装片机丢片检测响应时间分析

任绍彬，徐品烈，郎 平

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 101601)

近年来，随着LED产品工艺和技术的改进，使LED产品的应用范围不断扩大，尤其是大功率高亮度LED产品的逐渐成熟，使得LED产品应用到日常生活的各个方面。相应的，市场上对LED产品不断提出新的需求，使得LED生产厂家及相关的设备制造商不断改进生产及加工工艺来满足市场需求。

LED装片机是从蓝膜上吸取划切分割后的芯片，并置于涂敷有粘接剂基底材料（支架、PCB板等）上，使芯片与基底材料固定在一起的一种自动化设备。

拾取放置机构在拾取芯片，往放置位快速运行的过程中，芯片有可能未能拾取或在运动过程中脱落，因此，在固晶前须检测吸头上是否有芯片，以避免放置时因无芯片造成吸头沾胶或焊盘缺芯，在国内生产线上所用的粘片机，其芯片丢失的传统检测方法一般采用光电信号的方式来实现，这种方法具有成本低、响应速度快、实现方便的优点，但随着白光LED产品的发展，此类产品所采用芯片的蓝宝石衬底逐渐变薄，使其透光率越来越高，光电检测方式的可靠性、稳定性已不能满足生产需求，本文提出一种由真空负压产生的微小气流的方式实现吸头处有无芯片的检测功能，这种检测方式不受芯片衬底材料的影响，具有可靠性高、适应性广的优点，但受元件安装尺寸及管道长度的限制，其响应时间较长，本文主要讨论吸头用真空拾取芯片时影响吸附响应时间的因素及缩短响应时间的途径。

1 检测单元的实现方法

装片机中，从蓝膜上吸取的芯片放置在基底材料上的功能由拾取放置机构来完成。拾取放置机构由伺服电机、四连赶机构、滑键轴、固晶臂、吸头、固定座六部分组成。

拾取放置过程中，首先打开吸头真空阀，使吸头腔体内形成一定的负压，依靠负压，吸头在吸晶位将蓝膜上划切分割后的芯片拾取后，运动到固晶位，检测芯片是否丢失，如有芯片，则断开吸头处真空，将芯片放置于固晶位置；如吸头处无芯片，表明芯片已丢失，检测单元须给出芯片已丢失的信号，吸头回到拾取位，重新拾取芯片。

芯片丢失的检测功能单元组成如图1所示，它是由真空泵、储气罐、流量传感器、真空阀等基本元件组成，另外还有气源附件、真空过滤器、出口消声器、管路等辅助元件。在固晶前进行芯片丢失的检测时，因吸头正空阀处于打开状态，如吸头处无芯片，储气罐由真空泵抽至较高的负压，连接储气罐和吸头的管道是畅通的，流过流量传感器的空气流量较大，流量传感器输出的电压信号也较高；如吸头处吸附了芯片，因芯片堵塞了吸头处的气路通道，连接储气罐和吸头的管道处于封闭状态，流过流量传感器的空气流量较小，流量传感器输出的电压信号也较低。依据量传感器输出电压信号的状态（高低）可以判断出芯片是否丢失。

图1 检测单元组成示意图

由于连接量传感器输出的电压信号是由流过它的气体流量产生的，它是利用真空阀两侧气路的空气压差，使大气从夹体吸头的空腔内经管道、真空过滤器流到流量传感器，这样由于管道的长度和过滤器的几何尺寸的影响，气体从吸头处流到流量传感器是需要一定的传导时间，因此流量传感器处达到吸着工件必须的真空度时输出的电压信号总是滞后于打开电磁阀真空通道的信号，这个滞后时间也就是丢片检测功能单元的响应时间。响应时间过长，就会影响检测信号的即时性，进而影响设备的效率及检测的灵活性。分析影响响应时间的因素及缩短响应时间，是依靠流量进行芯片丢失检测要解决的问题。

2 影响响应时间的因素

响应时间是指真空换向阀换向开始,到吸嘴内达到吸着工件必须的真空度为止所需的时间，即传感器可以可靠给出判断信号的最短时间。换向阀换向后，吸嘴内的真空度与到达时间的关系如图2所示。

图2 真空度与到达时间的关系曲线

设吸嘴内的压力p从大气压降至真空度达63%pv的时间为t1，降至真空度达95%pv的到达时间为t2，其中pv为真空泵可以达到的最大真空度。则：

（1）真空换向阀至吸嘴的配管容积以及这段时间内从吸嘴吸入的气体体积（V）；

（2）最小平均吸入流量（qv）；

（3）真空度（p）。

气体体积V越大，响应时间越长；平均吸入流量qv越大，响应时间越短；要达到的真空度p越高，响应时间越长。

3 计算及测试

下面，将图1所示的丢片功能单元，按照安装元件的性能指标及管道实际安装尺寸，依据公式（1）计算响应时间。

式（1）中：t1（或者t2）——吸着响应时间；

V——真空换向阀至吸嘴的配管容积与这段时间内吸嘴吸入的气体体积；

d——配管的内径；

l——配管的长度；

qv——通过真空换向阀的平均吸入流量qv1和通过配管的平均吸入流量qv2中的小者；

qv1——通过真空换向阀的平均吸入流量；

Sc——真空换向阀的有效截面积；

Cq——系数，，一般取，若真空管路中流动阻力偏大，可取

qv2——通过配管的平均吸入流量；

S——配管的有效截面积。

在实验中，d=2mm，l=0.4 m，则

查表得，真空换向阀的有效截面积为3.35mm2，

查表得，配管的有效截面积为2.40mm2，

配管容积以及这段时间内吸嘴吸入的气体体积与真空吸嘴的结构形状尺寸、抽气管道的长度以及管径有关。由于这段时间内的流速不稳定，无法对吸嘴吸入的气体体积进行计算，但由于响应时间较短，大约在50 ms左右，抽速较小，因此在上述计算中乘以系数k=1.1来代替。

（1）抽气管道的长短与响应时间的关系

图3所示中，从夹体到真空电磁阀之间的管道长度定义为L1，当抽气管道L1=1000mm时，响应时间为90 ms左右,当长度降至760mm时，响应时间减少至70 ms左右。后来继续将抽气管道剪短，当抽气管道L1=260 ms时，响应时间只需45 ms左右，由此可得出结论：抽气管道的长短对响应时间的影响很大，这主要是因为管道的长短直接关系到气体体积。但根据贴片机工作的实际情况，我们最后将抽气管道的长度定为400mm。

图3 抽气管道L=400mm时的响应时间

（2）真空度与响应时间的关系

由前面的理论计算可以看出，真空度越接近真空泵能提供的最大真空度，所需要的时间越长。实验中，我们采用的是台湾KAWAKE公司生产的JP-90V-9无油柱塞式真空泵，它理论上能提供真空度为99 kPa，但实际使用中，泵提供的最大真空度是92 kPa，比理论值要小很多。

图4 真空度80 kPa

图5 真空度87.6 kPa

从上面图可以看出，当真空压力为-70 kPa时，响应时间在30 ms左右，但波动很大；当真空压力为-80 kPa时，响应时间在45 ms左右，但也有小波动；当真空压力为-87.6 kPa时，响应时间在50 ms左右，且波动很小，可忽略不计。在同样的条件下，真空度越小，响应时间越短但会产生波动。经过多次实验证明，当调压阀的真空压力设定在-87.6 kPa左右时，响应时间小而且波动也可以忽略不计。而且-87.6 kPa刚好是实际最大真空度的95%。

（3）抽气速度（气体流量）与响应时间的关系

由式（1）看出，抽气速度越快，即单位时间流量越大，响应时间越短。这涉及到管道流阻及流导的问题。气体通过管道时产生的阻力称为流阻。流导表示真空管道、孔、挡板、阀门、过滤器等等元件传输气体的能力，与流阻是倒数关系。

真空泵的标示抽速为81～90 L/min，但实际上经过管道以后，实际抽速并没有这么快。对于真空泵的有效抽速，有以下公式：

其中：S——真空泵的有效抽速；

Sp——真空泵的理论抽速；

U——管道流导。

在本试验中，为定值，故真空泵的有效抽速随管道流导变化。下面计算管道流导：在低真空的管道中，气体沿管道的主要流动状态为黏滞流。对于圆截面长管道而言，其流导公式为：

其中：d——管道直径；

L——管道长度；

取储气罐到换向阀之间的管道计算流导：

真空泵的理论抽速SP≈1.5 L/s，真空过滤器的合适流量为30 L/min，即0.5 L/s，试验中流量传感器的最大输出3.7V，对应流量为85mL/min。可见单纯的管道流导比真空泵的理论抽速大很多，故管道虽然对响应速度有影响但还不是非常大。但是流量传感器、真空过滤器等元器件引起的流阻却对气体流动有很大影响，尤其是流量传感器。如图6所示：如果不分流，气体全部经过传感器，因为AWM3100可通过的流量很小，气体流经时遇到了非常大的流阻，故响应时间甚至长达200 ms以上。

其次，在相同的管长条件下，去掉真空过滤器会使得响应时间变短，且其影响图7中响应时间比图6中缩短了12 ms，且其影响比改变管长引起的变化大。这是因为真空过滤器的流量比管道的流导要小的缘故。

图6 保留真空过滤器

图7 去掉真空过滤器

4 结束语

根据分析研究，得出了真空吸附响应时间的表达式，也就找到了缩短吸附响应时间的途径。得出了以下结论：在用流量方法检测丢失时，合理缩短管道长度，采用较小的管道通径，使真空容积减小，检测芯片在整个气路系统，在目前实际安装条件下，优化各种影响因素，响应时间可以缩短到50 ms。抽气管道真空度达95%Pv时所需时间的理论值，可以在35 ms以下。但这是在完全理想的情况下，即气体体积完全符合计算值、真空度保持恒定、抽气速度恒定等，才可以得到的。事实上，除了考虑以上分析的气体体积、真空度、抽气速度3种主要的影响因素外，还有其他一些影响因素不可避免，比如气路系统的微泄露、强弱气的影响、换向阀动作时引起的气流波动等。

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