介紹

焊線是加工集成電路和封裝之間電子連接的基本方法。焊線被認(rèn)為是最具成本效益和靈活的連接技術(shù)，它被用于組裝絕大多數(shù)半導(dǎo)體封裝。從控制的觀點(diǎn)看，焊線是很具有挑戰(zhàn)性的，其要求極高的加速度，短位移，和極短的穩(wěn)定時(shí)間，很高的精確度，高的吞吐量。一個(gè)強(qiáng)大的控制平臺(tái)必須具備嚴(yán)格的性能。本文介紹了為什么ACS運(yùn)動(dòng)控制方案最適合焊線設(shè)備。

Figure 1:通用球形接合焊線設(shè)備

關(guān)于焊線

焊線機(jī)可以用金屬線生產(chǎn)直徑13um（0.5mil）的連接。連接是由高溫、壓力和超聲能量的組合在金線的末端產(chǎn)生焊接。焊線機(jī)的外觀與縫紉機(jī)相似。一個(gè)像面條一樣的一次性的工具，我們叫它毛細(xì)管，通過這個(gè)細(xì)管生成線并最終連接到半導(dǎo)體表面。產(chǎn)生一個(gè)線連接一般分為4個(gè)階段：1）在位置控制模式下將焊接珠放在墊上（半導(dǎo)體表面）  2）檢測(cè)焊機(jī)珠和墊之間的連接，在第一個(gè)連接形成的過程中平滑切換到力矩控制模式， 3）一旦連接完成，平滑轉(zhuǎn)換到位置控制模式，執(zhí)行一個(gè)坐標(biāo)xyz的運(yùn)動(dòng)到第二個(gè)連接位置4）為形成第二個(gè)連接平滑轉(zhuǎn)換到力矩控制模式。

焊線機(jī)是一個(gè)包括xy平臺(tái)和被加到xy平臺(tái)上的連接頭（z軸）的三軸系統(tǒng)。Z軸組裝包括一個(gè)分辨率0.1um到0.2um的音圈，為了快速力響應(yīng)，音圈由一個(gè)高帶寬放大器（典型線性）供電。性能要求包括，針對(duì)線夾緊的高響應(yīng)，連接精度好于2um。Xy平臺(tái)由帶分辨率50-200nm的反饋并由高功率PWM放大器驅(qū)動(dòng)的線性三相直流無刷馬達(dá)或者音圈 組成。Xy性能要求包括+-1um的高位置精確度。

技術(shù)要求

焊線機(jī)的目標(biāo)是最大化吞吐量。典型的焊線機(jī)可見達(dá)到20線每秒，這要求每個(gè)軸（xyz）都有快速的移動(dòng)和快速的穩(wěn)定，短的規(guī)劃時(shí)間（幾毫秒），非?？斓募铀俣群图蛹铀俣龋ù笥?00G）沒有超調(diào)的最小整定時(shí)間，在高頻率時(shí)防止震動(dòng)。其他要求包括坐標(biāo)xyz運(yùn)動(dòng)，規(guī)劃生成到執(zhí)行的 反應(yīng)時(shí)間要短，主站、控制器、驅(qū)動(dòng)器直接的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)容量/吞吐量要高。

對(duì)于連接頭的專門要求包括高電流環(huán)帶寬（超過3khz）以適應(yīng)線夾緊時(shí)的高速力響應(yīng)高的位置帶寬（高于200hz）以適應(yīng)快速穩(wěn)定，低碰撞力，快速鏈接檢測(cè)，抑制力矩震動(dòng)，彈力和重力補(bǔ)償。

ACS解決方案

ACS使用基于EtherCAT，分布式控制的架構(gòu)，這樣做可以基于提供模塊化，可擴(kuò)展，標(biāo)準(zhǔn)化的組合創(chuàng)造用戶解決方案。在近期的焊線應(yīng)用中，ACS控制方案包括SPiiPlusSC + UDMlc + UDMba. SPiiPlusSC (軟控制器)是一個(gè)最先進(jìn)的，基于pc的支持64軸聯(lián)動(dòng)和5khz更新速率的無引腳控制器。UDMlc是低功率，少引腳，高性能，四軸驅(qū)動(dòng)   可用于驅(qū)動(dòng)連接頭軸。額外軸有一個(gè)好處是可以被用于添加一個(gè)性能要求不苛刻的典型的開環(huán)過程（比如開關(guān)一個(gè)快門）。UDMba是一個(gè)更高功率，高性能的雙軸驅(qū)動(dòng)，用于驅(qū)動(dòng)xy平臺(tái)

方案的特點(diǎn)

SPiiPlusSC + UDMlc + UDMba方案 有很多標(biāo)準(zhǔn)和可選的特征，這些特征可以被改變以滿足線連接過程的要求。首先SPiiPlusSC提供了主站到控制器之間最大通信吞吐量的可能性。因?yàn)橹鲬?yīng)用和SPiiPlusSC屬于同一臺(tái)PC，共享內(nèi)存和事件，它們被用于超快速通信。與我們競爭的方案依賴于Ethernet 通訊，這將造成一個(gè)力矩控制的瓶頸和極限性能能力的性能。SPiiPlusSC的另一個(gè)特點(diǎn)控制器循環(huán)時(shí)間低于0.2毫秒，這樣可以達(dá)到更短的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，減少反應(yīng)時(shí)間，達(dá)到更快的控制器響應(yīng)，更光滑的軌跡生成和前饋補(bǔ)償。

EtherCAT® 是注冊(cè)商標(biāo)和專利技術(shù)，由德國倍福自動(dòng)化有限公司許可。

ACS研發(fā)了很多適合焊線應(yīng)用的特殊算法，包括“Soft Touch”力控制，“ServoBoost”和“MotionBoost”。

“Soft Touch”力控制包含一個(gè)基于一些可選準(zhǔn)則的快速接觸探測(cè)算法；這些準(zhǔn)則包括位置誤差，驅(qū)動(dòng)命令，或者模擬輸入（來自力傳感器）。它也包含非線性彈力補(bǔ)償，重力補(bǔ)償，和一個(gè)限制沖擊力和抑制震動(dòng)的減震機(jī)制。對(duì)于線連接而言，在檢測(cè)碰撞之后，力矩按照預(yù)先定義的時(shí)序被施加（如果合適，插入圖片），之后系統(tǒng)平滑轉(zhuǎn)向位置模式。從位置模式轉(zhuǎn)向力矩模式然后再回到位置模式的過程是平滑的，這個(gè)過程在50usec內(nèi)完成?！癝ervoBoost”是一個(gè)針對(duì)高要求應(yīng)用研發(fā)的伺服算法。應(yīng)用“ServoBoost”可以在確保亞微米分辨率的前提下實(shí)現(xiàn)最大的帶寬和零整定時(shí)間。“MotionBoost”是為了達(dá)到最小整定時(shí)間和最好動(dòng)態(tài)性能研發(fā)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)。特別地，它生成實(shí)時(shí)伺服更新率（20khz）的特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，可以實(shí)現(xiàn)非常平滑和持續(xù)時(shí)間低至100-500us的快速運(yùn)動(dòng)?！癕otionBoost”規(guī)劃生成優(yōu)于2階和3階運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，因此在激烈運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠減少伺服電流，允許進(jìn)一步增加吞吐量。“MotionBoost”也支持到3軸的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。

Figure 2: 普通規(guī)劃和 MotionBoost規(guī)劃
黃色=通常規(guī)劃   綠色= MotionBoost規(guī)劃    紅色=位置誤差（通常規(guī)劃）  藍(lán)色=位置誤差（MotionBoost）

結(jié)論

線連接是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，今天應(yīng)用SPiiPlusSC + UDMlc + UDMba，ACS運(yùn)動(dòng)控制可以提供更高性能的解決方案。SPiiPlusSC控制器能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的吞吐量和循環(huán)時(shí)間，支持處理如此高要求的應(yīng)用所需的特殊算法，而且沒有引腳。UDMlc and UDMba驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是少引腳和高性能，是線連接理想的選擇。在本文提到的許多acs產(chǎn)品和特點(diǎn)也可以應(yīng)用于除了線連接之外的應(yīng)用，包括自動(dòng)IC編程器，pcb組裝，F(xiàn)PD檢測(cè)，晶圓檢測(cè)，X射線和CT影像，激光退火，振鏡運(yùn)動(dòng)，等等。另外，acs有非常專業(yè)，經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)支持工程師幫助您解決應(yīng)用中的每一個(gè)挑戰(zhàn)；從設(shè)備設(shè)計(jì)到市場推廣。