金丝球焊线机焊接压力控制系统的分析与设计

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1、广东工业大学硕士学位论文1．2课题背景知识1．2．1金丝球焊线技术金丝球焊线技术，又称为芯片打线技术，是一种初级内部互连方法，它把框架引脚连到裸片表面或器件逻辑电路内部，这种连接方式把逻辑信号或晶片的电信号与外界连起来【41。金丝球焊线技术示意图如图1．1所示，金丝球焊接过程是一种不同于热焊的固态焊接过程，其原理是通过超声波发生器输出超声正弦波电信号，经超声换能器转变为机械振动，振幅经超声变幅杆放大后传递给焊接劈刀，使其在金属接触面处产生摩擦。在焊接初期阶段消除焊接区氧化膜及杂质，振动摩擦使两种金

2、属充分接触。在焊接阶段，由于两个焊接的交界面处声阻大，因此产生局部高温。在短时间内焊区高温不能及时散发，聚集在整个焊区，致使接触面迅速熔化，同时压力电磁铁在通电的情况下，产生磁力，施加给劈刀向下的力，使两种金属键合到一起。当超声波停止作用后，让施加在劈刀上的压力持续一段时间，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，形成牢固的机械连接，即实现焊接。金丝球焊线技术示意图如图1-1所示。刀图1-1金丝球焊线技术示意图Fig．1-1Schematicdiagramofgoldwirebo

3、nding在焊接的过程中，为保证焊接质量，必须考虑以下因素。(1)超声功率。在两种金属键合时，单位时间内在金属接触区所加的摩擦及振动能量，称为功率；一般功率越大，可焊性越好，但太大则易滑球，损伤晶片；若功率过小，可焊性变差，不易焊上。2第一章绪论(2)焊接压力。在两种金属键合时，应对金线施加一定的压力，保证金线和晶圆在摩擦振动的同时，紧密接触。一般压力越大，可焊性越好，但是压力太大则焊点易变形，易损伤晶片，打掉电极；若压力过小，可焊性变差，不易焊接成功。(3)时间。包括超声时间和焊接压力时间。超声

4、时间越长，两种金属越易焊接。但是过长的超声时间致使金属摩擦面熔融区过大，影响焊接效果；超声时间过短，熔融区过小，可焊性变差，不易焊接成功。焊接压力持续时间一般越长，可焊性越好。但时间太长则影响效率，焊点质量变差；时间太短，可焊性变差，不易焊上。(4)温度。一般温度越高，金属原子活性越强，金属越容易键合，可焊性越好。但是温度太高则易使晶圆烤坏以及支架氧化；太低则可焊性变差，不易焊接成功。因此，只有对超声功率、焊接压力、时间以及温度进行控制，才能保证有良好的焊接质量和较高的工作效率。1．2．2金丝球焊

5、线机简介金丝球焊线机，又称金丝球邦定机。超声波工作时，产生每秒几万次的高频振动。这种达到一定振幅的高频振动，通过变幅杆传递和放大送到劈刀上，并将纵波转变成劈刀上的横波，促使金线与晶圆面产生摩擦。由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，产生局部高温，热量不能及时散发，短时间内聚集在焊区，致使接触面迅速熔化。同时在压力作用下，融合成一体，达到焊接的目的【5】。金丝球焊线机控制系统包括电源模块、运动控制模块、人机接口模块、图像采集模块、焊接压力控制模块、超声控制模块以及打火控制模块等，其结构框图如图卜2所示

6、。图像采集系统∽＼卜广]／／1＼焊压控制系统＼厂—]／运动控制系统K}二：>PC机<}二：>l超声控制系统．人机接口模块k：二二》／1卜＼打火控制系统电源模块I>＼／图1-2金丝球焊线机控制系统结构框3广东工业大学硕士学位论丈Fig．1-2Stmcturediagramofgoldweldingmachinecontrolsystem焊接压力控制系统主要功能是保证压力电磁铁输出稳定的压力信号，保证焊接过程中压力的稳定性。超声控制系统功能是控制超声波功率输出的大小，保证稳定的超声波输出。打火控制系统

7、功能是保证系统输出恒定的打火电流以及保证打火烧球球形的美观和良好的质量[6l。图像采集模块负责在焊接过程中焊点自动对位、存储图像、识别图像。运动控制系统根据接收到的指令，对各电机进行控制，协调各轴运动，使焊接动作过程按指定程序运行。电源模块，为各个模块提供所需的各种电压。人机接口模块，主要是方便用户通过计算机对焊线机的实时操作。1．2．3金丝球焊机焊线动作过程金丝球焊线机是一款利甩超声波焊线技术，在压力和超声波能量共同作用下，利用超声机械振动带动金属丝与晶圆在接触面处进行摩擦，在局部地方瞬间产生高

8、温，使金属之间发生原子扩散，实现连接。焊接的整个动作过程，通常分为以下几个步骤如图1-3所示。焊丝球线节紧聚光瞄准1

9、，／聚光晡准l／曲r----'x(1)初始位置4线夹张开上机械拉曳口匕=3(2)第一焊接检查第一章绪论线夹张开◆r—㈡‘_______-_一聚光瞄准／(5)第二焊接瞄准线夹夹紧◆芯片(7)第二焊接5线夹张开(4)拉线位置线夹张开芯片引线(6)第二焊接检查线夹夹紧芯片(8)扯丝最低点升广东工业大学硕士学位论文线夹夹紧I◆打火烧球(9)成球位置打火杆焊丝球线夹I夹紧聚光