（机械电子工程专业论文）邦定机软件系统的设计与研究.pdf

哈尔滨t 业大学丁学硕士学位论文 摘要 随着微电子技术的飞速发展，半导体封装产业也面对着越来越大的市场 需求量。在c o b ( c h i po nb o a r d ) 封装技术中，焊线的速度和质量的要求也越 来越高。但是目前在多数c o b 封装厂，生产主要是以劳动密集型为主，邦 定机主要是手动或者半自动，自动化程度还比较低。这不仅影响生产效率， 而且也会影响焊线的质量。所以提高焊线机的焊线速度和自动化程度具有非 常重大的意义。 本文是对邦定机软件系统的设计和研究。自动化设备的硬件系统和软件 系统是不可分割整体，邦定机的软件系统在实现邦定机需要的一些功能基础 上，还要完成对机器操作的规划，并实现操作功能。本文的研究内容主要包 括以下几个方面： f 1 ) 为了测试电机和工作台的稳定性，对诊证部分的电机归位和失步检 测进行了分析研究，并完成了相应的功能。 ( 2 ) 为了提高机器常数测定的精度，改进了测定的方法。针对不同结构 工作台的机器设定进行了分析研究和设计，实现了不同结构的工作台的机器 常数设定。 ( 3 ) 通过研究焊线程序的输入，设计了简化地多芯片自动焊接编程和修 正的方法，解决了输入和修正焊接程序时间过长和过程繁琐的问题。 ( 4 ) 为了提高焊接速度，在改进工作台结构的基础上，分析并改进了焊 接过程，实现了三种焊接模式。 此软件系统是基于d o s 运行，应用c 和c + + 语言开发的，应用触摸屏 和控制器操作，并可以进行中英文切换。运用c c + + 完成了所需功能的设 计，并不断修正改进使得各部分的功能更加完善。在软件系统中结合图像识 别和定位，提高自动化的程度。 经过机器的生产实践验证，这机器运行非常稳定，焊接速度和效率明显 提高。通过本课题的研究，成功地使软件系统应用于新的机型中，软件系统 不但实现了机器的全部功能，而且还提供了测试新机器工具。 关键词半导体封装；邦定机；楔焊；超声波焊接 竺! ：鎏三些查兰三兰竺：兰堡篁兰 a b s t r a c t d r i v e nb yt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em i c r o e l e c t r o n i c s ，t h em a r k e t d e m a n do ft h es e m i c o n d u c t o rp a c k a g i n gi n d u s t r yi n c r e a s i n g l ye x p a n d s w h i l ei n t h ec h i po nb o a r d ( c o b ) p a c k a g i n gt e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n t so fw i r eb o n d i n g s p e e da n dq u a l i t ya r eh i g h e ra n dh i g h e r ib u t a tp r e s e n t ，t h em a n u f a c t u r ei sm a i n l y l a b o r - i n t e n s i v e ，a n dt h eb o n d i n gm a c h i n e sa r em a i n l ym a n u a lo rs e m i a u t o m a t i c t h ea u t o m a t i o ni ss t i l lo fl o wq u a l i t yi nm o s tc o bp a c k a g i n gf a c t o r i e s t h i si s n o to n l yal i m i t a t i o nf o rp r o m o t i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , b u ta l s oa no b s t a c l ef o r i m p r o v i n gb o n d i n gq u a l i t y i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt oe n h a n c et h eb o n d i n gs p e e d a n dt h ed e g r e eo f t h ea u t o m a t i o no f t h eb o n d i n gm a c h i n e s t h i st h e s i si st od e s i g na n dr e s e a r c ht h es o f t w a r es y s t e mo ft h eb o n d i n g m a c h i n e s t h eh a r d w a r es y s t e ma n dt h es o f t w a r es y s t e mi na u t o m a t i ce q u i p m e n t s a r et h e i n a l i e n a b l ew h o l e f o ra c h i e v i n gs o m ef u n c t i o n sw h i c ht h eb o n d i n g m a c h i n en e e d s ，t h es o f t w a r es y s t e mo ft h eb o n d i n gm a c h i n e sm u s tf i n i s ht h e l a y o u t o ft h eo p e r a t i o na n da c c o m p l i s ht h ef u n c t i o n so ft h eo p e r a t i o n t h i s t h e s i s sr e s e a r c hm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ： ( 1 ) i no r d e rt ot e s tt h es t a b i l i t yo ft h es t e pm o t o ra n dt h et a b l e , t h i s t h e s i sa n a l y z e sa n ds t u d i e st h em o t o rr e s e t ，t h em i s s i n gs t e pt e s to f t h es t e pm o t o r a n dt h ec o m p l e t i o no ft h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n ( 2 ) i no r d e rt oe n h a n c et h ep r e c i s i o no ft h em e a s u r e dm a c h i n ec o n s t a n t ， t h i st h e s i si m p r o v e st h em e a s u r e m e n tm e t h o d t os t u d ya n dd e s i g nt h em a c h i n e s e t u pf o rt h et a b l e so fd i f f e r e n ts t r u c t u r e s ，a n dr e a l i z et h em a c h i n es e t u pf u n c t i o n ( 3 ) t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h ei n p u tp r o c e d u r e ，t h i st h e s i sd e s i g n s t h e s i m p l i f i c a t i o nm e t h o df o ri n p u t t i n ga n dr e v i s i n gt h ea u t o m a t i cb o n d i n gp r o g r a m s o fm u l t i c h i p s ，s o l v e st h et i m e c o n s u m i n ga n dt h ep r o c e s st e d i o u sp r o b e m so f i n p u t t i n ga n dr e v i e w i n gt h eb o n d i n gp r o g r a m s ( 4 )i m p r o v i n gt a b l es t r u c t u r et oe n h a n c et h eb o n d i n gs p e e d t h i st h e s i s a n a l y z e sa n di m p r o v e st h eb o n d i n gp r o c e s s ，a n dr e a l i z e st h r e ek i n d s o fb o n d i n g m o d e s t h i ss o f t w a r es y s t e mi sr u n n i n go nt h ed o sb a s e ，d e v e l o p e db yc c + + l a n g u a g e ，o p e r a t e db yt h et o u c hs c r e e na n dt h ec h e s s m a n ，w h i c hh a st h es w i t c h i i 哈尔滨工业大学工学硕j 学位论文 b e t w e e nc h i n e s ea n de n g l i s h t h i st h e s i sc o m p l e t e st h ed e s i g nf o rt h e n e c e s s a r y f u n c t i o n sb yc c + + l a n g u a g e t h i ss o f t w a r es y s t e mi s u n c e a s i n g l yr e v i s e da n d i m p r o v e dt om a k et h ef u n c t i o n so fe a c hp a r tt ob em o r ep e r f e c t t h es o f t w a r e s y s t e me n h a n c e st h ed e g r e eo ft h ea u t o m a t i o nb yt h ep a t t e mr e c o g n i t i o na n d 1 0 c a l i z a t i o n t h er e s u l t so ft h em a c h i n ep r o d u c t i o nt e s t i n gp r o v et h a tt h i sm a c h i n es t a t u s i se x t r e m e l ys t a b l e ，a n dt h eb o n d i n g s p e e da n de f f i c i e n c yh a dd i s t i n c t l ye n h a n c e d t h r o u g ht h i ss u b j e c tr e s e a r c h ，t h es o f t w a r es y s t e mw a sa p p l i e ds u e c e s s f u l l vi n t h en e wm a c h i n e i tn o to n l yr e a l i z e da l lt h em a c h i n ef u n c t i o n s b u ta l s op r o v i d e s t h et o o lf o rt e s t i n gt h en e wm a c h i n e k e y w o r d ss e m i c o n d u c t o rp a c k a g i n g ，b o n d i n g m a c h i n e ，w e d g eb o n d i n g ， u l t r a s o n i cb o n d i n g 一1 i i - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着微电子技术的发展，半导体产业已形成芯片设计、制造、封装三足鼎 立之势。根据集成电路行业协会的统计，去年我国集成电路产业规模已达 5 4 5 3 亿元人民币，其中封装产业为2 8 2 5 6 亿元，占总销售额的5 6 。封装业 在半导体产业链中的地位和作用越来越重要，半导体封装技术所起的作用将与 日俱增。我国半导体封装产业近两年来虽然发展较快，但技术水平不高仍是制 约其发展的瓶颈。集成电路产业发展速度举世瞩目，我国的集成电路封装技术 将很快提升到世界先进水平。 在电子组装领域与微电子组装领域中，新技术不断涌现，电子整机对应的 半导体封装、基板实装、焊接组装、芯片处理工艺等也在日趋完善，如微电子 的高速、高频化组装，适应环保的无铅化组装，光电子、微机电系统( m e m s l 组装【】等已进入实用阶段，使电子机器在相同功能的范围内向更加小型、轻 量、薄型化方向发展：在相同体积范围内功能更强，性能更高。当今半导体 i c ( i n t e g r a t ec i r c u i t ) i 业的主要趋势是芯片尺寸越来越大，工作速度越来越高， 发热量日趋增大和引脚越来越多，封装要求小型化，散热性能好，半导体封装 技术就要适应大芯片，适应高速度，适应高发热，适应多引脚和高密度【5 1 。由 于小型化发展迅速，近几年来，封装技术、相关设备应用的研发也呈爆炸式发 展。在高密度组装逐步走向通用电子产品之际，c o b ( c h i po nb o a r d ) 技术、多芯 片组件m c m ( m u l t ic h i pm o d e l ) 技术的应用面会逐渐扩大【6 】，f l i p c h i p 组装也 逐渐增多】。 c o b 技术封装是裸芯片技术的一种，用c o b 技术封装的裸芯片是芯片主 体的i o 端子在晶体上方，在焊接时现将此裸芯片用导电导热胶粘接在p c b 上 凝固后，用邦定机将金属丝( a 1 或a u ) 在超声、热压 9 , 1 0 的作用下，分别联接在 芯片的i 0 端子焊区和p c b 相对应的焊盘上，测试合格后，再封上树脂胶。在与 其它封装技术相比，c o b 技术有以下优点：价格低廉，仅为同芯片的1 3 左右： 节约空i 自j ：工艺已成熟。在主流的装配技术s m t 中，可以充分和c o b 技术相 结厶【1 1 , 1 2 1 ，形成互补。但是，对高发热的芯片应用c o b 封装时就必须考虑芯 片的散热性d3 。对于低成本，高质量的消费类产品，也得到了广泛的应用。 哈尔滨工业人学工学硕_ i ：学位论文 e l e c t r o n i ct r e n dp u b l i c a t i o n s ( e t p ) 报告显示，具体如图1 一l 所示，2 0 0 2 2 0 0 7 年问全球i c 封装市场将以7 9 的年复合成长率增长，推估近5 年内该市 场规模即可达近2 0 0 亿美元 1 4 1 。 肇德，亿夔诧 近五年全球i c 封装市场预估 口u 2 0 0 1 5 0 5 0 0 2 2 薯! 瑚簟獬i2 5 年12 哗l 瑚悻】 1 6 l 5 | i1 舶tl 槽t 6i 市墒斓壤1 71 4 9 面对越来越大的半导体封装设备的需求量和越来越高的质量要求，从事半 导体封装设备丌发和生产的企业也正在迅速发展。综科机电( i t m ) 为了使产 品适应市场需求，在开发不同机型的基础上，不断完善机电系统和软件系统， 通过协调控制焊线机的电机的运动来提高焊接的速度和焊点质量。提高焊接的 速度和焊点质量也是c o b 技术的发展关键。一些生产商为了降低生产的成 本，把b g a 封装的芯片用c o b 封装技术来封装，这样就给邦定机带来定考 验，这就要求必须提高机器软件和硬件的稳定性。现在l e d 的封装数量越来 越多，封装的要求也越来越高，这就要求邦定机要适合各种焊接面积和焊接精 度的要求，进一步完善软件系统，提高邦定机的稳定性。 哈尔滨工业大学工学硪十学位论文 1 3 国内外相关技术发展现状 1 3 1 国外相关技术发展现状 1 9 9 7 年美国国家半导体技术规划蓝图t r s ) 中组装及封装间距的目标是： 1 9 9 9 年焊盘间距为1 8 0 岬，2 0 0 1 年1 5 0 m a ，2 0 0 3 年为1 3 0 n ，2 0 0 6 年1 0 0 p m ， 2 0 0 9 年为7 0 n n ，2 0 1 2 年为5 0 岬【1 5 1 6 。随着i c 技术的发展，封装技术日益增 多，国际上目前最具发展潜力的封装技术是c s p ( c h i ps c a l e p a c k a g e ) t 1 7 i s 、 b g a ( b a l ig r i da r r a y ) t t 9 , 2 0 、f c i p ( f l i pc h i pi np a c k a g e ) 2 1 屯3 1 以及c o b ( c h i po n b o a r d ) 等。各种芯片焊接技术的发展焊接间距逐渐减小，接点数逐渐增加【2 4 】。 针对这几种封装技术，封装设备已经实现了自动化，后道工序设备焊线机也很 快地发展，已经满足了目前高速、高精度要求。 世界著名的封装设备公司a s m 、e s e c 、k & s 、东芝机械有限公司等都己 丌发了多种用途的焊接系列产品【2 ”，能适应各种封装的焊接要求，在设备销售市 场占据主导地位。a s m 公司销售的a b 3 0 9 a 全自动热声金丝球焊机，采用热声 压焊接方法，引线直径d 2 0 3 d 7 6 2 p m ，焊线速度为7 - 8 条s ( 2m m 引线环控 制) ，焊线精度为土5 岫，焊线面积2 5 m r n x 5 0 m m 和3 0 m m x 3 0 m m 可选，焊接引 线数6 0 0 条：可用引线框架宽1 3 7 0 m m ，长1 3 5 2 3 0 m m ，厚0 0 7 6 - , 0 5 0 0 r a m 。 a b 5 0 9 a 自动引线焊机采用铝引线、超声楔形压焊方法，引线直径为 d 2 0 - - - d 5 0 t m ，焊接角度为3 0 。，焊接力0 1 4 7 0 5 8 8 n 可编程控制，焊接时间 0 2 5 5 m s 可编程控制，焊接周期为0 4 0 s ，装卸时间为1 2 s 。焊接面积为 1 8 3 5 m m x 9 1 9 m m 或3 4 5 9 m m x 9 1 9 m m 。开发的a b 3 3 9 型鹰牌会丝球焊机可为 3 5 9 m 焊盘间距提供引线焊接，生产效率比a b 3 3 9 原型球焊机提高了2 8 。 e s e c 公司销售的3 0 0 6 f x g i 线焊接机采用快速焊接头( b h d l 、无摩擦的空 气静压轴承和l l a m 分辨率的光学直接定位测量系统，可进行实时动态控制：可靠 性高，速度快，精度高，平均无故障工作时间长：可选择金引线进行焊接。3 0 8 8 型 引线焊机可用于6 0 1 t i n 焊盘间距生产环境的引线焊接，5 0 a n 超细问距的引线焊机 2 0 0 0 年上半年研制成功，焊接面积增大到5 3 m m x 6 6 m m ，其焊线速度高于该产业 平均水平，焊线长期一致性好，生产成本低。 k & s 公司生产的1 4 7 4 f p 全自动铝金引线焊机适用于p g a 、b g a 、声表器 件( s a w ) 等封装形式的内引线焊接。可采用d 2 5 4 d 5 0 8 p t m 铝丝和d 1 8 0 , - - , d 5 0 8 m 的金丝，每条引线的焊线时间最多0 2 1 s ，引线数可达至u 2 0 0 0 条。k & s 的1 4 8 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 型高速超声热压球焊机采用d 2 5 d 3 8 斗m 的引线，工作温度约1 5 0 。c ，每秒可焊7 8 条引线，两焊点的高度差为2 5m m 。k & s 的1 4 8 4 t 型单点t a b 焊接机可处理引 线数多达2 0 0 0 条的封装焊接，每秒可焊1 7 个焊点，焊接面积为2 2 9 m m 2 2 9 m m ， 引线与焊凸的精度为+ 1 2 7 9 m ，焊接力为0 0 9 8 - , 4 9 0 0n ，焊接环境温度为3 0 0 c 焊接时间1 2 0 0 0 m s 可调。k & s 的1 4 8 8 p l u s 型金丝球焊机，焊接速度为l o o m s 或1 1 5m s 引线( 2m i l l 焊丝长度) 。焊接引线长度在0 5 1 6 3 5m m 范围可调， 焊接面积为5 0 8m i l lx 5 0 8m m ，引线直径为d 2 2 9 d 7 6 2 1 a m ，引线数多达1 0 0 0 条 可用引线框架长为8 8 9 2 5 4 m m ，宽1 5 2 8 8 9 r a m ，厚为0 1 0 5 m m 。8 0 9 8 型大 面积引线焊机是k & s 公司的产品，生产效率为8 条s ，适用于7 0 “m 焊盘间距生 产环境，4 0 0 m mx 3 3 0 m m 的焊接面积使该机适合于混合电路、板上芯片、柔性 片上芯片、多芯片组件等的大面积焊接，还可进行d 3 0 0 m m 圆片的焊接，进行倒 装芯片焊接和其它面阵应用的圆片级球形焊接，该机可提供1 6 个焊凸s 的生产 能力。k & s 的“1 a b 和归g a 引线焊接机采用高速旋转焊接头，允许对角线或径 向引线穿过b g a 器件整个范围互连，可进行芯片规模封装单点焊接，焊接速度 大于1 5 条引线s ，焊接面积为6 3 5 m mx 6 3 5 m m ，焊接位移可重复精度为士5 9 m ， 载带宽度为2 0 7 0m m ，每个工序引线数为1 0 0 0 条。不同引线框架的更换时间不 n 5 m i n 。 东芝机械有限公司生产的t t i 7 5 0 b t a b 焊接机适用于多品种、小批量专 用集成电路的组装，可安装2 种焊接工具，工具温度最高为6 0 0 ，t a b 载带宽 度为3 5 、4 8 、7 0m i l l 三种，厚度为o 0 7 0 2 0m m ，工作台温度为2 5 0 。c ( 标准1 、 3 0 0 。c ( 可选) ，加工速度为2 7 s ( 不含焊接时间) ，机器精度为7 哪。 芯片焊接设备目前在b g a 、f c 、m c m 、c s p 和d c a 等微电子封装领域 发挥了极其重要的作用，同时也对其提出了严峻的挑战。 1 3 2 国内相关技术发展现状 自2 0 0 0 年国务院1 8 号文件颁布以来，产业即进入一个高速成长期，自 2 0 0 0 年到2 0 0 4 年的4 年问，国内集成电路产量和销售收入的年均增长速度超 过3 0 ，是同期全球虽高的。中国集成电路产业的快速发展离不开封装行业的 带动。2 0 0 0 年到2 0 0 4 年，国内封装业销售收入由1 3 4 亿元扩大到2 8 2 5 6 亿 元。到2 0 0 4 年底，国内集成电路封装企业已经超过1 0 0 家，年封装能力达到 2 3 0 亿块。在封装测试领域，1 0 大封装测试企业的进入门槛已经达到7 8 亿 元，其中销售收入过1 0 亿元的企业已达到7 家，这说明国内封装测试企业正 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 型高速超声热压球焊机采用d 2 5 d 3 8 p m 的引线，工作温度约1 5 0 c ，每秒可焊7 8 条引线，两焊点的高度羞为2 5l n l n 。k & s 的1 4 8 4 t 型单点t a b 焊接机可处理引 线数多达2 0 0 0 条的封装焊接，每秒可焊1 7 个焊点，焊接面积为2 2 9 r a mx 2 2 9 m m ， 引线与焊凸的精度为4 - 1 2 7 1 a m ，焊接力为0 0 9 8 - v 4 9 0 0n ，焊接环境温度为3 0 0 。c 焊接时间1 2 0 0 0 1 1 1 $ 可调。k & s 的1 4 8 8 p l u s 型金丝球焊机，焊接速度为1 0 0 m s 或l1 5m s 引线( 21 1 1 1 1 1 焊丝长度) 。焊接引线长度在0 5 1 , - 6 3 5m i l l 范围可调， 焊接面积为5 0 8i n l nx 5 0 8m m ，引线直径为d 2 2 9 d 7 6 2 p m ，引线数多达1 0 0 0 条 可用引线框架长为8 8 9 2 5 4 n u n ，宽1 5 2 8 8 9 r a m ，厚为01 - 0 5 r a m 。8 0 9 8 型大 面积目i 线焊机是k & s 公司的产品，生产效率为8 条s ，适用于7 0 “m 焊盘间距q i 产环境，4 0 0 m m 3 3 0 n u n 的焊接面积使该机适合于混合电路、板上芯片、柔性 片上芯片、多芯片组件等的大面积焊接，还可进行d 3 0 0 m m 圆片的焊接，进行倒 装芯片焊接和其它面阵应用的圆片级球形焊接，该机可提供1 6 个焊凸s 的生产 能力。k & s 的“1 a b 和b g a 引线焊接机采用高速旋转焊接头，允许对角线或径 向引线穿过b g a 器件整个范围互连，可进行芯片规模封装单点焊接，焊接速度 大于1 5 条引线s ，焊接面积为6 3 5 m mx 6 35 m m ，焊接位移可重复精度为士5 9 m ， 载带宽度为2 0 7 0 l i l m ，每个工序引线数为1 0 0 0 条。不同引线框架的更换时间不 n 5 m i n 。 东芝机械有限公司生产的t t i 7 5 0 b t a b 焊接机适用于多品种、小批量专 用集成电路的组装，可安装2 种焊接工具， _ 具温度最高为6 0 0 。c ，t a b 载带宽 度为3 5 、4 8 、7 01 丑i 三种，厚度为0 0 7 02 0m i l l ，工作台温度为2 5 0 ( 标准) 、 3 0 0 。c ( 可选) ，加工速度为2 7 s ( 不含焊接时问) ，机器精度为7 岬。 芯片焊接设备目前在b g a 、f c 、m c m 、c s p i d c a 等微电子封装领域 发挥r 极其重要的作用，同时也对其提出了严峻的挑战。 l32 国内相关技术发展现状 自2 0 0 0 年国务院1 8 号文件颁布以米，产业即进入一个高速成长期白 2 0 0 0 年到2 0 0 4 年的4 年间，国内集成电路产量和销售收入的年均增长速度超 过3 0 ，是同期全球最高的。中国集成电路产业的快速发展离不开封装行业的 带动。2 0 0 0 年到2 0 0 4 年，国内封装业销售收入由1 3 4 亿元扩大到2 8 2 5 6 亿 元。到2 0 0 4 年底，田内集成电路封装企业已经超过1 0 0 家，年封装能力达到 2 3 0 亿块。在封装测试领域，1 0 大封装测试企业的进入门槛已经达到7 8 亿 元，其中销售收入过1 0 亿元的企业已达到7 家，这说明国内封装测试企业正 元，其中销售收入过1 0 亿元的企、已达到7 家这说明国内封装测试企业正 4 坠尘鎏三些查兰三兰塑圭兰竺鲨兰 在走向规模化【2 “。 由于微电子封装业相对于其它两个产业要求投资少、技术较低、劳动力密 集、厂房大、投资收益快等特点，因此正在我国迅速发展。在国内各封装企业 的发展上，南通富士通、江苏长电、天水华天等国内大型封装企业已经成长起 来，这些企业不仅在生产经营上具备了较大规模，而且在s o p 、p g a 、b g a 和c s p 以及m c m 等先进封装形式的开发和应用方面也取得了显著成果。 i c 封装业多数附属在集成电路厂，规模小、厂点多、产品多为结构简单 的d i p 和c o b ，产量和品种都远远不能满足国内电子工业的需要。至1 9 9 8 年， 产量约为世界i c 产量的o 6 0 8 ，只能满足国内对i c 需求量的约2 0 。由 于国内生产的产品低档占多数，高档产品多数靠进口，因此产量份额的计算并 不能f 确反映真实市场情况。 中国电子专业设备工业协会统计，1 9 9 9 年国产半导体封装设备和模具总 销售额仅2 0 0 0 万元。目前，半导体封装设备和模具基本依赖进口。据测算， 新增1 0 亿块集成电路封装能力，需要进口约2 5 0 0 力美元设备和模具，新增1 0 亿只三极管封装能力，需要进口约5 0 0 力美元设备和模具。仅以今年二个封装 厂的技改项目为例，新增片式三极管1 7 亿只，集成电路8 5 亿块，用于进口设 备和模具的费用就达到3 0 0 0 力美元。预计今年在世界i c 需求兴旺的带动下我 国各类i c 的封装量实际可能超过3 8 亿块( 包括c o b 等) 。但是，国产设备、 模具的品种和水平与市场需求差距较大。 1 4 本课题研究的内容 本课题对邦定机软件系统进行了设计和研究。根据邦定机总体设计的要 求，本文主要的研究内容如下： ( 1 1 为了测试电机和工作台的稳定性，通过初始化系统为机器的测试提供工 具，并完成电机位罱的初始化归位的功能。 ( 2 ) 为了提高机器常数测定的精度，改进测定的方法。为了适应不同结构工 作台的要求，对两种结构的工作台的机器设定进行分析研究和设计，完成不同 结构的工作台所需常数的测定系统。 ( 3 1 通过研究输入和修正自动焊接程序，设计多芯片自动焊接程序的输入和 修正的方法，解决焊线程序输入和修f 时间过长和繁琐的问题。 ( 4 ) 为了提高焊接速度，适应不同焊接质量的要求，在改进工作台的基础 上，分析并改进焊接过程，实现三种焊接模式。 第2 章邦定机的总体系统的研究 2 1 邦定机的硬件系统及其主要功能 邦定机主要由主机箱，显示器，工作台，焊线组件，光学系统，自动送线 系统和控制器组成。具体结构如图2 一l 所示。 图2 - 1 邦定机的结构图 f i g 2 1c o n s t r u c t i o no f b o n d i n gm a c h i n e 电机的控制卡和驱动器，图像采集卡以及其它控制卡和c p u 安装在主机 箱中，这些控制卡通过软件系统控制来完成自动焊线工作。自动送线系统通过 控制卡自动完成焊线的送线，光学系统是图像的显示和自动定位的硬件基础。 触摸屏式的显示器不但完成了软件系统界面和工作件的图像的显示，而且实现 要实现整个软件系统的界面操作。x y o 工作台和焊线组件就可以完成不同位置 和角度的焊接。 邦定机最主要的操作控制器就是球控器，通过球控器的滚动的球可以控制 工作台的移动，工作的原理就和滚球的鼠标一样，球控器还有多个控制按键， 可以通过控制键控制邦定机所有的电机的归位和换能器【2 ”的初始化，以及焊线 组件的线夹的丌关，还可以实现在自动焊接过程中的焊接和跳线的切换，其中 有两个最主要的控制键就是蓝色的e n t e r 键和红色的c a n c e l 键，在软件系 哈尔滨工业大学t 学硕j ：学位论文 统中所有的过程控制的执行都要通过这两个控制键来完成。 2 2 邦定机软件系统的总体结构 邦定机软件系统应用c c + + 语言开发，在d o s 环境下运行，通过触摸屏 从界面上操作整个软件系统，实现各个功能的切换和显示，从软件的主界面可 以看到软件系统可以实现中英文切换，中文操作界面如图2 2 所示，英文操作 界面如图2 3 所示。 图2 - 2 中文主界面 f i g 2 2c h i n e s em a i ni n t e r f a c e 圈2 - 3 英文主界面 f i g 2 3e n g l i s hm a i ni n t e r f a c e 软件系统的两个主要的部分是初始化系统和自动焊接系统，这也是本课题 研究的主要内容。初始化系统包括传动系统的初始化，机器常数的测定系统。 传动系统主要是步进电机及其传动件，传动系统的初始化实现了电机的初始化 归位和电机的失步检测。机器常数的测定系统完成了机器上一些和机器安装有 关的常数测定。初始化系统完成了邦定机工作的初始化，也就是机器就可以进 入手动焊接进行焊线。自动焊接系统包括自动焊接程序的输入和修改系统，自 动焊接和手动焊接系统。自动焊接程序的输入和修改系统，实现了邦定机的编 程控制，使邦定机实现了自动化焊接功能。焊接系统是根据超声波焊接的原 理，控制所有的功能部件和运动件，完成自动焊接的功能。另外邦定机软件系 统还有系统参数和焊线参数两个参数系统，参数系统实现了邦定机的数字化控 制，通过参数系统调整可以控制焊接的质量和焊接的速度，还可以通过参数系 统来控制邦定机的自动焊接模式。总体结构如图2 - 4 所示。 幽2 - 5 软1 ，i = 的总体结构 f i g 2 5o v e r a l ls t r u c t u r eo f t h es o f t w a r e 2 3 邦定机焊接的基本原理 焊线连接是在完成i c 晶片的粘贴之后，以超声波焊接 2 8 、热压焊接 2 9 】和 热超声波焊接【3 0 】等焊接方法，将细金属丝或者金属带依序打在i c 晶片与导线 架或者封装基板的焊接基盘上从而形成电路连接。 这里邦定机主要是应用的超声波焊接【3 ”，超声波焊接以焊接焊头引导金属 线使其加压于焊接基盘表面上，出换能器输入频率2 0 至6 0 k h z ，振幅2 0 至 2 0 0 p r o 的超声波，由超声波震动和加压产生冷焊效应而完成焊接。超声波的输 入除了能消除焊接基盘表面的氧化层与污染之外，主要的功能在形成所谓超声 波弱化的效应，以促进焊接界面动态回复与再结晶等现象的发生而形成焊接。 超声波焊接只能形成楔形焊接点，如图2 5 所示，其优点是焊接温度低、焊点 尺寸较小且回绕轮廓( p r o f i l e ) 较低、适用于焊接间距较小的电路连线；缺点则 是导线回绕的方向必须平行与两个焊点连线的方向，故在楔形焊接的过程中必 须随时调整i c 晶片与封装基板之问的方向，焊接的速度也因而降低。 楔形 图2 - 5 楔形焊点 f i g 2 5w e d g eb o n d 哈尔滨工业人学_ 丁学硕 ：学位论文 超声波焊接有楔焊和球焊1 3 i 两种不同的方式，楔焊相对于球焊来说它适用 于焊基之间的间距较小时【3 2 1 ，焊接点在垂直焊线方向上的变形比较小，适用于 铝线焊接和深度焊接。楔焊是单方向焊接，而不能象球焊是万向的，因此要求 工作台或者焊头可以旋转，因此速度较慢，精度相对较低【33 】；对于楔焊送线的 角度为3 0 0 、4 5 0 和6 0 0 时，焊线或者线夹可能碰到p c b 上的其它工件或封装 壁，有时就需要用9 0 0 的送线。楔焊可以焊接铝线，也可以进行低温时的余线 焊接【3 4 】。其中楔焊焊接的过程如图2 - 6 所示。 入口 ，km 蔫泌趟 f i g 2 - 6p r o c e s so f u l t r a s o n i cb o n d i n g 由超声波焊接过程可以知道自动焊接的流程： ( 1 ) 工作台移动，使焊头移至第一焊点上方； ( 2 ) 控制焊头从搜查位置搜查向下搜查，直至接触传感器变化，并在焊接压 力下输入超声波，使线变形且与焊接基盘表面形成合金层，产生第一焊点； ( 3 ) 线夹打开并后退一个线尾长度，焊头上升至控制线弧高的高度； ( 4 ) i 作台移动，使焊头移至第二焊点上方，在此过程中形成一个线弧： ( 5 ) 焊头移至焊接位置，并在焊接压力下再次输入超声波，形成第二焊点； ( 6 ) 线央关闭，并向后扯断焊线，焊头升起，同时线夹往回送线至线夹复位 位置，送出一个线尾长度； ( 7 ) m 作台移动，使焊头移至下一个线的第一焊点位置的上方，准备开始下 一条焊线的循环动作。 从焊接流狸可以知道，送扯线是由专门的送扯线装置来完成的，除了用专 门的送扯线装置来完成外，还可以用工作台直接柬完成，工作台扯线的方式主 要应用在9 0 0 送线的结构中。 三溉 蹴 一 翌茏曼 哈尔滨工业大学t 学硕一f ：学位论文 ! e = = j _ _ l ! = ! e e i j _ - e e = = ! = ! i _ _ l e _ ! ! 自 2 4 本章小结 本章介绍了邦定机的硬件系统和软件系统的整体构架，以及邦定机的工作 原理。在硬件系统中着重介绍了软件系统在实现所需功能经常用的球控器，介 绍了球控器的主要功能和一般的工作原理。在软件系统中介绍了本课题所研究 和设计的内容在软件中的位置。通过邦定机的工作原理的介绍，也就是介绍了 自动焊线系统必须完成的功能，整个焊接过程的动作时序也是本课题所研究的 内容。 豫尔滨工鼗夫学工学磺0 ：学位论文 第3 章邦定机初始化系统的设计与开发 邦定枫的初始亿系统建机器工作莳蒸础，初始亿系统包括传麓系统的韧始 化和和机器常数的初始化两个部分。从应用角度讲上机器常数的初始化也就是 梳瓣常数静设定。传动系统的裙始弦主要蹩龟辊佼置蠡冬秘始亿疆及露龟税失步 的检测，机器常数的设定主要完成对焦常数，旋转中心c o r ( c e n t e ro f r o t a t i o n ) ，群骧弥 b t o ( b o n dt i po 魅e t ) 彝影缀校聂敕测定。这零鹣簧动系统褪 始化主要怒对新型机器的增加的传动系统的初始化进行设计和丌发，机器常数 的翅始化主要是结合毅型结构豹搬器的开发丽进行的设计和磅究，并在软件系 统中相应的功能和短示与操作的界面。 3 。1 邦定橇传动系统初始他的设计等研究 多进瞧扭是囊幼控制系统中常爆的技行部 孛，步进电机豹输入傣号为脉冲电 流，它能将输入的脉冲信号转换为阶跃型的角位移绒直线位移p 邓6 】。它的位移速 度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。每来一个脉冲电愿，转予就旋 转一个步躐角。多避电季凡其有步进数可控、运幸亍平稳、徐格便鸯豹优点，所鞋 使用微机控制步进电机显得非常方便，在自动化设备上的应用很广【，”。f 乜机及 其传动俸怒掇器蠢速，毫精度运行戆基穑= | 奄锌，惫极及其传动 孛豹稳定拣，胃 靠性直接影响到机器的工作性能。电机及其传动件的诊证部分，主要是测试电 规运动是委骞失步叛及工馋叁豹稳定性，闷露还要测试工作台豹健动糖发鄂重 复精度。 传动系统初始化在应用界面上也就是诊证界酾，诊 正的主界磁不但是为了 实现每个电视诊证界面的入目，同甜也为了实现对电视的状态和控毹电梳归位 的传感器的状态的显示。谯电机位置初始化时，初始化是否结束疆靠传感器的 状态来决定。电搬初始纯宠成压，逶过赛瑟显示瓣传感器静获态虢可强裂骄当 前旗杆所在的位置是否正确，也可以直接调整旗市1 ：的位簧，使电机可以正常的 爨位。为了实理每个邀辍瓣黄蘑系统都可以在不瓣豹速度下逶行溯试，郡藏嚣 要在电机的测试过程中加入速度调整的功能，这爨就通过在诊证的界面上实现 了电机速黢豹调整功能。电孛且的诊证对每个电机邀行运动测试，网时也是对工 作台稳定饿的测试。电机及其传动系统诊证的主界面如图3 1 所示，单个电机 的诊汪界磷如图3 - 2 所示。 堕玺鎏三些盔兰三：墨圭兰些鎏兰 图3 - 1 诊证主界面 f i g 3 - 1m a i nd i a g n o s i si n t e r f a c e 图3 - 2 单电机诊证界面 f i g 3 - 2d i a g n o s i si n t e r f a c eo f s i n g l em o t o r 3 1 1 邦定机的电机初始化系统的设计 电机位置的初始化就是电机的初始化归位，初始化归位完成后，设定当前 位置为归位位置并赋一个合适的坐标值，比如为0 或者其他数值，然后在设 定电机控制卡中电机运动的方向。在运动过程中的其他位鼍也就有了相对于归 位位置的固定坐标。这里的初始化归位是通过读传感器的状态变化来确定的。 根据归位精度的要求，控制电机归位传感器的数就不同，精度要求高的就要求 两个，而精度要求不高的就可以用一个。对于应用两个归位传感器的电机，两 个传感器分别规定为归位传感器和指标传感器。传感器都固定在机台的固定件 上，归位旗杆固定在由电机通过丝杆传动的运动件上，指标旗杆在丝杆一端或 者连轴器上，随电机一起转动。归位的示意图如图3 3 所示。 一器 图3 - 3 电机归位示意图 f i g 3 3s k e t c hm a po f m o t o rh o m e 指标传感器 指标旗杆 这旱增设电机及其传动系统是应用在自动焊接过程中，所以就应用两个传 感器进行初始化归位。初始化归位系统首先读取归位传感器的状态，根据归位 传感器的状态，判断归位电机的运动方向。传感器在其被旗杆遮挡住时的状念 窒! ：芝三些盔兰三耋堡当兰堡鎏兰 是0 ，反之状态为1 。当读取到传感器的状态为0 时，归位电机带动归位旗 杆向左移动，并时刻搜查归位传感器的状态，反之则向右搜查归位传感器状态 变化。搜查归位传感器的流程图如图3 4 所示。 状态为0 向左搜查指标传感器的状 态直至变化为“l ， 薹圣嚣严感器的状态 向右搜查门位传感器的 状态直至变化为o ” 开始搜卉指标传感器 幽3 4 搜商归能传感器的流科图 f i g 3 - 4f l o wc h a r to f s e a r c h i n g t h