（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京东燕郊 065201） | ||||||
关键词：引线键合机，校正，图像映射 中图分类号：TN305 文献标识码：A 文章编号：1004－4507（2005）12－0030－04 全自动引线键合机校正系统是设备中重要的系统之一，它关系着设备整体的可靠性和稳定性，本文将重点介绍键合机中校正系统的设计。 1 引线键合机 引线键合设备是通过陶瓷细管（劈刀）引导金属引线（金线）在三维空间中作复杂高速的运动以形成各种满足不同封装形式需要的特殊线弧形状，将已做好电路的芯片快速粘接于引线框架上的设备。由中国电子科技集团公司第四十五研究所开发的WB－950全自动引线键合机是金丝球引线键合机，其工作原理是使用电火花使金丝端部成球形，然后对金丝和压焊点（芯片上的铝电极和基座镀银或金的引线）同时加热加超声，使接触面产生变形并破坏了界面的氧化膜使其活性化，最后在IC芯片上完成球焊，在管壳基片上完成楔焊。完成芯片和管壳的连接。 高性能、高可靠性、高稳定性是电子元器件的生命线，而元器件封装是保证其高可靠性的直接因素，其中键合设备是封装环节最关键的设备。键合机的原理是将用集成式平面工艺制造的需进行电性外连接的元器件芯片固定在引线框架上，对其进行外引线焊接，其中芯片可以是复杂的集成电路芯片，也可以是简单的分离器件芯片（如三极管芯片等）。因此键合效果的好坏（如引线焊点、应力一致性等）将直接影响器件的可靠使用。键合的过程是机械电气软件全面配合的过程，光学和图像系统完成自动定位，x、y、z工作台和精密定位驱动完成复杂空间拉弧运动，物料系统完成自动上下料，EFO电子打火形成金球，在超声波和热台以及键合压力的作用下完成焊点焊线过程。各个部分的校正组成了整个设备的校正系统。 键合机工作原理简图见图1。
2 校正系统设计 2.1 伺服系统校正 伺服校正是调整或调和x、y与z轴的伺服增益，有关键合头的所有移位均是此项校正数值。因此所有依赖焊线头作为校正工具的校正项目需要先执行伺服校正，以达到最佳的校正成效。整个伺服系统是由直线电动机、直线电动机驱动，以及运动控制卡组成。在伺服系统中采用PID控制，这个理论和应用自动控制的关键在于做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID（比例－积分－微分），控制器作为最早实现化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e（t）与输出u（t）的关系为：
因此它的传递函数为：
其中KP为比例系数，作用是提供系统的刚性；KI为积分系数，作用是消除稳态误差；KD为微分系数，作用是提供稳定系统所需要的阻尼。同时为了增加系统的稳定性，在本系统中还加入了速度前馈系数KVFF和加速度前馈系数KAFF。校正调整比例系数KP、积分系数KI、微分系数KD、速度前馈系数KVFF和加速度前馈系数KAFF便可以得到稳定的伺服系统。 2.2 图像系统校正（PRS） 图像辨识功能在提供图像所包含的像素多少与实际物理位置距离之间的相对关系。这些信息是将被用在PRS位置位移的计算。除非PRS校正已经完成，否则眼点（eye point）将无法被识别。不好的PRS校正可能造成焊点不准确。焊点位置可能从一个产品到下个产品间形成不规则性的偏移，特别是在靠近眼点附近的焊点，焊点不准确或偏移的情形将较严重。 图像系统校正主要是由工作台实际坐标向图像的映射。在假定x、y工作台垂直、光学系统和x、y工作台垂直的情况下建立映射关系，首先在工作台上分别沿X轴、Y轴选择2n点（x1，0），（x2，0）…（xn，0），（0，y1），（0，y2）…（0，yn）与之对应的图像上的2n点为（X1，0）（X2，0）…（Xn，0），（0，Y1），（0，Y2）…（0，Yn）然后利用式（3）计算出x、y轴的映射比例σX，σY。
图像上的坐标（X，Y）对应工作台坐标（x、y）的关系为：
校正后的图像系统将对应精确的图像坐标和工作台坐标的关系，使得焊点更为准确。 2.3 物料系统校正（MHS） 物料系统的可靠性、精度和效率关系整个设备的可靠性、稳定性、精度和效率。所以物料系统的校正在整个设备中也非常重要。其中包括热台压板电机校正、前后导轨电机校正和进出料电机校正。 热台是键合机工作的中心，要加工的芯片将放置在热台上。校正热台是为了得到合适的热台工作高度。因为热台的工作高度和Z电动机的工作水平工作点是一致的。在校正好Z电动机水平工作原点的基础上让Z电动机走到水平工作原点，然后点动热台电动机到Z电动机水平工作原点直到接触，通过检测Z电动机的电流可以检测热台电动机是否接触。此位置便为热台电动机的工作位置。 校正过热台电动机位置后，让热台电动机到工作位，点动压板电动机到接触热台电动机，此位置减去可设定的料条厚度和加上一定量的变形量便是压板电动机的工作位。此形变量为在不影响破坏料条和焊接的情况下得出的最好压合效果的统计结果。 2.3.2 前后导轨电动机校正 轨道的校正在定义出前后轨道的原点位置到焊线区中心位置的距离（工作台的y方向）。如图2所示。
在校正过伺服系统、PRS以及键合头十字坐标的基础上，把十字坐标移动到热台后位置处和热台前位置处，这样便得到热台中心和伺服系统x、y坐标的关系，记录热台中心的坐标。然后把前后导轨电动机分别运动到初始位（已经定义好的不会接触热台的位置）。然后把十字坐标移动到前后导轨的初始位，建立前后导轨原点坐标和伺服系统坐标的关系，然后和热台中心的坐标对应起来。把热台中心和前后导轨统一建立在伺服系统的坐标下。计算方法如下： 后导轨运动量＝（热台中心坐标－后导轨初始位－设定料条宽度/2）/脉冲当量 （6） 前导轨运动量＝（前导轨初始位－热台中心坐标－设定料条宽度/2）/脉冲当量 （7） 以上位置均为对应的伺服系统x、y、z工作台的坐标。 2.3.3 进出料电动机校正 进出料电动机的校正为在空料盒的情况下使用特定夹具使得进料部分的进料口和出料部分的出料口和导轨面保持水平。 2.4 其他系统校正 2.4.1 键合头十字坐标校正 键合头十字坐标校正是针对由光学镜头所标识的位置与实际上劈刀接触工作表面的x轴与y轴的打点位置补偿。此项补偿在确保镜头所看到的影像标点与实际上劈刀接触物体表面的位置是同一个。校正过程为在物体表面上打一点（x0，y0），然后通过图像系统看到的实际点与键合头十字坐标不一致，把键合头十字坐标移动到所打到的实际点上，这时的坐标为（x1，y1）。校正的补偿值为： Δx＝x1－x0 Δy＝y1－y0 校正后的系统x、y坐标每点补偿Δx、Δy。 2.4.2 EFO打火高度校正 EFO打火高度校正主要是为了使劈刀的尖端与打火棒保持有一个适当距离以利金球的被烧出。当劈刀或打火棒须更换时，此校正项目被执行。校正过程为选择z向运动到与打火棒平行的位置，系统记录此坐标，以后系统打火时z向将走到此位置。 2.4.3 USG校正 此项校正在使超声波的电气输出与实际换能器的负载阻抗值匹配，校正过程为设定最低的起始校正扫描频率，设定最高的终止校正扫描频率，设定扫描时每次的频率递增量。 校正开始后将按设定扫描频率工作，并比较每次扫描换能器的负载抗值取小值，最小的负载阻抗值所对应的USG频率为校正的USG频率。 2.4.4 键合压力校正 键合压力校正量测出在无负载时移动键合头所需的电气电流以及在50g负载下移动键合头所需的电流，再将两者做压力标准化。 0g压力电流 ### DAC：无负载时移动焊线头所需的电流 50g压力电流 ### DAC：50g负载下移动焊线头所需的电气电流 Y＝AX＋B （10） Y为键合压力，X为电流。通过0g、50g标定出常系数A和B，从而得出电流和压力的标准关系。通过控制直线电机中的电流来控制键合力。 3 结论 校正系统的完善使的设备更加稳定可靠，国产设备长期存在的不稳定不可靠通过诊断测试校正考核后将得到很大的改善。 |
