LED芯片键合机固晶臂的结构优化

LED芯片键合机固晶臂的结构优化

黄荣生

杭州士兰集成电路有限公司  浙江 杭州  311100

摘要：当前，我国十分注重LED这一高新技术产业的发展，该产业能够帮助我国更快实现节能减排。为了更好地发展LED产业，必须重点研究LED技术，加快LED技术升级，提高其生产效率，进而降低其生产成本。众所周知，LED芯片键合机包含了固晶臂这一组成部分，全自动生产LED芯片过程中，固晶臂相当于一个取放执行机构，LED芯片键合机是否具备稳定性取决于固晶臂的性能。对此，本文以LED芯片键合机为研究对象，详细探讨了该如何优化设计固晶臂结构这一问题。

关键词：LED芯片键合机;固晶臂;结构;优化

前言

当前，LED产业得到了我国的大力扶持，同时产业需求也在不断增加。LED核心技术只有更快实现升级，才能促进现代LED产业取得更好发展。固晶臂作为LED芯片键合机的一个核心零部件，它主要负责执行芯片的取放，因此芯片键合的最终效果与其结构特性密切相关。因此，必须保证固晶臂结构的合理性，才能更好的发展与应用LED芯片键合机，确保键合机达到更高的封装效率并取得显著的封装效果。笔者结合LED芯片键合机的具体应用状况，以固晶臂为落脚点，进一步说明了如何对固晶臂结构进行优化设计。

1 LED芯片键合机的工作流程与特点

作为一种高精密机械设备，LED芯片键合机的主要作用就是保证LED芯片能够顺利完成封装作业。处于运行状态下的LED芯片键合机，通过利用高精密的自动化系统，可快速封装好LED芯片。现阶段，LED芯片键合机只需160ms的时间就能完成封装作业，键合机要在如此短暂的时间内完成上料和卸料等任务，必须具备优良的机械结构。固晶臂作为这一动作的执行机构，必须严格按照相关流程执行各项动作。

固晶臂除了需保持平稳、高速的旋转以外，还需保证各项动作能够在短时间内完成，同时固晶臂也要具备能够应对高加速度带来的变化。因此，必须进一步优化设计固晶臂结构，确保其能够达到以上要求。

2 两种固晶臂设计方案的对比

设计固晶臂过程中，应侧重设计固晶臂的截面形状，处于运动状态下的固晶臂会产生惯性。因此，必须重视固晶臂的截面设计，确保固晶臂在任何情况下都能具备运动平滑性，进而降低其末端的振动。一般来说，固晶臂结构相当于悬臂梁模型，笔者根据悬臂梁的形式，侧重分析了处于等截面、变截面等形式下的固晶臂的刚度以及强度特性。

2.1 不同截面形式下固晶臂的刚度特性

在保证厚度、长度以及材质相同的基础上，采用等截面、变截面等不同形式来构建固晶臂模型，同时借助ANSYS软件，以此建立固晶臂处于不同截面形式下的三维模型。需注意一点，必须保证这些模型的重量、体积相同。建立好模型之后，可将固定约束加设在模型末端，并在另一端施加同样的外力，利用模型有限元分析固晶臂。通过参照模型结果记录，比较这两种固晶臂模型受到相同外力之后产生的变形量，并对其应力分布情况展开分析。通过模型分析，可知变截面固晶臂相较于等截面固晶臂，前者的变形量以及应力集中情况均要小于后者，可见前者的刚度特性比后者更佳。

2.2 不同截面形式下固晶臂的惯量特性

固晶臂只有处于高加减速状态下才能执行动作，可见惯量特性直接影响到固晶臂的运动特性。通常，固晶臂三维模型的建立需借助SolidWorks软件。首先，需建立好三维模型，并保证固晶臂在不同截面形式下，其体积、重量、长度、材质相同，这样才能比较二者的惯量特性。通过进行模拟，我们发现等截面固晶臂和变截面固晶臂的惯量特性数据分别为3472.856kg·mm2和3098.867kg·mm2。根据以上数据，可知等截面固晶臂在相同的运动条件下，将产生较小的运动管理特性，但其运动特性更佳。

通过对比上述模型数据，我们发现变截面固晶臂与等截面固晶臂相比，其刚度以及转动惯量特性更好。所以，对固晶臂结构进行优化设计时，必须将变截面固晶臂当成最初的设计模型，由此进行结构设计和细节优化。

3 变截面固晶臂的结构优化设计

对于变截面固晶臂而言，注重结构设计主要是为了保证其处于高加速运动状态下保持稳定并具备良好的刚度。正因为LED芯片的体积、重量都比较小，因此变截面固晶臂需达到±35μm的末端振动要求，这样变截面固晶臂方可在LED芯片键合机中达到理想的运动效果。根据最初的变截面固晶臂模型，借助ANSYS软件完成模型的构建并进行有限元分析。一般来说，模型最常选用的是镁铝合金，同时需根据变截面固晶臂的实际尺寸进行划分，通过施加静压力对其进行模态分析。

3.1 变截面固晶臂的静态分析

使用ANSYS软件来有限元分析变截面固晶臂时，可使用固定约束将模型末端固定好，通常固定约束主要采用R=7mm的圆孔。固定好变截面固晶臂模型之后，需将静态力矩施加到另一端，这样就能对模型静态特性进行分析。进行模拟分析时，需统计变截面固晶臂产生的最大变形量以及最大压应力，看其能否达到±35μm的使用要求。

3.2 变截面固晶臂的模态分析

变截面固晶臂模型完成了静态分析之后，接下来需分析其动态特性，这样就能确定出各项参数。同样，变截面固晶臂也可采用末端约束，这种方式类似于静态约束，主要将频率不同的三种外力施加给变截面固晶臂。通过对振型图进行模拟，仔细观察发现第二阶固有频率所对应的振型图能够匹配变截面固晶臂模型的横向振型图。

3.3 变截面固晶臂运动位移量模拟

模态模拟分析变截面固晶臂之后，可得到相关模态参数以及处于模拟状态下的变截面固晶臂的运动位移量。变截面固晶臂处于模态状态时，通过对比分析其运动位移量，可判定该模型能否达到要求。通常，需按照三个时间节点（10ms、15ms、20ms）来获取相关运动位移量。通过进行模型实验获取位移量之后，我们发现它们都符合LED芯片键合机提出的运动要求，即保持在±35μm之间，可见选用的相关参数均与要求相符。

3.4 变截面固晶臂转动惯量的模拟

变截面固晶臂利用中心轴来建立模型，模拟运动过程中难免会产生转动惯量，通过对转动惯量进行判断，以此优化变截面固晶臂的相关参数。当然，变截面固晶臂也可通过模拟计算来获取模拟转动惯量，这样变截面固晶臂就能够达到运动要求。

一般来说，模拟分析最常采用的是ANSYS软件，这样变截面固晶臂就能快速提高前三阶固有频率。变截面固晶臂经过优化之后，固有频率最低为1000Hz，LED芯片键合机根本不需要达到这么大的工作频率。与此同时，LED芯片键合机通过模拟优化其他相关参数之后，键合机在运行过程中，固晶臂安全就能得到保障。由此可见，固晶臂结构经过模拟优化之后，LED芯片键合机的应用效果更加显著。

4 结束语

LED芯片键合机包含了固晶臂这一重要零部件，然而固晶臂必须保持高速运动，所以需要具备很好的运用特性。本文主要围绕固晶臂的结构特点，分析和研究了固晶臂的结构，并利用模拟数据来构建固晶臂模型，同时明确了其结构设计方向。通过利用有限元分析软件，模态分析固晶臂模型，进而达到优化固晶臂目的。变截面固晶臂经过调整优化之后，无论是结构形式还是参数都能达到LED芯片键合机的运行要求。结合本研究对固晶臂结构进行优化得到的最终结果，我们总结了解决类似问题的有效途径，希望能够为同行们研究该领域提供一点参考依据。

参考文献：

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