平面LED焊线机整机结构设计及关键部件仿真分析_王林.docx

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1、 分类号 : UDC： 密级 : 学校代号 ： 11845 学号 ： 2110901123 广 东 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 (工学硕士） 平面 LED焊线机整机结构设计 及关键部件仿真分析 王林 指导教师姓名、职称： 吴小洪副教授 学科 (专业 )或领域名称： 机械电子工程 学生所属学院： 机电工程学院 A Dissertation Submitted to Guangdong University of Technology for the Degree of Master Structure Design Of Flat LED Wire Bonder And Simula

2、tion On Key Parts Master Candidate: Lin Wang Supervisor: Associate Prof. Xiaohong Wu May 2012 School of Electro mechanical Engineering Guangdong University of Technology Guangzhou, Guangdong, P.R.China, 510006 本文根据平面及大功率 LED封装工序中的超声波金线焊接工艺要求，研究幵发 全自动平面 LED焊线机，设计相关机械结构，并采用虚拟样机技术对关键部件进行 仿真分析，设计方案具有一定的

3、理论意义和实际应用价值。 本论文完成平面 LED焊线机主要机构设计及仿真部分包括以下几方面的工作： (1) 支架供送机构的设计；该机构是 LED支架从上料、过片、焊接、下料等 整个工作环节的主要部分，本设计重点包括了料盒式上、下料机构和送料机构的设 计。 上、下料机构采用料盒形式，实现不同规格的支架需要，实现上、下连料机构 续工作。 送料机构负责 LED支架的运送和定位，整个送料结构要求多自由度可调，以适 应不同规格的 LED支架并保持 支架焊接面与焊头垂直。 (2) 焊线机构的设计；焊线机构是完成金线焊接的核心部件，焊线机构的设 计好坏直接影响到焊接效果，该机构设计部分主要分为并联式 X-Y

4、工作台和焊头机 构的设计。 并联式 X-Y工作台具有运动质量轻、自由度少、刚度大的特点，同时能够适应 快速启停，机构运行轻快平稳；弹性解耦装置采用柔性设计，依靠弹簧预紧，实现 X-Y解耦，减小冲击、消除间隙。 焊头机构采用伺服电机直接驱动偏心轮，与曲柄滑块机构组合，使焊头做往复 摆动，省去丝杆、直线导轨等传动环节，减轻焊头重量的同时提髙传动效率；焊头 旋转关节采用 交叉弹片式，无磨损间歇，冲击更小、金线键合更平稳。 (3) 利用多体动力学分析软件 ADAMS对焊头机构进行运动仿真，通过对机 构真实环境和运动的模拟，获得该机构运动的关键数据：焊头的运动轨迹和焊接接 触力，验证是否满足设计要求，并

5、针对结果进行优化分析。 本文解决问题的思想和方法对类似研究具有一定借鉴意义，对进一步研究开发 更高性能的微电子封装设备打下了坚实的基础。 广东工业大学碩士学位论文 关键词： LED;焊线机：动力 7:仿 SolidWorks; ADAMS; Abstract Abstract This paper according to the plane and high power LED packaging process of ultrasonic gold line bonding requirements, research and development automatic flat LED

6、wire bonders, design related mechanical structure, and do simulation and analysis on the key components, design scheme has certain theoretical significance and practical application value. This paper to finish the LED wire bonder mechanical design and simulation includes the following aspects: (1) D

7、esign of the frame feeder mechanism; The agency is LED from feeding； , sending, bonding, which is the main part of the whole machine, the focal point of design including the automation feed mechanism and LED frame convey mechanism design. In the feeding mechanism, LED frame box needs different speci

8、fications, the box on the vertical feed mechanism to rely on their own gravity close to the feeding claw care; when frames in the material box be push completely or the box full with frames, the frame box pushed to the safe area to wait for workers replace it a new one, even realize the LED frames a

9、utomatic feeding. The LED frame convey mechanism responsible for the LED frames sending and positioning, when the frames was pushed to the specify location on the convey mechanism, feeder claw clamp the frames delivered to the bonding position, then the paw institutions push down to fully compress t

10、he LED frames; bonding complete and sending frame to the material box by the feeder claw. The whole structure requires many degrees of freedom can be adapt to different specifications of the LED frames and make the bonding surface perpendicular to the bonding head. (2) Design of the bonding mechanis

11、m; bonding mechanism is the key pats to complete the gold wire bonding, the design of the bonding head is a direct impact on the effect of wire bonding, the mechanical design section is include the parallel X-Y table and Bonding head. Parallel X-Y table drive by control software, X-Y table can reali

12、ze high-speed III 广东工业大学硕士学位论文 high-precision positioning, at the same time able to adapt to a fast start and stop, brisk and smooth bodies run; elastic decoupling devices using the flexible design, relying on the spring preload to achieve X-Y decoupling mechanism to reduce the impact. The bonding h

13、ead adopt a eccentric wheel direct-drive by a servo motor, do swing back and forth with the slider-crank mechanism combination, bonding head, eliminating the need for screw, linear guide transmission links, reducing the weight of the bonding head, at the same time improve the efficiency of transmiss

14、ion; the rotation of the bonding head joint with the cross spring lamination, the impact is smaller, and gold wire bonding will be more stable. (3) Do simulation on bonding head mechanism by the multi-body dynamics software ADAMS, the kinematic simulation of the real environment and the movement of

15、the mechanism, the key data such as: the trajectory of the bonding head and bonding contact force, verify that meet the design requirements, and for the results of the optimization analysis. The ideas and methods in this article to the flat wire bonder, is a certain reference for similar design, and

16、 laid a solid foundation for further research on the high-performance microelectronic packaging equipment. Keywords: LED; Flat Wire Bonder; Dynamics Simulation; SolidWorks; ADAMS; IV 目录 m . I Abstract . Ill S录 . v Contents . VII 第 一 章 绪 论 . 1 i.i课题研究背景 . i 1.1.1平面及大功率 LED应用现状及趋势 . 1 1.1.2平面 LED焊线设备发

17、展现状以及趋势 . 2 1.2平面 LED封装工艺及其关键设备简介 . 3 1.3平面 LED焊线机的基本组成 . 6 1.4本文研究的意义以及主要内容 . 8 1.4.1 本文研究的目的及意义 . 8 1.4.2本文研究的内容及工作 . 8 1.5 本章小结 . 9 第二章 LED支架供送机构设计 . 10 2.1机构设计原则 . 10 2.2上、下料机构设计 . 10 2.2.1上、下料机构的功能与原理 . 10 2.2.2机构零部件设计与标准件选择 . 11 2.3 LED支架送料机构的设计 . 24 2.3.1送料机构的功能与原理 . 24 2.3.2机构零部件设计与标准件选择 . 2

18、5 2.4 本章小结 . 32 第三章 LED焊线机构设计 . 33 3.1 机构设计原则 . 33 3.2并联 X-Y工作台设计 . 33 V 广东工业大学硕士学位论文 3.2.1丼联 X-Y .丨 :作台的功能 b原理 . 33 3.2.2机构零部件设计与标准件选择 . 35 3.3焊头机构设计 . 42 3.3.1焊头机构的功能与原理 . 42 3.3.2机构零部件设计与标准件选择 . 43 3.4 本章小结 . 45 第四章焊头机构的仿真与评价 . 46 4.1 虚拟样机技术概述 . 46 4.2 ADAMS软件介绍 . 48 4.3焊头机构焊线的仿真验证 . 49 4.3.1 Sol

19、idworks 与 ADAMS 的图形转换接口 . 49 4.3.2仿真设置 . 50 4.3.3运动轨迹分析 . 52 4.3.4焊头焊接的接触力分析 . 53 4.3_5 仿真结果的评价 . 55 4.4本章小结 . 55 总结与展望 . 56 参考文献 . 57 攻读硕士期间发表的论文 . 60 学位论文独创性声明 . 61 学位论文版权使用授权声明 . 61 m . 63 附录 . 64 VI Content Contents Abstract(Chinese) . I Abstract (English) . Ill Contents (Chinese) . V Contents (

20、English) . VII Charpterl Introduction . 1 1.1 Research background . 1 1.1.1 . Present application status and trend of flat Led or high power LED. 1 1.1.2 Present status and trend of the automatic flat LED wire bonder. 2 1.2 . Key technologies and research status in LED packaging equipment . 3 1.3 .

21、Basic components of the flat LED wire bonder. . 6 1.4 The significance and the main content of this paper . 8 1.4.1 Significance and of the dissertation . 8 1.4.2 Research works of the dissertation . 8 1.5 Summary of this chapter. . 9 Charpter2 Design of the frame feeder . 10 2.1 Principle of design

22、 . 10 2.2 Design of the and blanking mechanism . 10 2.2.1 . Function and principle of the feeding mechanism . 10 2.2.2 Parts design and standard parts selecting . 11 2.3 Design The LED frame convey mechanism . 24 2.3.1 Function and principle of the convey mechanism . 24 2.3.2 Parts design and standa

23、rd parts selecting . 25 2.4 Summary of this chapter, . 32 Charpter3 Design of wire bonding mechanism . 33 3.1 Principle of design . 33 广东工业大学硕士学位论文 3.3 Design of the wii*e bonding head . 42 3.3.1 Function and principle of the bonding head . 42 3.3.2 Parts design and standard parts selecting . 43 3.4

24、 Summary of this chapter. . 45 Charpter4 Wire bonding mechanism simulation and evaluation . 46 4.1 Virtual Prototyping Technology introduction . 46 4.2 Software ADAMS introduction . 48 4.3 Simulation of wire bonding process . 49 4.3.1 So】 id Works file transform to ADM AS file . 49 4.3.2 Simulation

25、setting . 50 4.3.3 Analysis of the motion trajectories . 52 4.3.4 Dynamic analysis . 53 4.3.5 Evaluation on simulation results . 55 4.4 Summary of this chapter. . 55 Conclusion and prospects . 56 References . 57 Publications . 60 Declaration . 61 Acknowledgement . 63 Appendix. . 64 VIII 第一章缝论 第 一 章

26、绪 论 1.1课题研究背景 1.1.1平面及大功率 LED应用现状及趋势 发光二极管 ： Light Emit Diode， 英文简称 LED,是一种由砷化镓 （ GaAs)、 磷 化镓（ GaP)等半导体材料合成，能够将电能转变成可见光和辐射能的发光元器件。 常见的 LED器件可分为直插式、食人鱼式、平面式及大功率 LED;平面式 LED多 芯集成封装在铝基板或陶瓷基板上，具有结构简单，体积小，热阻低，寿命长，发 光效率高，工作电压低，功耗少，发光稳定等一系列的特点 m。目前平面及大功率 LED发展十分迅速，各种各样的平面式LED被广泛地应用在汽车、家电、日常生 活、工业设备、指示性标志、装

27、饰、公共照明等各个领域。随着平面式 LED的成本 进一步降低和发光强度的不断提高以及散热问题的不断优化，各种电子电路集成技 术继续发展，目前国内越来越多的科研单位及企业机构不断开发、生产这种新型的 LED器件，其主要应用包括以下几个方面 2: 1. 背光源 平面 LED作为手机、笔记本电脑、 LED液晶电视、电子计算机、刷卡机、电 子手表的背光源，需求越来越大，具有寿命长，发光效率高，无干扰，性价比高等 优点。经过半个世纪的发展，如今背光源已经成为电子独立学科，并逐步形成研究 开发热点。 2. LED显示屏 目前，车站、银行、证券、医院、航天监控等行业纷纷采用高分辨率的平面 LED 显示屏，这

28、种显示屏亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性 能稳定，随着封装技术的不断发展， LED大屏显示已经达到 720P的水平。 3. 车用照明 目前欧洲系列车种包括奥迪、宝马、奔驰等高端品牌全系列采用高亮度平面 LED，而车厂中，丰田汽车也率先将仪表板的背光板换成高亮度平面 LED，而我 国自主研发的比亚迪汽车，也全部是运用 LED， 并且 LED也是公司自己生产的。 1 广东工业大学硕士学位论文 t要成川包括了仪表板、卉响指小灯、儿又的竹光源、阅读灯、刹乍灯、尾灯、头 灯等。 4. 室外照明 城市路灯时円常生活中常见的照明工具，它给夜晚的生活带来光明。美观的路 灯还可以把城市的夜

29、晚装饰得多姿多彩。 LED路灯作为新的室外照明解决方案，节 能 50%以上且能保持高亮度和长寿命，在成本进一步削减的情况下，我国平面 LED 室外照明灯组的应用将越来越广泛。 5. 景观照明 受到 2008年北京奥运会和 2010年上 海世博会的影响，北京、上海等举办地加 快了景观照明的步伐，由于 LED功耗低，在用电量巨大的景观照明市场中具有很强 的市场竞争力。目前， LED已经越来越多地应用到景观照明市场中。 LED在城市的 亮化工程和夜景工程的应用包括了景观树、埋地灯、水底灯、草坪灯、投光灯、洗 墙灯、彩虹管、护栏管、地砖灯等各种场合。 6. 太阳能 LED照明 近几年來，在城市路灯照明

30、行业中出现了一大批节能的新技术和新产品。太阳 能 LED路灯到天黑时自动点亮灯具，到天亮时自动关闭，更加方便，安全可靠。无 需复杂昂贵的管线铺设，可任意调整灯具的布局，安全节能无污染，无需人工操作 工作稳定可靠，节省电费免维护。并且也可以根据要求来做太阳能 LED路灯整灯的 设计。 2012年 4月，飞利浦照明已经发布了功率为 10W的平面 LED照明器件，寿 命长达 20年。结合太阳能路灯的推广，对绿色生态照明建设的贡献将越来越大。 综上，平面及大功率 LED的应用越来越广泛，无论是商业照明还是民用照明 领域都孕育着庞大的市场，在平面 LED封装技术不断发展的今天，其制造成本不断 降低将有力

31、驱动整个 LED行业飞速发展。 1.1.2平面 LED焊 线设备发展现状以及趋势 平面及大功率 LED不断扩大的市场需求刺激着相应封装设备的发展，其独特的 封装工艺驱使越来越多的企业，科研单位，高校等加大研发力度。目前看来，平面 LED封装的核心技术仍然被国外几个大公司垄断，国内科研成果还存在较大差距， 不能真正满足国内市场的实际需要 151。总体上我国在平面及大功率 LED封装设备的 2 第一章绪论 研发、制造及整线配套的能力与国外差距较大，大量的关键设备，特别是高端自动 化设备 (如固晶机、焊线机、测试机、编带机等）仍然以进口为主。进口的封装设备 通常存在价格昂贵，维修和使用相对不方便，目

32、前国内比较有实力的外资企业和国 有控股企业己经开始采用先进的全自动进口生产设备（如 ASM、 K&S、 KAIJO等 高端品牌），封装能力很强，封装出来的 LED品质好，巨大的投入也限制了企业的 进一步扩张。同时，珠三角地区很多私有型小企业规模有限，资金链不足，难以购 买昂贵的进口设备或高端设备，很多仍以半自动设备为主，封装的平面 LED质量、 产量和一致性均达不到较高的要求，这无疑是我国国产封装设备的一个巨大市场和 研发的一个努力方向。 总的来说，我国在半导体封装设备领域的发展速度相对过慢，远远达不到国外 先进水平，近年來我国政府大力提倡绿色环保照明，为 LED市场的发展奠定了坚实 基础，不

33、断扩大的市场需求也促进各科研单位和企业加大研发力度，在此关键时刻， 学校、科研机构、企业的有机联合将是最好的出路，于此同时，随着国内机械加工 水平和设备零配件质量的不断提高，国产 LED封装设备与国际先进水平的差距将会 越来越小。 1.2平面 LED封装工艺及其关键 设备简介 典型的平面 LED封装是把 LED芯片放置在引线框架上的反射杯中，经过金线 键合后，用环氧树脂封装成如图 1-1所示的常见的 LED灯产品。 图 M平面 LED支架简图 Figure 1-1 Structure of Flat LED Stent 典型的 LED封装工艺流程如图 1-2所示： 主要工序经历了点胶、固晶、焊

34、线、树脂封装、切脚、检测等十多道工序，相 3 广东工业大学硕士学位论文 心的加丄设备心点胶机、固品机、 W线机、注塑机、荧光粉涂布机、塑封机、测试 机等。封装设备的性能对产品品质的影响很大，在一定程度上直接决定了产品的定 位及性能；在丈际生产中，对封装工艺和专用设备的调试水平直接影响着 LED的质 量、产量和综合性能。 图 1-2典沏 LED封装 :丨 :艺流程 Figure 1-2 Typical LED Packaging Process 4 第一章績论 平面式 LED全自动焊线机所要完成的功能是自动装载和输送平面贴片或者大 功率 LED支架，完成所需要的金线超声波焊接，然后进行支架的自动卸载。平面 LED支架灯杯较大且多为多列形式排列，其单颗灯珠成本相对直插型 LED较高， 当进行焊接时要求夹具对各列灯杯充分压紧避免支架上下晃动，焊接完成后要求金 线拉力更高；因此对其焊线设备无论是在结构和