電子封裝BGA全自動植球機關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著電子產(chǎn)品日趨精致,集成電路IC封裝的接腳數(shù)越來越多,IC尺寸越來越小,利用傳統(tǒng)封裝技術(shù)已無法滿足這些要求,球柵陣列封裝(BGA)技術(shù)成為新的IC封裝主流,全自動BGA植球機是BGA封裝生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備。論文針對BGA封裝工藝與技術(shù)、全自動BGA植球機設(shè)計、封裝平臺的高速、高加速度、高精度運動控制及其芯片機器視覺檢測與精確對準(zhǔn)等全自動BGA植球機封裝系統(tǒng)中的核心關(guān)鍵技術(shù)問題,全面系統(tǒng)地展開理論研究、仿真分析和實驗驗證,取得了重要的研究

2、成果與結(jié)論,解決了全自動BGA植球機中高速、高加速度、高精度運動控制、植球芯片缺陷檢測和精確對準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)難題,為研制開發(fā)國內(nèi)尚屬空白的全自動BGA植球機奠定了良好的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。論文的主要研究內(nèi)容包括:
　　1.全面系統(tǒng)地分析研究了集成電路BGA芯片后封裝的工藝流程,在國內(nèi)首次對其中的核心工藝設(shè)備―STAR-04Z全自動BGA植球機‖進行了原理方案設(shè)計和詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計了STAR-04Z全自動BGA植球機,該設(shè)備具有焊料球

3、供給、拾取、放置和檢測以及真空吸頭的定位等功能。重點設(shè)計了焊料球供給機構(gòu)和真空吸頭,對于真空吸頭的移動、定位和拾放等運動系統(tǒng),設(shè)計并采用永磁直線電機運動控制平臺來實現(xiàn)植球運動的高速、高加速度和高精度運動控制。應(yīng)用PRO/E軟件建立了STAR-04Z全自動BGA植球機三維整機模型及其主要零部件的三維模型,計算了原理樣機的性能參數(shù)、主要結(jié)構(gòu)尺寸以及直線電機、氣缸與導(dǎo)軌副等型號的確定。
　　2.將虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用于全自動 BGA植球機的

4、設(shè)計開發(fā)中,研究整機的裝配約束拓撲關(guān)系和各個運動部件的時序特性,對整機進行運動仿真分析。對全自動BGA植球機的核心部件真空吸頭進行了靜態(tài)和動態(tài)性能分析,得到了真空吸頭在外界載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和固有頻率,對真空吸頭中的關(guān)鍵零件模板進行了疲勞分析,預(yù)估了受重復(fù)載荷作用下的模板壽命,為真空吸頭的設(shè)計和維護提供了理論依據(jù)?；跈C械動力學(xué)仿真軟件 ADAMS和多體系統(tǒng)動力學(xué)的建模原理,創(chuàng)建供球機構(gòu)虛擬樣機,對小且輕的焊料球在供給機構(gòu)中的動態(tài)性

5、能和力學(xué)性能進行仿真分析研究,為供球機構(gòu)設(shè)計和性能評價提供了一種新的方法和手段。
　　3.提出采用永磁直線電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)平臺,實現(xiàn)全自動BGA植球機的高速、高加速度、高精度運動控制,保證系統(tǒng)在高速、高加速度和不間斷點對點高速運動過程中的重復(fù)定位精度和平穩(wěn)性。根據(jù)永磁同步直線電機的結(jié)構(gòu)和工作原理,建立直線電機被控對象的伺服控制數(shù)學(xué)模型.對傳統(tǒng)PID控制算法、帶速度/加速度/摩擦前饋改進PID控制算法及基于遺傳算法優(yōu)化的模糊控制算法

6、進行MATLAB仿真分析與比較,得出帶速度/加速度/摩擦前饋改進PID控制算法和基于遺傳算法的模糊控制算法具有好的抗干擾性、快速的動態(tài)響應(yīng)能力,并且位置的跟蹤誤差小,可獲得較好的動、靜態(tài)特性,能更好地滿足全自動BGA植球機控制系統(tǒng)的高速、高加速度、高精度及高可靠性的特點和要求。建立面向BGA封裝設(shè)備的高速、高加速度、高精度三維運動控制實驗平臺,研發(fā)了實驗平臺的控制系統(tǒng),通過反復(fù)實驗,采用基于速度/加速度/摩擦前饋的改進PID控制算法,調(diào)

7、試得出最優(yōu)的直線電機伺服控制參數(shù),使直線電機伺服系統(tǒng)獲得良好的性能。最后根據(jù)ISO230-2國際標(biāo)準(zhǔn)對直線電機單軸進行定位精度和重復(fù)定位精度測定實驗,并通過電機空載及帶機械負載兩種對比試驗,分析負載質(zhì)量變化對直線電機平臺單軸定位精度的影響,同時對直線電機運動控制平臺高速、高加速度點對點定位精度進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明,本論文建立的運動平臺定位精度達到了微米級定位精度,可以滿足BGA植球機高精度定位要求,而且平臺在高速高加速度運行狀態(tài)

8、下,具有較高的點到點定位精度。
　　4.提出采用機器視覺系統(tǒng)實現(xiàn)全自動BGA植球機的植球缺陷準(zhǔn)確檢測和精確對準(zhǔn)。針對BGA全自動植球機中準(zhǔn)確檢測和精確對準(zhǔn)任務(wù),對BGA全自動植球機視覺系統(tǒng)進行了整體設(shè)計,根據(jù)研究對象的特征,分別對視覺缺陷檢測系統(tǒng)和視覺定位系統(tǒng)中的圖像處理算法和決策功能等進行了深入研究,搭建了視覺缺陷檢測的機器視覺實驗平臺,提出和研究了采用改進Blog圖像處理算法解決焊料球的缺陷檢測問題,并用MATLAB對視覺缺陷

9、檢測算法進行了分析驗證,取得了較好的效果。提出綜合直線電機驅(qū)動技術(shù)和機器視覺定位系統(tǒng)來滿足精確對準(zhǔn)的要求,采用和完善分層搜索的序貫相似度檢測算法,大大提高了模板匹配運算的速度,快速得到定位標(biāo)志誤差,控制直線電機運動以調(diào)整BGA基板和真空吸頭的相對位置,實現(xiàn)了真空吸頭與BGA基板的精確對準(zhǔn),并在基于機器視覺與PMAC運動控制卡實驗平臺上,實現(xiàn)了精確對準(zhǔn),驗證了該算法的可行性。
　　論文是作者主持的合肥工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究發(fā)展基金項目―半