熱聲焊機壓力控制系統分析

孫麗娜，馬生生

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024）

熱聲焊機壓力控制系統分析

孫麗娜，馬生生

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024）

闡述了鍵合工藝中焊接壓力對焊接效果的重要影響，介紹了熱聲焊機壓力控制系統的機械結構組成，對壓力控制系統進行運動和力學分析，最后給出了一種焊接壓力的檢測方法并得出檢測數據。

壓力控制系統；機械結構；運動和力學分析；檢測方法

熱聲焊機用來完成微電子封裝工藝中的關鍵工序—引線鍵合，如圖1所示，引線鍵合（Wire Bonding）是在熱、壓力、超聲波能量的共同作用下，使金屬引線和金屬焊盤交界面發生電子共享或原子的相互擴散，從而使兩種金屬實現原子量級上的焊合，引線兩點鍵合可以實現芯片與基板間的電氣互連或芯片間的信息互通。壓力對鍵合效果起著重要的作用，引線與焊盤在焊接工具壓力的作用下緊密接觸，壓力過小，鍵合工具不能牢固地壓住引線，超聲能量不能有效地傳遞到引線與焊盤的交界面上，導致焊接不牢固，壓力過大會使引線的形變增大以致斷裂，還有可能破壞焊盤鍍層，同樣不能達到理想的焊接效果。因此引線鍵合設備必須具備壓力控制系統并能對焊接壓力進行適當控制，才能滿足鍵合工藝要求，二所研制的熱聲焊機就具有良好的壓力控制系統。

圖1 引線鍵合原理圖

1 壓力控制系統的機械結構組成

如圖2所示，壓力控制系統由若干機械零部件組成。底板在鍵合過程中固定不動。頭部連接板通過軸3（兩個，對稱分布）與底板相連接，頭部連接板可繞軸3轉動。頭部通過軸1（兩個，對稱分布）與頭部連接板相連接，頭部可繞軸1轉動。鍵合工具固定在頭部上，隨頭部一起運動。頭部和底板分別通過軸2與軸4連接兩個連接塊，連接塊可繞軸轉動。連接片同兩連接塊用螺釘緊固將兩連接塊連接在一起，軸1、2之間的距離和軸3、4之間的距離相等且不變，通過調整連接片可以微調軸2、4之間的距離使其與軸1、3間距離相等，四個軸的軸心就位于一平行四邊形的四個頂點。氣缸后連接板固定在底板上保持不動，氣缸前連接板固定在頭部連接板上隨頭部連接板一起運動，氣缸固定在氣缸后連接板上，氣缸的活塞桿向前伸出穿過氣缸前連接板，旋鈕通過螺紋連接于氣缸活塞桿上，彈簧1（壓簧）位于旋鈕和氣缸前連接板之間，彈簧2（壓簧）位于氣缸前后連接板之間。常閉觸點開關位于頭部連接板與底板之間，控制鍵合過程的啟閉。

2 壓力控制系統運動分析

鍵合開始前，將鍵合工具調整到與焊盤垂直，整個壓力控制系統向下移動，當鍵合工具與焊盤接觸瞬間，底板鎖定不動，接觸力逐漸增大到一定值的時候，頭部和頭部連接板受到力矩作用分別開始繞軸1和軸3旋轉一微小角度，觸點開關隨即斷開，將這時鍵合工具與焊盤之間的接觸力定義為焊接壓力。

可以將底板、頭部連接板、頭部、連動塊+連接片看作一四連桿機構，在運動過程中，軸1、2、3、4的位置如圖3所示，可以看出軸1、2、3、4始終位于平行四邊形的四個頂點位置，軸1和軸2之間的連線始終處于豎直方向，這樣的平行四邊形結構保證了頭部在運動過程中不會發生轉動，鍵合工具始終與焊盤垂直接觸，不僅使接觸面積始終最大化，也使焊接壓力保持恒定。平行四邊形結構還能使鍵合工具和焊盤軟接觸，較柔和的接觸沖擊力可以避免損壞一些較脆弱的器件。

圖2 壓力控制系統機械結構組成

圖3 平行四邊形連桿機構

當鍵合工具與焊盤的接觸力增大到焊接壓力時觸點開關斷開，斷開的瞬間向設備控制系統發出信號，鍵合過程開始，設備隨即執行一系列鍵合動作，如發射超聲能量、送線斷線等。

3 壓力控制系統力學分析

當焊接工具和焊盤的接觸力達到焊接壓力觸點斷開后，底板固定不動，頭部連接板繞軸3也不再有轉動的趨勢，沿軸3的軸線方向達到力矩平衡狀態，這時沿軸3軸線方向的受力如圖4所示，系統受到自身重力、焊接壓力和彈簧彈力的力矩作用，設彈簧1的勁度系數為k1，彈簧2的勁度系數為k2。設F焊作用力力臂為L1，重力作用力力臂為L2，F彈作用力力臂為L3，根據力矩平衡公式有：

其中，F彈=k1x1-k2x2，由此，將公式（1）展開得到公式（2）如下：

由于重力及彈簧2的彈力和各個力臂都是常數，因此上述公式（2）又可表述為公式（3），其中，a、b為常數。

可以看出焊接壓力F焊僅與彈簧1的形變量有關，彈簧1形變量越大，焊接壓力越小，由于順時針旋轉旋鈕可使彈簧1形變量增大，因此簡單順時針旋轉旋鈕就可減小焊接壓力，反之，可增大焊接壓力。

鍵合工藝中最常見的是兩點焊接，有時要求兩點的焊接壓力不同，這時可以通過氣缸來自動調節，設備控制系統可控制氣缸活塞桿自動滑動到不同的位置，這樣就改變了彈簧1的形變量，使兩點的焊接壓力取不同值。

圖4 壓力控制系統受力圖

4 焊接壓力檢測方法

焊接壓力的檢測方法簡單，使用一只克力計就可以來檢測焊接壓力的大小，如圖5所示，用克力計的探針輕輕將頭部抬起直至觸點斷開，這時克力計的讀數就是焊接壓力的大小。

圖5 焊接壓力檢測方法

彈簧1勁度系數為50g/mm，總長40mm，彈簧2勁度系數為20g/mm，總長為25mm。經實驗可得到彈簧1形變量及焊接壓力隨旋鈕順時針旋轉圈數的變化，實驗中，彈簧1的初始形變量為1.75mm，彈簧2的初始形變量為10mm，實驗數據見表1。由表中數據可以看出，隨著旋鈕順時針旋轉，彈簧1形變量逐漸增大，焊接壓力逐漸減小，旋鈕每順時針旋轉一圈，焊接壓力大約減小20g左右。圖6為焊接壓力F焊隨彈簧1形變量x1的變化趨勢，可以看出，F焊與x1基本上符合F焊=a-bx1的變化趨勢，實驗所用的檢測方法有效。

表1 彈簧形變量及焊接壓力隨旋鈕旋轉圈數的變化數據

圖6 焊接壓力隨彈簧1形變量 的變化趨勢圖

5 結束語

熱聲焊機壓力控制系統機械結構簡單，但能保證焊接壓力的穩定，并使設備具有軟接觸功能，焊接壓力的調整方法也比較簡單有效。焊接壓力是影響焊接效果的重要條件，熱聲焊機具有良好的壓力控制系統，可以大大提高設備的性能，滿足客戶需求。

[1] 董永謙，王貴平等.熱聲焊機控制系統的開發[J].電子工藝技術，2007，28（2）：87-89.

[2] 馬生生，孫麗娜，井文麗.熱聲焊機超聲系統的設計和優化[J].電子工業專用設備，2011，40（5）：48-51.

Thermoacoustic Welder Pressure Control System

Sun Li-na，Ma Sheng-sheng

The major impact bonding process in the welding pressure welding effect，introduced a thermoacoustic welding pressure control system of mechanical structures，pressure control system for motion and mechanical analysis. Finally，a welding pressure detection methods and test data obtained.

pressure control system；mechanical structure；movement and mechanical analysis；detection method

TN305

B

1003–6490（2016）04–0114–02

2016–03–20

孫麗娜（1985—），女，河北石家莊人，助理工程師，主要從事電子工業專用設備的研發工作。