热声焊机压力控制系统分析

孙丽娜，马生生

（中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024）

热声焊机压力控制系统分析

孙丽娜，马生生

（中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024）

阐述了键合工艺中焊接压力对焊接效果的重要影响，介绍了热声焊机压力控制系统的机械结构组成，对压力控制系统进行运动和力学分析，最后给出了一种焊接压力的检测方法并得出检测数据。

压力控制系统；机械结构；运动和力学分析；检测方法

热声焊机用来完成微电子封装工艺中的关键工序—引线键合，如图1所示，引线键合（Wire Bonding）是在热、压力、超声波能量的共同作用下，使金属引线和金属焊盘交界面发生电子共享或原子的相互扩散，从而使两种金属实现原子量级上的焊合，引线两点键合可以实现芯片与基板间的电气互连或芯片间的信息互通。压力对键合效果起着重要的作用，引线与焊盘在焊接工具压力的作用下紧密接触，压力过小，键合工具不能牢固地压住引线，超声能量不能有效地传递到引线与焊盘的交界面上，导致焊接不牢固，压力过大会使引线的形变增大以致断裂，还有可能破坏焊盘镀层，同样不能达到理想的焊接效果。因此引线键合设备必须具备压力控制系统并能对焊接压力进行适当控制，才能满足键合工艺要求，二所研制的热声焊机就具有良好的压力控制系统。

图1 引线键合原理图

1 压力控制系统的机械结构组成

如图2所示，压力控制系统由若干机械零部件组成。底板在键合过程中固定不动。头部连接板通过轴3（两个，对称分布）与底板相连接，头部连接板可绕轴3转动。头部通过轴1（两个，对称分布）与头部连接板相连接，头部可绕轴1转动。键合工具固定在头部上，随头部一起运动。头部和底板分别通过轴2与轴4连接两个连接块，连接块可绕轴转动。连接片同两连接块用螺钉紧固将两连接块连接在一起，轴1、2之间的距离和轴3、4之间的距离相等且不变，通过调整连接片可以微调轴2、4之间的距离使其与轴1、3间距离相等，四个轴的轴心就位于一平行四边形的四个顶点。气缸后连接板固定在底板上保持不动，气缸前连接板固定在头部连接板上随头部连接板一起运动，气缸固定在气缸后连接板上，气缸的活塞杆向前伸出穿过气缸前连接板，旋钮通过螺纹连接于气缸活塞杆上，弹簧1（压簧）位于旋钮和气缸前连接板之间，弹簧2（压簧）位于气缸前后连接板之间。常闭触点开关位于头部连接板与底板之间，控制键合过程的启闭。

2 压力控制系统运动分析

键合开始前，将键合工具调整到与焊盘垂直，整个压力控制系统向下移动，当键合工具与焊盘接触瞬间，底板锁定不动，接触力逐渐增大到一定值的时候，头部和头部连接板受到力矩作用分别开始绕轴1和轴3旋转一微小角度，触点开关随即断开，将这时键合工具与焊盘之间的接触力定义为焊接压力。

可以将底板、头部连接板、头部、连动块+连接片看作一四连杆机构，在运动过程中，轴1、2、3、4的位置如图3所示，可以看出轴1、2、3、4始终位于平行四边形的四个顶点位置，轴1和轴2之间的连线始终处于竖直方向，这样的平行四边形结构保证了头部在运动过程中不会发生转动，键合工具始终与焊盘垂直接触，不仅使接触面积始终最大化，也使焊接压力保持恒定。平行四边形结构还能使键合工具和焊盘软接触，较柔和的接触冲击力可以避免损坏一些较脆弱的器件。

图2 压力控制系统机械结构组成

图3 平行四边形连杆机构

当键合工具与焊盘的接触力增大到焊接压力时触点开关断开，断开的瞬间向设备控制系统发出信号，键合过程开始，设备随即执行一系列键合动作，如发射超声能量、送线断线等。

3 压力控制系统力学分析

当焊接工具和焊盘的接触力达到焊接压力触点断开后，底板固定不动，头部连接板绕轴3也不再有转动的趋势，沿轴3的轴线方向达到力矩平衡状态，这时沿轴3轴线方向的受力如图4所示，系统受到自身重力、焊接压力和弹簧弹力的力矩作用，设弹簧1的劲度系数为k1，弹簧2的劲度系数为k2。设F焊作用力力臂为L1，重力作用力力臂为L2，F弹作用力力臂为L3，根据力矩平衡公式有：

其中，F弹=k1x1-k2x2，由此，将公式（1）展开得到公式（2）如下：

由于重力及弹簧2的弹力和各个力臂都是常数，因此上述公式（2）又可表述为公式（3），其中，a、b为常数。

可以看出焊接压力F焊仅与弹簧1的形变量有关，弹簧1形变量越大，焊接压力越小，由于顺时针旋转旋钮可使弹簧1形变量增大，因此简单顺时针旋转旋钮就可减小焊接压力，反之，可增大焊接压力。

键合工艺中最常见的是两点焊接，有时要求两点的焊接压力不同，这时可以通过气缸来自动调节，设备控制系统可控制气缸活塞杆自动滑动到不同的位置，这样就改变了弹簧1的形变量，使两点的焊接压力取不同值。

图4 压力控制系统受力图

4 焊接压力检测方法

焊接压力的检测方法简单，使用一只克力计就可以来检测焊接压力的大小，如图5所示，用克力计的探针轻轻将头部抬起直至触点断开，这时克力计的读数就是焊接压力的大小。

图5 焊接压力检测方法

弹簧1劲度系数为50g/mm，总长40mm，弹簧2劲度系数为20g/mm，总长为25mm。经实验可得到弹簧1形变量及焊接压力随旋钮顺时针旋转圈数的变化，实验中，弹簧1的初始形变量为1.75mm，弹簧2的初始形变量为10mm，实验数据见表1。由表中数据可以看出，随着旋钮顺时针旋转，弹簧1形变量逐渐增大，焊接压力逐渐减小，旋钮每顺时针旋转一圈，焊接压力大约减小20g左右。图6为焊接压力F焊随弹簧1形变量x1的变化趋势，可以看出，F焊与x1基本上符合F焊=a-bx1的变化趋势，实验所用的检测方法有效。

表1 弹簧形变量及焊接压力随旋钮旋转圈数的变化数据

图6 焊接压力随弹簧1形变量 的变化趋势图

5 结束语

热声焊机压力控制系统机械结构简单，但能保证焊接压力的稳定，并使设备具有软接触功能，焊接压力的调整方法也比较简单有效。焊接压力是影响焊接效果的重要条件，热声焊机具有良好的压力控制系统，可以大大提高设备的性能，满足客户需求。

[1] 董永谦，王贵平等.热声焊机控制系统的开发[J].电子工艺技术，2007，28（2）：87-89.

[2] 马生生，孙丽娜，井文丽.热声焊机超声系统的设计和优化[J].电子工业专用设备，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

孙丽娜（1985—），女，河北石家庄人，助理工程师，主要从事电子工业专用设备的研发工作。