基于PLC的半导体注塑机控制系统设计

Design of Control System for Semiconductor Injection Molding Machine Based on PLC

摘要

半导体注塑机通过高温高压将环氧树脂等材料注入模具形成芯片的保护外壳，是芯片封装的核心设备。根据半导体芯片的注塑工艺和安全控制要求设计基于可编程逻辑控制器（PLC）的控制系统。硬件上以NJ501-1400 PLC为控制核心，结合传感器和执行机构实现温度、压力的数据采集和控制。软件上进行PLC编程和人机界面编程，实现参数设置、状态实时监控、历史数据查询分析等功能，重点介绍曲肘结构的电机位置与台板位置的坐标系转换。结果表明：该控制系统可靠、安全、稳定，可应用于半导体注塑机，对其他行业电动压机控制系统设计有一定的指导意义。

Abstract

The semiconductor molding machine injected epoxy resin and other materials into molds under high temperature and high pressure to form protective enclosures for chips, serving as the core equipment in chip packaging. A control system based on programmable logic controller (PLC) was designed according to the injection molding process and safety control requirements of semiconductor chips. In terms of hardware, the NJ501-1400 PLC was employed as the control core, combined with sensors and actuators to achieve data acquisition and control of temperature and pressure. Regarding software, PLC programming and human-machine interface programming were carried out to implement functions including parameter setting, real-time status monitoring, and historical data query and analysis, with particular emphasis on the coordinate system transformation between the motor position and platen position of the toggle structure. The results demonstrated that the control system was reliable, safe, and stable, and could be applied to semiconductor molding machines, offering certain guiding significance for the design of electric press control systems in other industries.

Graphical abstract

关键词

注塑机 / PLC / 控制系统 / 半导体注塑

Key words

Injection molding machine / PLC / Control system / Semiconductor injection molding

注塑是半导体芯片封装中不可或缺的一道工序^[1]。半导体注塑机通过将热固性材料在高温高压下注入模具以完成芯片密封，是芯片封装的核心设备，其技术发展直接关系到芯片的良率、效率与成本。目前，半导体芯片封装注塑多采用液压注塑机，其结构^[2]、控制^[3]、远程监控^[4]等技术已应用成熟。液压注塑机具有结构简单、输出压力大、耐恶劣环境、维护复杂及精度较低等特点。随着半导体设备对自动化要求的提高，同时考虑到旧设备淘汰成本较高，许多厂家采用机械手实现液压注塑机的自动上下料^[5]。然而，不同厂家液压注塑机的接口难以统一，配套设备稳定性参差不齐，机械手式的自动化改造逐渐被弱化。与此同时，半导体厂商对注塑工序洁净度的要求不断提升，液压注塑机逐渐被电动注塑机取代，市场对自动化电动注塑机的需求日益加大^[6-7]。电动注塑机具有精度高、无污染、维护简单、控制灵活、结构相对复杂等特点。目前，针对电动注塑机结构与控制的研究已广泛开展^[8-10]。电动注塑机多采用曲肘式结构产生足够的合模压力，在曲肘式机械结构方面的研究较多^[11-12]，但自动化控制方面的分析相对较少。半导体行业的自动化注塑机用户期望前期投资少，且随产能增加可随时扩展，因此设计可扩展的半导体注塑机控制系统具有重要意义。

可编程逻辑控制器（PLC）凭借其高可靠性与实时响应能力，能够精确控制注塑机的温度、压力、速度及多阶段动作顺序，从而实现复杂注塑工艺的自动化与稳定生产^[13-15]。本文以欧姆龙NJ501-1400 PLC为核心控制器，设计注塑机的控制系统，实现对注塑过程的精准控制、监控及安全保护等功能，硬件采用模块化设计，可快速扩展为全自动多注塑机整机系统。

1 半导体注塑机的结构及工艺流程

1.1 半导体注塑机的结构

图1为半导体注塑机结构。从图1可以看出，注塑机大体由合模系统、注塑系统、上模、下模、加热装置以及控制系统组成^[16]。合模系统由伺服电机、减速机、同步带轮、滚珠丝杆组合驱曲肘结构带动下模开合模，开合模过程由4根立柱进行导向，立柱上固定有锁模力传感器，监测合模压力^[17]，其主要作用是驱动下模与上模之间产生精准高吨位的合模压力。注塑系统由注塑底座、注塑杆、料筒、密封圈组成，注塑底座下方固定有注射压力传感器，监测注射压力，其主要作用是将熔化的塑封料按特定的速度、压力精确注入模具型腔中。上模、下模由标准的模架和根据产品类型变化的模具组成，模架上配有多路加热棒和温度传感器。

1.2 半导体注塑机工艺流程

注塑机利用塑封料先熔化再固化的特点进行成型。图2为半导体注塑成型工艺流程。从图2可以看出，首先将载有芯片的引线框架放入模具中，再放入塑封料，根据品种特性进行框架和塑封料的预热。合模过程先到一低压力的状态，判断引线框架是否叠料以及模具中是否有异物，判断正常后再进行合模到设定的压力，然后开始塑封料的注塑、固化，固化完成后开模并顶出产品，最后取出产品，完成一个注塑循环。

2 控制系统硬件设计

2.1 半导体注塑机控制系统

图3为导体注塑压机控制系统硬件框架。从图3可以看出，硬件系统由上位机、下位机和传感器及执行器构成。上位机选用工控机与PLC通过Ethernet IP进行连接，实现参数设置调用、实时数据监控、历史数据查询分析、远程数据交互等功能。下位机以欧姆龙PLC NJ501-1400为控制核心^[18]，配有稳定的直流电源。该PLC运算能力强大，为了使模块化的设计便于扩展一个PLC带多个注塑机或上下料结构，注塑机内采用远程站点的方式^[19]。PLC与远程站点、伺服驱动器采用EtherCat网线直连的方式进行串联，可继续串联至后续的扩展。远程站点上配有输入/输出(I/O)模块采集和控制输入输出点，配有485模块读写温控仪表，配有模拟量模块(4~20 mA)采集合模和注塑压力，便于实时控制。

2.2 I/O点信息

半导体注塑机完成预热、软合模、合模、注塑、固化、开模、顶出，是一顺序动作流程，同时需要兼顾点动、手动和自动模式的切换，更要兼顾安全性能。根据工艺特点和控制要求，设定10个I信号和13个O信号。表1为控制系统I/O点信息。因此，该控制系统的远程站点选择16位的输入模块和16位的输出模块。

3 控制系统软件设计

3.1 合模电机位置与下模台板位置的坐标系转换

半导体注塑机的合模系统采用伺服电机驱动，伺服电机产生大吨位的合模压力^[20]，常用曲肘结构，这导致电机位置与下模台板位置不成比例。在参数设定时，虽然台板位置相对于用户更为直观，但是在实际控制时是以电机位置为坐标。所以，对于合模压力的控制，合模电机位置与下模台板位置的坐标系实时转换至关重要。

3.1.1 数学模型建立

图4为合模机构的数学模型。合模结构以丝杆中心为中间轴两边对称。关节C直接连接在滑块上，所以在数学分析时，以关节C所在的位置为中心线，进行单边的分析。BG为底座所在的面，DE为下模的台板，A、B、C、D为几个关节，AB、AC、AD分别为关节间的连接杆。运行过程中电机带动C点上下运动，通过曲肘式结构带动台面DE上下运动。机械结构设计完成后，AB、AC、AD、DE、BG的长度为已知量，电机位置\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{M}}、下模平台位置\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{p}}均以G点作为参考原点^[21]。

3.1.2 电机位置转下模台板位置

已知电机位置\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{M}}(CG)，计算下模平台位置\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{p}}(HB)：

BC=\sqrt[]{C{G}^{\mathrm{2}}+B{G}^{\mathrm{2}}}(1)

\mathrm{\angle }ABC=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\frac{A{B}^{\mathrm{2}}+B{C}^{\mathrm{2}}-A{C}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}\times AB\times BC})(2)

\mathrm{\angle }CBG=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}(\frac{CG}{BG})(3)

\mathrm{\angle }ABG=\mathrm{\angle }ABC+\mathrm{\angle }CBG(4)

AM=\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathrm{\angle }ABG)\times AB(5)

BM=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{\angle }ABG\times AB(6)

A{I}_{\mathrm{2}}=BM-(BG-DE)(7)

\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{p}}=HB=\sqrt[]{A{D}^{\mathrm{2}}-A{I_{\mathrm{2}}}^{\mathrm{2}}}+AM(8)

由电机位置\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{M}}计算出下模平台位置\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{p}}，通过ST语言实现函数为\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{p}}=y_{\mathrm{1}}(\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{M}})。

3.1.3 下模台板位置转电机位置

已知下模平台位置\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{p}}(HB)，计算电机位置\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{M}}(CG)：

\mathrm{\angle }HBD=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}(\frac{BG-DE}{HB})(9)

BD=\sqrt[]{{(BG-DE)}^{\mathrm{2}}+H{B}^{\mathrm{2}}}(10)

\mathrm{\angle }DBA=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\frac{B{D}^{\mathrm{2}}+A{B}^{\mathrm{2}}-A{D}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}\times BD\times AB})(11)

\mathrm{\angle }ABG=\frac{\mathrm{\pi }}{\mathrm{2}}-\mathrm{\angle }HBD-\mathrm{\angle }DBA(12)

AM=AB\times \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{\angle }ABG(13)

BM=AB\times \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{\angle }ABG(14)

MG=BG-BM(15)

\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{M}}=CG=AM-\sqrt[]{A{C}^{\mathrm{2}}-M{G}^{\mathrm{2}}}(16)

由下模平台位置\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{p}}计算出电机位置\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{M}}，通过ST语言实现函数为\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{M}}=y_{\mathrm{2}}(\mathrm{P}\mathrm{o}{\mathrm{s}}_{\mathrm{p}})。

3.1.4 台板速度转电机速度

在实际压机操作时，用户会以下模台板速度(v_{\mathrm{P}})作为设定参数，计算出电机的速度(v_{\mathrm{M}})作为控制使用。假设控制CPU的控制周期为∆t，台板当前位置为L_{\mathrm{1}}，一个循环周期内台板所走到的目标位置L_{\mathrm{2}}=L_{\mathrm{1}}+v_{\mathrm{P}}\times ∆t，一个循环周期内电机所走的位移∆L=y_{\mathrm{2}}(L_{\mathrm{2}})-y_{\mathrm{2}}(L_{\mathrm{1}})，电机速度v_{\mathrm{M}}=∆L/∆t。

3.2 PLC程序控制设计

3.2.1 注塑机运行程序设计

通过坐标系转换函数的实现可以控制电机位置和速度实现对下模台板位置的精确控制^[22]。半导体塑封压机不仅需要控制上下模达到设定的合模压力，在接近上下模接触时需要判断模具内是否有异物、是否有引线框架放偏，即软合模功能。具体实现过程为：生产前先设定一较低的吨位，为”软合模力”，控制合模压力到达“软合模力”，记录当前的位置为“软合模位”，设定“软合模报警区域”。图5为注塑机运行的软件流程。从图5可以看出，合模开始时，下模先快速移动到“软合模位”-1，过程中如压力超过“软合模力”，立刻报警停止；到达“软合模位”-1后，再根据压力反馈值通过PID控制下模走到“软合模力”的位置，在此过程中如果位置超过“软合模位”+“软合模报警区域”，立刻报警停止。到达“软合模力”对应的位置后，判断当前位置是否在“软合模位”+“软合模报警区域”。如不在，说明软合模异常，立刻报警停止；如位置正常，继续通过PID控制到设定的合模力对应的位置，过程中如果位置超过上极限位置，立刻报警停止。以上均正常，压机再继续完成相应的注塑和固化过程，然后再进行开模。开模过程一般以下模台板为坐标系分为多段速下降，开模完成即结束。整个合模过程中报警，均需要压机开机等待人为处理。

3.2.2 安全设计

半导体芯片相对较贵，不允许报废产品。一旦合模完成必须保证注塑和固化完成，以防报废产品。同时，应兼顾安全，在设计软件动作时，一旦自动运行，将前后门锁住。无论自动或手动，在未到达软合模位置时，急停按钮按下、门打开都将立刻停止动作；当到达软合模后，只有在挡住光幕才停止动作，否则继续完成注塑和固化动作。

3.3 上位机软件设计

注塑机控制系统的上位机界面采用C#语言编程，C#是面向对象的编程语言语言功能强大，简单易学，对于人机界面的设计具有较强的优势，一般作为自动化设备界面设计的首选语言^[23-24]。上位机为用户提供友好的人机接口，主要涉及参数设置界面、实时监控界面、报警界面以及历史数据界面。

3.3.1 参数设置界面

系统运行的合模参数、注塑参数、清润模参数、温度设定、清模提醒设定对成品的质量至关重要，同时兼顾与产品质量无关的设备参数，如电机速度等。图6为参数设置界面。通过界面中参数修改，这些数据通过Ethernet IP口以欧姆龙的FINS协议发送给PLC，从而改变注塑机的实时参数。同时为适用多品种产品生产，可建立多品种参数，整体下发切换和上传。

3.3.2 实时监控界面

实时监控界面反映系统当前工况，显示各工件的实时工位状况、注塑时间、固化时间、各执行机构实时位置、生产模次、温度以及注塑和合模的实时曲线等信息，便于操作人员实时掌握注塑机各种运行状态。图7为注塑机实时监控界面。

3.3.3 报警界面

图8为报警界面。当有报警或警告产生时，蜂鸣器响且自动弹出报警界面，指示报警所属站点、代码、报警级别、时间以及处理方法。

3.3.4 历史数据界面

图9为历史数据界面。系统历史数据的保存保证以往数据均可查询可分析，可以根据时间查询每次报警信息、十大错误图表及趋势图表、生产报表、每一模产品的注塑曲线、各种易磨损件的计数统计、参数修改记录、合模洗模记录等，有利于用户追溯和分析所有历史数据。

4 实验测试

为验证该控制系统的可行性，以某工厂的半导体注塑机为测试对象，通过对其运行数据的实时监控和分析评估系统的性能和可靠性。该注塑机的合模压力可达200 t，注塑压力可达4 t，是一款普遍用于半导体芯片封装的注塑机。图10为控制柜实物。从图10可以看出，PLC置于控制柜中，具有短路、缺相、过温等多种保护，多电源将不同电路隔离，安全性能和稳定性高，抗干扰能力强。

以生产SOP16L-12R为例，测试时调整注塑机参数合模压力为100 t，注塑压强为980 N/cm²，模温为175 ℃，固化时间为120 s，树脂和框架预热时间均为3 s。图11为运行过程监控合模压力曲线。经过软合模后再到达和合模力，压力稳定，电机扭矩正常。

图12为合模后的注射压力曲线。按照设定的多段速走完后，再以PID调节平缓达到设定压力，并且将此模信息保存至历史信息中。测试结果表明，本文设计的注塑机控制系统具有控制平缓、精度高的优点，系统安全稳定。

5 结论

立足于半导体电动注塑机，设计以欧姆龙NJ501-1400 PLC为控制核心，配有工控机作为人机界面的控制系统。该系统硬件设计提供稳定的数据采集可控制，软件实现合模、注塑的压力精准控制、安全保护以及友好的用户界面，实现半导体注塑机高精度控制。模块化的设计为快速扩展多注塑机提供良好的硬件平台，对其他行业电动压机的研究和控制具有一定的指导意义。

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基金资助

安徽省科技攻坚计划项目（重点项目）(202423i08050045)