量機(jī)，引導(dǎo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭對(duì)每個(gè)工件進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量機(jī)在得到殼體位置后，移動(dòng)到殼體位置，并自動(dòng)啟動(dòng)預(yù)先編好的測(cè)量程序開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量完成后把結(jié)果保存到控制系統(tǒng)，測(cè)量完成一件自動(dòng)移動(dòng)到下一件進(jìn)行測(cè)量，直到托盤上殼體全部被測(cè)量完成。影像測(cè)量機(jī)及CCD 識(shí)別圖示如圖8 所示。

圖8 影像測(cè)量機(jī)及CCD 識(shí)別圖示

圖9 下料線及機(jī)器人分揀圖示

4、下料線及機(jī)器人分揀

整盤工件測(cè)量完成后，托盤上料機(jī)械手會(huì)自動(dòng)將整個(gè)托盤抓取到下料線上，并給測(cè)量機(jī)重新上一盤新料。托盤放置到下料線后，分揀機(jī)器人會(huì)帶動(dòng)機(jī)械手上配置的CCD，對(duì)托盤上的工件進(jìn)行再次識(shí)別和定位，并與測(cè)量機(jī)傳遞的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行匹配。識(shí)別完成后，利用專用的吸盤抓手將工件按測(cè)量結(jié)果分類放置到優(yōu)良差的三條料線上。放置完成后，空托盤被傳送到空料盤碼垛區(qū)進(jìn)行碼垛。整個(gè)批次測(cè)量完成后，人工將空料盤取走。下料線及機(jī)器人分揀圖示，如圖9 所示。

5、分揀料線

分揀料線分為優(yōu)、良、差三個(gè)，并配置有空料盤碼垛準(zhǔn)備區(qū)和滿料碼垛收集區(qū)。人工把空料盤放置到準(zhǔn)備區(qū)，料盤被傳輸?shù)椒謷?，一盤放滿后，自動(dòng)傳輸?shù)绞占瘏^(qū)碼垛。碼垛滿后，人工取料盤下料。

三、結(jié)論

該自動(dòng)化測(cè)量分揀系統(tǒng)，利用了機(jī)器人、視覺(jué)和料線等技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的測(cè)量方式，國(guó)內(nèi)某大型芯片生產(chǎn)企業(yè)使用后，測(cè)量和分揀效率提高了10 倍以上，節(jié)省了人工，降低了設(shè)備的投入量，給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在該系統(tǒng)中，利用CCD 系統(tǒng)引導(dǎo)測(cè)量設(shè)備的自動(dòng)測(cè)量，相比傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備相對(duì)封閉的狀況，在測(cè)量領(lǐng)域是屬于技術(shù)創(chuàng)新，該技術(shù)可以應(yīng)用到其他相關(guān)領(lǐng)域，提高測(cè)量設(shè)備的自動(dòng)化程度。