贴胶带机研发时的问题与对策浅析

贴胶带机研发时的问题与对策浅析

发布时间：2021-07-31T10:16:40.518Z 来源：《电力设备》2021年第3期作者：卢升[导读] 在半导体制作时，铜制基板会经过镀/化金工艺，即在目标区域形成镀金层。

（上海世禹精密机械有限公司上海 201615）摘要：大基板类的自动贴胶带机要求区别于传统的PCB板，使得在设计该类机型时难题重重。本文主要阐述了在研发这种特殊要求的自动贴胶带机时遇到的问题和应对方法，期待能给到相关机械设计人员一些思路和启发。关键字：大基板；自动贴胶带机；研发

引言：

在半导体制作时，铜制基板会经过镀/化金工艺，即在目标区域形成镀金层。对于大基板类产品，在裁切成单颗芯片前，往往有许多无效区域比如方板的四周一圈，而贴上耐腐蚀耐高温的胶带后自然能有效避免金的浪费。在设计研发以及实际制作该类自动贴胶带机时，遇到了诸如产品吸附不牢时旋转掉落、上下运动机构同步驱动异常、贴胶带后剪刀寿命不良等问题。本人在研发时针对遇到的问题进行仔细思考与研究，并逐个击破难题，在这里发表个人观点，供同行在设计同类型机器时参考借鉴。

该项目中的大基板尺寸固定为510mm×515mm，宽度变化范围在0.5mm到3mm，客户需要在25s内，将基板的四周且包括正反两面贴上耐腐蚀的胶带，且需要贴合牢固，无气泡。

1.确定机构及布局时的问题与解决思路

操作工在实际给基板贴胶带时，需要一边将基板按住，一边在四周一圈贴上胶带，边贴边用手指按压，确保粘贴牢固。在贴完正面后，还需要将其翻个边，将反面进行同样的操作。整套操作下来，耗费将近60s。

如何设计机构布局，使得机器自动贴完胶带耗时能控制在25s以内是第一个难题。完全照搬人工操作流程显示是不可取的，必须正反面同步进行，才能大大提高机器效率。此外，在贴单面的时候，还需要另外一面进行支撑，抑制贴胶带时产生的作用力使得基板弯曲变形。因此需要设置两个完全镜像的贴胶带机构同时给基板上下面贴胶带，从而使施加在上下表面的作用力相互抵消，以达到高效的目的。

在这个思路上，再考虑到机器是需要连线生产，初步确定机器布局如下：左侧为基板流入工位，中间为贴胶带工位，右侧为基板流出工位。流道工位则为一般的皮带传输，而基板在三个工位之间穿梭时，需要借助移载机构。根据前面得出的结论，特意将贴胶带机构设计为上下镜像，且机器的操作侧和背侧各设置一套。三工位的上下方各设置一套移载机构，将上端移载设计成可旋转的带3排宝塔式吸嘴的机构，而下端移载设计成两边可升降的带防静电软垫的平台。这样平台升起来与吸嘴进行固定基板动作，软垫和宝塔式吸嘴自适应兼容不同厚度的基板，而吸嘴开启真空后平台下降时基板会留在上端，随着DD旋转马达转动可实现90度来回切换。之所以需要吸附旋转，是因为基板一次经过贴胶带工位时，只能够将两边覆盖，而另外两边是需要进行第二次经过贴胶带工位。

2.上下移载机构同步进行的问题与解决思路

我们公司的机器一般选用的是松下伺服电机驱动，据了解，伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度。

要实现两个移载机构同步进行，最简单的思路是物理连接，即是将两个移载机构的同步轮用一根长轴串起来，或者用同步带连接起来。但是在该项目中，上部的移载和下部的移载距离较长，且都是位于流道的正上方，就会产生连接机构干涉的问题且跨度大机构刚性不强。

或者两组脉冲分别控制这两套伺服，使用直线插补命令，只要直线插补是45度的直线，也就是把2套伺服当作X轴，Y轴看的话，分别是从坐标（0,0）移动到（100,100）这样的插补命令可以完成同步同速输出。

通过查阅相关资料，了解伺服电机还可以通过连入同一个驱动器，接收驱动器发来相同脉冲数对应相同的旋转量，实现同步。不过在非闭环控制系统里，由于机构安装的误差以及电机的差异，不可能完全同步。此方法适用于像该项目上这种不是高精度要求的机构。属于最便捷的一套方案。

确定好方案后，在后期实际跑机测试中，发现还需要将上下移载机构的电机参数设置一致，比如刚性数值，如果差异较大，会直接导致上下移载机构的运动同步不匹配，从而引发电机异响和驱动器报警，需要格外注意。

3.真空吸附后旋转掉板的问题与解决思路

大基板直线穿梭于三工位之间，为了实现把大基板的四周都贴上胶带，所以旋转动作必不可少。

起初设置了一个大旋转气缸，实现90度旋转动作。但由于倒吊负载比较重，旋转惯性比较大，会在末端撞击回弹，吸附的大基板会掉落，而且速度越快越不稳定，将大大影响生产效率。于是换掉旋转气缸，采用了DD旋转马达。但依然出现了厚板子（3mm）吸附不牢掉落。

开始仔细分析原因，根据物理公式：F(压力)=P(压强) ×S(接触面积)

而真空产生的负压强是固定,大概在-80Mpa，宝塔吸盘与大基板的接触面为圆形，所以最终公式是：F=P×n×π×(r^2)

其中n为吸盘数量，r为吸盘半径。最直接的加大吸力的方式，就是尽可能增加吸盘数量以及选用大口径的吸盘。最终朝这个思路把吸盘数量从30增加到48，且选择了吸盘直径为10mm的（产品上中部的可吸附区域为11mm的边）。但是依然有吸附掉落的现象出现。

仔细观察吸附过程，发现众多吸盘中偶尔有吸不牢的情况，其一：有些大基板表面不平整，吸盘无法很好的贴合；其二：大基板上有一些用于其他工艺制程的工艺通孔，恰好对准了某些吸盘。这两种情况总结起来就是，个别吸盘吸附不良直接破坏了整个吸附系统。

通过咨询真空吸附元件供应商，了解到在单一真空发生器连接多个真空吸盘的情况时，通常需要借助加装真空逻辑阀，使得即使出现了未吸着状态的吸盘，也能抑制住真空压力的降低，从而达到照样保持工件吸附不掉落的效果。至此，这个问题终于得到了解决。

4.胶带粘贴时产生气泡的问题与解决思路

将胶带按压在大基板表面上，需要用到滚轮。就像操作工用手指按压一样，滚轮的材质则不能太硬，因为如上所说，大基板表面并不平整，需要靠压轮的变形去适应基板表面。滚轮材质也不能太软，因为太软容易快速损耗。

经过调研对比，选择了聚氨酯，确定完滚轮材质后，又选择了多种硬度，从肖氏A30到A90，都制作了1套用于测试。经过在实际跑机测试后，确定使用肖氏A30硬度的聚氨酯滚轮效果最佳，贴合后碾压，无明显气泡产生。

5.胶带裁切时回弹问题与解决思路

胶带卷类似于日常生活中用到的透明胶带，只是材质不同，耐热耐腐蚀。像手持式贴胶带器的原理一样，需要扯出一截胶带起头，而胶带盘是套在可旋转的转盘上，动力源自于起头的胶带粘贴住目标后拉扯带出。这样就在实际运行中，在裁切断胶带的瞬间，留出的胶带起头会回弹消失，导致下次贴胶带没法进行。

为了解决这个回弹问题，在胶带起头的后方，设置了一个U字型真空吸附零件，吸附面贴近胶带非粘性面，在胶带被裁切断的刹那，立即开启真空，将自由的胶带禁锢住。

此外，还考虑将可自由旋转的转盘增加阻力，经过测试，在有真空吸附胶带的前提下，增加弹簧已经够用。分析原因：胶带盘体积和质量并不大，因此转动惯量也不大，如果是遇到了转动惯量大的场合，则必须借用强大外力去抑制。

6.裁切刀片维护问题与解决思路

最开始启用的是缝纫剪刀，双刃型。但由于剪刀其中的一边会直接接触胶带上有胶的那面，在多次使用后，剪刀上会残留胶体，胶体本身或者胶体粘着空气中的灰尘后，会使得剪刀刀刃不再锋利，严重影响生产。

另外，在锋利的刀刃上刮掉胶体或灰尘残留，比较麻烦，而且剪刀如果需要经常维护，会加大割伤操作员的手指的风险。

因此，可以设计单刃刀片，从胶带非粘性面划/扎断胶带。参考了市面上的雕刻刀，最终确定了刀片设计。材质选用钨钢，基于其特性：硬度可以达到89~95HRA，不易被磨损，坚硬不怕退火，是制作刀具的首选。

自制单刃刀片和标准的缝纫剪刀相比，还有另一个优点，就是自制单刃刀片可以通过设计好定位销孔和安装螺丝孔，而标准缝纫剪刀则需要通过异型结构的零件去卡住，所以在安装及替换上，也更胜一筹。

总结：

在此类型真空吸附、同步移载、裁切胶带的设备设计场合下，具备一定的参考意义。在整个项目开发过程中，遇到了诸多问题，有的是设计之初考虑不周全，比如真空吸附掉落，没有仔细验算以及观察产品特征；有的是经验不足，包胶滚轮的硬度等等。在以后做机械设计时，需要尽可能多的把风险点评估进去，并且多查阅书籍或网络以及咨询资深人员。最后认识到，很多知识往往都是通过实践后才能得出，做研发，需要在一定的时间资金允许下，大胆尝试。