（机械电子工程专业论文）全自动金丝球引线键合机关键部件结构设计.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c et h ek e ys t r u c t u r ed e s i g no fa u t o m a t i cg o l dw i r eb o n d e rm a s t e rc a n d i d a t e ：x i a o m i n gh u is u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f x i a o h o n gw uj u n e2 0 1 0f a c u l t yo fe l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gg u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yg u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，510 0 0 6摘要摘要本文根据引线键合设备的工艺要求，开展新款全自动金丝球引线键合机的机械结构的设计与分析。其主要包括引线框架供送系统的上料装置、下料装置、过片装置及焊接系统的x z 工作台装置的设计，并采用有限元分析及虚拟样机技术对所设计机构的关键部件进行仿真分析。研究具有理论意义和实际应用价值。本文工作的具体内容如下。( 1 ) 上料装置的设计：区别于以往的料盒式上料方式，本设计采用更为简单、高效的步进电机驱动皮带进行动力传递；引线框架的提取工作创新性的采用吸盘式电磁铁吸附的方式来实现；经过加工装配成物理样机以后，调试结果证明其工作平稳有效。( 2 ) 送料装置的设计：送料装置主要负责引线框架焊接时的输送工作，打完一条焊线之后，拨爪机构开始工作，将引线框架想前输送4 2 m m ，即到达下一个焊接位置。以此类推，最终将整条框架焊接完毕。送料装置设计成由固定工作台机构、前片道机构、后片道机构、拨爪机构及压爪机构组成。其中固定工作台和拨爪机构为关键部件，经过c o s m o ss i m u l a t i o n 及a d a m s 软件仿真分析以后证明其结构稳定性比原来提高了一个层次。加工装配成物理样机测试后，也证明了仿真结果的可靠。( 3 ) 下料装置的设计：其传动形式与上料装置相同，并且也设计成并联机构的形式。此部分设计的创新之处在于采用强磁铁吸附的方式为引线框架在下料装置中的运送进行导向。该部分设计由物理样机实验后，证明其动作式完全可靠的。( 4 ) x z 工作台装置的设计：区别于传统的串联机构工作台的形式，本设计将工作台设计为并联机构。该装置传动机构采用伺服电机带动高精度滚珠丝杆的形式传递动力，从而带动焊头快速稳定的进行定位焊线。( 5 ) 分析仿真部分：对本设计送料装置中的y 方向固定工作台进行了形变分析，其结果证明新结构的变形几乎为旧结构的一半；对拨爪机构进行了运动仿真，结果显示拨爪在电机额定转速下工作时，拨爪仍然不会将引线框架引脚产生形变。本文对全自动金丝球引线键合机进行了较为系统的结构设计、分析及研究工作。应用三维设计软件s o l i d w o r k s 2 0 0 9 对样机结构图进行了绘制和虚拟装配；应用仿真分析软件a d a m s 及c o s m o ss i m u l a t i o n 对关键机构y 方向固定工作广东工业大学硕士学位论丈台及拨爪机构进行了仿真分析。加工装配成物理样机后，进行了反复测试，其测试结果现实该设计是高效的，稳定的。本文解决问题的思想和方法对类似研究具有一定借鉴意义，对进二步研究开发更高性能的微电子封装设备打下了坚实的基础。关键词：引线键合机；机构设计；有限元；虚拟样机技术a b s | r ( ：，i a b s t r a c ta c c o r d i n gt ot h ew i r eb o n d i n gp r o c e s sr e q u i r e m e n t s ，t h i st h e s i sd e s i g n e dt h en e wm e c h a n i s mf o rt h ef u l l a u t o m a t i cg o l dw i r eb o n d i n g i ti n c l u d e st h el e a df r a m el o a d i n ge q u i p m e n t ，l e a df r a m eu n l o a d i n ge q u i p m e n t ，l e a df r a m ep a s s i n ge q u i p m e n ta n dx - zw o r kb e n c he q u i p m e n t t h i st h e s i ss i m u l a t e dt h ek e ym e c h a n i s mo ft h ed e s i g nb yt h ec o s m o ss i m u l a t i o na n dt h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y t h ed e s i g n i n gs c h e m eh a sc e r t a i nt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e t h i st h e s i sw o r kc o n t e n ta sf o l l o w s ：( 1 ) t h el e a df r a m el o a d i n ge q u i p m e n t ：t h ew h o l el o a d i n ge q u i p m e n ta d o p tt h ep a r a l l e lm e c h a n i s m d i f f e rf r o mt h ep r e v i o u sm e c h a n i s m ，t h i sd e s i g na d o p tt h es t e pm o t o rd r i v et h eb e l tt ot r a n s f e rp o w e lt h i sm e t h o di sm o r es i m p l ya n de f f i c i e n t l e a df r a m ee x t r a c t i o nu s i n gs u c k e r sa c t i o ni n n o v a t i v ew a y so fa d s o r p t i o ne l e c t r o m a g n e t a f t e rp r o c e s s i n ga n da s s e m b l yi n t op h y s i c a lp r o t o t y p e ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v ei t sm o v e m e n ti ss m o o t h l ya n de f f e c t i v e l y ( 2 ) t h el e a df r a m ep a s s i n ge q u i p m e n t ：t h el e a df r a m ep a s s i n ge q u i p m e n ti sc o n s t i t u t e db yl e a df r a m es t a y i n gm e c h a n i s m ，l e a df r a m ec l a wm e c h a n i s m ，l e a df r a m ep r e s s i n gm e c h a n i s ma n dy - d i r e c t i o nw o r kb e n c hm e c h a n i s m t h ek e ym e c h a n i s m sa r ec l a wm e c h a n i s ma n dy - d i r e c t i o nw o r kb e n c hm e c h a n i s m a f t e rs i m u l a t i n g ，t h er e s u l t sp r o v et h es t a b i l i t yr a i s eal e v e rt h a np r e c i o u s l ym e c h a n i s m ( 3 ) t h el e a df r a m eu n l o a d i n ge q u i p m e n t ：i t sd r i v et y p ei st h es a m ew i t ht h el e a df r a m el o a d i n ge q u i p m e n ta n di ta d o p tt h ep a r a l l e lm e c h a n i s m t h i sp a r to ft h ed e s i g no fi n n o v a t i o ni ns t r o n gm a g n e ta d s o r p t i o nb yw a yo fc a r r y i n gt h el e a df r a m ei st h eg u i d et oa c t i o n a f t e rt h ee x p e r i m e n t s ，p r o v ei t sm o v e m e n tt y p ec o m p l e t e l yr e l i a b l e ( 4 ) x zw o r kb e n c he q u i p m e n t ：d i f f e r e n c ef r o mt h et r a d i t i o n a ls e r i a lm e c h a n i s mo fw o r k b e n c h ，t h i sd e s i g nw i l lf o r mf o rp a r a l l e lm e c h a n i s md e s i g no fw o r kb e n c h t h i sd e v i c ea d o p tt h es e r v om o t o rd r i v et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo fh i g hp r e c i s i o nb a l ls c r e wt r a n s m i s s i o np o w e r , t of o r mt h eb o n d i n gh e a df o rr a p i da n ds t a b l eb o n d i n gl i n e t h ep h y s i c a lp r o t o t y p ew a sa l s op r o v e dt h er e s u l t s ( 5 ) t h es i m u l a t i o n ：t h ed e s i g no ft h el o a d i n ge q u i p m e n tf i x e dt h ew o r k t a b l eya n di i i广东工业大学硕士学位论文d e f o r m a t i o na n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h en e ws t r u c t u r ed e f o r m a t i o nf o rh a l fo ft h eo l ds t r u c t u r ea l m o s t t od i a lt h ec l a wm e c h a n i s mm o t i o ns i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g ni se f f i c i e n c ya n ds t a b l e t h i st h e s i sm a k e sas y s t e m a t i ca n a l y s i sa n de v a l u a t ea b o u tf u l l - a u t o m a t i cg o l dw b u s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g ns o f t w a r es o l i d w o r k s 2 0 0 9d e s i g nt h em e c h a n i s ma n da s s e m b l et h e m u s i n ga d a m sa n dc o s m o ss i m u l a t i o ns i m u l a t et h ey - d i r e c t i o nw o r kb e n c ha n dt h el e a df r a m e c l a wm e c h a n i s m t h em a c h i n ea s s e m b l yi n t op h y s i c a lp r o t o t y p et e s t ，t h er e s u l tp r o v e st h a tt h ed e s i g ni se f f i c i e n ta n ds t a b l e b e s i d e s ，t h ei d e aa n dt h em e t h o d su s e db yt h ed i s s e r t a t i o nc a nu s ef o rr e f e r e n c et os i m i l a rs t u d y ,a n dl a i das o l i df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fm o r eh i g h p e r f o r m a n c em i c r o e l e c t r o n i e s p a c k a g i n ge q u i p m e n t k e y w o r d s ：w i r eb o n d e r ；m e c h a n i s md e s i g n ；f e m ；v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yi v目录目录摘要：ia 】i i s t r a c t i i i目录i vc o n t e n t s v i第一章绪论11 1 课题来源11 2 本课题的研究背景及理论与现实意义一11 2 1 研究背景11 2 2 理论与现实意义21 3 全自动金丝球引线键合机的关键技术及相关的研究现状一21 4 引线键合设备的发展现状及趋势51 5 本课题的主要研究工作6第二章全自动金丝球引线键合机简介92 1 引线键合技术简介92 2 全自动金丝球引线键合机简介1 12 2 1 全自动金丝球引线键合机基本组成1 12 2 2 设备研制工程路线1 22 3 本章小结1 3第三章引线框架供送系统结构设计：1 53 1 机构设计原则1 53 2 上料装置的结构设计1 53 2 1 上料装置设计思路1 53 2 2 上料装置结构设计1 63 2 3 主要部件选型183 3 下料装置结构设计2 53 3 1 下料装置设计思路2 53 3 2 下料装置结构设计2 63 3 3 主要部件选型2 9v广东5 - 业大学硕士学位论丈3 4 送料装置设计3 03 4 1 送料装置设计思路3 03 4 2 送料装置结构设计3 13 4 3 主要部件选型3 53 5 本章小结3 9第四章焊接系统工作台结构设计4 l4 1 金丝球引线键合机焊接系统的组成4 14 2x z 工作台设计思路4 14 3x z 工作台结构设计4 24 4 主要部件选型4 44 5 本章小结5 1第五章送料装置关键部件的运动仿真及有限元分析5 35 1y 方向固定工作台部件的有限元分析5 35 1 1 有限元分析技术概述5 35 1 2c o s m o s 软件介绍5 45 1 3y 方向固定工作台部件的有限元分析。5 45 2 基于a d a m s 的拨爪机构的运动仿真5 85 2 1 虚拟样机技术5 85 2 2a d a m s 软件介绍5 95 2 3 拨爪机构的运动仿真6 05 3 本章小结6 5总结与展望6 7参考文献6 9攻读硕士学位期间发表的论文7 2独创性声明7 3致谢。7 4v ic o n t e n t sa b s t r a c t ( c h i n e s e ) ia b s t r a c t i ic o n t e n t s ( c h i n e s e ) i vc o n t e n t s 1 ，ic h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 11 1s o u r c eo ft h et h e s i s 11 2t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i st h e s i s 11 2 1t h eb a c k g r o u n do ft h i st h e s i s 11 2 2 t h et h e o r ya n dr e a l i t ys i g n i f i c a n c eo ft h i st h e s i s 21 3t h ek e yt e c h n o l o g yo fg o l dw ba n dt h es i t u a t i o no fs t u d y 21 4t h es i t u a t i o no fs t u d ya n dt h et e n d e n c yo fw b 51 5m a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i s 。6c h a p t e r2t h ei n t r o d u c t i o no fg o l dw b 92 1t h ei n t r o d u c t i o no fw bt e c h n o l o g y 92 2t h ei n t r o d u c t i o no ff u l l - a u t o m a t i cg o l dw b 112 2 1t h ec o n s t r u c t i o no ff u l l a u t o m a t i cg o l dw b 112 2 2t h et e c h n i c a lr o u t eo fp a t t e r nm a c h i n ed e s i g np r o j e c t 122 3t h es u m m a r yo fc h a p t e r2 13c h a p t e r3t h es t r u c t u r ed e s i g no fl e a df i a m et r a n s p o r t i n ga n dp a s t i n gs y s t e m 153 1t h ep r i n c i p l eo fd e s i g n 1 53 2t h es t r u c t u r ed e s i g no fl o a d i n ge q u i p m e n t 153 2 1t h ed e s i g nt h i n k i n go fl o a d i n ge q u i p m e n t 153 2 2t h es t r u c t u r ed e s i g no fl o a d i n gs t r u c t u r e 163 2 3t h ec h o o s eo f t h em a i n l yp a r t s 1 83 3t h es t r u c t u r ed e s i g no fu n l o a d i n ge q u i p m e n t 2 53 3 1t h ed e s i g nt h i n k i n go f u n l o a d i n ge q u i p m e n t 2 5v i i广东工业大学硕士学位论文3 3 2t h es t r u c t u r ed e s i g no fu n l o a d i n gs t r u c t u r e 2 63 3 3t h ec h o o s e o f t h em a i n l yp a r t s 2 93 4t h es t r u c t u r ed e s i g no fs e n d i n ge q u i p m e n t 3 03 4 1t h ed e s i g nt h i n k i n go fs e n d i n ge q u i p m e n t 3 03 4 2t h es t r u c t u r ed e s i g no fc l a m ps t r u c t u r e 313 4 3t h ec h o o s eo ft h em a i n l yp a r t s 3 53 5t h es u m m a r yo fc h a p t e r3 3 9c h a p t e r4t h es t r u c t u r ed e s i g no fb o n d e rw o r kb e n c h 4 14 1t h ec o n s t i t u t i o no fb o n d i n gs y s t e m 4 14 2t h ed e s i g nt h i n k i n go fb o n d i n gx zw o r kb e n c h 4 14 _ 3t h es t r u c t u r ed e s i g no fb o n d i n gx zw o r kb e n c h 4 24 4t h ec h o o s eo ft h em a i n l yp a r t s 4 44 5t h es u m m a r yo fc h a p t e r4 51c h a p t e r5t h em o t i o ns i m u l a t i o na n df e ao fk e yp a r t so ft h el e a df r a m es e n d i n ge q u i p m e n t 5 35 1t h ef e ao fyd i r e c t i o nw o r k i n gb e n c h 5 35 1 1t h ei n t r o d u c t i o no ff e a 5 35 1 2t h ei n t r o d u c t i o no fc o s m o s 5 45 1 3t h ef e ao f yd i r e c t i o nw o r k i n gb e n c h 5 45 2t h em o t i o ns i m u l a t i o no fp a s s i n gm e c h a n i s mb a s eo na d a m s 5 85 2 1t h ei n t r o d u c t i o no f v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y 5 85 2 2t h ei n t r o d u c f i o no f a d m s 5 95 2 3t h em o t i o ns i m u l a t i o no fp a s s i n gm e c h a n i s m 6 05 3t h es u m m a r yo fc h a p t e r5 6 5c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t 6 7r e f e r e n c e s 6 9p a p e r sp u b l i s h e d 7 2a n n o u n c eo fo r i g i n a lc r e a t i o n 7 3a c k n o w l e d g e m e n t 7 4v i i i第一章绪论第一章绪论1 1 课题来源选题来源：广东省科技攻关项目l e d 封装生产线关键技术及设备研制，项目编号：2 0 0 8 a 0 1 0 3 0 0 0 0 9 ；广东省中科院全面战略合作项目全自动芯片引线键合设备研制及产业化，项目编号：2 0 0 9 8 0 9 1 3 0 0 0 5 71 2 本课题的研究背景及理论与现实意义1 2 1 研究背景全自动金丝球引线键合机是引线键合设备中的核心产品，是典型的光、机、电一体化产品。它是由精密运动机械、智能控制、图像识别、光学、超声波焊接等多领域、跨学科技术组成的现代高技术微电子生产设备。目前国内外的金丝球引线键合机都是由新加坡、日本、美国及台湾设计生产的。国际上芯片引线键合技术的水平己达到：芯片引脚的间距3 0 岬，速度1 5 线秒，加速度1 5 9 ，键合精度为+ 5 m m 。在我国，有关研究单位目前还尚在研制以速度5 8 线秒为目标的键合机，其技术差别是显而易见的，而且从上述先进的技术参数中不难看出键合运动的高速度要求和高精度要求，况且这些要求还在不断升级，现有运动平台的机构设计理论和运动控制技术不能满足引线键合设备对对准和定位精度的更高要求，因此需要研究新的运动机构和控制方法，以实现平稳、快速、精确定位。由于引线键合设备工作在高加速度状态，必然存在非线性摩擦和传动误差等不确定性因素，如何有效地补偿控制系统的不确定因素是获得高速高精运动的关键和难点。此外，封装设备在高速运行下，需要伺服驱动系统快速起停，系统易出现振动，尤其是高频振动。因此，如何消除高频振动就成为封装设备设计中一个重要的课题。随着科技的不断发展，人们已深刻认识到，封装已成为限制微电子技术发展的主要因素之一。电子封装的趋势正朝着小尺寸、高性能、高可靠性和低成本方面发展。微电子封装对i c 产品的体积、性能、可靠性质量、成本等都有重要影响。i c成本的4 0 是用于封装的，而i c 失效率中超过2 5 的失效因素源自封装乜1 。实际上，电子封装己成为研发高性能电子系统的关键环节及制约因素口1 。全自动金丝球广东工业大学硕士学位论文引线键合机作为微电子封装后道工序中最为重要的设备，如果不适时的加快其研究步伐，势必会造成在整个微电子领域处于整体落后状态，核心技术被他国掌握，对国家经济发展造成严重后果h 1 。1 2 2 理论与现实意义在微电子封装的各个工序中对电信号传输稳定性影响最大的工序即为内部连接工序，在内部链接的三种形式中，由于引线键合技术相当的简易及便利，加上长时间下来与之相配合的机组、设备及相关技术皆已十分完善，其技术也已经普遍的利用自动化或半自动化进行，因此引线键合技术不易被新兴技术淘汰哺1 。再加上材料与焊线技术的改善，所以在封装方法中，它仍然是使用最广泛的技术，而全自动金丝球引线键合机作为热压超声焊的代表，其地位更显的尤为重要哺1 。目前，在我国国内只有少数国外封装公司在国内设置的加工或者安装工厂，核心技术仍然被国外大公司牢牢掌握盯1 。近年来，国家和企业对微电子封装技术的研究和开发力度增大，在微电子封装关键技术领域的研究积极、活跃，如华中科技大学、清华大学、上海交通大学，国防科技大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、广东工业大学和中国科学院长春光学精密机械研究所等研究机构在微电子、光电子制造的超精密定位、电子封装工艺、检测技术和微机构设计等方面开展了系统的研究，取得了较大进展，并且已开发出了一些半自动和全自动金丝球引线键合设备随1 ，但是其与国外机型无论在功能还是稳定性上，仍存在很大差距。因此，发展具有我国自主知识产权的封装制造设备核心技术，是i c 制造装备中的重要研究内容之一，对促进i c 制造技术的发展进而加快我国i c 产业化进程具有重要的意义隋1 。既可促进微电子设备国产化满足信息产业市场需求，又可出口创汇，打乱国外垄断的局面n 叫。本文系统的阐述了全自动金丝球引线键合机的整机结构设计思路，对部分关键部件进行适当的仿真分析，并且样机已投入小批量生产阶段，事实证明此设计是实用的，高效的。因此对日后的行业发展有一定的理论与现实指导意义。1 3 全自动金丝球引线键合机的关键技术及相关的研究现状全自动金丝球引线键合机是微电子封装后道工序的重要一环，其焊线质量严重影响着封装的好坏。目前国内研究的精力主要在封装设备及相关技术的研究上，针对半导体后封装设备的特点和实现电子制造技术跨越式发展的需要确定了目前急需解决的若干关键技术，主要有高加速度、高精度的精密机械定位系统的建模与设计、2第一章绪论超声引线键合技术、键合参数匹配规律与焊头运动轨迹规划、基于实时机器视觉的精密定位，高精度、快响应力传感和力位混合控制等n 1 1 2 1 3 h 15 1 6 1 。1 具有高加速度、高精度的精密机械定位部分精密机械系统是设备完成各项任务的最终执行原件，其设计、制造的精密程度直接影响着设备运行的精确度、速度等综合性能。金丝球引线键合设备作为典型的封装设备要想完成上高加速度、高精度运动动作，必须从引线键合超声换能器系统的稳定性能等方面去考虑。从结构上看，现有的芯片封装设备实质上都是三自由度的往复运动机构，平面往复定位机构完成高速、高加速度和高精度的定位，垂直方向运动机构实现引线往复键合功能n7 1 8 1 钔。目前，国内外学者，为保证引线键合的精密定位，主要开展了引线键合新的驱动方式、运动机构形式和控制策略等方面的研究。机构的驱动形式主要有以下四种方式。( 1 ) 伺服电机与滚珠丝杆连接的驱动方式。这种驱动方式用伺服电机作为驱动元件，为系统运动提供动力源。通过深沟球轴承、滚珠丝杆及丝杆螺母等中间零部件将电机的旋转运动转化为平台的直线运动心0 2 1 2 刳。( 2 ) 直线电机直接驱动的驱动方式。直线电机是通过电能直接产生电磁推力的，由于它不需要任何转换装置而直接产生推力，减少了机械传动环节，简化了整个系统装置，保证了运行的可靠性，可以获得高速度和较高的重复定位精度及良好的稳定性凹3 2 钔。但是由于直线电机的定子是多块永磁体拼接而成，不可避免地存在边缘效应产生的力矩波纹，给控制带来较大的困难。( 3 ) 超声波电机驱动方式。超声波电机目前已经成为机电控制领域的一个研究热点，其控制灵活、简便，且快速性好。其原理是通过逆压电效应将电能转换为超声波振动能，将交变的振动转变成转子单方向的直线运动，实现机械振动能到转子动能的转换。此类平台存在速度和加速度不高的顽疾心副。( 4 ) 音圈电机驱动方式。音圈电机是一种新型直接驱动电机，除了和直线电机一样避免了传动环节存在间隙等不足外，在理论上具有无限分辨率，还有无滞后、无齿槽效应、响应快、效率高、推力大、力特性稳定和控制方便等优点乜包2 7 删。由于音圈电机属于特殊电机范畴，成本较高，且不易控制。2 实时定位的机器视觉部分机器视觉直接处理的对象是图像( 工业上以灰度图像为多) ，其最核心技术也即是各种高精度、快速度的图像识别算法。当前机器视觉研究领域中许多图像处理算3广东工业大擘硕士学位论文法和模板匹配算法已经比较成熟，各种有针对性的、有行业特性的识别方案和算法也层出不穷。不少机器视觉软件包和视觉模块已经商品化，一些著名的公司如国外的m a t r o x 、m a t s u s h i t a 、o m r o n 、n 1 等相继在国内一些城市开展了业务。他们提供的产品在图像处理和识别的速度方面已达到了毫秒级甚至毫秒以下，识别的精度也从像素级达到亚像素级。而诸如c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i e e ) 以及各种图像采集模块或板卡无论是在采集频率，采样精度，处理速度方面，还是在图像大小，图像颜色格式、存储空间上都有了很大的提高，基本上都能很好的满足实时检测的要求。全自动金丝球引线键合机的图像识别系统主要是以图像识别技术为基础的一个光电系统。其作用是完成图像的采集、分析及识别等一系列的任务。在国外应用于引线键和技术的图像识别算法已经较为成熟。在国内来说，目前围绕减少搜索空间和匹配时间问题，相继提出了序贯相似性检测算法( s s d a ) 、多分辨率的塔形结构算法等模板匹配方法。s s d a 算法能够快速的到图像匹配的优秀结，但算法的抗噪声能力不高。m p s a 算法能够有效提高匹配速度，但难以保证正确匹配的前提下大幅度提高速度。更重要的是，这些算法都无法解决由上到粘片工序所造成的芯片旋转问题的识别。3 焊头运动轨迹规划引线键合占键合工艺的8 0 以上，在i c 制造业中得到广泛的应用一直是国际上研究的热点，而键合头运动的轨迹规划作为引线键合的关键技术之一自然也倍受关注。由于轨迹规划中存在很严重的非线性问题，传统的轨迹规划都是基于试验统计的方法之上。引线在轮廓成形过程中发生很大的塑性变形在位移与应变的关系中存在几何非线性，在材料的本构关系应力应变关系中存在材料非线性，这使求解引线的轮廓形状和内部张力变得十分困难，也使得键合头运动的轨迹规划变得周期长、效率低。近几年围绕i c 引线键合键合头运动的轨迹规划问题，国际上也出现了不少的研究成果。比较有代表性的女i s h u 以及s h e a f f e r 口们等利用统计分析方法研究了键合线闭合形状的设计与控制。a a o t a y 等人1 对引线键合的轮廓成形过程进行了仿真。d a v eh s t a n 2 3 对引线键合过程进行了计算机仿真d s l i u 等人口3 3 应用三维有限元模型研究引线轮廓的成形。r g r o o v e r 等人口们对超细间距长引线的轮廓成形进行了研究。t h r a m s e y 胡研究了热压键合中引线的冶金性能。l l e v i n e 等人口6 1 研究了适应超细间距引线键合的策略。y l l o 等人口 运用弹簧模型研究了引线轮廓的“三角型”和“t 型。l i u h a o 汹3 研究了轨迹参数对引线轮廓根部强度的影响。y o h n o4第一章绪论等人汹1 研究了铜引线键合时影响引线轮廓形状的因素。y f y a o 等人h 町对5 0 m m 超细键合设备进行了研究。s h i n i c h it e r a s h i m a 等人h 妇研究了减小引线轮廓下垂度的方法等等。4 超声引线键合技术近几年来，超声技术得到了飞速发展，被广泛应用在无损探伤、医疗设备、材料测试及半导体专用设备中，尤其在半导体专用设备领域得到广泛应用。无论是热超声金丝球引线键合机还是铝丝引线键合机，只要统筹考虑设计超声波发生装置和换能器，编写相应的控制算法数如工作频率、功率、共振频率、便可使超声转换效率达至u 9 9 ，使两者的主要参负载阻抗等匹配，自整定分辨力达到1 k h z ，并且一个完整的带有延迟控制及惯性环( 积分环、比例环、微分环) 的控制周期可达到毫秒级。超声引线键合技术是利用超声振动和劈刀压力的作用h 羽，将引线键合到芯片和基板上的方法。超声引线键合系统主要由换能器、变幅杆、劈刀等组成。其机理是，i 由p t z ( 压电陶瓷) 产生超声振动，p t z 将超声频率的电压驱动信号转换为相同频率的机械振动( 压电逆效应) 。并将振动加在变幅杆上，变幅杆和劈刀将振动传输并放大后作用在工作界面上，当劈刀、引线及键合表面接触时，在静压力和振动的作用下相互摩擦、破坏、清除表面氧化膜，产生摩擦热并发生塑性变形，致使两个纯净的金属面紧密接触，达到原子距离的结合，形成牢固的机械连接，从而将金线或铝线焊接在芯片和基板的引脚上，实现引线键合的功能。现在的引线键合设备，主要是世界著名的封装设备公司a s m 、e s e c 、k & s 、t o s h i b a 开发的键合系列产品，他们的频率一般为6 0 k h z ，键合温度在2 0 0 。c 左右，键合间距一般大于6 0 9 m 。1 4 引线键合设备的发展现状及趋势引线键合设备的发展取决于引线键和技术发展及应用范围的扩展水平。随着集成电路的发展，先进封装技术不断发展变化以适应各种半导体新工艺和新材料的要求和挑战。半导体封装内部芯片和外部管脚以及芯片之间的连接起着确立芯片和外部的电气连接、确保芯片和外界之间的输入输出畅通的重要作用，是整个后道封装过程中的关键。引线键合以工艺实现简单、成本低廉、适用多种封装形式而在连接方式中占主导地位，目前所有封装管脚的9 0 以上采用引线键合连接。毋容置疑的事实是目前倒装芯片代表着封装输入输出数目不断增加，内部连接5广东工业大学硕士学位论文性能要求越来越高的形势下，电气连接有由引线向焊球发展的趋势。倒装芯片方法形成的电气连接路径最短，相应的电阻、电感都较小，适合高性能集成电路的封装。然而由于引线键合技术具有生产成本低、精度高、互联焊点的可靠性能高且产量大等特点，使得这种技术成为芯片互连的主要工艺方法，广泛用于各种芯片级封装中的低成本的板上芯片封装中。倒装芯片和引线键合的关系并不是简单的前者在短时间内迅速全面取代后者。半导体行业内关于引线键合技术不久即将过时并被淘汰的预测已经存在十多年了，而引线键合至今不仅没有消失，还依然作为主导的半导体封装内部连接方式活跃在低端到高端的各种封装形式中并不断向前发展。引线键合以工艺实现简单、成本低廉、适用多种封装形式而在连接方式中占主导地位，虽然倒装芯片的增长速度较快，但是直至2 0 1 1 年，引线键合仍然占主导地位。无论是封装行业多年的事实还是权威的预测都表明，引线键合在可预知的未来( 目前到2 0 2 0年) 仍将是半导体封装尤其是低端封装内部连接的主流方式。而金丝球引线键合机作为引线键合技术的完美呈现，其未来的发展也将是在短期内不会被其他工艺设备所取代。1 5 本课题的主要研究工作在查阅大量国内外参考文献的基础上，充分利用珠三角地理优势，通过亲自到广州及深圳等地工厂进行现场参观调研的形式，积累了大量的引线键合设备的理论与实际应用知识。此论文中设计的全自动金丝球引线键合机就是在充分的知识储备的前提下完成的，具有很强的实际应用价值。本文的主要工作是全自动金丝球引线键合机关键部件的机械结构设计。主要做了以下几项工作内容。l 上料装置结构设计上料装置设计了由取料及送料两组机构完成其上料动作。该上料装置具有运行平稳、安装调试方便、零部件更换简便等特点。2 过片装置结构设计过片装置设计成由前、后片道机构、拨爪机构、压爪机构及y 方向固定工作台机构组成。该装置的创新点在于没有采用目前普遍使用的将过片装置直接安放在x y 工作台上的串联机构，而是将x y 工作台用单一y 方向进行位置补偿所取代，这样的优点是可以将整个引线键合机设计成并联机构。6第一章绪论3 下料装置机构设计下料装置设计成由拉料及推料机构组成。本下料装置在拉料时，采用强磁铁进行吸料的方式以限制器y 方向的自由度，属于创新设计。本下料装置具有运行稳定、结构简单，占用空间小的特点。4 焊头x z 工作台装置设计该装置采用x 向及z 向的并联机构组成。其主要特点是运行速度快，加速度大，且定位准确。5 仿真分析部分利用机械系统动力学分析软件a d a m s 对拨爪机构进行运动仿真，运用有限元分析软件c o s m o s 对y 方向固定工作台进行形变分析。通过以上分析及仿真，得出部分关键部件的变形及受力数据，为物理样机的加工装配提供重要的理论依据。本文综合运用c a d c a e 集成环境，对全自动金丝球引线键合机进行了较为系统的设计分析和研究。应用三维设计软件s o l i d w b r k s 2 0 0 9 对样机进行了设计和虚拟装配；并加工装配了物理样机，其样机在企业测试时受到了良好的评价。7广东工业大学硕士学位论文8第二章全自动金丝球引线键合机简介第二章全自动金丝球引线键合机简介2 1 引线键合技术简介引线键合技术( w i r eb o n d i n g ) 是最早应用于i c 封装的技术。其原理是用高压电火花( e f o ) 使金属丝端部熔成球形，在i c 芯片上加热加压加超声，使接触面产生塑性变形并破坏了界面的氧化膜，使其活性化，通过接触面两金属之间的扩散接合而完成球焊接的；它是一种传统的、最常用的、也是最成熟的芯片互连技术，至今各类芯片的焊接仍以w b 为主。焊接后金线的正视图及俯视图如图2 1 所示：根据焊接条件的不同，引线键合工艺有以下三种不同的键合方式：热压焊( t h e r m c o m p r e s s i o n ) 、超声焊( u l t r a s o n i c ) 、热压超声焊( t h e r m o s o n i c ) 。本文所设计的全自动金丝球引线键合机属于热压超声焊范畴。l 苍蕙焊芯片( c h i p 正视图引线框架( l e a df r a m e )l俯视图图2 i 焊接金线的正、俯视图f i g 2 1t h et o pv i e wa n df r o n tv i e wo fg o l dw i r e引线键合工艺流程如下所述：1 形成金属熔球焊头移动到焊接位置上方以后，电子打火发生系统在电子打火杆( e f ow a n d )和上一键合周期完成后形成的金线尾丝间产生约4 k v 的高电压。形成的电弧产生高温将金线尾丝熔化，在重力和表面张力的作用下，熔化的金线形成球状( f a b ) 。9广东工业大学硕士学位论文2 完成第一焊点键合头下降到第一键合点上方预先设置的搜索高度( 1 s tb o n ds e a r c hh e i g h t ) 位置后焊头迅速下降，当劈刀接触到焊盘后继续向下移动直到侦测到