熱聲焊機(jī)壓力控制系統(tǒng)分析

孫麗娜，馬生生

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原 030024）

熱聲焊機(jī)壓力控制系統(tǒng)分析

孫麗娜，馬生生

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原 030024）

闡述了鍵合工藝中焊接壓力對(duì)焊接效果的重要影響，介紹了熱聲焊機(jī)壓力控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，對(duì)壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和力學(xué)分析，最后給出了一種焊接壓力的檢測(cè)方法并得出檢測(cè)數(shù)據(jù)。

壓力控制系統(tǒng)；機(jī)械結(jié)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)和力學(xué)分析；檢測(cè)方法

熱聲焊機(jī)用來(lái)完成微電子封裝工藝中的關(guān)鍵工序—引線鍵合，如圖1所示，引線鍵合（Wire Bonding）是在熱、壓力、超聲波能量的共同作用下，使金屬引線和金屬焊盤(pán)交界面發(fā)生電子共享或原子的相互擴(kuò)散，從而使兩種金屬實(shí)現(xiàn)原子量級(jí)上的焊合，引線兩點(diǎn)鍵合可以實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的電氣互連或芯片間的信息互通。壓力對(duì)鍵合效果起著重要的作用，引線與焊盤(pán)在焊接工具壓力的作用下緊密接觸，壓力過(guò)小，鍵合工具不能牢固地壓住引線，超聲能量不能有效地傳遞到引線與焊盤(pán)的交界面上，導(dǎo)致焊接不牢固，壓力過(guò)大會(huì)使引線的形變?cè)龃笠灾聰嗔?，還有可能破壞焊盤(pán)鍍層，同樣不能達(dá)到理想的焊接效果。因此引線鍵合設(shè)備必須具備壓力控制系統(tǒng)并能對(duì)焊接壓力進(jìn)行適當(dāng)控制，才能滿(mǎn)足鍵合工藝要求，二所研制的熱聲焊機(jī)就具有良好的壓力控制系統(tǒng)。

圖1 引線鍵合原理圖

1 壓力控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

如圖2所示，壓力控制系統(tǒng)由若干機(jī)械零部件組成。底板在鍵合過(guò)程中固定不動(dòng)。頭部連接板通過(guò)軸3（兩個(gè)，對(duì)稱(chēng)分布）與底板相連接，頭部連接板可繞軸3轉(zhuǎn)動(dòng)。頭部通過(guò)軸1（兩個(gè)，對(duì)稱(chēng)分布）與頭部連接板相連接，頭部可繞軸1轉(zhuǎn)動(dòng)。鍵合工具固定在頭部上，隨頭部一起運(yùn)動(dòng)。頭部和底板分別通過(guò)軸2與軸4連接兩個(gè)連接塊，連接塊可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。連接片同兩連接塊用螺釘緊固將兩連接塊連接在一起，軸1、2之間的距離和軸3、4之間的距離相等且不變，通過(guò)調(diào)整連接片可以微調(diào)軸2、4之間的距離使其與軸1、3間距離相等，四個(gè)軸的軸心就位于一平行四邊形的四個(gè)頂點(diǎn)。氣缸后連接板固定在底板上保持不動(dòng)，氣缸前連接板固定在頭部連接板上隨頭部連接板一起運(yùn)動(dòng)，氣缸固定在氣缸后連接板上，氣缸的活塞桿向前伸出穿過(guò)氣缸前連接板，旋鈕通過(guò)螺紋連接于氣缸活塞桿上，彈簧1（壓簧）位于旋鈕和氣缸前連接板之間，彈簧2（壓簧）位于氣缸前后連接板之間。常閉觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)位于頭部連接板與底板之間，控制鍵合過(guò)程的啟閉。

2 壓力控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析

鍵合開(kāi)始前，將鍵合工具調(diào)整到與焊盤(pán)垂直，整個(gè)壓力控制系統(tǒng)向下移動(dòng)，當(dāng)鍵合工具與焊盤(pán)接觸瞬間，底板鎖定不動(dòng)，接觸力逐漸增大到一定值的時(shí)候，頭部和頭部連接板受到力矩作用分別開(kāi)始繞軸1和軸3旋轉(zhuǎn)一微小角度，觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)隨即斷開(kāi)，將這時(shí)鍵合工具與焊盤(pán)之間的接觸力定義為焊接壓力。

可以將底板、頭部連接板、頭部、連動(dòng)塊+連接片看作一四連桿機(jī)構(gòu)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，軸1、2、3、4的位置如圖3所示，可以看出軸1、2、3、4始終位于平行四邊形的四個(gè)頂點(diǎn)位置，軸1和軸2之間的連線始終處于豎直方向，這樣的平行四邊形結(jié)構(gòu)保證了頭部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，鍵合工具始終與焊盤(pán)垂直接觸，不僅使接觸面積始終最大化，也使焊接壓力保持恒定。平行四邊形結(jié)構(gòu)還能使鍵合工具和焊盤(pán)軟接觸，較柔和的接觸沖擊力可以避免損壞一些較脆弱的器件。

圖2 壓力控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

圖3 平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)

當(dāng)鍵合工具與焊盤(pán)的接觸力增大到焊接壓力時(shí)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，斷開(kāi)的瞬間向設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，鍵合過(guò)程開(kāi)始，設(shè)備隨即執(zhí)行一系列鍵合動(dòng)作，如發(fā)射超聲能量、送線斷線等。

3 壓力控制系統(tǒng)力學(xué)分析

當(dāng)焊接工具和焊盤(pán)的接觸力達(dá)到焊接壓力觸點(diǎn)斷開(kāi)后，底板固定不動(dòng)，頭部連接板繞軸3也不再有轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，沿軸3的軸線方向達(dá)到力矩平衡狀態(tài)，這時(shí)沿軸3軸線方向的受力如圖4所示，系統(tǒng)受到自身重力、焊接壓力和彈簧彈力的力矩作用，設(shè)彈簧1的勁度系數(shù)為k1，彈簧2的勁度系數(shù)為k2。設(shè)F焊作用力力臂為L(zhǎng)1，重力作用力力臂為L(zhǎng)2，F(xiàn)彈作用力力臂為L(zhǎng)3，根據(jù)力矩平衡公式有：

其中，F(xiàn)彈=k1x1-k2x2，由此，將公式（1）展開(kāi)得到公式（2）如下：

由于重力及彈簧2的彈力和各個(gè)力臂都是常數(shù)，因此上述公式（2）又可表述為公式（3），其中，a、b為常數(shù)。

可以看出焊接壓力F焊僅與彈簧1的形變量有關(guān)，彈簧1形變量越大，焊接壓力越小，由于順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕可使彈簧1形變量增大，因此簡(jiǎn)單順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕就可減小焊接壓力，反之，可增大焊接壓力。

鍵合工藝中最常見(jiàn)的是兩點(diǎn)焊接，有時(shí)要求兩點(diǎn)的焊接壓力不同，這時(shí)可以通過(guò)氣缸來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)，設(shè)備控制系統(tǒng)可控制氣缸活塞桿自動(dòng)滑動(dòng)到不同的位置，這樣就改變了彈簧1的形變量，使兩點(diǎn)的焊接壓力取不同值。

圖4 壓力控制系統(tǒng)受力圖

4 焊接壓力檢測(cè)方法

焊接壓力的檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，使用一只克力計(jì)就可以來(lái)檢測(cè)焊接壓力的大小，如圖5所示，用克力計(jì)的探針輕輕將頭部抬起直至觸點(diǎn)斷開(kāi)，這時(shí)克力計(jì)的讀數(shù)就是焊接壓力的大小。

圖5 焊接壓力檢測(cè)方法

彈簧1勁度系數(shù)為50g/mm，總長(zhǎng)40mm，彈簧2勁度系數(shù)為20g/mm，總長(zhǎng)為25mm。經(jīng)實(shí)驗(yàn)可得到彈簧1形變量及焊接壓力隨旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的變化，實(shí)驗(yàn)中，彈簧1的初始形變量為1.75mm，彈簧2的初始形變量為10mm，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，彈簧1形變量逐漸增大，焊接壓力逐漸減小，旋鈕每順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一圈，焊接壓力大約減小20g左右。圖6為焊接壓力F焊隨彈簧1形變量x1的變化趨勢(shì)，可以看出，F(xiàn)焊與x1基本上符合F焊=a-bx1的變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)所用的檢測(cè)方法有效。

表1 彈簧形變量及焊接壓力隨旋鈕旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的變化數(shù)據(jù)

圖6 焊接壓力隨彈簧1形變量 的變化趨勢(shì)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

熱聲焊機(jī)壓力控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但能保證焊接壓力的穩(wěn)定，并使設(shè)備具有軟接觸功能，焊接壓力的調(diào)整方法也比較簡(jiǎn)單有效。焊接壓力是影響焊接效果的重要條件，熱聲焊機(jī)具有良好的壓力控制系統(tǒng)，可以大大提高設(shè)備的性能，滿(mǎn)足客戶(hù)需求。

[1] 董永謙，王貴平等.熱聲焊機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].電子工藝技術(shù)，2007，28（2）：87-89.

[2] 馬生生，孫麗娜，井文麗.熱聲焊機(jī)超聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2011，40（5）：48-51.

Thermoacoustic Welder Pressure Control System

Sun Li-na，Ma Sheng-sheng

The major impact bonding process in the welding pressure welding effect，introduced a thermoacoustic welding pressure control system of mechanical structures，pressure control system for motion and mechanical analysis. Finally，a welding pressure detection methods and test data obtained.

pressure control system；mechanical structure；movement and mechanical analysis；detection method

TN305

B

1003–6490（2016）04–0114–02

2016–03–20

孫麗娜（1985—），女，河北石家莊人，助理工程師，主要從事電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備的研發(fā)工作。