Maxμm Ultra全自動(dòng)金絲鍵合機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析與維修維護(hù)

1設(shè)備原理

全自動(dòng)金絲鍵合機(jī)是集精密機(jī)械、自動(dòng)控制、圖像識(shí)別、光學(xué)、超聲波焊接等技術(shù)于一體的現(xiàn)代化高技術(shù)微電子半導(dǎo)體芯片鍵合的核心設(shè)備,其工藝過程為:球形鍵合時(shí)將金線穿過鍵合機(jī)毛細(xì)管劈刀(capillary),到達(dá)其頂部,利用高壓放電(EF0)系統(tǒng)產(chǎn)生電火花以熔化金屬線在劈刀外的伸出部分,在表面張力作用下熔融金屬凝固形成標(biāo)準(zhǔn)的球形(FreeAirAall,FBA),球直徑一般是線徑的2~3倍;緊接著降下劈刀,在適當(dāng)?shù)膲毫驮O(shè)定的時(shí)間內(nèi)將金屬球壓在芯片焊盤上。鍵合過程中,通過劈刀向金屬球施加超聲波和壓力,以促進(jìn)引線金屬和下面的芯片電極金屬發(fā)生塑性變形及原子間相互擴(kuò)散,完成第一焊點(diǎn):然后劈刀運(yùn)動(dòng)到第二點(diǎn)位置,第二點(diǎn)焊接包括楔形鍵合、扯線和送線,通過劈刀外壁對(duì)金屬線施加超聲波及壓力,以楔形鍵合方式完成第二焊點(diǎn):之后扯線使金屬線斷裂,劈刀升高到合適的高度送線達(dá)到要求的尾線長度,然后劈刀上升到成球的高度,系統(tǒng)啟動(dòng)EF0系統(tǒng)對(duì)金線尾絲打火成球,等待下一個(gè)焊接循環(huán)過程。

2設(shè)備結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)金絲鍵合機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、焊接頭、圖像采集及光學(xué)系統(tǒng)、XY工作平臺(tái)等組成。

2.1焊接頭

焊接頭是金絲鍵合機(jī)最精密、最核心的部件,焊接頭組件及其主要部件如圖2所示。

焊線焊接由下列裝置和控制完成:

2.1.1焊接頭

焊接頭是升高和降低焊針(焊接工具)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件。它將壓力和超聲波能量運(yùn)用于焊接,在二焊時(shí)切線,運(yùn)用EF0電子打火桿組件,在一焊前使焊線末端形成焊球。XY工作平臺(tái)組件按照工作定位焊接頭組件的位置。

2.1.2送線系統(tǒng)/焊接完整性測(cè)試系統(tǒng)

送線系統(tǒng)含有一個(gè)電動(dòng)送線軸基座和空氣壓力裝置,用于精確控制送線長度和焊線張力,由送線/BITS電路板控制。焊接完整性測(cè)試系統(tǒng)(BITS)是送線控制電子設(shè)備的一部分,負(fù)責(zé)對(duì)焊接進(jìn)程的結(jié)果進(jìn)行測(cè)試。送線/BITS電路板安裝在上層控制臺(tái)內(nèi),其他送線組件安裝在上層控制臺(tái)內(nèi)以及光學(xué)箱組件上。

2.1.3EF0組件

EF0組件產(chǎn)生計(jì)算機(jī)控制的高壓放電以形成焊球。該組件由鋁盒內(nèi)的EF0電路板、安裝在焊頭側(cè)面的EF0支架組件、EF0打火桿和高壓電纜組成。

2.1.4線夾和線夾驅(qū)動(dòng)電路板

在大部分焊線周期中,線夾(安裝在焊針上)被打開,以便送線。在進(jìn)行第二次焊接后,線夾關(guān)閉以夾持住金屬絲,同時(shí)焊頭向上移動(dòng)。在第二次焊接中扯下金屬絲,在焊針下方留下金屬絲尾部以形成焊球。線夾驅(qū)動(dòng)電路板組件產(chǎn)生并調(diào)節(jié)打開和關(guān)閉線夾組件的電勢(shì)。2.1.5超聲波發(fā)生器

超聲波發(fā)生器(USG)的電路板產(chǎn)生計(jì)算機(jī)控制的超聲波能量,該能量被傳送到安裝在焊接頭上的換能器。換能器把超聲波能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng),該振動(dòng)與焊針相耦合。當(dāng)被夾緊的焊線與焊盤或封裝引線接觸時(shí),機(jī)械振動(dòng)以及熱能和壓力共同作用,促成焊接的實(shí)現(xiàn)。

2.1.6焊接頭控制

焊接頭控制電路板用于精確控制焊接頭運(yùn)動(dòng)和操作,包括伺服CPU板(也控制XY工作平臺(tái)運(yùn)動(dòng))、伺服前置放大器板和Z放大器板,所有這些電路板都位于下層控制臺(tái)內(nèi)的卡架中。

2.2XY工作平臺(tái)

XY工作平臺(tái)裝置由X軸以及與X軸滑軌連接在一起的一個(gè)鑄鐵基座和Y軸及其他組件構(gòu)成。Y軸分為兩段滑軌一前Y滑軌、后Y滑軌,后Y滑軌連接軸承。X軸(左右運(yùn)動(dòng))和Y軸(前后運(yùn)動(dòng))各由一臺(tái)線性伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)它們沿著各自的軌道運(yùn)動(dòng)。X軸滑軌和前Y滑軌均使用滾柱軸承作為支撐機(jī)構(gòu)。X、Y軸都有一個(gè)整合的線性編碼器組件,可將軸位置實(shí)時(shí)反饋給伺服控制系統(tǒng)。

工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)受軟件限制,這些限制基于機(jī)器初始化期間位于各軸運(yùn)動(dòng)極限的位置。如果機(jī)器錯(cuò)誤允許工作臺(tái)超過軟件限位,機(jī)械限位器將停止工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。

XY工作平臺(tái)采用直流直線式音圈電機(jī)。壓縮空氣供應(yīng)給安裝在電機(jī)線圈上的氣刀組件,用以在電機(jī)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行冷卻。每一個(gè)電機(jī)都有溫度傳感器,當(dāng)電機(jī)溫度上升到最高工作溫度以上時(shí),溫度傳感器就會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù),使控制系統(tǒng)報(bào)告錯(cuò)誤情況而關(guān)閉機(jī)器運(yùn)行。XY工作平臺(tái)及其各組件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3伺服控制器

伺服控制器印刷電路板(PCB)組件,用于線性音圈伺服電機(jī)的計(jì)算機(jī)控制及其相關(guān)布線。PCB位于下控制臺(tái)組件內(nèi)的卡架中,包括伺服CPU(CPU2)、伺服前置放大器、兩個(gè)伺服放大器。

圖3 XY工作平臺(tái)及其各組件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中的電纜包括電機(jī)電纜(每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸一條)、編碼器電纜(每軸一條)和電機(jī)溫度傳感器電纜。編碼器電纜從滑軌組件線性編碼器的末端連接到編碼器放大器盒連接器。系統(tǒng)中所有的電纜終止于卡片支架母板組件上的連接器。

2.4光學(xué)及視覺系統(tǒng)

光學(xué)及視覺系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的對(duì)準(zhǔn),該系統(tǒng)由光學(xué)組件、照明系統(tǒng)、視頻攝像系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)組件(圖像識(shí)別/視頻圖形處理器件)組成,用來生成器件自動(dòng)校正以及操作人員互動(dòng)所需的放大視頻圖形。

2.4.1光學(xué)組件

雙倍率放大光學(xué)組件由光學(xué)元件、照明設(shè)備和攝像頭安裝組成。光學(xué)支架有兩條光路,終端各有一個(gè)獨(dú)立的攝像頭。每條光路提供鍵合區(qū)域不同的放大倍率:低倍放大(2x標(biāo)準(zhǔn))、高倍放大(6x標(biāo)準(zhǔn));也可通過分別設(shè)定不同的聚焦范圍,使低倍率路徑聚焦于引線參考系上,使高倍率路徑聚焦于芯片參考系上。雙倍率放大光學(xué)組件光程如圖4所示。

圖4 雙倍率放大光學(xué)組件光程

2.4.2照明系統(tǒng)

兩個(gè)LED照明光源是標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)組件的一部分,為焊接部位提供照明。垂直光源將光投射到與視頻光學(xué)系統(tǒng)同軸并以其為中心的工件上:傾斜光源以較低的角度將光投射到焊接區(qū)域,并照亮焊接區(qū)域的邊界。這些光源沒有外部開關(guān)控制,只通過視覺系統(tǒng)由設(shè)備軟件控制,在各種機(jī)器操作模式下,通過圖形界面調(diào)整控制光源亮度。

2.4.3視頻攝像系統(tǒng)

MaxμmUltra的攝像系統(tǒng)由兩個(gè)逐行掃描攝像頭和一個(gè)攝像頭控制單元組成。攝像頭安裝在光學(xué)外殼的后部,并通過電纜線連接到安裝在顯示器后上控制臺(tái)頂部的控制單元。攝像頭控制單元向視覺系統(tǒng)發(fā)送數(shù)字視頻信號(hào),以便圖像可以傳輸以進(jìn)行處理和顯示。

2.4.4視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)捕獲攝像頭生成的圖像,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)視頻顯示和圖像處理。該系統(tǒng)提供的功能有:自動(dòng)校正的圖像識(shí)別系統(tǒng)(PRS)、視頻引線定位(VLL)、芯片自動(dòng)定位/自動(dòng)居中瞄準(zhǔn)、為焊接后檢查(PBI)找尋焊球。在操作中,為了在焊接前自動(dòng)定位,視覺系統(tǒng)的圖像識(shí)別(PRS)功能通過采集的圖像來定位設(shè)備上的特定特征(眼點(diǎn)),該位置位于或接近示教時(shí)操作人員已輸入的區(qū)域。

3典型故障及處理

MaxμmUltra全自動(dòng)金絲鍵合機(jī)設(shè)計(jì)思路為模塊化設(shè)計(jì),故障排查時(shí)比較容易理清思路。典型故障及處理方式如下:

3.1平臺(tái)嘯叫

K&S公司的全自動(dòng)金絲鍵合機(jī)在工作過程中處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)會(huì)隨機(jī)發(fā)出嘯叫聲,同時(shí)可感受到后Y機(jī)構(gòu)部分有明顯振動(dòng)。移動(dòng)工作臺(tái),嘯叫會(huì)消失,如果嘯叫嚴(yán)重還會(huì)引起馬達(dá)掉電。

引起該故障的原因有多種,一般存在如下可能:

(1)設(shè)計(jì)時(shí)直線電機(jī)控制板卡或驅(qū)動(dòng)板接地設(shè)計(jì)不合理,需檢查回路接地是否良好。

(2)速度環(huán)、電流環(huán)、增益等伺服參數(shù)需要調(diào)節(jié),此時(shí)需對(duì)設(shè)備各軸參數(shù)進(jìn)行自整定。

(3)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件)故障,需更換滑塊或?qū)к墶?

3.2運(yùn)動(dòng)軸初始化異常

設(shè)備初始化無法完成,提示某一運(yùn)動(dòng)軸初始化失敗。

XY運(yùn)動(dòng)命令以數(shù)字形式通過Bridgecard和VMEbuS從主機(jī)CPU(在系統(tǒng)計(jì)算機(jī))傳遞到伺服CPU(CPU2)。CPU2破譯命令并創(chuàng)建x和Y模擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào),然后該信號(hào)被傳遞到x和Y伺服放大器裝置,伺服放大器把電流輸出到電機(jī),驅(qū)動(dòng)連接電機(jī)的滑軌。在運(yùn)動(dòng)開始后,安裝在x和Y滑軌上的線性編碼器通過伺服前置放大器電路板將滑軌位置反饋回CPU2,而伺服前置放大器電路板可執(zhí)行插值功能,以提高編碼器分辨率。速度來自編碼器計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化。兩種類型的反饋均可修正CPU2創(chuàng)建的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

該控制回路的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題均可能引起初始化異常,但最為典型的是編碼器組件(包含光柵尺)反饋部件失效引起初始化異常或運(yùn)動(dòng)過程故障。編碼器故障可通過外接示波器檢查輸出波形驗(yàn)證,該輸出波形在伺服前置放大器測(cè)試點(diǎn)上檢測(cè)為兩組正弦波,幅值為1.4~1.6V,相位相差90°(李薩如圖形法測(cè)試顯示為一圓形)。若輸出有偏差,說明編碼器或光柵尺為故障源,更換編碼器或清潔光柵尺即可。

3.3Z軸焊接頭故障

Z軸電機(jī)為扁平線圈設(shè)計(jì),通過連接彈簧片傳遞運(yùn)動(dòng),在垂直或者Z軸方向驅(qū)動(dòng)焊接頭動(dòng)態(tài)組件(連接頭、換能器等)。Z軸出現(xiàn)故障時(shí),最常見的現(xiàn)象是初始化時(shí)馬達(dá)掉電,此時(shí)需檢查link的彈簧片是否出現(xiàn)損壞,如果是,則更換彈簧片,并對(duì)Z軸的極限位置進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.4圖像識(shí)別故障

模擬點(diǎn)隨著光標(biāo)偏移,造成打偏現(xiàn)象。此時(shí),需檢查高、低倍鏡頭放大倍數(shù)是否出現(xiàn)誤差,并對(duì)高倍和低倍鏡進(jìn)行平行線校準(zhǔn)。

3.5高爾夫球

在生產(chǎn)過程中,焊點(diǎn)出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。此時(shí),需檢查劈刀固定螺釘阻抗是否匹配,若不匹配則更換螺釘,再進(jìn)行超聲校準(zhǔn)。

3.6PC機(jī)故障

Maxμm Ultra全自動(dòng)金絲鍵合機(jī)采用上下位機(jī)同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制,上位機(jī)主要是操作系統(tǒng)及運(yùn)用軟件,下位機(jī)主要存儲(chǔ)設(shè)備相關(guān)參數(shù)。設(shè)備運(yùn)行時(shí),上下位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)其中任何一個(gè)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)問題(包括硬件及軟件)或上下位機(jī)之間出現(xiàn)通信故障時(shí),設(shè)備都無法正常運(yùn)行。

出現(xiàn)計(jì)算機(jī)故障時(shí),需要排查是何種原因引起的,對(duì)出現(xiàn)故障的硬件進(jìn)行修復(fù)或更換,當(dāng)軟件異常時(shí)最好按照設(shè)備說明書重裝系統(tǒng)。

3.7其他故障

金絲鍵合機(jī)在使用過程中還會(huì)出現(xiàn)拱絲高度異常、鍵合絲壓傷等情況,此時(shí)就要特別關(guān)注線夾開口度大小,需要按照鍵合絲徑對(duì)照調(diào)整表進(jìn)行調(diào)整。

4結(jié)語

Maxum Ultra全自動(dòng)金絲鍵合機(jī)作為后道封裝工藝的關(guān)鍵設(shè)備,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高,其運(yùn)行穩(wěn)定性直接關(guān)系到鍵合引線的質(zhì)量。本文對(duì)Maxum Ultra全自動(dòng)金絲鍵合機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行了系統(tǒng)介紹,結(jié)合筆者多年的鍵合機(jī)維修經(jīng)驗(yàn),提出了一些常見故障的解決方法,希望對(duì)鍵合機(jī)的使用人員有所幫助。