許銀亮，熊 榮，孫 倩

（哈爾濱工業(yè)大學 深圳研究生院 自動控制與機電工程學科部，深圳 518055）

0 引言

全球集成電路（IC）工業(yè)正經歷飛速發(fā)展階段，國內的IC面臨前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。IC工業(yè)包括芯片設計，生產以及封裝。目前，國內芯片封裝整體水平還與世界一流水平有很大差距，重要的封裝設備還主要依賴于進口。因此研究芯片封裝技術是必要且迫切[1,2]。在眾多封裝技術中，引線鍵合封裝是主流的封裝技術，占目前初級封裝過程的90%。其中，金線焊接由于其高速性在引線鍵合技術中占了主要地位[3]。

本文在金線鍵合機基礎上，建立樣機模型，進行動力學仿真，分析影響其高速運動性能的主要因素，提出相應的改進方案。

1 剛體模型與仿真

1.1 動力學模型

引線鍵合機是微電子封裝設備中的核心設備，它是集精密機械、自動控制、圖像識別、計算機應用、光學、超聲波焊接等多領域于一體的現(xiàn)代高技術微電子生產設備[4]。通常引線鍵合機有3個自由度，兩個水平方向，一個轉動方向。先在Solidworks中建立好模型，按照各個部件的相對位置和相互運動關系，把鍵合機分成6部分：X-Y高精度定位平臺，動臂，換能器，劈刀，底座。接下來，把每一部分在Soildworks以.STL文件形式導出，然后導入ADAMS中并按工作關系裝配好。其中，為簡化模型，兩或多個部件在鍵合機工作時沒有相對運動或運動趨勢可以認為是一個部件。

圖1 鍵合機的ADAMS模型

1.2 剛體模型仿真

首先，不考慮其他任何因素的影響，假設鍵合機各個部件都是理想的剛體，添加運動副并施加驅動后得到以下結果，如圖2所示。

圖2 剛體模型仿真結果

從圖2看出，鍵合機定位沒有誤差，動態(tài)響應曲線沒有振動或超調，可以響應任意高工作頻率。這與實際情況是不吻合的，本文的鍵合機工作在每秒焊6根線時，由于受到外界和自身因素干擾如：機械振動，摩擦，機械疲勞，制造裝配誤差，還有XY平臺后連接的大量導線軟管的影響等等，高頻高速運動時，鍵合機的定位精度和響應速度都受到不同程度影響，導致無法正常工作。因此，剛體模型在仿真實物的作用是有限的，必須考慮其他因素的影響，并將主要影響參數(shù)加到所建立模型中去。

鍵合機在高速工作時，某些關鍵部件的振動及變形必須予以考慮。文中基于實際工作，把換能器和動臂作為分析的主要對象，分析它們對鍵合機高速運動性能和定位精度的影響。利用Patran和Nastran 把換能器和動臂的剛體部件替換成柔性體部件，部件的物理特性如表1所示。

表1 部件的物理參數(shù)

對換能器和動臂進行模態(tài)分析，結果如圖3所示。

圖3 動臂和換能器的有限元分析

更換響應部件后的剛柔混合體模型如圖4所示。

圖4 鍵合機的剛柔混合體模型

和前面理想剛體模型施加同樣的驅動，仿真的結果如圖5 所示。

從仿真結果來看，鍵合機在高頻高速工作時，劈刀是有一定程度的振動，而且振動的幅度超過了工藝指標要求的，會導致焊線失敗。仿真的結果與實際物理樣機工作情況較為接近。

比較兩個模型的實驗結果，第二個剛柔混合體的模型能反映鍵合機的實際工作情況。同時從有限元的分析和仿真結果來看，換能器在高頻高速運動下的振動是影響鍵合機工作性能的主要因數(shù)，要提高鍵合機每秒焊線的數(shù)目，必須提高換能器的剛度，提高其固有自振頻率，使其在鍵合機的工作頻率時，不發(fā)生幅度較大的振動。

在替換能器前，根據替換材料的物理性能，可以在虛擬樣機先測試是否滿足工藝指標要求，然后再進行替換。這樣可以節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)時間，提高效率。

圖5 剛柔混合模型仿真

2 結論

本文以金線引線鍵合機為研究對象，利用Solidworks，ADAMS等商業(yè)軟件，建立了虛擬樣機模型，并進行動態(tài)仿真。主要分析影響鍵合機高速高精度工作時，一些關鍵部件對其工作性能的影響。通過仿真結果提出相應的改進方案。建立的樣機可以節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)時間，提高效率。同時，鍵合機要滿足更高的工作頻率如每秒鐘10根焊線，模型還需添加考慮其他因數(shù)如熱膨脹，應力集中，非線性摩擦等?？傊?，虛擬樣機模型可以不斷完善來很好地模擬實際物理樣機工作情況，為將來的改進工作提供參考。

[1] George G.Harman,Wire bonding in microelectronics:materials,processes,reliability,and yield (New York:McGraw-Hill,1997).

[2] Klaus-Dieter Lang,George G.Harman, Martin Schneider-Ra melow,Modern wire bonding technologies-ready for the challenges of future microelectronic packing,IEEE Transactions on Automation Science and Engineering,8(7),2007,245-257.

[3] E.Hirt,M.Scheffler,G.Tro..ster,Virtual prototyping for high density packaging systems,IEEE Transactions on Advanced Packaging,24(3),2001,392-400.

[4] H.Ding,Z.H.Xiong.Motion Stages for Electronic Packaging:Design and Control.IEEE Robotics & Automation Magazine.2006,13(4):51-61.