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李双江 贺从勇 陶怀亮
（中国电子科技集团公司第二十四研究所）
摘要：
金丝键合机是一种高精密的半导体封装设备，现结合多年的金丝键合设备管理与维修经验，对美国K&S公司的MaxμmUltra全自动金丝键合机工作原理、结构、维护和维修进行简单介绍。
1 设备原理
全自动金丝键合机是集精密机械、自动控制、图像识别、光学、超声波焊接等技术于一体的现代化高技术微电子半导体芯片键合的核心设备[1]，其工艺过程为：球形键合时将金线穿过键合机毛细管劈刀（capillary），到达其顶部，利用高压放电（EFO）系统产生电火花以熔化金属线在劈刀外的伸出部分，在表面张力作用下熔融金属凝固形成标准的球形（Free Air Ball，FAB），球直径一般是线径的2～3倍；紧接着降下劈刀，在适当的压力和设定的时间内将金属球压在芯片焊盘上。键合过程中，通过劈刀向金属球施加超声波和压力，以促进引线金属和下面的芯片电极金属发生塑性变形及原子间相互扩散，完成第一焊点；然后劈刀运动到第二点位置，第二点焊接包括楔形键合、扯线和送线，通过劈刀外壁对金属线施加超声波及压力，以楔形键合方式完成第二焊点；之后扯线使金属线断裂，劈刀升高到合适的高度送线达到要求的尾线长度，然后劈刀上升到成球的高度，系统启动EFO系统对金线尾丝打火成球，等待下一个焊接循环过程[2]。
2 设备结构
全自动金丝键合机的控制系统结构如图1所示，主要由计算机、运动控制系统、焊接头、图像采集及光学系统、XY工作平台等组成。
2.1 焊接头
焊接头是金丝键合机最精密、最核心的部件，焊接头组件及其主要部件如图2所示。
焊线焊接由下列装置和控制完成：
2.1.1 焊接头
焊接头是升高和降低焊针（焊接工具）的电机驱动组件。它将压力和超声波能量运用于焊接，在二焊时切线，运用EFO电子打火杆组件，在一焊前使焊线末端形成焊球。XY工作平台组件按照工作定位焊接头组件的位置。
2.1.2 送线系统/焊接完整性测试系统
送线系统含有一个电动送线轴基座和空气压力装置，用于精确控制送线长度和焊线张力，由送线/BITS电路板控制。焊接完整性测试系统（BITS）是送线控制电子设备的一部分，负责对焊接进程的结果进行测试。送线/BITS电路板安装在上层控制台内，其他送线组件安装在上层控制台内以及光学箱组件上。
2.1.3 EFO组件
EFO组件产生计算机控制的高压放电以形成焊球。该组件由铝盒内的EFO电路板、安装在焊头侧面的EFO支架组件、EFO打火杆和高压电缆组成。
2.1.4 线夹和线夹驱动电路板
在大部分焊线周期中，线夹（安装在焊针上）被打开，以便送线。在进行第二次焊接后，线夹关闭以夹持住金属丝，同时焊头向上移动。在第二次焊接中扯下金属丝，在焊针下方留下金属丝尾部以形成焊球。线夹驱动电路板组件产生并调节打开和关闭线夹组件的电势。
2.1.5 超声波发生器
超声波发生器（USG）的电路板产生计算机控制的超声波能量，该能量被传送到安装在焊接头上的换能器。换能器把超声波能量转换为机械振动，该振动与焊针相耦合。当被夹紧的焊线与焊盘或封装引线接触时，机械振动以及热能和压力共同作用，促成焊接的实现。
2.1.6 焊接头控制
焊接头控制电路板用于精确控制焊接头运动和操作，包括伺服CPU板（也控制XY工作平台运动）、伺服前置放大器板和Z放大器板，所有这些电路板都位于下层控制台内的卡架中。
2.2 XY工作平台
XY工作平台装置由X轴以及与X轴滑轨连接在一起的一个铸铁基座和Y轴及其他组件构成。Y轴分为两段滑轨———前Y滑轨、后Y滑轨，后Y滑轨连接轴承。X轴（左右运动）和Y轴（前后运动）各由一台线性伺服电机驱动它们沿着各自的轨道运动。X轴滑轨和前Y滑轨均使用滚柱轴承作为支撑机构。X、Y轴都有一个整合的线性编码器组件，可将轴位置实时反馈给伺服控制系统。
工作台运动受软件限制，这些限制基于机器初始化期间位于各轴运动极限的位置。如果机器错误允许工作台超过软件限位，机械限位器将停止工作台运动。
XY工作平台采用直流直线式音圈电机。压缩空气供应给安装在电机线圈上的气刀组件，用以在电机运行时进行冷却。每一个电机都有温度传感器，当电机温度上升到最高工作温度以上时，温度传感器就会发送数据，使控制系统报告错误情况而关闭机器运行。XY工作平台及其各组件结构如图3所示。
2.3 伺服控制器
伺服控制器印刷电路板（PCB）组件，用于线性音圈伺服电机的计算机控制及其相关布线。PCB位于下控制台组件内的卡架中，包括伺服CPU（CPU2）、伺服前置放大器、两个伺服放大器。
系统中的电缆包括电机电缆（每个运动轴一条）、编码器电缆（每轴一条）和电机温度传感器电缆。编码器电缆从滑轨组件线性编码器的末端连接到编码器放大器盒连接器。系统中所有的电缆终止于卡片支架母板组件上的连接器。
2.4 光学及视觉系统
光学及视觉系统可实现设备的对准，该系统由光学组件、照明系统、视频摄像系统、视觉系统组件（图像识别/视频图形处理器件）组成，用来生成器件自动校正以及操作人员互动所需的放大视频图形。
2.4.1 光学组件
双倍率放大光学组件由光学元件、照明设备和摄像头安装组成。光学支架有两条光路，终端各有一个独立的摄像头。每条光路提供键合区域不同的放大倍率：低倍放大（2X标准）、高倍放大（6X标准）；也可通过分别设定不同的聚焦范围，使低倍率路径聚焦于引线参考系上，使高倍率路径聚焦于芯片参考系上。双倍率放大光学组件光程如图4所示。
2.4.2 照明系统
两个LED照明光源是标准光学组件的一部分，为焊接部位提供照明。垂直光源将光投射到与视频光学系统同轴并以其为中心的工件上；倾斜光源以较低的角度将光投射到焊接区域，并照亮焊接区域的边界。这些光源没有外部开关控制，只通过视觉系统由设备软件控制，在各种机器操作模式下，通过图形界面调整控制光源亮度。
2.4.3 视频摄像系统
MaxμmUltra的摄像系统由两个逐行扫描摄像头和一个摄像头控制单元组成。摄像头安装在光学外壳的后部，并通过电缆线连接到安装在显示器后上控制台顶部的控制单元。摄像头控制单元向视觉系统发送数字视频信号，以便图像可以传输以进行处理和显示。
2.4.4 视觉系统
视觉系统捕获摄像头生成的图像，实现动态视频显示和图像处理。该系统提供的功能有：自动校正的图像识别系统（PRS）、视频引线定位（VLL）、芯片自动定位/自动居中瞄准、为焊接后检查（PBI）找寻焊球。在操作中，为了在焊接前自动定位，视觉系统的图像识别（PRS）功 能通 过 采 集的 图 像 来 定 位 设 备 上 的 特 定 特 征（眼点），该位置位于或接近示教时操作人员已输入的区域。
3 典型故障及处理
MaxμmUltra全自动金丝键合机设计思路为模块化设计，故障排查时比较容易理清思路。典型故障及处理方式如下：
3.1 平台啸叫
K&S公司的全自动金丝键合机在工作过程中处于静止状态时会随机发出啸叫声，同时可感受到后Y机构部分有明显振动。移动工作台，啸叫会消失，如果啸叫严重还会引起马达掉电。
引起该故障的原因有多种，一般存在如下可能：
（1）设计时直线电机控制板卡或驱动板接地设计不合理，需检查回路接地是否良好。
（2）速度环、电流环、增益等伺服参数需要调节，此时需对设备各轴参数进行自整定。
（3）运动平台（机械运动部件）故障，需更换滑块或导轨。
3.2 运动轴初始化异常
设备初始化无法完成，提示某一运动轴初始化失败。XY运动命令以数字形式通过Bridgecard和VMEbus从主机CPU（在系统计算机）传递到伺服CPU（CPU2）。PU2破译命令并创建X和Y模拟电机驱动信号，然后该信号被传递到X和Y伺服放大器装置，伺服放大器把电流输出到电机，驱动连接电机的滑轨。在运动开始后，安装在X和Y滑轨上的线性编码器通过伺服前置放大器电路板将滑轨位置反馈回CPU2，而伺服前置放大器电路板可执行插值功能，以提高编码器分辨率。速度来自编码器计数随时间的变化。两种类型的反馈均可修正CPU2创建的驱动信号。
该控制回路的任何环节出现问题均可能引起初始化异常，但最为典型的是编码器组件（包含光栅尺）反馈部件失效引起初始化异常或运动过程故障。编码器故障可通过外接示波器检查输出波形验证，该输出波形在伺服前置放大器测试点上检测为两组正弦波，幅值为1.4～1.6 V，相位相差90°（李萨如图形法测试显示为一圆形）。若输出有偏差，说明编码器或光栅尺为故障源，更换编码器或清洁光栅尺即可。
3.3 Z轴焊接头故障
Z轴电机为扁平线圈设计，通过连接弹簧片传递运动，在垂直或者Z轴方向驱动焊接头动态组件（连接头、换能器等）。Z轴出现故障时，最常见的现象是初始化时马达掉电，此时需检查link的弹簧片是否出现损坏，如果是，则更换弹簧片，并对Z轴的极限位置进行校准。
3.4 图像识别故障
模拟点随着光标偏移，造成打偏现象。此时，需检查高、低倍镜头放大倍数是否出现误差，并对高倍和低倍镜进行平行线校准。
3.5 高尔夫球
在生产过程中，焊点出现拖尾现象。此时，需检查劈刀固定螺钉阻抗是否匹配，若不匹配则更换螺钉，再进行超声校准。
3.6 PC机故障
MaxμmUltra全自动金丝键合机采用上下位机同时对设备进行控制，上位机主要是操作系统及运用软件，下位机主要存储设备相关参数。设备运行时，上下位机之间进行数据交换。当其中任何一个计算机出现问题（包括硬件及软件）或上下位机之间出现通信故障时，设备都无法正常运行。
出现计算机故障时，需要排查是何种原因引起的，对出现故障的硬件进行修复或更换，当软件异常时最好按照设备说明书重装系统。
3.7 其他故障
金丝键合机在使用过程中还会出现拱丝高度 异常、键合丝压伤等情况，此时就要特别关注线夹开口度大小，需要按照键合丝径对照调整表进行调整。
4 结语
MaxμmUltra全自动金丝键合机作为后道封装工艺的关键设备，结构复杂、精度高，其运行稳定性直接关系到键合引线的质量。本文对MaxμmUltra全自动金丝键合机的结构、原理进行了系统介绍，结合笔者多年的键合机维修经验，提出了一些常见故障的解决方法，希望对键合机的使用人员有所帮助。
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