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18028型焊線機的工作原理、結構特點

1.18028型焊線機工作原理

本機利用超聲波摩擦原理來實現不同介質的表面焊接,是一種物理變化過程。首先金絲的首端必須經過處理形成球形(本機采用負電子高壓成球),并且對焊接的金屬表面先進行預熱處理；接著金絲球在時間和壓力的共同作用下,在金屬焊接表面產生朔性變形,使兩種介質達到可靠的接觸,并通過超聲波摩擦振動,兩種金屬原子之間在原子親和力的作用下形成金屬鍵,實現了金絲引線的焊接。金絲球焊在電性能和環境應用上優于硅鋁絲的焊接,但由于用貴金屬的焊件必須加溫,應用范圍相對比較窄。

圖1.18028型焊線機

1.28028型焊線機的結構組成

1.2.1新型的料盒承載系統

新式料盒承載系統：90mm寬的軌道容量，優化的速度可滿足客戶的應用需要，實現高產量，并提高工作效率。簡潔的料盒手柄設計：采用簡化設計，使之更加可靠并易于轉換。

1.2.2圖像識別系統

新式圖像采集引擎：強健的操作為不同的管芯和引線框架原料提供了最高的精確性和識別率。

1.2.3新式NV-照明

采用工程照明源，為小型管芯提高了識別率。先進的圖像采集技術：經過改良的處理周期，視點關聯性和向前的光學特性為當今受成本驅動的封裝行業提出了新的標準。

1.2.4K&S檢驗技術

高分辨率的X/Y臺面，適合高速的高解析度的X/Y工作臺，采用高性能的工作臺及其出眾的可重復性配置，提供了更快的焊接速度。使用先進的輕質材料，卻不降低硬度。

1.2.5高性能的伺服馬達技術

經過檢驗的線性馬達技術為高速焊接提供了最快的響應時間，且在大量生產及長期使用中驗證了其可靠性。

1.2.6µT-超聲波傳感器

在最小沖擊力下能夠有效地發送穩定的超聲波。

1.2.7Pro-Pulse夾線系統

快速的開閉動作，降低了焊接的整個周期、減少了維護量并提高了過程監控能力。

1.2.8Precision-ArcEFO系統

穩定的初始球（free-air-ball）控制確保高產量及出色的焊接良品率。

1.38028型焊線機的特點

本機的焊頭架采用垂直導軌上下運動方式（Z向運動）二焊移動（跨距）通過焊頭架水平導軌運動實現（Y向運動），兩種運動均采用進口步進電機驅動，因此本機的一焊和二焊的瞄準高度，拱絲高度，跳線距離均可真正實現數字控制，從而保證了焊接的質量穩定，焊點控制精確，焊線質量重復率高，拱絲高度一致性好的優點；該機的二焊點可設定為自動焊接，操縱者只要需按一下操縱盒上的很界按鈕即可按照操作員設定的參數完成整個焊接過程，使焊接速度更快，可以大幅度的提高單班產量（不同產品，產量可達每小時3000條線）。本機特有的多焊線全記憶功能使之在高端產品的應用上得心應手，滿足了產品的高性能要求。8028Maxµmultra融合諸多技術改進，堪稱當今綜合封裝應用的最佳選擇。新型的焊接壓力控制系統采用了壓電傳感技術，在不增加焊具沖擊力的情況下，即可實現更高的焊接頭速度。新型的微處理器控制系統提供了更快的處理能力，更有PC風格的USB功能來實現更為簡單的軟件和數據處理。另有一套增強型焊線進線/拉伸系統，降低了焊線進線途中的摩擦力，從而以更高的速度達成弧度控制的一致性。

（1）自動雙向焊接第二點,且三軸(焊頭,位移,送料)同步運行,大大提高了焊線的速度,對于兩條線的藍白管特別適用

（2）焊線速度可達(4-6K/H)自動機一般速度在8-12(K/H)

（3）不同操作模式,可以適用不同的初學者,熟練工及固晶不良,框架不良的影響

（4）計算機控制弧度形成,弧度可能是國內最好的

（5）由于采用自動檢測瓷嘴是否到位和數控調整一檢,二檢高度,對一焊,二焊高度差較大的器件,也同樣應對自如

（6）負電子成球(EFO),成球大小精確可調,一致性好,為此,可以大大節約金絲和提高劈刀的壽命

（7）調整方便,各種參數(超聲功率,時間,壓力,溫度,燒球,弧度,尾絲,瞄準點高度,跨度等)均置于面板上,用旋鈕調節

（8）溫度采用PID系統,精確,穩定

（9）燒球不成功，自動報警

28028型焊線機設備故障診斷技術

2.1故障機理

通常我們說設備工作正常是指它具備應有的功能，沒有任何缺陷，或雖有缺陷但仍在容限范圍內。異常是缺陷有了進一步發展，使設備狀態發生變化，性能惡化，但仍能維持工作。故障則是缺陷發展到使設備性能和功能都有所喪失的程度。

設備的異常或故障是在設備運行中通過其狀態信號變化反映出的。由于監測與故障是在設備不停機的情況下進行的，因此必然以狀態信號為依據。二次效應就是設備在運行中出現的各種物理的、化學的現象，如振動、噪聲、超聲功率,時間,壓力,溫度,燒球,弧度,尾絲,瞄準點高度,跨度等，這些都是焊線機設備運行所固有的。監測與診斷就是要快速、準確地提取設備運行時二次效應所反映的特征。

2.2焊線機的故障診斷過程

2.2.1狀態監測

主要是測取與設備運行有關的狀態信號。狀態信號是故障信息的唯一載體，也是診斷的唯一依據。因此在狀態監測中及時、準確地獲取狀態信號是十分重要的。

狀態信號的獲取主要是依靠傳感器或其它監測手段進行故障信號的檢測。焊線機檢測中主要有以下幾個過程：

（1）信號測取：主要是通過電量的或傳感器組成的探測頭直接感知被測對象參數的變化（如：當焊線機在焊線過程中出現二焊點脫落時，金線就會和地面形成回路，系統會自動報警）；

（2）中間變換：主要完成由探測頭取得的信號的變換和傳輸；

（3）數據采集：就是把中間變換的連續信號進行離散化過程。數據是診斷的基礎，能否采集到足夠長的客觀反映設備運行狀態的信息，是診斷成敗的關鍵。

2.2.2特征提取

就是從狀態信號中提取與焊線機設備故障有關的特征信息。狀態檢修這樣一種新的檢修策略，它建立在對焊線機設備狀態監測和對設備故障診斷技術上，根據焊線機設備的運行狀態和健康狀況，進行預知性作業。隨著傳感技術、微電子、計算機軟硬件和數字信號處理技術、模糊集理論等綜合智能系統在狀態監測及故障診斷中的應用，使基于設備狀態監測和先進診斷技術的狀態檢修研究得到發展，成為故障診斷系統中的一個重要研究領域。實現焊線機設備狀態檢修的基礎是各種設備的狀態監測。狀態監測能準確、實時地反映焊線機設備的狀況和預測使用壽命，為檢修決策提供依據。

2.2.38028焊線機的故障診斷

故障診斷就是根據所提取的特征判別狀態有無異常，并根據此信息和其它補充測試的輔助信息尋找故障源。

你不能使用過去的工具來支持未來的制造生產。比如：一個簡單的元件正在三個不同的焊線機上處理，同時每個焊線機由不同的操作者運行。新型MES系統將能回答下列問題：

哪個操作者與元件有關？

哪個焊線機將會被MES系統記錄？

哪個金屬線軸在組裝元件時被使用？

如果金屬絲有缺陷，哪個部分需要重做？

當金屬絲拖拉檢測進行時，哪臺設備是作為信息源頭被記錄的？

設備人員怎樣知道哪個工具需要維護?

設備人員怎樣使用設備來檢測沒有記錄的問題？

新型MES結構提供元件轉移的靈活追蹤，此轉移獨立于設備行為。結果是輸入事務變得簡單了，但全面的記錄和分析卻變得更多了。有關自動生產、周期時間和參量數據收集的過程信息被剛好獲得了，這些信息來自操作者、設備、生產線、元件和產品。

2.38028型焊線機的故障診斷原理

設備診斷是利用被診斷的對象（焊線機）提供的一切有用信息，經過分析處理以獲得最能識別設備狀態的特征參數，以便做出正確的診斷結論。焊線機設備運行時產生多種信息，當其功能逐漸劣化時，就出現相應的異常信息，如機器的狀態變化而產生的異常振動、噪聲、溫度、超聲功率等信號；焊線機劣化過程產生的磨損微粒、油液及氣體成分變化的化學信號等。利用檢測儀器對最敏感的故障特征信號進行狀態監測，做出正確的分析和診斷，可以及時預測機器設備可能發生的故障。

傳感器安裝在診斷對象（焊線機設備）上，以傳遞溫度、壓力、振動、變形等信號，這些信號進一步轉化為電信號，輸入到信號處理裝置，在信號處理裝置中將輸入的診斷信號與預先儲存在系統內的標準信號進行比較，標準信號是根據事先積累的大量數據資料和實際經驗分析歸納而制定出來的判定標準，是設備各種參數的允許值。通過比較做出判斷，確定故障的部位和原因，預測可能發生的故障。

38028型焊線機的常見的故障及診斷排除

焊線機在工作過程中最常出現的故障有引線短路、鋁柱狀突起、一焊點不粘、二焊點脫落、各種誤測報警、斷線、球規等等。由于線弧異常、頸部靠等因素造成的引線短路是最常見的故障；另外，由于溫度的原因造成在鋁晶粒的邊界，應力釋放，形成鋁的柱狀突起缺陷也是常見的故障之一。因此，本章第一節主要介紹了封裝中的引線短路現象及診斷排除，第二節主要介紹了高溫厚鋁濺射時柱狀突起缺陷現象及診斷排除。

3.1采用交叉引線技術維修焊線中的引線短路

在焊線機工作過程最常出現的故障中，由于線弧異常、頸部靠等因素造成的引線短路是最常見的異常之一。下面主要介紹設備人員在解決引線短路所采用的方法。

引線鍵合工藝中常見的缺陷之一就是引線短路的問題。單個芯片中的兩根導線上會產生這種現象，多個芯片應用中更為復雜的精細引線上也會出現這種現象。考慮到引線鍵合工藝的復雜性，我們認為芯片密封工藝期間成型復合材料的反向流動是影響引線短路的重要因素，因此分析起來就更加復雜。根據工藝、封裝、工藝環境、材料和應用領域的不同，所采取的解決方法也會有所不同。失效機理不同解決方法也就不同，所采用的解決辦法可從改變環路參數到改變芯片位置，方法很多，也各不相同。本文著重介紹了設備人員采用交叉引線技術與優化成型轉移參數分布相結合的方法解決引線短路問題。我們將引線交叉技術作為當前解決間斷性電短路問題的最佳手段。此外為了控制引線短路，我們還對成型工藝做了一些相應的變化和調整。

金(Au)、鋁(Al)和銅(Cu)都是引線鍵合工藝中最常用的引線材料。引線的作用是充當半導體芯片與引線框架或基板之間的一級互連。圖3.1給出了芯片與引線框架（多芯片與單芯片應用）之間一級互連變化情況的典型實例。

圖3.1采用金引線鍵合技術時的一級互連變化情況

引線的直徑一般在0.8至20mils之間，分為細引線和粗引線兩種類型。直徑小于2mils的引線稱為細引線，而直徑大于2mils的引線稱為粗引線。如果不考慮引線材料的影響，引線鍵合缺陷表現有幾種常見的失效模式。其中最為常見的失效模式就是引線與引線之間的短路，一般稱為“短路”。圖3.2示出了引線短路的實例。

圖3.2引線與引線之間的短路，即通常所稱的“短路”現象

3.1.1引線與引線間的短路現象

不同的短路現象具有不同類型的失效機理。最令用戶擔心的失效類型是某些電短路失效已經產生，但在單元測試工藝期間由于讀數時斷時續或模糊不清而造成漏測。圖3.3示出了可能使測試過程中讀數不連續的典型的短路現象。在這種失效模式中，造成短路測試讀數不連續的罪魁禍首就是薄薄的塑封成型復合材料。

圖3.3由于接觸面上覆蓋著一層極薄的塑封成型復合材料，因而導致了單元測試讀數的時斷時續

3.1.2造成引線短路的因素

考慮到器件或封裝的類型會有所不同，要確定鍵合焊盤的結構和引線的粗細程度就必須對引線的性能進行全面的了解。完成引線鍵合工藝需要考慮的一個重要因素就是環路的高度。尤其是當鍵合焊盤的節距非常緊湊或當鍵合焊盤的設計不同時（如圖3.4所示），對環路高度的優化設置就顯得更加重要。

圖3.4通過本環路高度模擬結果可看到，引線拉細有可能導致引線折斷和引線松垂等問題

因此，通過對環路類型的選擇、優化環路高度、鍵合焊盤節距間隔等因素進行綜合考慮就可以找到一種較為合理的技術選擇。圖3.5示出了環路高度、鍵合節距間隔的調節與引線拉細以及引線松垂之間的相互關系。一旦獲得最佳的結構，即可將這一方案應用于下一步成型密封研究中，從而揭開導致引線短路現象產生的真正原因。

圖3.5對環路高度和鍵合節距間隔進行調整時的典型引線特性

3.1.3引線短路的故障排除方法

成型密封工藝對引線短路與成型流程機理間的有著十分重要的關聯。就引線位置而言，加壓成型的流動方向會對引線的偏距造成一定的影響。

必須對相關的成型參數進行成型表征并對其加以識別。根據研究結果，可以將成型轉移壓力做為一個重要的影響參數進行考慮，對其進行表征以獲得最佳值和較高的安全允許范圍。

解決方案：考慮了三種實驗設計方案：環路參數表征、與交叉引線技術相結合的環路類型選擇、優化成型轉移分布。

環路參數表征：

我們采用現有的材料、引線鍵合設備、成型工藝和條件對10條引線進行了實驗，以確定引起引線短路的最大環路參數。

主要考慮了三種成型參數：第一種是轉移壓力，第二種是停頓時間，第三種是轉移速度。上述全部參數，在其改變前后都進行了收集和監測。

必須研究用交叉引線技術對引線鍵合環路參數進行表征的結果與成型轉移分布之間的相互關系以獲得最佳的工藝參數。同時還要衡量運用交叉引線技術的效果。

采用交叉引線技術時對引線鍵合環路類型的選擇

對正常環路型和梯形環路型兩種環路類型進行了考慮并對兩種類型加以比較。因為梯形環路中形成的第二個扭結的特點非常適合作為額外保護結，用以防止成型流動效應引起的引線偏差，因而我們選擇了梯形環路。為了提高引線鍵合的效率，使用交叉引線技術。首先要從修改參數上實現一個目標，即同一個接地引腳中的每一條引線不會導致任何的短路機理，每一條引線都得到相互支撐而不是只支撐孤零零的一條引線，這種方法具有一個重要的優點，再與交叉引線布局方法相結合就可以解決引線短路本身的隔離問題。雙引腳交叉引線產生的嚴重的引線彎曲結果說明，引線平均擺動最低，在結果一定的情況下，我們選擇了采用交叉引線技術的雙引腳作為這兩種方法中較好的引線布局設計。

對轉移壓力和時間進行調整和優化之前和之后都要進行上述分析。對這些參數完成優化之后，即可發現轉移參數分布會有所改善，而且就引線偏差而言最終產品的質量還會有所提高。我們發現采用交叉引線技術與優化成型轉移參數分布相結合的方法可以徹底消除由成型工藝流程影響而導致的引線短路現象。

3.2高溫厚鋁濺射時柱狀突起故障診斷與排除

本節介紹了高溫厚鋁濺射（Alsputter）時柱狀突起缺陷（whiskerdefect）的產生原因，針對影響柱狀突起缺陷的各個因素，進行分析診斷，數據化各因素的影響程度，找出最大的影響因素，實現了一種在現有的設備條件并保證產品質量的前提下，以最小成本控制和優化鋁柱狀突起缺陷的方法。

濺射法是在半導體制程焊接中用于鋁互連線淀積的最主要方法，基本原理：在工藝腔中形成等離子體環境，用帶正電的氣體離子氬轟擊靶材，把動能直接傳遞給靶材原子，從而使靶原子逸出，淀積在襯底材料上的物理化學過程。氬不斷轟擊靶材，靶原子不斷淀積在襯底材料上，在此過程中會產生大量熱量，從而導致工藝腔升溫，工藝腔需要有良好的溫控系統。在某一制程中，由于大電流通過的要求，頂層金屬鋁需要加厚到一定厚度，濺射時溫度設定為300℃，在現有的工藝條件下，連續濺射淀積如此厚的金屬，在鋁濺射完成后產生大量缺陷，由于此種缺陷目視時為沿鋁晶粒邊界的柱狀突起，定義此種缺陷為鋁柱狀突起缺陷（Alwhiskerdefect）。質量與成本在生產過程中永遠是對立統一的兩面，尋求兩者的平衡是工業化的基礎。在設備成本增加最少，設備生產效率影響最小的前提下，控制和排除鋁柱狀突起缺陷，使得其對質量無影響，是本節討論的目標。

3.2.1鋁柱狀突起缺陷形成診斷分析

某產品在風險量產時，頂層鋁刻蝕后在線缺陷檢測發現大量缺陷，全數檢測此批次產品所有硅片，所有硅片都缺陷超標。生產線停止，設備檢查，并對生產線上其它產品進行缺陷檢測，未發現缺陷超標，初步判斷只是此批工藝產品缺陷超標。針對此問題進行分析定位。

圖3.6鋁濺射后顯微鏡下的照片圖3.7鋁濺射后掃描電鏡下的照片

圖3.8鋁刻蝕后顯微鏡下的照片圖3.9鋁刻蝕后電鏡下的照片

3.2.2缺陷的分析、定位過程

頂層鋁刻蝕完成后在線檢測發現大量缺陷，顯微鏡下目視為小黑點（圖3.8）。

掃描電鏡觀察為柱狀突起刻蝕殘留（圖3.9），進行成分分析，確定殘留物的主要成分為鋁。

對鋁刻蝕前可能產生缺陷的工藝步驟進行分析，設備狀態確認,增加在線檢測，尋找缺陷的來源。

頂層鋁濺射后在線檢測發現大量缺陷，顯微鏡下目視為小黑點（圖3.6），掃描電鏡觀察為柱狀突出（圖3.7），跟蹤此缺陷，在鋁刻蝕后此缺陷表現為柱狀突起刻蝕殘留（3.9），確定缺陷為鋁濺射產生。

檢查工藝設備歷史記錄，未發現異常。同一工藝腔進行重復試驗，檢測到缺陷。用其它設備的同樣工藝腔重復試驗，檢測到缺陷。判斷與此制程產品的鋁濺射工藝有關。

追加掃描其它層次鋁濺射，未發現同樣缺陷。進行不同厚度鋁濺射，薄鋁條件時未發現缺陷，厚鋁條件時缺陷數量增多。判斷此種缺陷的產生與鋁厚度有關。

3.2.3工藝條件對鋁柱狀突起缺陷的影響分析

在上面的分析中已確定了鋁柱狀突起缺陷的產生原因：溫度積累產生應力釋放。在工藝過程中影響溫度的原因有很多：濺射壓力、功率、濺射速率、鋁厚度、工藝腔真空度、加熱臺溫度設定和靶材壽命等。現在我們需要在這些條件中找出對缺陷影響最大的因素。

工藝條件比較：通過對濺射時每一片硅片的工藝參數比較（濺射功率、工藝腔真空、壓力條件、濺射實際時間和濺射穩定時間等），一個批次濺射時第一片硅片和最后一片硅片工藝條件無差異。

設備條件比較：通過對每一片硅片工藝時的設備參數比較（硅片進入工藝腔前后的真空度比較、冷卻水流量比較、工藝腔加熱臺溫度設定比較等）發現工藝腔加熱臺溫度第一片硅片和最后一片硅片存在差異，使用溫測硅片（TCwafer）測量發現不同硅片間有20℃以上的差異。

溫度是產生鋁柱狀突起缺陷的最主要因素，之所以缺陷數量隨濺射硅片數量的增加而增加是由于連續濺射，濺射時的等離子體連續轟擊工藝腔，造成工藝腔加熱臺溫度由于散熱效率不夠而升高，濺射的越多，溫度越高，缺陷數量越多。

3.2.4鋁濺射時溫度變化分析

鋁柱狀突起缺陷產生原因找到，影響最大的因素“溫度”也找到了，現在的問題是如何控制“溫度”。為了不降低設備生產效率（改變工藝條件，降低濺射速率也可以有效控制溫度，但嚴重降低設備效率），我們從分析分析工藝腔的構造入手，尋找控制硅圓片“溫度”的方法。

3.2.5硅片熱源的診斷分析

濺射時的等離子體轟擊，使硅片升溫的主要因素。硅片加熱臺（waferheater）的加熱作用（使硅片保持在一個穩定的溫度狀態），工藝時間較短時，加熱硅片，但在此工藝中，硅片由于等離子的轟擊作用產生的升溫，遠高于加熱臺加熱的升溫，此時加熱臺起降溫作用。

3.2.6硅片散熱方式

輻射散熱，但工藝腔為高真空，效率很低。

通過熱傳導散熱：

（1）加熱臺熱傳導：在加熱臺下方有冷卻水循環，以保證加熱臺能夠在設定的溫度范圍內（＋/-10℃）。我們的工藝腔是普通爪式夾具加熱臺（Clampheater），控溫能力有限，在高溫厚鋁濺射時對溫度的控制很差（設備供應商處已有靜電吸附式加熱臺）可以有效的控制溫度，但成本高）。

（2）直接接觸硅片的爪式夾具（Clamp）通過與其它部件的接觸，熱傳導散熱：在此工藝中爪式夾具也被等離子體轟擊，并且材質為金屬，受等離子體轟擊的面積也大，升溫很快，實際對硅片起加熱作用。

3.2.78028型焊線機的工藝腔控溫方式

工藝腔主體有獨立循環冷卻水，溫度可以得到很好的控制。

靶材部件有獨立循環冷卻水，溫度可以得到很好的控制。

加熱臺有獨立循環冷卻水，但在此種長時間的工藝過程中，本文中設備使用的普通爪式夾具加熱臺（Clampheater）無法有效控制硅圓片溫度。

爪式夾具及其接觸部件Clamp，無循環冷卻水，完全依靠本身材料散熱，溫度控制差。

3.2.8故障排除辦法

給爪式夾具及其部件降溫是我們現在可行的方法。成本最低是我們的目標，設備人員動手改造工藝腔給爪式夾具部件中的適配器添加一路循環冷卻水,通過熱傳導作用，降低爪式夾具部件溫度，從而給硅片降溫。為了確認爪式夾具部件增加循環冷卻水后對鋁柱狀突起缺陷的影響，比較增加前后的兩個批次（試驗條件：連續濺射厚度為3萬埃的一個批次硅片，檢測第2、6、11、18、25片硅片，比較缺陷數量）硅圓片的缺陷檢測結果：增加循環冷卻水后，缺陷數量明顯減少。爪式夾具部件增加循環冷卻水后，能夠有效的減少鋁柱狀突起缺陷。

控制鋁柱狀突起缺陷除了上述的方法，還可以通過降低焊線機的濺射速率，降低工藝溫度設定，更新工藝腔加熱臺類型（普通爪式夾具加熱臺Clampheater換成靜電吸附式加熱臺ESCheater）等多種方法達到同樣的效果。本節主要是分析一種在不對現有的工藝條件進行變更，設備成本不增加（自行動手增加循環冷卻水，僅有加工費用）的情況下有效控制和排除鋁柱狀突起缺陷的簡便易行方法