（机械制造及其自动化专业论文）引线键合系统设计理论与关键技术.pdf

摘要 本文以开发面向引线键合的高速、高精密定位平台为目标，系统深入的研究 了三自由度高速、高精度定位平台的结构设计、动力学建模、高频超声换能器优 化设计以及相应的匹配电路等关键技术，并研制了引线键合精密定位平台样机。 设计了一种基于音圈电机直接驱动、新型弹性解耦的三自由度高速、高精度 引线键合定位平台。利用虚拟样机技术建立了精密定位平台的刚一弹耦合模型， 并利用定位平台的动态响应确定了最佳的弹簧刚度及预紧力，利用有限元方法对 弹性铰链进行了优化设计。对引线键合精密定位平台的静、动态特性进行了实验 研究，实验结果表明引线键合精密定位平台的动态性能良好，达到了封装平台的 设计要求。 设计了9 8 k h z 高频超声换能器。建立了系统的机电等效电路，根据一维弹 性波理论推导出其纵向振动频率方程，确定了9 8 k h z 超声换能器的初始参数。 依据系统的谐振特性进行优化设计，得到了其最佳结构参数。对系统的阻抗特性、 轴向、径向振动传递特性进行了测试，实验结果表明具有良好的振动特性。 基于复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 技术，设计了具有频率自动跟踪功能的 超声换能器系统驱动电源。该电源具有放大、滤波、电路匹配及锁相频率跟踪等 功能，通过超声换能器的振动传递特性实验，验证了驱动电源的有效性。 对引线键合定位平台进行了相关实验，对平台进行了性能测试。结果表明， 平台定位最大位移为5 0 m m ，最大速度可达到0 5 m s ；最大加速度可达到7 5 9 ； 重复定位精度可达至i j 士2 1 a r a ，满足芯片封装等领域的极限高速、高精度需求。 研究工作为引线键合精密定位平台的进一步研究奠定了基础，也为相关定位 系统研究理论提供借鉴方法和实践经验。 关键词：引线键合精密定位平台高频超声换能器匹配电路锁相环 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f o rd e v e l o p i n gaw i r eb o n d i n gs y s t e mw i t ht h eh i g h s p e e d ， h i 曲一p r e c i s i o n1 i o s i t i o n i n g ，s o m ek e yt e c h n o l o g i e s ，s u c h a si n n o v a t i o ns t r u c t u r a l d e s i g n ，d y n a m i cm o d e l i n g ，o p t i m i z a t i o no fh i g h f r e q u e n c yu l t r a s o u n dt r a n s d u c e ra n d t h ec o r r e s p o n d i n gm a t c h i n gc i r c u i t ，o ft h e3 - d o fh i l g h - s p e e d , h i g h - p r e c i s i o n p o s i t i o n i n gt a b l ea r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h ep r o t o t y p eo fw i r eb o n d i n gp r e c i s i o n p o s i t i o n i n gt a b l eh a sb e e nd e v e l o p e d an e wf l e x i b i l i t yd e c o u p l i n go fh i g l a - s p e e d ，h i g h - p r e c i s i o np o s i t i o n i n gw i r e b o n d i n gt a b l ew i t ht h r e ef r e e d o m s ，w h i c hi s d r i v e nd i r e c t l yb yv o i c ec o i lm o t o r , i s d e s i g n e d o nt h eb a s i so fb u i l d i n gr i n d - e l a s t i cc o u p l i n gm o d e lo ft h ep r e c i s e p o s i t i o n i n gt a b l eb yu s i n gv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , t h eo p t i m a ls p r i n gs t i f f n e s s a n dp r e l o a da r ed e t e r m i n e db a s e do nd y n a m i cr e s p o n s eo fp o s i t i o n i n gt a b l e ，a n dt h e s p r i n gs t i f f n e s sa n dp r e l o a dt h ee l a s t i cj o i n ts t r u c t u r ei sa n a l y z e db yu s i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i r eb o n d i n gp r e c i s i o n p o s i t i o n i n gt a b l ei st e s t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e o fw i r eb o n d i n gp r e c i s i o np o s i t i o n i n gt a b l ei sg o o d , a n di tc a ns a t i s f yt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t so ft h ep a c k a g i n gt a b l e t h e9 8 k h zh i l g h f r e q u e n c yu l t r a s o u n dt r a n s d u c e rs y s t e ma r ed e s i g n e db a s e do n e l e c t r o m e c h a n i c a l e q u i v a l e n tc i r c u i t o ft h i s s y s t e ma n dl o n g i t u d i n a l v i b r a t i o n f r e q u e n c ye q u a t i o nd e d u c e db yu s i n go n e - d i m e n s i o n a le l a s t i cw a v et h e o r y t h ei n i t i a l p a r a m e t e r so fi ta r ed e t e r m i n e d t h e n ，t h e ya r eo p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h er e s o n a t o r c h a r a c t e r i s t i c so ft h i ss y s t e m i ti sm e a s u r e df o rt h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n d t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c si nt h ed i r e c t i o no fa x i a la n dr a d i a lv i b r a t i o n ，a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ti th a sag o o dv i b r a t i o nt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c b a s e do nc o m p l i c a t e dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ( c p l d ) t e c h n o l o g y , a d r i v e np o w e rf o rw i r eb o n d i n gu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rs y s t e mi sd e s i g n e d i th a s f u n c t i o n sa n ds oo na m p l i f i c a t i o n ，f i l t e r , e l e c t r i cc i r c u i tm a t c ha n dp h a s e l o c k f r e q u e n c yt r a c k t e s t sf o rv i b r a t i o nt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fw i r eb o n d i n gu l t r a s o n i c t r a n s d u c e rs y s t e ma r ec a r r i e do u t ，a n dt h ed e s i g nv a l i d i t yo fw i r eb o n d i n gu l t r a s o n i c t r a n s d u c e rs y s t e mi sv e r i f i e d 。 ac o r r e l a t i v ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t a lo fw i r eb o n d i n gp o s i t i o n i n gt a b l ei s t e s t e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u md i s p l a c e m e n to ft a b l ei s5 0 m m ，t h e m a x i m u ms p e e da n da c c e l e r a t i o nc a l la t t a i n0 5 m sa n d7 9 9r e s p e c t i v e l y , t h e r e p e t i t i o np o s i t i o n i n gp r e c i s i o na c h i e v e 士2 岬i tc a l la l s om e e tt h er e q u i r e m e n t so f l i m i th i 曲s p e e da n da c c u r a c yi na r e a ss u c ha sc h i pp a c k a g i n g t h es t u d yo ft h i sd i s s e r t a t i o nl a y saf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho fw i r e b o n d i n gp r e c i s i o np o s i t i o n i n gt a b l e ，a n ds u p p l i e sr e f e r e n c e dm e t h o d sa n dp r a c t i c a l e x p e r i e n c ef o rt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho f t h er e l e v a n tp o s i t i o n i n gs y s t e m k e yw o r d s ：w i r eb o n d i n g ，p r e c i s i o n p o s i t i o n i n gt a b l e ，h i 曲f r e q u e n c y u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r ，m a t c h i n gc i r c u i t , p h a s e l o c k e dl o o p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的浼明并表示了谢意。 学位论文作者签名：三式7 玖签字r 期：歹印8 年0 月矽r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 丕鲞太堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：句弋一瓦 导师签名： 矽磊应 签字r 期：夕仰方年口，月芦同签字日期：7 - - - 向8 年口，月三罗同 天津大学博，l ：学位论文 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 集成电路( i n t e g r a t ec i r c u i t ) 是当代微电子学的主体，是电子工业的基础和 核心。以集成电路i c 制造以及微机电系统制造为代表的电子制造不仅对国民经济 有巨大的影响，而且对国家安全极为重要，因而成为制造业最重要的领域之一。 近年来，我国i c 产业一直保持了较快增长的势头【1 】。根据统计，截至2 0 0 6 年国内 集成电路产业共实现销售收入1 0 0 6 亿元，集成电路总产量达至u 3 5 5 6 亿块。我国 1 9 9 7 2 0 0 6 年间的集成电路产业销售增长状况【2 一l ，如图1 - 1 所示。芯片封装业作为 芯片产业的重要环节，一直追随着i c 产业的发展而发展【j 。 1 2 0 0 t 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 l 旦：叠亡量曼盛销售堑i 图1 - 1 我国集成电路产业销售增长状况( 单位：亿块亿元) i c 封装加工是指把构成电子器件的各个元件以及各组成部分，按照要求合理 布置、键合、连接、与外界环境隔离，起到保护芯片并使芯片不受外界环境干扰 和腐蚀破坏的作用【6 培】。实际上，微电子元器件的应用越来越广泛，集成电路芯 片等元件若无封装保护，其性能将无法实现，因此，集成电路的封装是集成电路 各种性能得以实现的重要保证。在i c 封装中，芯片与引线框架( 基板) 的互连主 要采取三种技术方式来实现，它们分别是：引线键合( w i r eb o n d i n g ) 、载带自 动焊( t a p ea u t o m a t e db o n d i n g ) 和倒装焊( f l i pc h i p ) ，其中，9 0 以上的封 装采用引线键合互连方式。由于倒装焊设备昂贵仅适用于高端产品，因此，在今 后一段时期内，引线键合仍然是芯片焊接的主要形式【9 叫4 l 。 引线键合( w i r eb o n d i n g ) 是一种利用热、压力、超声波能量将半导体芯片 引脚与电子封装外壳的i o 引线或基板上技术布线引脚用金属细丝连接起来的 工艺技术【协1 6 】。它是关键、复杂且技术层面最深也最具代表性的一道工序。在 第帝绪论 1 1 线键台封装工艺中通常采用两种焊接方式：球形焊接( b a l lb o n d i n g ) 和楔形焊接 ( w e d g e b o n d i n g ) 如图1 - 2 ，图1 - 3 所示。 图l - 2 球形焊接形j l ：图】3 楔形焊接形式 目前，封装的形式一方面朝着高性能的方向发展，键合速度由8 1 0 线秒提 高为1 l 1 6 线秒i 】7 “1 8 1 一方面朝着轻薄短小的方向发展，引线间距由8 0 1 0 0 n m 缩小为3 0 5 0 岬，芯片封装的集成度不断提高【i ”删：为进一步提高生产效率， 超声键台的频率由6 0 k h z 趋向于9 0 1 5 0 k h z ，并对键合系统的稳定性要求更高 e 2 1 。2 2 ：芯片封装业的快速发展对引线键合设备的运动精度和运动速度、加速度 等性能提出了更高的要求，这就需要发展新的封装机械和设备来满足i c 芯片的技 术需求。 在实际应用中，精密定位平台新的驱动方式、合理的运动解耦机构型式、精 密定位平台良好的动态性能、稳定的键台头( b o n d m gh e a d ) 高频超声换能系统 能量传输特性是引线键台定位系统设计中的关键技术【n ”】。而现有的引线键台 材l ( w i r eb o n d e r ) 和芯片焊接机( d i cb o n d e r ) 的驱动方式多聚用伺服电机与直线电 机形式，存在着边缘效应现象；机构形式多数采用串联型的直线定位上作台r 电 机一丝杠一螺母) ，存在运动间隙、惯量大等不足：高频超声换能系统多聚用6 0 k h z 的超声波，存在着工作效率低，键合时问长的特点p 4 ：这些方面限制了q f 线键台 设备的精度、速度和加速度的进一步提高。 吲此，发展具有我国自丰知识产权的封装制造设备核心技术，开展基于新的 驱动方式、运动机构形式、定位平台的新型解耦方式和有效控制方法的新型高述、 高精度定位系统的关键技术研究，是i c 制造装备中的重要研究内容之一陋”i ， 对促进l 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。 本课题结合天津市科技攻关项目( 编号：0 5 y f g p g x 0 6 0 0 0 ) 、国家自然科学 幕会项目( 编号：5 0 5 0 5 0 3 2 ) 的资助，主要研究基于音圈电机驱动、新型弹性铰 链解耦、键合频率为9 8 k h z 的高速、精密定位的引线键台系统设计理论、关键 技术和样机制造技术i 耍样机的相关实验方法。 天津大学博士学位论文 1 2 国内外引线键合精密定位系统的研究现状 当前芯片功能在不断增强，随着其朝高集成化方向发展，芯片封装也趋向于 多引脚、细问距、多芯片系统集成的特点。引线键合机和芯片焊接机作为典型的 封装设备要想完成上述工作，必须依赖引线键合定系统的精度、引线键合定位系 统的控制，引线键合超声换能器系统的稳定性能等方面去解决【3 。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。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；为保证稳定的键合质量，主 要开展了键合头高频超声换能器系统研究，以使键合头系统具有良好的振动传递 特性，确保稳定的键合过程。以下将对上述几个方面的国内外发展现状进行分析。 1 2 1 驱动方式 早期的封装设备同机床、精密仪器等其它的机械设备一样，大都采用交流伺 服电机的滚珠丝杠式的驱动方式【4 2 州】，如图l - 4 和图1 5 所示。这种驱动方式用 伺服电机作为动力元件，通过丝杠将电机的旋转运动转化为平台的直线运动。由 于此种驱动方式不可避免的存在运动问隙、惯量大、运动响应慢、运动精度低等 不足，影响了系统运动的快速性及系统高速运行的稳定性，限制了定位平台精度、 速度和加速度的进一步提高。因此需要寻找新的驱动形式来提高定位精度。 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， 可获得高速度和较高的重复定位精度及良好的稳定性【4 5 撕】。图1 - 6 是日本发明采 用的直线电磁电机驱动的x y 定位平台【4 7 】，图1 7 是日本明立精机株式会社生产 的直线电机驱动的x y 定位平台【4 引。 d 图1 - 4 滚珠丝杠机构原理 图1 5电机丝杠式的x y 定位平台 第章绪睦 田于直线电机的定于是多块水磁体拼接而成，不可避免的存在边缘效应产 生的力矩纹波，给控制带来一定的困难。 0 “等”e 图1 - 6 直线电磁电机驱动的x y 定位平台 一：l i ： f ， 圈1 7 直线电机驱动x y 的定位平台 导辘趁i 踱蛀n * 瓣 y 自 自 x 自千自 图l - 8 超声波直线电机驱动的x y 定位平台 为适应灵活性、快速性、简便性控制的要求，超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r ) 成为当前机电控制领域的一个研究热点。其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，实现机械振动能刮转子动 能的转换。超声波电机具有结构简单、设计灵活、低速、大力矩密度、响应快、 无源制动、无电磁干扰等优点，采用超声波直线电机直接驱动有效的提高了重复 定位精度，f h 平台的速度和加速度不高，| 冬| i - 8 所示为采用超声波直线电机驱 动的x y 定位平台。 音圈电机( v o i c e c o i l m o t o r ) 是一种新型直接驱动电机，除了年直线电机一样 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倥等优点【5 “5 “。最 常见于计算机磁盘的磁头定位机构和激光微调机构中，随着音刚电机制造技术的 发展，逐渐扩展到其它工业麻用钡域。可见，音圈电机更适用于高速、高加速度 和高精度定位驱动，将其用于频繁肩停的芯片封装定位机构中，无疑是理想的选 择。如图1 - 9 为瑞士联邦科学院研制的音圈电机直接驱动的x y 平台【5 ”，利用气 辫 天津大学博l 学位论文 浮导轨实现无摩擦高速运动。图1 1 0 为瑞士e s e c 公司生产的z 阳运动的键台 头结构，通过键合头内部的音圈电机驱动，实现键合头劈刀的z 向运动。图 1 - 1 1 为日本电气通讯大学研制的三自由度音圈电机驱动微定位平台。 图1 9 瑞i 喑罔电目【驱动的x y 平台图l - 1 0e s e c 公司键台头驱动机构 图l - 1 1x y z 二向音圈电帆驱动甲台 由上所述，分析了封装设备高精度定位机构常见的几种驱动方式，由于音圈 电机具有无限分辨率、无滞后、高响应、高速度、商加速度、体积小、力特性好、 控制方便等特点，因此，它更适于驱动频繁脚停的芯片封装定位机构。 1 2 2 运动机构形式 封装设备运动机构设计一般由设备的驱动形式来确定，合刊。有效的机构形式 往往是实现高速、高精度定位的前提条件。在半导体封装设备的廊用中直线电 机代替伺服电机作为驱动元件，随着音圈电机技术的发展，存在着音圈电机逐步 代替直线电机的趋势。引线键合定位平台定位系统中大都粟用底部布置定位p 台，上部布置驱动往复机构的形式，以实现底部的平面运动和垂直的往复运动。 引线键台键合头z 向驱动部件通常采用直线音圈电机或旋转音圈电机结构，用以 实现键台头z 向拄复运动。直线电机驱动键合头，可保证劈刀与芯片之问始终垂 直，适应多种芯片的连接；旋转电机驱动键合头，可减小部件运动惯量，提高键 孰激。 第罩绪论 台效率，该结构形式如图1 - 1 2 所不l ”l 。e s e c 一3 1 0 0 引线键台定位平台形式如图 1 1 3 所不旧，电机1 驱动键合头作y 向往复运动，电机2 实现键台头绕z 向转 动，键台头z 向上下运动由摇杆产生。 图】一1 2 旋转键台头结构图图1 - 1 3e s e c - 3 1 0 0 键台头结构图 譬四 围i 1 4 日本n s k 研制的x y 定位甲台图i 15 日本三菱公司研制的r p 定位系统 采用笛卡儿牛标型( x y 平台) 和平面关节型定位系统( s c a r a ) 的底部定位平 台形式是两种典型的高速、高精度定位机构。图i 一1 4 是日本n s k 公司研制的适 用于芯片封装的高速高精度x y 平台”，它采用x y 解耦机构，大大降低系统运 动惯量刚度高、承载能力强，可实现展大加速度5 9 、重复定何精度2 9 m 冉i 平 台6 0 6 0 m m 的工作范嗣。由于采用x y 解耦形式机构的运动惯量小、刚度高、 承载能山强，并口动力学解耦，控制简单、方便。 为了进一步提高定位平台的速度和精度，针对现有机构多数采用串联型机构 形式的特点，许多研究者还探索通过采用外转副骊动的并联机构米实现高述高精 度精密定位。吲1 1 5 是日本三菱公司研制的r p 系列高述高精度定位平台- 5 ， 它采用外转副驱动的非平行对称结构形式，其最大直线速度可达08 r i g s ，重复定 位精度5 u m 。近年来ha s a d a 和y o u c e f - t o u m i l 6 0 l 提山将闭合的平行四边形连杆 机构用于关节型定位平台中，使机构的动力学模型大为简化，实现了快速的轨迹 跟踪性能。国内哈尔滨工业大学机械人研究所的孙立宁教授等针对微电子器件封 无律大学博十学位论文 装作业对高速高精度自动设备的需求，提出了一种由平行四边形支链的、r 面并联 机构和直线运动模块组成的新型三自由度串、并联混合精密定位机构j ，如图 l 1 6 所示。机器人分别采用旋转直接驱动电机和直线音圈电机作为驱动元件，结 台了并联机构和直接驱动的优点来实现高速、高精度的= 自由度运动。实验结果 表明平面并联机构具有较高的重复定位精度、加速度和较短的稳定时问。近年来 国内的哈尔滨工业大学和天津大学都提出了基于音圈电机驱动的x y 定位平台 新的结构形式，为实现三自由度引线键台精密定位机构奠定了基础【6 ”。 图11 6 三自由度串并联混台型定位机构模型及实物样机 1 2 3 动力学建模及系统动态设计 结构动力学分析和动态设计是保证高速精密定位系统具有优良动态品质的 重要理沧基础。随着动力学理论、班代设计方法的迅速发展，越来越多的建模方 法及系统动态设计分析被应用到了高速高精度定位技术领域。常用的牛顿一欧批 注、拉格朗日法、虚功原理法等，以及模态参数辨识法都“r 以用来建立精密定位 平台动力学模型。对极限工况下高加速度运动系统来说，戍在较宽频率范围内考 虑系统的动力学性能，如运动过程中负载变化产生的扰动* “、考虑非线性摩擦和 机械联接引起的机械谐振等迄今为止，国内外学者的研究多集中在从机构形 式和电机设计两方面入手，在一定程度上来改善定位系统的动态品质，而对该娄 高速、高加速运动的精密定位系统的动力学行为尚缺乏深入的研究和洞悉。 高速精密定位系统的动力学行为具肓刚一柔耦台、高阶次、非线性的特点， 因此，高速、高加速运动使机构弹性成为影响定位系统动态性能希j 工作精度的关 键困素。s h i g e r uf u t a m i 州坪悯动力学彳亍为的计算机仿真与牛顿一欧拉法对系统 建模相结合的方法研究引线键台精密定位平台的微动力学模型，s h a b a n a 6 9 1 提 了在绝对举标系下的秉性多体系统动力学建模方法的计算机实现及麻用；o l i v e r 使用b y l o 觑数展开的方法对柔性多体系统建模获得了适用于建模川、辫识和控 第一章绪论 制的紧凑模型，m j o u a n e h 等利用参数辨识法，建立了x y 平台的动力学模型； z a l d a a r i e v 【7 2 】用数值方法推导出适用于刚一柔多体系统的非线性位形空间动力学 方程；i b r a h i m b e g o v i c t 7 3 】深入地研究了有限元法建立复杂柔性多体系统动力学模 型的几个关键问题，如单元选择、计算格式的选择等技术细节。引线键合精密工 作定位平台等高加速度系统作为一个复杂的刚柔混合体系统，其动力学模型的建 立应是以柔性或刚柔混合多体系统动力学为基础多自由度模型。 i c 技术的迅速发展使封装密度越来越高，因此高速精密定位系统的位置控 制是保证芯片封装质量的一个重要方面内容。z z l i u t 7 4 】等学者针对精密定位平 台的振动问题，专门设计了高阶速度控制器来抑制共振；h w p a r k 7 5 】等对音圈电 机实施鲁棒控制策略，为保证在高阶模态振动时控制系统的鲁棒性，研究了采用 模糊逻辑控制器用于位置和振动控制。a l t e r 和t s a o 7 6 将日。最优反馈控制用于直 线电机伺服系统中的位置反馈和力反馈，比p d 控制的系统刚度增加了7 0 , - 一 1 0 0 。e v a nd e nb r a e m b u s s c h e t 7 7 】等设计了鲁棒控制器和离散时变滑模控制器来 控制直线电机驱动的精密定位机构，试验表明该控制器有效的提高了点到点运动 的位置跟踪精度。t u n g 和t o m i z u k a 7 8 1 、k o r e n 、a l t e r 和t s a o 7 9 1 等研究了采用最 优跟踪、零相误差控制z p e t c 、双重位置闭环反馈控制等不同方案的前馈控制 跟踪控制器( f e e d f o r w a r dt r a c k i n gc o n t r 0 1 ) 。m h s m i t h 8 0 j 等则研究采用包含 p i d 控制器和超前补偿器的自适应控制器，对精密机械机构进行控制，达到了预 期的速度和精度。b i ny a o 引】等基于间断映射法构造了a r c 控制器，对直线电机 驱动的精密机构实施高性能适应性鲁棒运动控制策略，该方法可以有效地克服直 线电机本身的一些不足，如对扰动和参数变化较敏感等。为抑制残余振动，s i n g e r 和s e i n g h o s e 8 2 】提出一种输入信号整形技术( i n p u ts h a p i n gt e c h n i q u e ) ，即设计一 个输入信号滤波器去除输入信号频谱中对应谐振频率的分量，用降低信号能量的 方法抑制残余振动。这种方法己被后来的研究和应用证明是有效的。可见，在精 密定位平台控制系统的研究中，尽管国内外学者针对各种具体平台做了大量的研 究，但是实际中的应用仍有很多问题没有解决，比如大量的计算与快速响应的矛 盾等。因此，设计一种适合高速精密定位平台特性易于实现的控制器具有重要的 意义。 引线键合精密定位平台作为高速、高精度定位系统，就必须在高动态工作状 况下，具备优良的静态和动态品质。引线键合精密定位系统应具备：运动部件 具有低的惯量特性；部件具有高的刚度，以保证系统良好的动态特性；应降 低部件的运动学和动力学中非线性的影响；机构运动部件中低的摩擦、阻尼性 能及无机械摩擦【s 卜拍j 。 应用以上设计原则，很多学者开展了相关的研究工作。t l h a u t 盯】等设计了 天津大学博士学位论文 一台三坐标数字系统( 3 d c d s ) ，该系统中的x y 定位平台的x 轴向定位精度可达 1 4 p m ，y 轴向定位精度可达到o 4 p m 。j d o n g t 8 8 】等研制的高速磨削用的3 轴加工 机械，机构采用新型并联运动x y 平台，该平台结构基于滑块联轴器，采用并联 运动形式配置，降低运动惯量的同时实现了轴向的动态匹配，这样的设计使系统 特别适合于平面上的高速高精度运动，最大加速度可达l o g 。m u s aj o u a n c h t 8 9 j 提 出一种用于平动精密定位平台设计的弹性铰链型杠杆机构设计法。上述研究工作 大多集中于运动加速度和重复定位精度并不高的范围内，对机构高动态工作时， 运动构件惯性对定位系统性能的影响阐述还不够全面。然而，对于高速、高加速 度条件下，机构动态设计理论、方法和相关实验技术的报道还不多见。因此，相 应于高速、高加速条件下系统的动态性能特性方面还有很多问题需要解决，如高 动态系统质量、刚度分布和配合精度对整个系统动态特性影响等研究还不深入。 本文从工程实践的角度出发，结合成熟的机械系统多体动力学和有限元分析方 法，进一步开展高速高精度引线键合定位平台的设计研究。 1 3 国内外引线键合超声换能系统的研究现状 6 0 年代早期，随着集成电路设计的进步推动了半导体封装制造技术，对引 线键合设备能力也提出了更高的要求。此时半导体封装采用热压键合方式，伴随 热压键合出现的高温( 典型的为3 0 0 - 、, 5 0 0 0 c ) 引起的问题也非常普遍，为了解 决热压键合的高温问题，超声键合的概念被提出【9 0 】，于是超声换能器被引入半导 体封装设备中。由于超声键合消除了许多和温度有关的问题，因此得到了广泛的 应用。引线键合超声换能系统综合了电场、声场、力场等不同物理系统，其振动 特性相当复杂，因此高频超声换能器的结构设计及振动特性分析，换能器驱动材 料的改进与提高，换能器系统驱动电源的匹配设计等方面一直是国内外研究的重 点内容 9 1 9 6 。 1 3 1 引线键合超声换能器驱动材料的选择 传统引线键合用超声换能器驱动材料都是选用p z t 型压电陶瓷。压电陶瓷 材料厚度方向的机电耦合系数高，介电损耗比较小，因而机电转化效率高，在较 小的电信号驱动下可以得到相对较大的轴向振动。但随着换能器向小型化和高频 方向发展，压电陶瓷材料表现出一些缺点，如径向对轴向振动耦合较大，高频振 动模态比较多，品质因数过大，带宽小，这样给高频换能器和后续频率跟踪电路 的设计带来了不便。 针对以上情况，香港工艺大学的o rs i uw i n g 9 7 , 9 8 】先生采用1 3 复合压电材料 9 第覃绪论 取代压电陶瓷，研制了如图卜1 7 所不搀能器，通过实验对比这种换能器的径向耦 合振动很小，具有合适的品质因数平带宽，而且减小了超声键台超声能量施加的 过渡h , j 间，增强了键合过程超声能量的平稳性。另外，他还用磁性材料制作了磁 致伸缩换能器，并验证了这种换能器可以有效提高换能器的功率，如图l - 1 8 所不。 图1 - 17 复台胜电材料换能器图l1 8 磁致伸缩换能器 1 3 2 引线键合超声换能器结构及能量传递特性 在引线键合超声换能系统中，随着超声换能器驱动材料和夹持同定形式的不 同，超声换能器具有不同的结构形式。近年来国、内外对引线键合超声换能器 结构形式的研究很多，丰要表现在提高换能器的工作频率，减小其体积和质量， 增火驱动功率和换能器工作带宽等。 现有的引线键台换能系统以工作频率为6 0 k h z 的换能器为丰导产品。其大 部分换能器结构为前部布置聚能器，后部布置驱动器，中间设训换能器夹持结构 ”。图l 1 9 为一夹持部位却置在换能器中部的节点位置，聚能器具有等腰或等边 三角形结构的超声换能器，该结构换能器在提高劈刀端振幅、减小动态电口h 和发 热方面有很大优势 】叫。一种由取换能器组成的超声换能系统如图1 2 0 所不，曲 个换能器均为i 2 渡k ，该结构能够保证在旋转键合头上下运动和施由较大键合 力的情况下，换能器轴向振动不会偏离，井使换能器在很高频率下得到较大振幅 l i 0 1 l o 图i 一2 l 为另一种双聚能器结构换能器形式【1 0 2 1 ，该换能器将克持环设计到中 问部位夹持环的两侧分别安装两片压电陶瓷圆环，陶瓷环外各对脚一个聚能器， 各音 ：件由螺杆连接，能够工作在5 0k h z 和1 2 5k h z 两个不同频率点附近，并且 通过改变前后聚能器的端面半径比，前后聚能器形状和材料，可以调节劈刀端纵 向振幅。将前后端聚能器、夹持部位等作为一体，如图1 2 2 所示 1 0 3 】，该换能器 结构降低了由于装配误差对性能造成的影响。省去了螺栓，通过自锁装置的合理 设计给压电陶瓷一定的于负紧力，将陶瓷片安装到换能器一体化结构中。可以工作 在6 0 k h z 和1 2 0 k h z 两个频率点附近，方便了频率跟踪电路的设计。 随同i c 封装技术的发展 i c 芯片的i 0 i 线引脚间距朝超细问距发展【 。 天津大学博l 学仃论文 图1 2 l 双聚能器结构超声换能器 图1 - 2 0 双聚能器结构超声换能器 图l ，2 2 一体化结构超声换能器 缩小引脚问距的趋势对传统的键合技术( 6 0 k h z ) 带来了巨大的挑战，因为当互 连这些引脚而不引起短路失效时，引线键台的尺寸必缬随之变小，如此带有超声 能量范围为9 0 15 0 k h z 的高频键合技术在1 9 9 1 年由r a m s e y 和a l f a r o 两 提 1 1 0 5 1 ，在很短的时间内其息好的键台性在l c 引线键合中得到了验证。他们指出随 着超声频率的增加，其结果产生更高的机械能量，它能够弥补键合时问的缩短， 提高键合效率。因此，瑞士篚j e s e c 公司的l o r e n z o p a r f i n i 先生【1 “7 l 结合有限 元模拟和阻抗测试设计了1 2 5 k h z 超声换能器结构，同本神杂川大学的j i r o m a m t s u j i n o 教授【i 0 8 3 州研究了3 3 0 k h z 高频换能器的振动传递特性，香港工艺大学的 p a u lw i n gp o ”o 啪sw o r 先牛i 川”2 3 等人进行引线键合系统的有限元仿真，获得 该系统谐振频率及变幅杆轴向以及寄生扳动的位移分布，新加坡南洋科技大学的 z h o n gz w l ”，h u cm i ”4 等人相继对高频( 6 0 k h z 一7 8 0 k h z ) 超声换能器系统的 传递特性进行了深入的研究，试图揭示超声换能器在高频引线键合刚的能量传递 规律及相应的设计原则，以期找到更为有效的殴计方法。 近年来在国家自然科学基金项目和9 7 3 计划项h 的资助f ，中南大学、上海 交通大学等高校对引线键合高频超声换能系统相继开展了研究上作，对引线键台 系统设计理论及超声换能系统对键台质量的影响进行了探| 寸研究，并发表了有关 的研究成粜【】15 - 1 2 t 。但因起步较晚，研究工作还有待于深八。本文的研究工作将 利用换能器的设计结合有限元分析方法，开展高频超声换能器传递特性的设计研 究。 第一章绪论 1 3 3 引线键合超声换能系统电路的匹配与控制 在芯片键合过程中，引线键合强度和引线键合质量明显地受到引线键合高 频超声换能系统振动传递特性的影响，而良好的电路匹配是高频超声键合有效工 作的一个至关重要的保障。引线键合负载以及振动系统的温度、刚度、引线键合 面积、键合力等因素会在键合过程中发生变化，使引线键合超声换能系统的谐振 频率发生漂移，如果系统的工作频率不随之变化，势必会造成整个系统的失谐， 影响芯片的引线键合质量，这就要求引线键合高频超声换能系统电路具有高效的 功率传输、频率自动跟踪的功能，因此高效的超声换能系统匹配电路是引线键合 精密定位平台的重要研究内容之一。 为了使高频超声换能系统具备良好的超声振动传递特性，国外的学者开展了 大量的研究工作。如美国的m k o 衄o 【1 2 2 1 教授和a m o n h a m m e d 1 2 3 】教授提出了高 频超声换能器等效电路的模型；1 9 7 4 年，英国的a g r e g o r y l l 2 4 】教授利用计算机 辅助设计方法研究了换能器的宽带网络匹配的问题；南非c a p et o w n 大学的b m o r t i m e r 1 2 5 j 先生利用a d m i t t a n c e 方法来跟踪相位的偏差实现了功率超声共振频 率的跟踪技术；俄罗斯的b i y s k 技术研究所i 拘v l a d i m i rn k h m e l e v l l 2 6 1 先生研究了 高频超声换能系统中锁相频率跟踪控制对键合性能的影响规律。这些研究旨在通 过有效的电路匹配提高超声换能系统的振动传递特性。国内的学者陕西师范大学 的林书玉教授详细论述了超声换能器的设计理论及相关电路匹配方法【1 2 7 1 ，该校 的郭建中【9 8 】对电感与电容匹配对电路的影响作了对比试验分析，指出超声换能器 电路匹配中电容匹配仍是一种常用方法。华中理工大学的周培源教授对【1 2 9 超声 换能器的匹配网络进行了研究，提出了一种简单易行的声电匹配电路设计方法。 但以上国内对高频超声换能器电路匹配分析主要集中在工业超声换能器的 领域，国内对引线键合高频超声换能系统的研究工作刚刚开始，有关引线键合超 声换能系统电路匹配与分析文献较少。因此，本文结合高速、高精度精密定位系 统的开发，开展引线键合超声换能器电路的匹配的设计与分析，以便为引线键合 系统设计理论及关键技术方面的研究奠定基础。 1 4 本文主要研究内容 综上所述，随着高速高精度定位系统的应用深入到微电子封装、超精密加工、 光学精密工程等领域，人们对定位系统的行程、速度、加速度和精度等要求的极 限性提出挑战。密切结合芯片封装等领域对高速高精度定位系统的实际发展需 求，开展新型高速的引线键合精密定位平台音圈电机直接驱动方式、高动态系统 1 2 天津大学博十学位论文 动力学建模方法，高频超声换能器设计理论及其相应的电路匹配研究，无疑对丰 富高速高精度定位系统基础理论和提升相关的关键技术，加快其实用化和产业化 的进程具有重要的意义。本文的主要研究内容安排如下： 第一章绪论。阐述课题的研究背景和意义，综述国内外相关领域研究概况 和存在的问题，并