Maxμm Ultra全自動金絲鍵合機關鍵技術分析與維修維護

李雙江 賀從勇 陶懷亮

摘 要：金絲鍵合機是一種高精密的半導體封裝設備，現(xiàn)結(jié)合多年的金絲鍵合設備管理與維修經(jīng)驗，對美國K&S公司的Maxμm Ultra全自動金絲鍵合機工作原理、結(jié)構(gòu)、維護和維修進行簡單介紹。

關鍵詞：全自動金絲鍵合機;音圈電機;維護;維修

中圖分類號：TN305.96? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）13-0066-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.019

1??? 設備原理

全自動金絲鍵合機是集精密機械、自動控制、圖像識別、光學、超聲波焊接等技術于一體的現(xiàn)代化高技術微電子半導體芯片鍵合的核心設備[1]，其工藝過程為：球形鍵合時將金線穿過鍵合機毛細管劈刀（capillary），到達其頂部，利用高壓放電（EFO）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準的球形（Free Air Ball，F(xiàn)AB），球直徑一般是線徑的2～3倍;緊接著降下劈刀，在適當?shù)膲毫驮O定的時間內(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散，完成第一焊點;然后劈刀運動到第二點位置，第二點焊接包括楔形鍵合、扯線和送線，通過劈刀外壁對金屬線施加超聲波及壓力，以楔形鍵合方式完成第二焊點;之后扯線使金屬線斷裂，劈刀升高到合適的高度送線達到要求的尾線長度，然后劈刀上升到成球的高度，系統(tǒng)啟動EFO系統(tǒng)對金線尾絲打火成球，等待下一個焊接循環(huán)過程[2]。

2??? 設備結(jié)構(gòu)

全自動金絲鍵合機的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由計算機、運動控制系統(tǒng)、焊接頭、圖像采集及光學系統(tǒng)、XY工作平臺等組成。

2.1??? 焊接頭

焊接頭是金絲鍵合機最精密、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）的電機驅(qū)動組件。它將壓力和超聲波能量運用于焊接，在二焊時切線，運用EFO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)/焊接完整性測試系統(tǒng)

送線系統(tǒng)含有一個電動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。焊接完整性測試系統(tǒng)（BITS）是送線控制電子設備的一部分，負責對焊接進程的結(jié)果進行測試。送線/BITS電路板安裝在上層控制臺內(nèi)，其他送線組件安裝在上層控制臺內(nèi)以及光學箱組件上。

2.1.3??? EFO組件

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

2.1.4??? 線夾和線夾驅(qū)動電路板

在大部分焊線周期中，線夾（安裝在焊針上）被打開，以便送線。在進行第二次焊接后，線夾關閉以夾持住金屬絲，同時焊頭向上移動。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)動電路板組件產(chǎn)生并調(diào)節(jié)打開和關閉線夾組件的電勢。

2.1.5??? 超聲波發(fā)生器

超聲波發(fā)生器（USG）的電路板產(chǎn)生計算機控制的超聲波能量，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)換為機械振動，該振動與焊針相耦合。當被夾緊的焊線與焊盤或封裝引線接觸時，機械振動以及熱能和壓力共同作用，促成焊接的實現(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動和操作，包括伺服CPU板（也控制XY工作平臺運動）、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內(nèi)的卡架中。

2.2??? XY工作平臺

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

工作臺運動受軟件限制，這些限制基于機器初始化期間位于各軸運動極限的位置。如果機器錯誤允許工作臺超過軟件限位，機械限位器將停止工作臺運動。

XY工作平臺采用直流直線式音圈電機。壓縮空氣供應給安裝在電機線圈上的氣刀組件，用以在電機運行時進行冷卻。每一個電機都有溫度傳感器，當電機溫度上升到最高工作溫度以上時，溫度傳感器就會發(fā)送數(shù)據(jù)，使控制系統(tǒng)報告錯誤情況而關閉機器運行。XY工作平臺及其各組件結(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的計算機控制及其相關布線。PCB位于下控制臺組件內(nèi)的卡架中，包括伺服CPU（CPU2）、伺服前置放大器、兩個伺服放大器。

系統(tǒng)中的電纜包括電機電纜（每個運動軸一條）、編碼器電纜（每軸一條）和電機溫度傳感器電纜。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??? 光學及視覺系統(tǒng)

光學及視覺系統(tǒng)可實現(xiàn)設備的對準，該系統(tǒng)由光學組件、照明系統(tǒng)、視頻攝像系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)組件（圖像識別/視頻圖形處理器件）組成，用來生成器件自動校正以及操作人員互動所需的放大視頻圖形。

2.4.1??? 光學組件

雙倍率放大光學組件由光學元件、照明設備和攝像頭安裝組成。光學支架有兩條光路，終端各有一個獨立的攝像頭。每條光路提供鍵合區(qū)域不同的放大倍率：低倍放大（2X標準）、高倍放大（6X標準）;也可通過分別設定不同的聚焦范圍，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。雙倍率放大光學組件光程如圖4所示。

2.4.2??? 照明系統(tǒng)

兩個LED照明光源是標準光學組件的一部分，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控制，只通過視覺系統(tǒng)由設備軟件控制，在各種機器操作模式下，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)

Maxμm Ultra的攝像系統(tǒng)由兩個逐行掃描攝像頭和一個攝像頭控制單元組成。攝像頭安裝在光學外殼的后部，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，以便圖像可以傳輸以進行處理和顯示。

2.4.4??? 視覺系統(tǒng)

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

3??? 典型故障及處理

Maxμm Ultra全自動金絲鍵合機設計思路為模塊化設計，故障排查時比較容易理清思路。典型故障及處理方式如下：

3.1??? 平臺嘯叫

K&S公司的全自動金絲鍵合機在工作過程中處于靜止狀態(tài)時會隨機發(fā)出嘯叫聲，同時可感受到后Y機構(gòu)部分有明顯振動。移動工作臺，嘯叫會消失，如果嘯叫嚴重還會引起馬達掉電。

引起該故障的原因有多種，一般存在如下可能：

（1）設計時直線電機控制板卡或驅(qū)動板接地設計不合理，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)，此時需對設備各軸參數(shù)進行自整定。

（3）運動平臺（機械運動部件）故障，需更換滑塊或?qū)к墶?/p>

3.2??? 運動軸初始化異常

設備初始化無法完成，提示某一運動軸初始化失敗。

XY運動命令以數(shù)字形式通過Bridgecard和VMEbus從主機CPU（在系統(tǒng)計算機）傳遞到伺服CPU（CPU2）。CPU2破譯命令并創(chuàng)建X和Y模擬電機驅(qū)動信號，然后該信號被傳遞到X和Y伺服放大器裝置，伺服放大器把電流輸出到電機，驅(qū)動連接電機的滑軌。在運動開始后，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。速度來自編碼器計數(shù)隨時間的變化。兩種類型的反饋均可修正CPU2創(chuàng)建的驅(qū)動信號。

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動過程故障。編碼器故障可通過外接示波器檢查輸出波形驗證，該輸出波形在伺服前置放大器測試點上檢測為兩組正弦波，幅值為1.4～1.6 V，相位相差90°（李薩如圖形法測試顯示為一圓形）。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。

3.3??? Z軸焊接頭故障

Z軸電機為扁平線圈設計，通過連接彈簧片傳遞運動，在垂直或者Z軸方向驅(qū)動焊接頭動態(tài)組件（連接頭、換能器等）。Z軸出現(xiàn)故障時，最常見的現(xiàn)象是初始化時馬達掉電，此時需檢查link的彈簧片是否出現(xiàn)損壞，如果是，則更換彈簧片，并對Z軸的極限位置進行校準。

3.4??? 圖像識別故障

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

3.5??? 高爾夫球

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

3.6??? PC機故障

Maxμm Ultra全自動金絲鍵合機采用上下位機同時對設備進行控制，上位機主要是操作系統(tǒng)及運用軟件，下位機主要存儲設備相關參數(shù)。設備運行時，上下位機之間進行數(shù)據(jù)交換。當其中任何一個計算機出現(xiàn)問題（包括硬件及軟件）或上下位機之間出現(xiàn)通信故障時，設備都無法正常運行。

出現(xiàn)計算機故障時，需要排查是何種原因引起的，對出現(xiàn)故障的硬件進行修復或更換，當軟件異常時最好按照設備說明書重裝系統(tǒng)。

3.7??? 其他故障

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

4??? 結(jié)語

Maxμm Ultra全自動金絲鍵合機作為后道封裝工藝的關鍵設備，結(jié)構(gòu)復雜、精度高，其運行穩(wěn)定性直接關系到鍵合引線的質(zhì)量。本文對Maxμm Ultra全自動金絲鍵合機的結(jié)構(gòu)、原理進行了系統(tǒng)介紹，結(jié)合筆者多年的鍵合機維修經(jīng)驗，提出了一些常見故障的解決方法，希望對鍵合機的使用人員有所幫助。

[參考文獻]

[1] 邵景輝，徐廣為.全自動金絲鍵合機的選型、結(jié)構(gòu)原理與維修[J].工業(yè)C，2016（60）：84-85.

[2] 林海青.金絲球焊工藝及影響因素分析[J].中國新技術新產(chǎn)品，2016（2）：48-49.

收稿日期：2022-02-11

作者簡介：李雙江（1989—），男，貴州人，工程師，研究方向：半導體封裝設備的管理與維修。