LED焊线设备研究.docx

26深圳信息职业技术学院学报第10卷2012年3月journal of shenzhen institute of information technologymar. 2012文章编号：1672-6332（2012）01-0026-07【信息技术应用研究】led焊线设备研究肖永山，赵振宇，周学才（深圳信息职业技术学院机电学院，广东 深圳 518172）摘 要：led焊线设备作为典型的光机电一体化产品，是电子元器件封装过程中的关键设备之一。介绍了led焊线原理、led焊线设备的主要供应商、焊线机的结构，并分析了led焊线机的关键技术及应用情况。关键词：led；焊线机；结构组成中图分类号：tn312.8文献标识码：aled技术在光领域将改变世界，在21世纪led照明将成为最具发展前景的高科技技术，特别是以 发展高亮度led为核心半导体照明技术成为全球产 业的热点1-4 。2004 年开始，中国政府开始实行半 导体照明工程，先后成立了厦门、上海、南昌、大 连和深圳 5 个半导体照明基地。按这5大产业基地 预计目标，据北京凯博信咨询估计，到2010年，整 个中国led产业产值将超过1500亿元5-7 。随着发光效率、应用技术的不断提升，大尺寸 液晶电视背光源、汽车、商业和工业用照明已逐步 成为 led 主要应用领域。2006 年-2010年显示用 led 销售额年均复合增长率为 19.2%，景观照明销 售额年均复合增长率将达到 37.2%，lcd 背光源用 led 销售额年均复合增长率将达到 31.5%。 2006 年，中国led显示屏市场需求额为40.5亿元，比 2005年增长25.1%。白光 led 将成为全球 led 未 来竞争的焦点。据台湾工研院统计数据，白光 led 的年需求从 2002 年的 19.5 亿颗增长到 2006 年的136 亿颗，年复合增长率 56%，预计到 2010 年将 保持每年 40%增长8-13。我国在半导体照明领域已具备一定技术和产业 基础。已经初步形成从外延片生产、芯片制备、器 件封装集成应用的比较完整的产业链，现在全国从 事半导体led器件及照明系统生产的规模以上的企业有1700多家，且产品封装在国际市场上已占有一定的份额。其中，深圳市有740家左右，约占全国 的44.3，已成为全国led企业最大集聚地。作为一个典型的光机电一体化复杂产品，led 焊线设备综合了数字图像处理技术、伺服驱动技 术、传感器技术、自动控制技术、软件技术等。本 文介绍了led焊线原理，并对led焊线设备的主要 供应商、焊线机的结构与焊线机的关键技术进行了 综述。1 led焊线原理1.1 键合原理led工艺流程中的重要一环就是压焊，也即芯 片内部互连，它属于后道工艺，有相当大的技术壁 垒。主流的芯片内部连接技术有三种，分别为引线 键合，载带焊和倒装焊。led行业使用的是引线键 合方式，引线键合方式又可分为三种：热压键合 法；超声键合法；热超声键合法。目前led领域热 超声键合方法应用较多14。热超声键合法的键合过程中同时施加热量和超 声能量，实质是热压键合和超声键合的组合，主要 用于金线键合。键合过程中，金线在热量、压力和 超声能量的共同作用下，与焊盘金属发生原子间扩 散达到键合的目的，其键合原理如图1所示。收稿日期 2011-11-18基金项目 深圳信息职业技术学院重点实验室项目（sys201001）作者简介 肖永山（1973-），男（汉），湖南新化人，博士，高级工程师，e-mail:27第1期肖永山，赵振宇，周学才：led焊线设备研究(5) 劈刀带金线到达第二焊点。(6) 当劈刀将金线送至第二焊点后，根据静压 力、超声波振动和温度将金线压接至被焊表面。(7) 当第二点焊接完之后，为了形成焊接必要 的fab（金球），挤出规定尺寸的金线。(8) 当劈刀上升到电子打火高度后，通过放电, 在金线前端形成fab（金球）。由上述流程可以看出，金球焊整体过程一直伴 随着热、压、超声的综合效应，其工艺流程中的键 合原理较复杂。图 1 热超声焊接原理fig.1 thermosonic welding principle2 led焊线设备1.2led金球键合工艺流程2.1 目前主流led焊线设备目前主要的焊线机提供商有k&s，esec， asm，kaijo这四家，基本上垄断了主要的金线机市 场。国内尚无成熟可靠的金线机产品。其中k&s（又 称kns）为美国公司，esec（欧洲半导体设备）为 瑞士公司，asm为中国香港公司，kaijo为日本公司。图 3 2005年金球焊线机市场份额fig.3 2005 ball bonders market share2.2焊线机组成图2 led金球键合工艺流程fig.2 led ball bonding process热超声方式的led金球键合工艺路程如下：(1) 查找晶片，从劈刀前端突出的金线前端形 成焊球。(2) 第一次焊接。劈刀接触到被焊表面后，随着 静荷重，超声波振动的温度，焊球压到被焊区表面。 (3) 第一点焊接完之后，劈刀向第二焊点移动 的过程中，劈刀上升5mm左右，会陆续挤出形成线弧必要长度以上的金线。(4) 劈刀从最高点下落到第二焊点。图4 焊线机结构fig.4 structure of wire bonders各个主流厂商的机器性能如表1所示。28深圳信息职业技术学院学报第10卷表1 主要焊线机厂商设备性能比较表tab.1 performance of main wire bonder suppliers焊线机外观如图4所示。可分为机械、电气、光学、软件四大部分，如图5所示。行键合工作的部件，同时它也给光学系统提供了机械支撑。 自动送料系统通过控制卡自动完成送料，影响自动加工的速度。2.2.2 电气控制卡和电机驱动器，图像采集卡以及其他板 卡和cpu安装在主机箱中，它们通过软件系统控制 来完成自动焊线工作。传感器提供了指定位置的信号，如作为限位开 关等。2.2.3 光学光学系统是图像的显示和自动定位的硬件基 础,包括了光源和光电耦合器件。显示器完成了软件系统界面和工作实时监控的 功能。2.2.4 软件组成软件由运动控制和图像识别两部分组成。它使 用c+开发，在windows环境下运行,通过键盘及鼠 标来操作，实现各个功能的切换和显示。软件系统的两个主要部分是初始化系统和自 动焊接系统。初始化系统包括传动系统的初始化， 设备常数的测定系统。传动系统主要是电机及传动 件，传动系统的初始化实现了电机初始化归为和电 机失步检测。初始化系统完成了焊线机初始化，也图 5 焊线机系统图fig.5 system diagram of wire bonders2.2.1 机械机械结构重要部分包括机架、定位平台和邦定 头、自动送料出料系统等15-16。其中机架给予设备的其他结构以支撑。 定位平台在特定时间给出合乎软件要求的二维运动位置。它是焊线机的关键技术之一，对焊线机 重复定位精度起着至关重要的作用。目前焊线机研 发难点之一即是定位平台需要满足高加速度高精度 的问题。邦定头包括了换能系统和执行系统，是直接进运动控制软件软件图像识别软件光源光学ccd系统焊线机传感系统电气控制器邦定头机械定位平台机架29第1期肖永山，赵振宇，周学才：led焊线设备研究就是可以进入手工焊接进行焊线。自动焊接系统包括了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， 实现了焊线机的编程控制，使焊线机实现了自动化 焊接。另外软件系统还有系统参数和焊线参数两个 参数系统，通过参数系统调整可以控制焊接质量， 焊接速度，以及焊接模式。2.3 焊线机核心技术通过对焊线机整机的结构拆分，焊线机核心技 术基本有以下三方面：(1) 定位平台技术 (2) 换能执行系统 (3) 键合轨迹规划2.3.1 定位平台技术高加速度高精度定位平台是焊线机的核心部 件，决定键合的速度和质量，进而影响led的成本 和可靠性。随着芯片集成度的不断增大，引线间距 日益减小，定位平台的性能已经成为引线键合工艺 进一步发展的瓶颈。随着技术的进步和相关行业的发展，应用到 引线键合机上的定位平台经历了一系列变化。最初 采用旋转电机加滚珠丝杠驱动的串联机构形式，如 日本kaijo公司的fb-128引线键合机，如图6，键合 速度仅为5线/秒。到20世纪90年代，直线电机凭借 其卓越性能代替了旋转电机广泛的应用到引线键合 设备上，如美国k&s公司的8028引线键合机，如图7，定位平台利用广义并联机构，平台由线性导轨 支撑，x，y方向之间运动通过滚动轴承解耦，键合 速度达到11线/秒。为消除广义并联机构中解耦机 构给平台性能带来的不利影响，直线电机通过特殊 设计，即y方向电机动子可以做平面运动与平台固 连，从而省掉了解耦机构，使平台的性能进一步提 高。kaijo公司将其应用到fb-700引线键合机上， 键合速度达到16线/秒。采用旋转电机和直线电机 混合驱动，空气轴承和线性导轨支撑的平台,如图8所示，经过特殊设计，实现了旋转机构的质心驱 动，即回转构件的质心在其旋转轴上，消除了惯性 力的影响。瑞士esec公司利用该结构研制的3200 引线键合机，如图9，最大键合速度为21线/秒，实 验室内达到28线/秒，为目前世界最高水平。图 6 fb-128型焊线机定位平台fig.6 fb-128 wire-bonder positioning platform图 7 8028型焊线机定位平台fig.7 8028 wire positioning platform图 8 fb700型键合机定位平台fig.8 fb700 bonder positioning platform图 9 3200型键合机定位平台fig.9 3200 bonder positioning platform30深圳信息职业技术学院学报第10卷由于平台进行高加速度、高精度、快速往复小行程运动，并在很短的时间内达到高精度定位， 要求机械结构简单、易于控制、刚度大、惯性小、 阻尼低、制造精密。涉及到的研究内容包括机构形 式、支撑方式、新型材料、设计方法、精密加工技 术，运动学动力学分析及简单有效的运动控制算法 等方面。2.3.2 换能执行系统热超声引线键合系统中换能系统尤为重要， 它主要由超声波功率源、pzt换能器（压电换能 器）、变幅杆、以及劈刀等组成，如图10所示。超 声波功率源由锁相环模块和功放模块组成。锁相环 模块具有频率自动跟踪功能，能使得pzt换能器工 作于谐振状态。功放模块具有功率放大和阻抗匹配 功能，以便于向pzt换能器输出较大功率。pzt换 能器是由若干压电陶瓷片、前盖板及后盖板组成， 通过电致伸缩效应将高频电信号转换为同频率的机 械振动，即pzt换能器是一个将电能量转换成机械 振动能量的转换器。用于热超声引线键合的变幅杆 一般为圆锥形，用于调节pzt换能器的输出振幅， 并实现pzt换能器和劈刀之间的阻抗匹配。轮廓的形状和内部张力，影响着封装的密集度和稳定性。求解键合头运动轨迹和引线轮廓参数之间的 关系是进行运动轨迹规划的关键。传统的试验统计 方法求解周期长、费用昂贵，难以满足参数优化中 多轮迭代的需要。一些简化计算模型和有限元模型 对轨迹规划中的部分问题做了分析和讨论，但还缺 乏系统的进行轨迹规划的研究方法和成果。在以往研究和实践的基础上，键合头的运动轨 迹被划分为几个阶段，并可通过一组轨迹参数来表 达，轨迹规划是对轨迹参数进行优化。常用的键合 头运动轨迹包括以下几个阶段：(1) 初始上升段ab ：避免焊点附近引线的剧烈 弯曲，同时完成引线预弯高度所需引线的送线；(2) 反向段bc： 通过塑性变形，对引线进行预 成形，以形成理想的引线轮廓形状；(3) 最后 上升段cd ：完成剩余引线长度的送 线；(4) 下降段de： 键合头到达第二个焊点，引线 形成闭合轮廓。图 10 换能系统示意图fig.10 transducer system schematic图 12 键合头轨迹fig.12 bonding head track引线在轮廓成型过程中发生很大的塑性变形，在位移与应变的关系中存在着几何非线性，在材 料的本构关系（应力-应变关系）中存在材料非线 性，这使得求解引线的轮廓和内部张力变得十分困 难，也使得键合头运动轨迹规划变得周期长、效率 低。因此，国际上普遍采用了有限元方法求解，得 到一定键合头运动轨迹下的引线轮廓，为进行轨迹 参数分析和求解系统输入输出的非线性映射关系打 下基础。而为了满足引线轮廓的整体要求，对轨迹参数 需要进行详细分析。对每一个可以改变的轨迹参数图 11 换能系统实物图fig.11 transducer system photo超声换能系统是一个综合电学、声学及力学等多学科的复杂系统。超声能传播是一个能量产生、 转换、耗散与吸收的过程。超声换能系统研制水平 及动力学特性直接影响超声能传播效率与系统振动 模态，从而影响封装器件的质量和可靠性。2.3.3 键合轨迹规划在焊线过程中，键合头的运动轨迹决定着引线31第1期肖永山，赵振宇，周学才：led焊线设备研究分别取值，利用统计学研究方法，在有限元分析或者试验结果的基础上评估每个参数对轮廓成形和引 线内部张力的影响。就目前而言，有限元方法和统计学理论工具是 对键合轨迹规划的最重要途径。electronic products manufacturing,2007（11):35-41.(inchinese)柏德葳. 全球led产业发展动态j. 电子测试, 2007(8).bo dewei. development status of led industry j. electronic test,2007(8). 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(in chinese)343 结论焊线机核心技术主要包括定位平台技术、换能执行系统、键合轨迹规划等。高加速度高精度定 位平台是焊线机的核心部件，决定键合的速度和质 量，进而影响led的成本和可靠性。超声换能系统 是一个综合电学、声学及力学等多学科的复杂系 统。在焊线过程中，键合头的运动轨迹决定着引线 轮廓的形状和内部张力，影响着封装的密集度和稳 定性。目前几家大的焊线设备供应商都在不断提升焊 线设备的技术水平，对其性能进行优化，其实现工 具有有限元、多体动力学和测试等。研究超声换能 系统动力学特性，分析其对超声能传播效率与系统 振动模态的影响，乃至封装器件的质量和可靠性。 求解键合头运动轨迹和引线轮廓参数之间的关系， 进行运动轨迹规划方面的研究。定位平台分析主要 研究其高加速度与高精度的平衡问题：导轨刚度， 阻尼分布及其对动态精度的影响；丝杠刚度，阻尼 及其对动态精度的影响；高加速下丝杠、导轨的刚 度分布的均衡配比。邦定头分析主要研究换能系统 以及运动轨迹对邦定头固有特性的要求；邦头机构 刚度阻尼对俯仰运动的影响；运动轨迹的优化。机 架分析主要研究有激励源情况下机架的稳定性与固 有特性的关系；研究质量分布对固有频率的影响； 研究机架材料对固有频率的影响。567 89参考文献（references）1 王勃华.关于发展我国半导体设备制造业的思考j.集成电路应用，2003(8).wang bohua, reflections on the development of chinese semiconductor equipment manufacturing, applications of ic,2003(8).(in chinese)2 中国led产业概况j. 电子工业专用设备,2007（11)：35-41.overview o f chinas l ed industryj.equipment for 10 朱秀岩，高文蕊.再遇337风暴-中国led行业应对itc调查j. 现代显示，2008（6）：6-12.zhu xiuyan gao wenrui. 337 investigation against chinese led productj. advanced display,2008(6):6-12. （in chinese）11 台湾led产值2009年上表现将优于全球. 中国半导体 照明网eb/ol. .2009.32深圳信息职业技术学院学报第10卷taiwans led production value of 2009 will outperformthe world. chinas semiconductor lighting eb / ol. 翁寿松.加速发展我国半导体设备是形成中国ic产业链 的当务之急j.集成电路应用，2003(8).weng shousong. speed up chinese miconductor equipment is top of the chinese ic industry chain formationj. a pplications of integrated circuits, 2003(8).(in chinese)田民波.电子封装工程m. 清华大学出版社. 2003 （9）:10-29.tian minbo. electronic packaging technology m. tsinghua university press, 2003(9):10-29.(in chinese) 王石刚，梁庆华. 先进ic封装工艺设备及关键技术j. 集成电路应用，2003(8).wang shigang, liang qinghua. advanced ic assemblyprocess equipment and key technologyj.applications of integrated circuits,2003(8).(in chinese)韩为民