集成电路塑封自动上料机机架部件设计及性能试验【毕业论文+doc】

集成电路塑封自动上料机机架部件设计及性能试验【精品
毕业论文 doc】
本课题结合纵向科研项目“集成电路塑封自动上料机研制”研究需要，首先进行了课题总体技术方案设计，然后进行了集成电路芯片塑料封装自动上料系统的机架部件结构设计及性能试验方案的拟定。

自动上料系统的研制实现了集成电路塑封的自动化，该系统适用于DIP、QFP、SOP、TO等系列集成电路芯片的塑封生产，可显著提高生产效率及产品质量。

自动上料系统主要由料片传送部件、料片自动排片部件、工控机系统、传感检测系统及上料机机架部件等组成。

上料机机架部件采用钣金结构制造，结构简单且使用方便。

上料机机架部件作为上料机一个重要的基础结构部件，起到支撑工作台、安装和保护电子设备内部各种电路单元、电气元器件等重要元件的作用。

关键词:集成电路，塑封，上料，自动化，机架部件
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
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第一章绪论 (1)
1.1课题研究的现状及发展趋势 (1)
1.2课题研究的基本内容 (2)
1.3课题研究的意义和价值 ....................................... 2 第二章集成电路封装概述 (4)
2.1 集成电路 (4)
2.1.1 概念 (4)
2.1.2 类型 (4)
2.1.3 集成电路在我国的发展状况 (5)
2.2 集成电路封装 (5)
2.2.1 封装的发展 (5)
2.2.2 塑料封装 (7)
2.2.3 环境因素对封装的影响 (7)
2.3 封装设备 (9)
2.3.1 集成电路芯片塑料封装设备 (9)
2.3.2 国内外集成电路塑封设备的概况 (10)
2.4 机电一体化系统(产品)的设计 ............................. 10 第三章上料机系统设计 . (12)
3.1 系统总体设计 (12)
3.1.1集成电路塑封上料的技术要求及其指标 (12)
3.1.2系统组成及工作过程 (12)
3.1.3系统特点 (14)
3.2上料机机架部件结构设计 (14)
3.2.1机架部件设计准则 (14)
3.2.2机架部件结构设计 (15)
3.3性能试验方案拟定 .......................................... 17 第四章结论与展望 ............................................... 20 参考文献 ........................................................ 21 致
谢 (22)
1.1 课题研究的现状及发展趋势
集成电路(IC)是现代信息产业和信息社会的基础，是改造和提升我国传统产业的核心技术。

近年来，我国集成电路产业发展迅猛，已成为国家经济发展的主要驱动力量之一。

设计、IC制造和IC封装)之中，IC封装在推进我国集成在构成集成电路产业的三大支柱(IC
电路产业快速发展过程中起到了重要的作用;多年来，我国IC封装的销售额在国家整个集
的份额;从某种意义上讲，我国集成电路产业是从IC封装开始成电路产业中一直占有70%
起家的，事实证明这是一条符合我国国情的发展道路。

目前，全球IC封装技术已经进入第三次革命性的变革时期，对我国集成电路产业的发展提供了一次难得的发展机遇。

当人类进人一个新千年的时候，蓬勃发展的计算机、通讯、汽车电子和其它消费类系统对IC封装提出了更高的要求，即高性能、高可靠、多功能、小型化、薄型化、便携式及低成本。

IC封装面临着严峻的挑战。

在迎接这一挑战中，世界的集成电路封装得到了空前的发展。

随着集成电路的发展，芯片封装技术也一直追随着集成电路的发展而发展。

一代集成电路就有相应一代的封装技术相配合。

集成电路封装技术的发展历史可划分为3个阶段。

第一阶段(2 0世纪7 0年代之前)，以通孔插装型封装为主;典型的封装形式包括最初的金属圆形(T O 型)封装，以及后来的陶瓷双列直插封装(C D I P)、陶瓷一玻璃双列直插封装(C e r D I P)和塑料双列直插封装(P D I P)等。

第二阶段(2 0世纪8 0年代以后)，从通孔插装型封装向表面贴装型封装的转变。

从平面两边引线型封装向平面四边引线型封装发展。

表面贴装技术被称为电子封装领域的一场革命，得到迅猛发展。

第三阶段(2 0世纪9 0年代以后)，集成电路发展进入超大规模集成电路时代，特征尺寸达到0.1 8,0.2 5 mm ，要求集成电路封装向更高密度和更高速度方向发展。

目前，世界集成电路封装正在呈现下述快速发展趋势:(1)为适应超大规模集成电路向着高密度、高I,O数方向的发展需求，IC封装正在从四边引线封装形式(Q F P,T Q F P )向球栅阵列封装形式(B G A,C S P )转变，信号传输由微型焊球代替传统的金属丝引线，信号输出由平面阵列方式代替传统的四边引线方式。

这是由
两边引线向四边引线、由通孔插装向表面贴装为代表的第二次IC封装的革命性技术变革后的第三次技术变革。

(2)
为适应快速增长的以手机、笔记本电脑、平板显示等为代表的便携式电子产品的需求，IC封装正在向着微型化、薄型化、不对称化、低成本化方向发展。

(3)为适应人们日益高涨的绿色环保要求，集成电路封装正在向着无铅化、无溴阻燃化、无毒低毒化方向快速发展，这对传统的IC封装及其封装材料提出了严峻的挑战。

全球集成电路封装正在按照既定的规律，蓬勃地向前发展，呈现出8个发展方向:(1)向着高密度、多I,O数方向发展;(2 )向着提高表面贴装密度方向发展;(3)向着高频、大功率方向发展;(4)向着薄型化、微型化、不对称化、低成本化方向发展;(5)从单芯片封装向多芯片封装发展;(6)从两维平面封装向三维立体封装方向发展;(7)向着系统封装(S l P )方向发展;(8)向着绿色环保化方向发展。

1.2 课题研究的基本内容
本课题结合纵向科研项目“集成电路塑封自动上料机研制”研究需要，首先进行了课题总体技术方案设计，然后进行集成电路芯片塑料封装自动上料系统的机架部件结构设计及性能试验方案的拟定。

系统主要有料片传送部件、料片自动排片部件、工控机系统及传感检测系统等组成。

为实现集成电路芯片塑封的自动化，设计了自动上料系统。

该系统采用多运动同步控制技术实现料片传送、料片排放及料片预热的自动控制;采用大导程滚珠丝杆副和高分辨率伺服系统保证机械手的快速精确定位;采用柔性流道结构，适应不同规格集成电路料片的自动上料;并基于Windows2000开发了专用工控软件。

该系统适用于DIP、QFP、SOP、TO等系列集成电路芯片的塑封生产，可显著提高生产效率及产品质量。

基本研究设计内容包括:
(1)课题总体技术方案设计;
(2)上料机机架部件结构设计;
(3)上料机系统部分性能试验。

1.3 课题研究的意义和价值
随着电子工业和集成电路产业的迅猛发展，使集成电路封装业的市场规模越来越大，对集成电路封装设备的自动化程度和技术含量也提出了更高的要求。

另外半导体集成电路在封装过程中，环境因素和静电因素对IC封装方面的影响较大。

随着IC的集成度和复杂性越来越高，污染控制、环境保护和静电防护技术就越来越影响或制约微电子技术的发展。

因此，在集成电路生产、封装中的前后道各工序对生产环境提出了更高要求，不仅仅要保持一定的温、湿度、洁净度，还需要对静电防护引起足够的重视。

为了解决这些问题，除
了通过严格和苛刻的净化、管理生产车间，在IC的加工生产和封装过程中建立起静电防护系统等措施外，最重要的还是尽可能的减少人为因素对生产过程的影响，用自动化设备代替人力在生产过程中的参与。

这样既可减少环境对集成电路生产封装的影响，又可提高生产效率。

而芯片封装是IC制造过程中影响微电子产品的生产效率和性能质量的关键环节之一。

半导体制造工艺的快速进步和市场对微小芯片的急切需求，对芯片封装设备的定位精度和运动速度、加速度提出了极高的要求。

本课题主要进行集成电路芯片塑料封装自动上料系统的设计及性能试验。

研制集成电路芯片塑料封装自动上料系统，可代替手工上料，填补手工上料在集成电路芯片封装生产工艺上的不足。

就目前国内外关于集成电路封装的文献表明，技术水平上，尽管我国集成电路产业在近几年有了快速的发展，但在总体上与发达国家相比，还存在很大的差距。

就半导体生产设备而言，主要还依靠进口，另外在国内封装生产线上IC封装设备的自动化程度参差不齐。

在市场方面，南通富士通、江苏长电、四川乐山无线电公司等国内大型封装企业国内封装企业迅速发展，跨国半导
体企业继续将封装测试基地转移到国内，专家预测今后几年中国集成电路市场将以每年30%左右的增长速度增长，到2009年市场规模将达到9475亿元。

面对蓬勃发展的IC封装业，面对中国巨大的市场需求，本课题研制的集成电路塑封自动上料机将具有广阔的应用前景和市场价值。

2.1 集成电路
2.1.1 概念
集成电路(Integrated Circuit, 通常简称IC) ,又称为集成电路。

是指将很多微电子器件集成在芯片上的一种高级微电子器件。

通常使用硅为基础材料，在上面通过扩散或
型和P型半导体及P,N结。

集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的渗透技术形成N
单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。

2.1.2 类型
(1)按功能结构分类
集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。

模拟集成电路用来产生、放大和处理各种模拟信号(指幅度随时间边疆变化的信号。

例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等)，而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号(指在时间上和幅度上离散取值的信号。

例如VCD、DVD重放的音频信号和视频信号)。

(2)按制作工艺分类
集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和薄膜集成电路。

膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。

(3)按集成度高低分类
集成电路按集成度高低的不同可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。

它是以内含晶体管等电子组件的数量来分类。

• SSI (小型集成电路)，晶体管数 10,100
• MSI (中型集成电路)，晶体管数 100,1,000
• LSI (大规模集成电路)，晶体管数 1,000,10,0000
• VLSI (超大规模集成电路)，晶体管数 100,000,
(4)按导电类型不同分类
集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路。

双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。

单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，
NMOS、PMOS等类型。

代表集成电路有CMOS、
(5)按用途分类
集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑(微机)用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路。

2.1.3 集成电路在我国的发展状况
现代发达国家经济发展的重要支柱之一——集成电路(以下称IC)产业发展十分迅速。

自从1958年世界上第一块IC问世以来，特别是近20年来，几乎每隔2—3年就有一代产品问世，至目前，产品以由初期的小规模IC发展到当今的超大规模IC。

集成电路是现代信息产业和信息社会的基础，是改造和提升我国传统产业的核心技术。

近年来，我国集成电路产业发展迅猛，已成为国家经济发展的主要驱动力
量之一。

在构成集成电路产业的三大支柱( 集成电路设计、集成电路制造和集成电路封装)之中，集成电路封装在推进我国集成电路产业快速发展过程中起到了重要
的作用;多年来，我国集成电路封装的销售额在国家整个集成电路产业中一直占有
7 0 % 的份额;从某种意义上讲，我国集成电路产业是从集成电路封装开始起家
的，事实证明这是一条符合我国国情的发展道路。

目前，全球集成电路封装技术已经进入第三次革命性的变革时期，对我国集成电路产业的发展提供了一次难得的发展机遇。

集成电路作为信息产业的基础和高新技术产业的核心，已被列为国家重点发展的领域。

尤其是国务院18号文的颁布实施，为我国半导体(集成电路、分立器件)的封装产业创造了良好的政策环境。

我们又迎来了封装产业大发展的大好时
机。

2.2 集成电路封装
2.2.1 封装的发展
集成电路封装技术的发展历史可划分为3 个阶段。

第一阶段(2 0 世纪7 0 年代之前)，以通孔插装型封装为主;典型的封装形式
包括最初的金属圆形( T O 型) 封装，以及后来的陶瓷双列直插封装( C D I
P ) 、陶瓷- 玻璃双列直插封装( C e r D I P ) 和塑料双列直插封装( P D I P ) 等;其中的P D I P ，由于其性能
优良、成本低廉，同时又适于大批量生产而成为这一阶段的主流产品。

第二阶段(2 0 世纪8 0 年代以后)，从通孔插装型封装向表面贴装型封装的转变，从平面两边引线型封装向平面四边引线型封装发展。

表面贴装技术被称为电子封装领域的一场革命，得到迅猛发展。

与之相适应，一些适应表面贴装技术的封装形式，如塑料有引线片式载体(P L C C)、塑料四边引线扁平封装(P Q F P)、塑料小外形封装(P S O P)以及无引线四边扁平封装(P Q F N)等封装形式应运而生，迅
速发展。

其中的P Q F P，由于密度高、引线节距小、成本低并适于表面安装，成为这一时期的主导产品。

第三阶段( 2 0 世纪9 0 年代以后)，集成电路发展进入超大规模集成电路时代，特征尺寸达到0.1 8 ~ 0.2 5mm，要求集成电路封装向更高密度和更高速度方向发展。

因此，集成电路封装的引线方式从平面四边引线型向平面球栅阵列型封装发展，引线技术从金属引线向微型焊球方向发展。

在此背景下，焊球阵列封装(B G A )获得迅猛发展，并成为主流产品。

B G A 按封装基板不同可分为塑料焊球阵列封装(P B G A )，陶瓷焊球阵列封装(C B G A )，载带焊球阵列封装(T B G A )，带散热器焊球阵列封装( E B G A )，以及倒装芯片焊球阵列封装(F C - B G A )等。

为适应手机、笔记本电脑等便携式电子产品小、轻、薄、低成本等需求，在B G A 的基础上又发展了芯片级封装(C S P );C S P 又包括引线框架型C S P 、柔性插入板C S P 、刚性插入板C S P 、圆片级C S P 等各种形式，目前处于快速发展阶段。

同时，多芯片组件(M C M)和系统封装( S i P )也在蓬勃发展，这可能孕育着电子封装的下一场革命性变革。

M C M 按照基板材料的不同分为多层陶瓷基板M C M(M C M - C)、多层薄膜基板M C M(M C M - D)、多层印制板MCM(M C M - L)和厚薄膜混合基板MCM(MCM-C/D)等多种形式。

S i P 是为整机系统小型化的
需要，提高集成电路功能和密度而发展起来的。

S I P 使用成熟的组装和互连技术，把各种集成电路如C M O S电路、G a A s电路、S i G e 电路或者光电子器件、M E M S 器件以及各类无源元件如电阻、电容、电感等集成到一个封装体内，实现整机系统的功能。

目前，全球集成电路封装正在按照既定的规律蓬勃地向前发展，呈现出8个发展方向:
(1)向着高密度、多I / O 数方向发展;
(2)向着提高表面贴装密度方向发展;
(3)向着高频、大功率方向发展;
(4)向着薄型化、微型化、不对称化、低成本化方向发展;
(5)从单芯片封装向多芯片封装发展;
(6)从两维平面封装向三维立体封装方向发展;
(7)向着系统封装(S I P )方向发展;
(8)向着绿色环保化方向发展。

目前，世界集成电路封装正在呈现下述快速发展趋势:
数方向的发展需求，IC封装正在(1)为适应超大规模集成电路向着高密度、高I,O
从四边引线封装形式(Q F P,T Q F P)向球栅阵列封装形式(B G A,C S P)转变，信号传输由微型焊球代替传统的金属丝引线，信号输出由平面阵列方式代替传统的四边引线方
封装的革命性式。

这是由两边引线向四边引线、由通孔插装向表面贴装为代表的第二次IC技术变革后的第三次技术变革。

(2)为适应快速增长的以手机、笔记本电脑、平板显示等为代表的便携式电子产品的需求，IC封装正在向着微型化、薄型化、不对称化、低成本化方向发展。

(3)为适应人们日益高涨的绿色环保要求，集成电路封装正在向着无铅化、无溴阻燃化、无毒低毒化方向快速发展，这对传统的IC封装及其封装材料提出了严峻的挑战。

2.2.2 塑料封装
在集成电路产业链中，电路设计、芯片制造、封装测试等多业并举，相互依存。

封装作为集成电路生产中极为重要的后道工序。

集成电路的封装成型工艺有金属封装、陶瓷封装、玻璃封装和塑料封装。

塑料封装(简称塑封)就是用塑封料把支撑集成电路芯片的引线框架、集成电路芯片和键合引线包封起来，从而在裸露的集成电路芯片外表面形成塑封体，保护芯片免受机械应力热应力、湿气、有害气体及
外部环境的影响，保证集成电路最大限度地发挥其电学特性。

金属陶瓷玻璃封装具有良好的气密性，是早期主要的封装成型工艺。

上世纪60年代塑料封装的出现改变了集成电路封装成型工艺的现状，由于塑料封装制造成本只有同类其他封装的
1/3~1/10，同时上世纪80年代后，高纯度、低应力的塑封材料，高质量的芯片钝化、芯片粘接、内涂覆材料、引线键合、加速筛选工艺及自动模制等新材料、新工艺、新技术有了长足的进步，使得塑封集成电路的可靠性逐步赶上金属封装和陶瓷封装，因此塑料封装成了目前集成电路的主流封装成型工艺，塑封集成电路的市场占有率达到90%以上。

塑封操作过程为:首先，将引线框架、集成电路芯片和键合引线构成的料片配置在加热的塑封模下模内;然后合模，在压机上将塑封料注入模具并固化;最后，卸模，将流道塑封料与料片分离。

料片置入塑封模的过程成为上料，上料是极其重要的一个工序。

上料的位置精度决定芯片在塑封体内的位置，上料的时间影响塑封的生产效率，特别是在上料过程中要避免人手的直接接触，否则易造成芯片污染，影响成品的电学特性，同时易引起
键合引线变形，甚至折断，影响成品合格率。

2.2.3 环境因素对封装的影响
随着集成电路的集成度和复杂性越来越高，污染控制、环境保护和静电防护技术就越来越影响或制约微电子技术的发展。

同时，随着我国国民经济的持续稳定增长和生产技术的不断创新发展，生产工艺对生产环境的要求越来越高。

大规模和超大规模IC生产中的前后道各工序对生产环境提出了更高要求，不仅仅要保持一定的温、湿度、洁净度，还需要对静电防护引起足够的重视。

在半导体集成电路生产中，封装形式由早期的金属封装或陶瓷封装逐渐向塑料封装方向发展。

塑料封装业随着IC业快速发展而同步发展。

据中国半导体信息网对我国国内28家
年那年就为44.12亿块，其中95,以上的IC产品都重点IC制造业的IC总产量统计，在2001
采用塑料封装形式。

众所周知，封装业属于整个IC生产中的后道生产过程，在该过程中，对于塑封IC、混合IC或单片IC，主要有晶圆减薄(磨片)、晶圆切割(划片)、上芯(粘片)、压焊(键合)、封装(包封)、前固化、电镀、打印、后固化、切筋、装管、封后测试等等工序。

各工序对不同的工艺环境都有不同的要求。

工艺环境因素主要包括空气洁净度、高纯水、压缩空气、二氧化碳气体、氮气、温度、湿度等等。

对于减薄、划片、上芯、前固化、压焊、包封等工序原则上要求必须在超净厂房内设立，因在以上各工序中，IC内核——芯粒始终裸露在外，直到包封工序后，芯粒才被环氧树脂包裹起来。

这样，包封以后不仅能对IC芯粒起着机械保护和引线向外电学连接的功能，而且对整个芯片的各种参数、性能及质量都起着根本的保持作用。

在以上各工序中，哪个环节或因素不合要求都将造成芯粒的报废，所以说，净化区内工序对环境诸因素要求比较严格和苛刻。

主要环境的影响因素:
(1)空调系统中洁净度的影响
此处省略 NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN字。

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机架部件具有足够的强度、刚度，机架部件各零件的材料均为Q235A，机架部件的机
架部分如图3.4所示。

机架部分与各活动门采用饺链连接。

机架部件为了外观美观，各零
部件磷化处理后喷乳白色油漆。

总的来说机架部件结构简单，便于装配、拆卸，操作使用
方便，维修性好。

3.3 性能试验方案拟定
性能试验检验表格
检验单位序号检验项目单位技术要求结果评价 1 工作环境安装在阴凉，干燥，通风，无尘的环境
环境温度控制变化范2 ? 25?1? 围
整机外观整洁，无明显瑕疵
油漆涂层应色泽鲜明、均匀、平整光滑，3 整机外观无裸露、流痕、起泡和皱纹，不得有磕
碰、划伤等缺陷
该机系统电源电压为单相220VAC、
250-60HZ，使用截面积不小于2.5mm4 工作电源的12,铜芯电源线将电源接入本机电
源板上端子座“R，T”
不低于0.33Bar气压的大气以直径8mm5 气压要求的气管与本机相连
2使用截面积不小于2.5mm的12#专用6 防电击和漏电接地线将该机电源板上的专用接地端
子与整个系统的接地线相连
该机不能与大功率，大电流设备安装在7 抗干扰一起，电源与其相隔开
适用于DIP、QFP、SOP、TO等系列不8 设备适用范围同规格集成电路芯片塑封
9 料盒尺寸 mm 长度150-210 mm,宽度24-70 mm 10 所测样机料盒尺寸 mm 长度183 mm，宽度34mm
所测样机料盒可容纳11 每个料盒可容纳40个料片料片数目
12 料片尺寸 mm 长度150-210 mm,宽度18-60 mm 13 所测样机料片尺寸 mm 长度183 mm，宽度27 mm
料片传送与控制运行 14 方式
通过气动控制模块驱动气缸来将已在(1) 推送料盒上道工序装满料片的料盒推入料架推送料盒架可调节宽(2) mm 170-249 mm 度范围
在推料片工位处，通过气动控制模块驱(3) 推送料片动气缸来实现推送料片每次从料盒推出一片料片后，接着通过
步进驱动模块驱动步进电机来实现料(4) 料架升降架下降一片料片的距离，为下一个推料
片动作做准备
通过气动控制模块驱动气缸来实现料(5) 料盒回收盒的回收
所测样机料架每次上(6) mm 3 mm 升距离
步进电机控制料架升(7) mm ?0.05 mm 降精度
推出的料片置于柔性料片流道上，通过
(8) 传送带的同步控制同步控制模块驱动同步电机来实现传
送带运动，将料片移动到等候排片工位
采用柔性的流道结构，适应不同规格集(9) 流道结构成电路料片的传输，调整方便
(10) 所测样机流道尺寸 mm 流道总长380 mm，总宽51 mm
料片在流道上横向传(11) mm 342 mm 送距离
自动排片与控制运行 15 方式。