自动封装设备模具温度控制系统的研究

方唐利

（安徽耐科装备科技股份有限公司，安徽铜陵 244061）

1 引言

集成电路行业属于国家七大战略性新兴产业的新兴信息产业，集成电路全自动封装设备属于集成电路封装必要的工艺装备，同时又属于高端装备制造业。集成电路全自动封装设备是一款涉及机械、自动化、电子电路、铸造、压力控制、气动控制、温度控制、压力控制、软件等多学科的自动化设备，它的核心部分就是用于封装的压机部分，而压机模具温度直接影响到封装产品的品质，因此，拥有一套可靠稳定、控制精度高的温度控制系统对集成电路全自动封装设备至关重要，是产品品质的重要保障。

2 现有塑封模具温控系统

目前，常见的塑封模具温度控制系统主要采用：

（1）加热棒和热电偶布局在模架上，直接控制对象是模架温度。

（2）模架与模盒之间通过热传导实现模盒升温。

（3）模面与模架之间的温度通过手动调整温度补偿值实现统一。

（4）通过PLC 内部控制算法直接控制温控的启停、加热过程等。

上述方案主要缺陷有：

（1）由于加热棒和热电偶分布在模架上，上、下模架各4根加热棒，直接控制对象是模架，控制系统无法获取模面温度，导致加热过程模架温度与模面实际温差较大，只能通过手动调整温度补偿实现两者的统一，但是补偿值调整过程需要反复试验和修正，直到模温稳定。

（2）由于外界因素影响，原先设定的温度参数，再次升温时可能会发生变化，出现模面温度过高或过低的现象，需要重新调整温度补偿值，例如：设备排风系统，环境温度等。

（3）加热棒布局和选型不合理导致模温一致性较差，最常见的是模具后侧模温高于前端模温8℃～10℃，中间模温高于左右模温8℃～10℃。

（4）由于PLC 直接控制加热系统，一旦PLC 出现故障模具加热系统直接停止，导致生产过程的产品报废现象。

为了彻底解决上述问题，满足塑封工艺的模温需求，从软、硬件方面重新设计了一套用于集成电路全自动封装设备模具温度控制系统。

3 新型塑封模具温控系统设计

随着集成电路半导体技术的发展，封测厂商对效率的追求，传统的单排产品已越来越无法适应市场的发展，超宽、多排产品毫无疑问适应了发展的需求，正成为当下发展的趋势，产品的发现导致模具尺寸的增加，传统的加热棒分布方式已不适应现有模具的需求，为适应超宽多排大模面的模具的需求，重新对加热棒结构、功率和排布进行了优化，如图1所示。

（1）增加加热棒数量，由原上、下模各4 个加热棒增加到上、下模各6个加热棒，提高加热效率。

（2）考虑到模具左右散热比中间大的实际情况，加热棒采用左右功率大于中间的阶梯排布方式。

（3）考虑到模具前、后温差主要是由于前段散热所致，加热棒设计采用电阻丝绕组前段密度大于后端的方式。

（4）为解决模架温度与模面问题差异导致加热慢、补偿难调整等问题，在模盒靠近模面位置设计增加了一个热电偶检测位置，用于实时检测模面温度，通过模面温度与设定温度的差值动态调整加热过程的温度补偿值，达到快速、稳定升温的需求。

（5）电气方面采用欧姆龙温控模块加串口通信方式实现温度可靠控制。欧姆龙温控模块的优点在于具有温度控制稳定及精度高等特点，且PID温控算法内置[1]，能自主完成加热任务，PLC和温控器之间通过485 串口通讯实现数据交互[2]，传输稳定可靠，电气控制框图如图2所示，温控电气原理图如图3所示。

（6）电气设计方面充分考虑到整个温控系统的可靠、安全性，增加了温控器断线检测、短路和断路保护功能。

通过485串口通讯实现PLC与温控器之间的数据交互[3]，既可实现数据传输，也可在通讯异常情况下实现独立温控。采用固态继电器，解决机械式继电器触点长时间频繁切换导致的烧坏现象，电路设计增加热保护器和电流互感器[4]，能有效实现电路的短路保护和断路检测功能，极大的提升了整个温控系统的工作稳定性和安全性。

4 实际应用

此新型自动封装系统模温控制系统已成功应用，经过现场长时间测试结论如下：

（1）模温加热过程对比。

现场采用原温控系统和新型温控系统在模具彻底冷却的基础上同时升温，设定温度175℃，分别记录不同时间段的模面温度变化，如图4 所示，图4a 是原温控系统温度曲线，图4b为新型温控系统温度曲线，其中横坐标表示时间，单位为分钟，纵坐标表示温度，单位为摄氏度。

由图4 可以明显看出，原温控系统从加热开始到温度稳定在175℃大约需要160min，新型温控系统大约需要90min，显然增加了加热棒数量和引入动态温度补偿参数的新型温控系统比传统的温控系统升温速度更快，效率更高。

（2）模面温度一致性对比。

现场在两组实验模盒均达到温度稳定阶段后，分别测量两组模具的模面温度进行对比验证，结果如图5所示。

从测量实际模温可以看出，原温控系统模面温度一致性较差，最高温差8℃，而经过改进的温控系统模面温差最大3℃，一致性较好，可有效提升产品的塑封质量和良品率。

5 结束语

设计的新型集成电路全自动封装设备模具温度控制系统有效地解决了传统温控系统的各种弊端，具有温度控制稳定、精度高等特点。该套温度控制系统在集成电路全自动封装设备的成功应用，提升了集成电路全自动封装设备的整体性能，满足了集成电路封装工艺对温度的要求，提升了集成电路封装产品的品质。