1. 核心設計目標與挑戰(zhàn)

超高精度：核心目標，通常要求定位精度在±10μm以內，甚至更高（如鍵合工序）。

真空吸附與穩(wěn)定夾持：必須平穩(wěn)、無應力地固定PCB基板，防止任何微小的移動或翹曲。

熱管理：在某些情況下（如熱壓鍵合），夾具可能需要具備加熱或冷卻功能，且需保持熱穩(wěn)定性，避免熱變形影響精度。

多工序兼容性：夾具可能需要在不同設備間流轉（如從貼片機到鍵合機），需要統(tǒng)一的定位基準。

防靜電（ESD）保護：必須使用防靜電材料保護敏感的裸芯片和電路。

自動化兼容：設計需便于自動化設備（機械手）上下料，可能集成傳感器。

潔凈度：不能產生顆粒污染物。

2. 關鍵技術與結構設計

2.1 基準體系（Benchmarking System）

這是精密定位的靈魂。所有精度都源于此。

精密基準孔/銷：夾具本體上必須加工有高精度的機械基準孔（如M2、φ3h5），其位置公差需小于±5μm。這些孔與設備平臺上的定位銷（Dowel Pin）配合，實現夾具在設備上的定位。

光學對位標記（Fiducial Mark）：

在夾具上嵌入高對比度的標準對位標記（如陶瓷十字標、鉻版標）。

機器視覺系統(tǒng)通過識別夾具上的標記和PCB板上的標記，進行坐標轉換，補償PCB本身的制造誤差和放置誤差，從而實現芯片與焊盤的對位。

2.2 PCB固定與夾持機制

真空吸附系統(tǒng)（）：

多區(qū)域獨立真空氣路：夾具表面有精心布局的吸附孔陣列。對于不同尺寸的PCB，可通過軟件關閉不使用的區(qū)域，確保吸附力集中且均勻。

密封槽：在吸附區(qū)域加工密封槽并嵌入O型圈或聚氨酯密封條，確保真空密封性，即使PCB有輕微翹曲也能牢牢吸平。

真空通道：內部設計的真空氣路，快速抽真空和破真空，提高生產節(jié)拍。

微動力夾緊機構：

在真空吸附的基礎上，可在PCB邊緣關鍵位置增加微型氣缸驅動或精密的肘夾的壓塊，提供輔助夾緊力。

壓塊接觸面使用PEEK、Vespel或鑲陶瓷等軟質耐磨材料，避免劃傷PCB。

2.3 夾具本體材料

低膨脹合金/陶瓷：對于精度的應用（如光通信器件封裝），殷鋼（Invar）或碳化硅（SiC）陶瓷。它們的極低熱膨脹系數（CTE）可確保溫度波動時定位尺寸幾乎不變。

航空鋁合金：常用的平衡了性能與成本的材料，如7075-T6或6061-T6。經過熱處理和深冷處理以釋放內應力，保證長期的尺寸穩(wěn)定性。

表面處理：硬質陽極氧化（Hard Anodizing），增加表面硬度、耐磨性和抗腐蝕性。

2.4 熱管理模塊（可選）

加熱層：內置加熱膜（Kapton Heater）或蝕刻式加熱器，配合PT100溫度傳感器，實現閉環(huán)控溫。

冷卻水道：內部加工冷卻液流道，用于帶走工藝產生的熱量或控制加熱過程的升溫速率。

2.5 自動化接口

機器人抓取邊：設計專門的凸緣或凹槽，供機械手夾爪抓取。

傳感器安裝位：預留安裝位置用于真空傳感器（檢測PCB是否放置到位）、位置傳感器等。

3. 設計實例：用于芯片貼裝（Die Bonder）的精密夾具

應用：將裸芯片高精度貼裝到PCB的焊盤上。

夾具結構：

主體：一塊450mm × 450mm × 25mm的殷鋼板，經過時效處理和精密磨削，平面度<5μm。

基準：四個角有φ6h5的精密基準孔，與貼片機工作臺定位銷配合。

真空氣路：內部有多條獨立真空通道，通向表面的數百個φ0.5mm吸附孔。吸附區(qū)域布局與常用PCB尺寸匹配。

密封：每個吸附區(qū)域有一條CNC加工的O型圈槽。

視覺對位：嵌入兩個陶瓷十字標作為機器視覺的全局基準。

熱管理：集成一片大面積 etched heater，可加熱至150°C ±1°C，用于固化導電膠。

接口：側邊有快速真空接頭和電氣連接器（用于加熱和傳感）。

4. 制造與檢驗流程

應力釋放：材料粗加工后必須進行多次時效處理和深冷處理，消除內部應力。

精密加工：在恒溫車間（20°C ±1°C）使用超高精度的慢走絲、坐標磨床和加工中心進行加工。

熱處理：鋁合金件需進行T6熱處理。

表面處理：硬質陽極氧化。

終精加工：終的精磨和孔加工必須在恒溫條件下完成。

計量與檢測：

使用三坐標測量機（CMM）檢測所有關鍵尺寸和位置度。

使用激光干涉儀或高平面度光學平晶檢測工作面的平面度。

（可選）使用激光跟蹤儀檢測超大尺寸夾具的整體形位公差。

5. 總結

設計一個COB封裝精密定位夾具是一個涉及精密機械工程、材料科學、熱力學和計量學的系統(tǒng)工程。

成功的關鍵在于：

始于基準：一切精度源于高精度的機械基準和光學基準。

材料是基礎：選擇尺寸穩(wěn)定性的材料。

無應力固定：真空吸附是實現無應力、全平面固定的方式。

熱穩(wěn)定性：必須考慮工藝熱和環(huán)境熱帶來的影響并加以控制。

嚴格的制造與檢測：再好的設計也需要的制造和計量手段來保證。

此類夾具通常需要與專業(yè)的、有半導體或光電子行業(yè)經驗的治具制造商合作開發(fā)，以確保其滿足苛刻的工藝要求。