基于ADAMS引線鍵合機(jī)動(dòng)態(tài)性能仿真分析

許銀亮，熊 榮，孫 倩

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院 自動(dòng)控制與機(jī)電工程學(xué)科部，深圳 518055）

0 引言

全球集成電路（IC）工業(yè)正經(jīng)歷飛速發(fā)展階段，國(guó)內(nèi)的IC面臨前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。IC工業(yè)包括芯片設(shè)計(jì)，生產(chǎn)以及封裝。目前，國(guó)內(nèi)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(shè)備還主要依賴(lài)于進(jìn)口。因此研究芯片封裝技術(shù)是必要且迫切[1,2]。在眾多封裝技術(shù)中，引線鍵合封裝是主流的封裝技術(shù)，占目前初級(jí)封裝過(guò)程的90%。其中，金線焊接由于其高速性在引線鍵合技術(shù)中占了主要地位[3]。

本文在金線鍵合機(jī)基礎(chǔ)上，建立樣機(jī)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析影響其高速運(yùn)動(dòng)性能的主要因素，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案。

1 剛體模型與仿真

1.1 動(dòng)力學(xué)模型

引線鍵合機(jī)是微電子封裝設(shè)備中的核心設(shè)備，它是集精密機(jī)械、自動(dòng)控制、圖像識(shí)別、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、光學(xué)、超聲波焊接等多領(lǐng)域于一體的現(xiàn)代高技術(shù)微電子生產(chǎn)設(shè)備[4]。通常引線鍵合機(jī)有3個(gè)自由度，兩個(gè)水平方向，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。先在Solidworks中建立好模型，按照各個(gè)部件的相對(duì)位置和相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，把鍵合機(jī)分成6部分：X-Y高精度定位平臺(tái)，動(dòng)臂，換能器，劈刀，底座。接下來(lái)，把每一部分在Soildworks以.STL文件形式導(dǎo)出，然后導(dǎo)入ADAMS中并按工作關(guān)系裝配好。其中，為簡(jiǎn)化模型，兩或多個(gè)部件在鍵合機(jī)工作時(shí)沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)可以認(rèn)為是一個(gè)部件。

圖1 鍵合機(jī)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(shè)鍵合機(jī)各個(gè)部件都是理想的剛體，添加運(yùn)動(dòng)副并施加驅(qū)動(dòng)后得到以下結(jié)果，如圖2所示。

圖2 剛體模型仿真結(jié)果

從圖2看出，鍵合機(jī)定位沒(méi)有誤差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線沒(méi)有振動(dòng)或超調(diào)，可以響應(yīng)任意高工作頻率。這與實(shí)際情況是不吻合的，本文的鍵合機(jī)工作在每秒焊6根線時(shí)，由于受到外界和自身因素干擾如：機(jī)械振動(dòng)，摩擦，機(jī)械疲勞，制造裝配誤差，還有XY平臺(tái)后連接的大量導(dǎo)線軟管的影響等等，高頻高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，鍵合機(jī)的定位精度和響應(yīng)速度都受到不同程度影響，導(dǎo)致無(wú)法正常工作。因此，剛體模型在仿真實(shí)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(jī)在高速工作時(shí)，某些關(guān)鍵部件的振動(dòng)及變形必須予以考慮。文中基于實(shí)際工作，把換能器和動(dòng)臂作為分析的主要對(duì)象，分析它們對(duì)鍵合機(jī)高速運(yùn)動(dòng)性能和定位精度的影響。利用Patran和Nastran 把換能器和動(dòng)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(duì)換能器和動(dòng)臂進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 動(dòng)臂和換能器的有限元分析

更換響應(yīng)部件后的剛?cè)峄旌象w模型如圖4所示。

圖4 鍵合機(jī)的剛?cè)峄旌象w模型

和前面理想剛體模型施加同樣的驅(qū)動(dòng)，仿真的結(jié)果如圖5 所示。

從仿真結(jié)果來(lái)看，鍵合機(jī)在高頻高速工作時(shí)，劈刀是有一定程度的振動(dòng)，而且振動(dòng)的幅度超過(guò)了工藝指標(biāo)要求的，會(huì)導(dǎo)致焊線失敗。仿真的結(jié)果與實(shí)際物理樣機(jī)工作情況較為接近。

比較兩個(gè)模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，第二個(gè)剛?cè)峄旌象w的模型能反映鍵合機(jī)的實(shí)際工作情況。同時(shí)從有限元的分析和仿真結(jié)果來(lái)看，換能器在高頻高速運(yùn)動(dòng)下的振動(dòng)是影響鍵合機(jī)工作性能的主要因數(shù)，要提高鍵合機(jī)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(jī)的工作頻率時(shí)，不發(fā)生幅度較大的振動(dòng)。

在替換能器前，根據(jù)替換材料的物理性能，可以在虛擬樣機(jī)先測(cè)試是否滿足工藝指標(biāo)要求，然后再進(jìn)行替換。這樣可以節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高效率。

圖5 剛?cè)峄旌夏Ｐ头抡?/p>

2 結(jié)論

本文以金線引線鍵合機(jī)為研究對(duì)象，利用Solidworks，ADAMS等商業(yè)軟件，建立了虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。主要分析影響鍵合機(jī)高速高精度工作時(shí)，一些關(guān)鍵部件對(duì)其工作性能的影響。通過(guò)仿真結(jié)果提出相應(yīng)的改進(jìn)方案。建立的樣機(jī)可以節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高效率。同時(shí)，鍵合機(jī)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(yīng)力集中，非線性摩擦等。總之，虛擬樣機(jī)模型可以不斷完善來(lái)很好地模擬實(shí)際物理樣機(jī)工作情況，為將來(lái)的改進(jìn)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.