付江波，牛偉光，顏向乙，孫永超

北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176

0 引言

全自動引線鍵合機是以金屬引線連接芯片焊盤和封裝管腳的半導體生產關鍵設備。鍵合機工作過程的根本特征在于通過引導金屬引線在三維空間中作復雜高速的運動以形成各種滿足不同封裝形式需要的特殊線弧形狀。

全自動引線鍵合機的機械組成主要包括XY工作臺、鍵合頭、光學系統(tǒng)、物料傳輸系統(tǒng)及送線機構。

送線機構是引線鍵合機的重要部件，它的作用是實時的為鍵合頭提供金線，使其能夠連續(xù)焊線，送線過程的好壞直接影響著焊線的效率和成功率，所以要求送線穩(wěn)定流暢。

1 送線機構的構成和送線過程

1.1 送線機構的構成及各部分的作用

送線機構主要由線軸保護蓋、線軸、轉向軸、空氣導向裝置和張線器構成（如圖1）。線軸保護蓋主要是防止金線污染，保證焊線的品質，為了能夠在工作過程中實時觀察線軸的運動情況，并且防止靜電影響，線軸保護蓋一般選取防靜電有機玻璃板為設計材料。線軸主要作用是旋轉送線，纏有金線的套筒套在線軸上，考慮轉動體要保證小的轉動慣量，線軸的設計材料一般選用鋁合金或高強度塑料。轉向軸的作用是控制金線路徑，保證金線的弧度，其設計位置的最終確定要通過焊線工作中的調試來確定。空氣導向裝置主要是靠空氣浮起金線，防止金線損傷同時形成輔助線弧，儲存一定的金線；為了實時監(jiān)控金線的進給情況，在空氣導向裝置中有監(jiān)測金線進給情況的光電傳感器，設計時可以根據需要設計成雙光電傳感器和單光電傳感器兩種模式。張線器的作用是拉緊金線，在焊線過程中，通過氣流控制配合鍵合頭運動形成焊接弧線，張線器的設計也直接影響到焊線的成功率和質量。

圖1 送線機構

1.2 送線機構的工作過程

送線機構的送線路徑如下：線軸電機通過齒輪傳動方式驅動線軸旋轉提供金線，金線經轉向軸偏轉一定的角度后進入空氣導向裝置，壓縮空氣經過氣嘴把金線在導向裝置中浮起并使金線保持一定的弧度，然后穿入張線器，最后進入劈刀。

其中壓縮空氣的流量通過流量閥控制，焊線工作時流量閥的示數多少，要通過不斷的實驗來最終確定，確定的原則是保證空氣導向裝置中有足夠的金線，金線不能被吹出空氣導向裝置，并且形成的金線弧度能夠有較好的張力。空氣導向裝置中有兩個擋線柱，其擋住被壓縮空氣吹過來的金線，從而形成弧度。壓縮空氣經氣嘴進入，再經吹氣塊的小孔吹出，由于小孔效應，不用過大的壓縮空氣，就可產生壓強較大的氣流。吹氣塊上小孔的多少也是影響吹氣質量的重要因素，小孔的數量，可通過有限元分析和實際試驗結合確定找到適宜工作的最佳數量。壓縮空氣吹氣方向，要通過兩個擋線柱的中間位置，這樣就保證了所產生的線弧的規(guī)則形狀。而空氣導向裝置中用于擋線和走線的零件考慮到防止金線斷線的情況發(fā)生，零件的加工要求較高的平面度和光潔度。空氣導向裝置的安裝角度也是影響送線質量的一個重要因素，因為金線的張力，弧度和其傳入張線器的角度都是是否斷線，是否焊線成功的因素。而空氣導向裝置的安裝角度是對線弧形成路徑的最主要的影響因素，這個角度的確定可根據空氣動力學有限元分析來理論確定，結合實際試驗我們可最終確定，轉向軸—空氣導向裝置—張線器的最佳相對位置關系。

送線機構的送線控制如下：進線主要由光纖傳感器和導向裝置氣壓控制，這兩者配合可以使線軸和劈刀之間的金線長度基本保持一個恒定值。焊線時，線軸和劈刀之間的金線會逐漸變短，相應的金線在空氣導向裝置中的位置會降低，當金線下降過程中經過光纖傳感器視覺范圍時，電機進行送線運動。根據焊線速度，電機旋轉一定時間后停止送線。對于斷線的監(jiān)測是通過線軸上金屬零件和送線機構背后的水銀滑環(huán)形成的電氣通路來實現(xiàn)。將金線安裝到線軸上后，要將金線的尾線和線軸上相應的零件纏繞，然后將金線繞過轉向軸，并進入空氣導向裝置，再穿過張線器，進入劈刀。焊線過程中，如若出現(xiàn)斷線情況，通過實時檢測的電信號會給系統(tǒng)以反饋，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制。為實現(xiàn)最佳性能，線軸只能沿順時針方向旋轉。

1.3 送線機構的單傳感器和雙傳感器模式的區(qū)別

如圖1所示，是送線機構的雙傳感器形式。其工作原理是，當焊線時，線軸和劈刀之間的金線會逐漸變短，相應的金線在空氣導向裝置中的位置會降低，當金線下降到第一光纖傳感器的視覺范圍后，電信號觸發(fā)，系統(tǒng)控制送線電機順時針轉動，送線進行。此時，金線長度充足后，在壓縮空氣的作用下，金線又一次被吹開，遠離第一傳感器，同時電機在金線下一次碰到第一傳感器的時間段內處于停止狀態(tài)。隨著焊線的不斷進行，金線最終會沒有足夠的長度，會越過第一傳感器，當金線下降到第二光纖傳感器的視覺范圍后，電信號觸發(fā)，此時反饋給系統(tǒng)的信息是需要更換金線，因此焊線停止。

圖2 送線機構的單傳感器形式

如圖2所示，是送線機構的單傳感器形式。其工作原理是，進線由一個光電傳感器控制，傳感器基本上能保持線軸和焊線工具之間的焊線恒定長度。當焊線不在傳感器感覺范圍內時，傳感器產生觸發(fā)信號，系統(tǒng)讓送線電機運動起來。當光電傳感器感覺到焊線時，或者，在進線最短持續(xù)時間之后，送線電機停止運轉。壓縮空氣引導焊線軸和張線器之間的焊線，壓縮空氣將焊線升起，形成輔助弧線，給在光電傳感器探測區(qū)域內的焊線定位。只有在不需要焊線的時候，光電傳感器可探測到導氣里焊線的出現(xiàn)。當有需要時，焊線被卷出傳感器之外，這樣可以使送線電機運作。當進線足夠，壓縮空氣能將焊線移到傳感器探測范圍之內，送線電機將停止運行。

送線機構的空氣導向裝置部分設計采用單傳感器模式還是雙傳感器模式，要根據實際的工作需求來確定。從成本上來說，單傳感器模式成本較低，但是對于控制上的要求比雙傳感器要高很多，控制上的穩(wěn)定性不如雙傳感器模式。

2 張線器的原理

張線器是引導并保持從空氣導向裝置到劈刀的焊線張力。使用壓力提高焊線張力。張線器安裝在光學系統(tǒng)的垂直照明外殼上。

張線器的張線原理（如圖3）：氣管1吹氣，氣管2通入壓縮空氣，張線器張緊金線是通過兩個獨立的腔體產生的合力來實現(xiàn)的：第一部分由高壓氣流產生，高壓氣體經腔體2和楔形口進入腔體1，經腔體1排出，由于氣體與金線存在粘滯力，氣流運動可以帶動金線一起運動，從而使金線向上張緊；第二部分是真空氣流產生，外部氣體通過腔體5進入腔體4，通過氣管2進入封閉的氣路，在腔體5中由于氣流向上運動，在粘滯力的作用下帶動金線向上張緊。通過腔體1和腔體5中產生的合力一起張緊金線。這其中腔體3的作用是隔離兩個腔體（由于腔體3的內孔直徑與金線直徑差不多大，當金線通過腔體3時，金線與腔體3之間的間隙會對氣體產生一個較大的阻力，從而阻止從氣路1中的壓縮空氣直接進入氣路2中）。

圖3 張線器

3 設計要點

由于金線硬度低，很容易磨損和折斷，所以要求送線路徑光滑，盡量避免硬接觸，同時路徑不能有特別小的彎角。因為金線易磨損，所以運行一段時間后，導向裝置會布滿粉塵，需要定期清洗，這就要求送線機構必須易于拆裝和清洗。另外送線角度要合適，在整個焊線范圍內，送線要流暢。同時金線要保持與機殼絕緣，以保證斷線檢測的準確性。

4 結論

全自動引線鍵合機是半導體后封裝工序中的關鍵性設備，其性能的好壞直接影響到芯片的最終質量性能。送線機構雖然是全自動引線鍵合機上比較簡單的部件，但是其直接影響到焊線的效率和成功率，因此穩(wěn)定可靠的送線機構設計是全自動引線鍵合機性能可靠的最基本要求。

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