全自動引線鍵合機(jī)的送線機(jī)構(gòu)設(shè)計

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(jī)是以金屬引線連接芯片焊盤和封裝管腳的半導(dǎo)體生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備。鍵合機(jī)工作過程的根本特征在于通過引導(dǎo)金屬引線在三維空間中作復(fù)雜高速的運(yùn)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(jī)的機(jī)械組成主要包括XY工作臺、鍵合頭、光學(xué)系統(tǒng)、物料傳輸系統(tǒng)及送線機(jī)構(gòu)。

送線機(jī)構(gòu)是引線鍵合機(jī)的重要部件，它的作用是實(shí)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(jī)構(gòu)的構(gòu)成和送線過程

1.1 送線機(jī)構(gòu)的構(gòu)成及各部分的作用

送線機(jī)構(gòu)主要由線軸保護(hù)蓋、線軸、轉(zhuǎn)向軸、空氣導(dǎo)向裝置和張線器構(gòu)成（如圖1）。線軸保護(hù)蓋主要是防止金線污染，保證焊線的品質(zhì)，為了能夠在工作過程中實(shí)時觀察線軸的運(yùn)動情況，并且防止靜電影響，線軸保護(hù)蓋一般選取防靜電有機(jī)玻璃板為設(shè)計材料。線軸主要作用是旋轉(zhuǎn)送線，纏有金線的套筒套在線軸上，考慮轉(zhuǎn)動體要保證小的轉(zhuǎn)動慣量，線軸的設(shè)計材料一般選用鋁合金或高強(qiáng)度塑料。轉(zhuǎn)向軸的作用是控制金線路徑，保證金線的弧度，其設(shè)計位置的最終確定要通過焊線工作中的調(diào)試來確定。空氣導(dǎo)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(shí)時監(jiān)控金線的進(jìn)給情況，在空氣導(dǎo)向裝置中有監(jiān)測金線進(jìn)給情況的光電傳感器，設(shè)計時可以根據(jù)需要設(shè)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(yùn)動形成焊接弧線，張線器的設(shè)計也直接影響到焊線的成功率和質(zhì)量。

圖1 送線機(jī)構(gòu)

1.2 送線機(jī)構(gòu)的工作過程

送線機(jī)構(gòu)的送線路徑如下：線軸電機(jī)通過齒輪傳動方式驅(qū)動線軸旋轉(zhuǎn)提供金線，金線經(jīng)轉(zhuǎn)向軸偏轉(zhuǎn)一定的角度后進(jìn)入空氣導(dǎo)向裝置，壓縮空氣經(jīng)過氣嘴把金線在導(dǎo)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(jìn)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(shù)多少，要通過不斷的實(shí)驗(yàn)來最終確定，確定的原則是保證空氣導(dǎo)向裝置中有足夠的金線，金線不能被吹出空氣導(dǎo)向裝置，并且形成的金線弧度能夠有較好的張力。空氣導(dǎo)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(jīng)氣嘴進(jìn)入，再經(jīng)吹氣塊的小孔吹出，由于小孔效應(yīng)，不用過大的壓縮空氣，就可產(chǎn)生壓強(qiáng)較大的氣流。吹氣塊上小孔的多少也是影響吹氣質(zhì)量的重要因素，小孔的數(shù)量，可通過有限元分析和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)合確定找到適宜工作的最佳數(shù)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(chǎn)生的線弧的規(guī)則形狀。而空氣導(dǎo)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(dǎo)向裝置的安裝角度也是影響送線質(zhì)量的一個重要因素，因?yàn)榻鹁€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(dǎo)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(jù)空氣動力學(xué)有限元分析來理論確定，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)我們可最終確定，轉(zhuǎn)向軸—空氣導(dǎo)向裝置—張線器的最佳相對位置關(guān)系。

送線機(jī)構(gòu)的送線控制如下：進(jìn)線主要由光纖傳感器和導(dǎo)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(yīng)的金線在空氣導(dǎo)向裝置中的位置會降低，當(dāng)金線下降過程中經(jīng)過光纖傳感器視覺范圍時，電機(jī)進(jìn)行送線運(yùn)動。根據(jù)焊線速度，電機(jī)旋轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)背后的水銀滑環(huán)形成的電氣通路來實(shí)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(yīng)的零件纏繞，然后將金線繞過轉(zhuǎn)向軸，并進(jìn)入空氣導(dǎo)向裝置，再穿過張線器，進(jìn)入劈刀。焊線過程中，如若出現(xiàn)斷線情況，通過實(shí)時檢測的電信號會給系統(tǒng)以反饋，實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，線軸只能沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。

1.3 送線機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的雙傳感器形式。其工作原理是，當(dāng)焊線時，線軸和劈刀之間的金線會逐漸變短，相應(yīng)的金線在空氣導(dǎo)向裝置中的位置會降低，當(dāng)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(jī)順時針轉(zhuǎn)動，送線進(jìn)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(yuǎn)離第一傳感器，同時電機(jī)在金線下一次碰到第一傳感器的時間段內(nèi)處于停止?fàn)顟B(tài)。隨著焊線的不斷進(jìn)行，金線最終會沒有足夠的長度，會越過第一傳感器，當(dāng)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(jī)構(gòu)的單傳感器形式

如圖2所示，是送線機(jī)構(gòu)的單傳感器形式。其工作原理是，進(jìn)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(dāng)焊線不在傳感器感覺范圍內(nèi)時，傳感器產(chǎn)生觸發(fā)信號，系統(tǒng)讓送線電機(jī)運(yùn)動起來。當(dāng)光電傳感器感覺到焊線時，或者，在進(jìn)線最短持續(xù)時間之后，送線電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。壓縮空氣引導(dǎo)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(nèi)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(dǎo)氣里焊線的出現(xiàn)。當(dāng)有需要時，焊線被卷出傳感器之外，這樣可以使送線電機(jī)運(yùn)作。當(dāng)進(jìn)線足夠，壓縮空氣能將焊線移到傳感器探測范圍之內(nèi)，送線電機(jī)將停止運(yùn)行。

送線機(jī)構(gòu)的空氣導(dǎo)向裝置部分設(shè)計采用單傳感器模式還是雙傳感器模式，要根據(jù)實(shí)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(dǎo)并保持從空氣導(dǎo)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(xué)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(dú)立的腔體產(chǎn)生的合力來實(shí)現(xiàn)的：第一部分由高壓氣流產(chǎn)生，高壓氣體經(jīng)腔體2和楔形口進(jìn)入腔體1，經(jīng)腔體1排出，由于氣體與金線存在粘滯力，氣流運(yùn)動可以帶動金線一起運(yùn)動，從而使金線向上張緊；第二部分是真空氣流產(chǎn)生，外部氣體通過腔體5進(jìn)入腔體4，通過氣管2進(jìn)入封閉的氣路，在腔體5中由于氣流向上運(yùn)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(chǎn)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(nèi)孔直徑與金線直徑差不多大，當(dāng)金線通過腔體3時，金線與腔體3之間的間隙會對氣體產(chǎn)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(jìn)入氣路2中）。

圖3 張線器

3 設(shè)計要點(diǎn)

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?yàn)榻鹁€易磨損，所以運(yùn)行一段時間后，導(dǎo)向裝置會布滿粉塵，需要定期清洗，這就要求送線機(jī)構(gòu)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(nèi)，送線要流暢。同時金線要保持與機(jī)殼絕緣，以保證斷線檢測的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

全自動引線鍵合機(jī)是半導(dǎo)體后封裝工序中的關(guān)鍵性設(shè)備，其性能的好壞直接影響到芯片的最終質(zhì)量性能。送線機(jī)構(gòu)雖然是全自動引線鍵合機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計是全自動引線鍵合機(jī)性能可靠的最基本要求。

[1]何田.引線鍵合技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2004，33(10)：12-14.

[2]中國機(jī)械工程學(xué)，中國機(jī)械設(shè)計大典[M].江西科學(xué)出版社.

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