LED芯片键合机固晶臂的结构优化

马翔 刘光哲

摘  要：LED产业是我国新技术产业的代表之一。LED的发展与应用将有助于节能减排促进我国能源实现高效利用。为做好LED产业的发展需要加强在LED的技术和研究投入，在实现LED技术升级的同时提高LED的生产效率，降低LED的生产成本。固晶臂是LED芯片键合机中的重要组成部分，同时也是LED芯片全自动生产中的取放执行机构，其性能的好坏直接影响到LED芯片键合的稳定性与效果。文章在分析LED芯片键合机结构的基础上对如何做好LED芯片键合机固晶臂的优化设计进行了分析阐述。

关键词：LED芯片键合机;固晶臂;结构;优化;设计

Abstract： LED industry is one of the representatives of new technology industry in China. The development and application of LED will help to save energy and reduce emissions and promote the efficient use of energy in China. In order to facilitate the development of LED industry， it is necessary to strengthen the technology and research investment in LED， improve the production efficiency of LED and reduce the production cost of LED while upgrading LED technology. Solid crystal arm is not only an important part of LED chip bonding machine， but also an executive mechanism in the automatic production of LED chip. Its performance directly affects the stability and effect of LED chip bonding. Based on the analysis of the structure of LED chip bonding machine， this paper analyzes and expounds how to optimize the solid crystal arm of LED chip bonding machine.

前言

新時期我国的LED产业进入了一个崭新的阶段，在国家大力扶持和产业需求不断增加的基础上，做好LED核心技术与生产技术的不断升级是现代LED产业发展的重要方向。全自动LED芯片键合机是LED的封装设备，做好LED芯片键合机的发展与应用将有助于提高键合机的封装效率与封装效果。本文以LED芯片键合机的固晶臂为落脚点就如何做好LED芯片键合机固晶臂的优化设计进行了说明。

1 LED芯片键合机的工作流程与特点

LED芯片键合机是高精密机械设备，其主要完成LED芯片的封装作业。LED芯片键合机作业时，依靠高精密的气动、机械和自动化系统能够以超高的速度完成LED芯片的封装，现今LED芯片键合机最短的封装时间已经达到了160ms，在这样短的时间内完成LED芯片键合机内物料的上料和卸料对于键合机的机械结构要求极高。固晶臂就是执行这一动作的相关机构。LED芯片键合机固晶臂的动作流程如图1所示。

从图中可看出固晶臂在旋转的过程中要求平稳、高速，且为了能够在短时间内完成动作，固晶臂还需要能够抵抗高加速度所带来的应力。因此，需要对固晶臂进行结构优化设计，使其能够满足上述要求。

2 两种固晶臂设计方案的对比

固晶臂的设计其核心在于固晶臂截面形状的设计，由于固晶臂运动过程中会产生极大的惯性，良好的固晶臂截面设计将有助于提高固晶臂在高速、高加减速情况下的运动平滑性，并降低固晶臂在运动过程中末端的振动。固晶臂结构可以看做悬臂梁模型，下文将与悬臂梁的形式对固晶臂进行建模分析，分析固晶臂在等截面和变截面两种形式下其刚度和强度特性。

2.1 不同截面形式下固晶臂的刚度特性

在选用同一材质、厚度和长度的基础上分别以等截面和变截面的形式为固晶臂建立模型，使用ANSYS软件完成两种不同截面形式的固晶臂的三维模型的建立。还需要注意的是所建立的模型需要具有相同的体积和重量。在完成了模型的建立后分别在等截面模型和变截面模型末端加设固定约束，并在另一端施加相同的外力（5N），通过模型对固晶臂进行有限元分析。根据模型结果记录并对比等截面固晶臂模型和变截面固晶臂模型在相同外力下的变形量和应力分布情况。通过模型分析后可以发现变截面固晶臂的变形量和应力集中情况相对于等截面固晶臂都小，从而可以判定变截面固晶臂相对于等截面固晶臂具有更好的刚度特性。

2.2 不同截面形式下固晶臂的惯量特性

由于固晶臂需要在高加减速情况下动作，因此惯量特性对于固晶臂的运动特性有着极大的影响。使用SolidWorks软件建立起等截面和变截面的固晶臂三维模型。在三维模型建立后在设定相同的重量、材质、长度和体积的情况下对比两种截面形式下固晶臂的惯量特性。模拟后惯量特性数据为：等截面固晶臂为3472.856kg·mm2，变截面固晶臂为3098.867kg·mm2。通过数据可以看出相同运动条件下等截面固晶臂所产生的运动管理特性较小，能够获得更好的运动特性。

从上述模型数据的对比可以发现，变截面固晶臂相对于等截面固晶臂具有更好的刚度和转动惯量特性，因此在固晶臂的结构设计和优化中需要以变截面固晶臂作为初始的设计模型，并在此基础上对变截面固晶臂模型进行结构和细节优化。

3 变截面固晶臂的结构优化设计

变截面固晶臂结构设计关键是要确保变截面固晶臂在高加速、高惯量的点位置运动中具有良好的刚度和稳定性，由于LED芯片体积和重量很小，在变截面固晶臂的末端振动要求控制在±35μm的范围内，只有如此变截面固晶臂才能够在LED芯片键合机中获得良好的运动效果。在初始变截面固晶臂模型的基础上使用ANSYS软件建立模型，完成有限元分析。模型选用镁铝合金，结合变截面固晶臂的尺寸将变截面固晶臂划分为8796块，在变截面固晶臂模型上施加静压力实现对于变截面固晶臂模型的静力和模态分析。

3.1 变截面固晶臂的静态分析

在使用ANSYS软件对变截面固晶臂进行有限元分析时，将变截面固晶臂模型的末端使用固定约束进行固定，固定约束采用的是R=7mm的圆孔。完成了变截面固晶臂模型的固定后，在变截面固晶臂模型的另一端施加静态力矩，以此来分析变截面固晶臂模型的静态特性，模拟分析过程中对变截面固晶臂所承受的最大压应力和最大变形量进行统计，看其是否在使用要求的±35μm的范围内。

3.2 变截面固晶臂的模态分析

在完成了变截面固晶臂模型的静态分析后，需要对变截面固晶臂运动过程中的动态特性进行分析，并以此来确定变截面固晶臂的各项参数。变截面固晶臂同样采用末端约束且与静态约束方式相同，其后在变截面固晶臂上施加三种不同频率的外力。通过对模拟后的振型图进行观察后发现其中的第二阶固有频率所对应的振型图与变截面固晶臂模型的横向振型图相匹配。

3.3 变截面固晶臂运动位移量模拟

在变截面固晶臂的模态模拟分析后，可以获得变截面固晶臂模型的相关模态参数和变截面固晶臂在模态状态下的运动位移量。通过对变截面固晶臂在模态状态下运动位移量进行对比分析用以判定变截面固晶臂模型是否符合所需。在获取变截面固晶臂模态状态下运动位移量的相关数据时，需要以10ms、15ms和20ms三个时间节点为基准完成相关参数的获取。通过模型实验所获取的上述三个时间节点的位移量后发现其都在LED芯片键合机运动所要求的±35μm的范围内，因此选用的变截面固晶臂相关参数是符合要求的。

3.4 变截面固晶臂转动惯量的模拟

模型以变截面固晶臂相对于中心轴建立模拟运动过程中所产生的转动惯量，通过判定转动惯量是否在要求范围内来对变截面固晶臂的参数进行优化。通过模拟计算变截面固晶臂的模拟转动惯量在变截面固晶臂运动所要求的范围内。

通过使用ANSYS软件的模拟分析，变截面固晶臂的前三阶固有频率得到了极大的提高，经过优化的变截面固晶臂固有频率最少达到了1000Hz以上，这一数值已经远远超过了LED芯片键合机所要求的工作频率，此外，LED芯片键合机工作时的其他相关参数也通过模拟进行了相关的优化，远远满足LED芯片键合机运行时对于固晶臂所要求的安全数值。因此，通过对LED芯片键合机固晶臂的结构设计和模拟优化取得了良好的效果。优化后的固晶臂模型如图2所示。

4 结束语

LED芯片键合机固晶臂是LED芯片键合机中的重要零部件，由于其需要高速运动因此对于固晶臂的运用特性有着极高的要求。本文在分析固晶臂结构特点的基础上对固晶臂的结构进行了模拟，并借助于模拟数据对所建立的变截面固晶臂的初始设计进行了优化。通过不断的调整优化最终确定了变截面固晶臂是符合LED芯片键合机的固晶臂结构形式与参数。

参考文献：

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