焊线机的维护研究论文

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18028型焊线机的工作原理、结构特点

1.18028型焊线机工作原理

本机利用超声波摩擦原理来实现不同介质的表面焊接,是一种物理变化过程。首先金丝的首端必须经过处理形成球形(本机采用负电子高压成球),并且对焊接的金属表面先进行预热处理；接着金丝球在时间和压力的共同作用下,在金属焊接表面产生朔性变形,使两种介质达到可靠的接触,并通过超声波摩擦振动,两种金属原子之间在原子亲和力的作用下形成金属键,实现了金丝引线的焊接。金丝球焊在电性能和环境应用上优于硅铝丝的焊接,但由于用贵金属的焊件必须加温,应用范围相对比较窄。

图1.18028型焊线机

1.28028型焊线机的结构组成

1.2.1新型的料盒承载系统

新式料盒承载系统：90mm宽的轨道容量，优化的速度可满足客户的应用需要，实现高产量，并提高工作效率。简洁的料盒手柄设计：采用简化设计，使之更加可靠并易于转换。

1.2.2图像识别系统

新式图像采集引擎：强健的操作为不同的管芯和引线框架原料提供了最高的精确性和识别率。

1.2.3新式NV-照明

采用工程照明源，为小型管芯提高了识别率。先进的图像采集技术：经过改良的处理周期，视点关联性和向前的光学特性为当今受成本驱动的封装行业提出了新的标准。

1.2.4K&S检验技术

高分辨率的X/Y台面，适合高速的高解析度的X/Y工作台，采用高性能的工作台及其出众的可重复性配置，提供了更快的焊接速度。使用先进的轻质材料，却不降低硬度。

1.2.5高性能的伺服马达技术

经过检验的线性马达技术为高速焊接提供了最快的响应时间，且在大量生产及长期使用中验证了其可靠性。

1.2.6µT-超声波传感器

在最小冲击力下能够有效地发送稳定的超声波。

1.2.7Pro-Pulse夹线系统

快速的开闭动作，降低了焊接的整个周期、减少了维护量并提高了过程监控能力。

1.2.8Precision-ArcEFO系统

稳定的初始球（free-air-ball）控制确保高产量及出色的焊接良品率。

1.38028型焊线机的特点

本机的焊头架采用垂直导轨上下运动方式（Z向运动）二焊移动（跨距）通过焊头架水平导轨运动实现（Y向运动），两种运动均采用进口步进电机驱动，因此本机的一焊和二焊的瞄准高度，拱丝高度，跳线距离均可真正实现数字控制，从而保证了焊接的质量稳定，焊点控制精确，焊线质量重复率高，拱丝高度一致性好的优点；该机的二焊点可设定为自动焊接，操纵者只要需按一下操纵盒上的很界按钮即可按照操作员设定的参数完成整个焊接过程，使焊接速度更快，可以大幅度的提高单班产量（不同产品，产量可达每小时3000条线）。本机特有的多焊线全记忆功能使之在高端产品的应用上得心应手，满足了产品的高性能要求。8028Maxµmultra融合诸多技术改进，堪称当今综合封装应用的最佳选择。新型的焊接压力控制系统采用了压电传感技术，在不增加焊具冲击力的情况下，即可实现更高的焊接头速度。新型的微处理器控制系统提供了更快的处理能力，更有PC风格的USB功能来实现更为简单的软件和数据处理。另有一套增强型焊线进线/拉伸系统，降低了焊线进线途中的摩擦力，从而以更高的速度达成弧度控制的一致性。

（1）自动双向焊接第二点,且三轴(焊头,位移,送料)同步运行,大大提高了焊线的速度,对于两条线的蓝白管特别适用

（2）焊线速度可达(4-6K/H)自动机一般速度在8-12(K/H)

（3）不同操作模式,可以适用不同的初学者,熟练工及固晶不良,框架不良的影响

（4）计算机控制弧度形成,弧度可能是国内最好的

（5）由于采用自动检测瓷嘴是否到位和数控调整一检,二检高度,对一焊,二焊高度差较大的器件,也同样应对自如

（6）负电子成球(EFO),成球大小精确可调,一致性好,为此,可以大大节约金丝和提高劈刀的寿命

（7）调整方便,各种参数(超声功率,时间,压力,温度,烧球,弧度,尾丝,瞄准点高度,跨度等)均置于面板上,用旋钮调节

（8）温度采用PID系统,精确,稳定

（9）烧球不成功，自动报警

28028型焊线机设备故障诊断技术

2.1故障机理

通常我们说设备工作正常是指它具备应有的功能，没有任何缺陷，或虽有缺陷但仍在容限范围内。异常是缺陷有了进一步发展，使设备状态发生变化，性能恶化，但仍能维持工作。故障则是缺陷发展到使设备性能和功能都有所丧失的程度。

设备的异常或故障是在设备运行中通过其状态信号变化反映出的。由于监测与故障是在设备不停机的情况下进行的，因此必然以状态信号为依据。二次效应就是设备在运行中出现的各种物理的、化学的现象，如振动、噪声、超声功率,时间,压力,温度,烧球,弧度,尾丝,瞄准点高度,跨度等，这些都是焊线机设备运行所固有的。监测与诊断就是要快速、准确地提取设备运行时二次效应所反映的特征。

2.2焊线机的故障诊断过程

2.2.1状态监测

主要是测取与设备运行有关的状态信号。状态信号是故障信息的唯一载体，也是诊断的唯一依据。因此在状态监测中及时、准确地获取状态信号是十分重要的。

状态信号的获取主要是依靠传感器或其它监测手段进行故障信号的检测。焊线机检测中主要有以下几个过程：

（1）信号测取：主要是通过电量的或传感器组成的探测头直接感知被测对象参数的变化（如：当焊线机在焊线过程中出现二焊点脱落时，金线就会和地面形成回路，系统会自动报警）；

（2）中间变换：主要完成由探测头取得的信号的变换和传输；

（3）数据采集：就是把中间变换的连续信号进行离散化过程。数据是诊断的基础，能否采集到足够长的客观反映设备运行状态的信息，是诊断成败的关键。

2.2.2特征提取

就是从状态信号中提取与焊线机设备故障有关的特征信息。状态检修这样一种新的检修策略，它建立在对焊线机设备状态监测和对设备故障诊断技术上，根据焊线机设备的运行状态和健康状况，进行预知性作业。随着传感技术、微电子、计算机软硬件和数字信号处理技术、模糊集理论等综合智能系统在状态监测及故障诊断中的应用，使基于设备状态监测和先进诊断技术的状态检修研究得到发展，成为故障诊断系统中的一个重要研究领域。实现焊线机设备状态检修的基础是各种设备的状态监测。状态监测能准确、实时地反映焊线机设备的状况和预测使用寿命，为检修决策提供依据。

2.2.38028焊线机的故障诊断

故障诊断就是根据所提取的特征判别状态有无异常，并根据此信息和其它补充测试的辅助信息寻找故障源。

你不能使用过去的工具来支持未来的制造生产。比如：一个简单的元件正在三个不同的焊线机上处理，同时每个焊线机由不同的操作者运行。新型MES系统将能回答下列问题：

哪个操作者与元件有关？

哪个焊线机将会被MES系统记录？

哪个金属线轴在组装元件时被使用？

如果金属丝有缺陷，哪个部分需要重做？

当金属丝拖拉检测进行时，哪台设备是作为信息源头被记录的？

设备人员怎样知道哪个工具需要维护?

设备人员怎样使用设备来检测没有记录的问题？

新型MES结构提供元件转移的灵活追踪，此转移独立于设备行为。结果是输入事务变得简单了，但全面的记录和分析却变得更多了。有关自动生产、周期时间和参量数据收集的过程信息被刚好获得了，这些信息来自操作者、设备、生产线、元件和产品。

2.38028型焊线机的故障诊断原理

设备诊断是利用被诊断的对象（焊线机）提供的一切有用信息，经过分析处理以获得最能识别设备状态的特征参数，以便做出正确的诊断结论。焊线机设备运行时产生多种信息，当其功能逐渐劣化时，就出现相应的异常信息，如机器的状态变化而产生的异常振动、噪声、温度、超声功率等信号；焊线机劣化过程产生的磨损微粒、油液及气体成分变化的化学信号等。利用检测仪器对最敏感的故障特征信号进行状态监测，做出正确的分析和诊断，可以及时预测机器设备可能发生的故障。

传感器安装在诊断对象（焊线机设备）上，以传递温度、压力、振动、变形等信号，这些信号进一步转化为电信号，输入到信号处理装置，在信号处理装置中将输入的诊断信号与预先储存在系统内的标准信号进行比较，标准信号是根据事先积累的大量数据资料和实际经验分析归纳而制定出来的判定标准，是设备各种参数的允许值。通过比较做出判断，确定故障的部位和原因，预测可能发生的故障。

38028型焊线机的常见的故障及诊断排除

焊线机在工作过程中最常出现的故障有引线短路、铝柱状突起、一焊点不粘、二焊点脱落、各种误测报警、断线、球规等等。由于线弧异常、颈部靠等因素造成的引线短路是最常见的故障；另外，由于温度的原因造成在铝晶粒的边界，应力释放，形成铝的柱状突起缺陷也是常见的故障之一。因此，本章第一节主要介绍了封装中的引线短路现象及诊断排除，第二节主要介绍了高温厚铝溅射时柱状突起缺陷现象及诊断排除。

3.1采用交叉引线技术维修焊线中的引线短路

在焊线机工作过程最常出现的故障中，由于线弧异常、颈部靠等因素造成的引线短路是最常见的异常之一。下面主要介绍设备人员在解决引线短路所采用的方法。

引线键合工艺中常见的缺陷之一就是引线短路的问题。单个芯片中的两根导线上会产生这种现象，多个芯片应用中更为复杂的精细引线上也会出现这种现象。考虑到引线键合工艺的复杂性，我们认为芯片密封工艺期间成型复合材料的反向流动是影响引线短路的重要因素，因此分析起来就更加复杂。根据工艺、封装、工艺环境、材料和应用领域的不同，所采取的解决方法也会有所不同。失效机理不同解决方法也就不同，所采用的解决办法可从改变环路参数到改变芯片位置，方法很多，也各不相同。本文着重介绍了设备人员采用交叉引线技术与优化成型转移参数分布相结合的方法解决引线短路问题。我们将引线交叉技术作为当前解决间断性电短路问题的最佳手段。此外为了控制引线短路，我们还对成型工艺做了一些相应的变化和调整。

金(Au)、铝(Al)和铜(Cu)都是引线键合工艺中最常用的引线材料。引线的作用是充当半导体芯片与引线框架或基板之间的一级互连。图3.1给出了芯片与引线框架（多芯片与单芯片应用）之间一级互连变化情况的典型实例。

图3.1采用金引线键合技术时的一级互连变化情况

引线的直径一般在0.8至20mils之间，分为细引线和粗引线两种类型。直径小于2mils的引线称为细引线，而直径大于2mils的引线称为粗引线。如果不考虑引线材料的影响，引线键合缺陷表现有几种常见的失效模式。其中最为常见的失效模式就是引线与引线之间的短路，一般称为“短路”。图3.2示出了引线短路的实例。

图3.2引线与引线之间的短路，即通常所称的“短路”现象

3.1.1引线与引线间的短路现象

不同的短路现象具有不同类型的失效机理。最令用户担心的失效类型是某些电短路失效已经产生，但在单元测试工艺期间由于读数时断时续或模糊不清而造成漏测。图3.3示出了可能使测试过程中读数不连续的典型的短路现象。在这种失效模式中，造成短路测试读数不连续的罪魁祸首就是薄薄的塑封成型复合材料。

图3.3由于接触面上覆盖着一层极薄的塑封成型复合材料，因而导致了单元测试读数的时断时续

3.1.2造成引线短路的因素

考虑到器件或封装的类型会有所不同，要确定键合焊盘的结构和引线的粗细程度就必须对引线的性能进行全面的了解。完成引线键合工艺需要考虑的一个重要因素就是环路的高度。尤其是当键合焊盘的节距非常紧凑或当键合焊盘的设计不同时（如图3.4所示），对环路高度的优化设置就显得更加重要。

图3.4通过本环路高度模拟结果可看到，引线拉细有可能导致引线折断和引线松垂等问题

因此，通过对环路类型的选择、优化环路高度、键合焊盘节距间隔等因素进行综合考虑就可以找到一种较为合理的技术选择。图3.5示出了环路高度、键合节距间隔的调节与引线拉细以及引线松垂之间的相互关系。一旦获得最佳的结构，即可将这一方案应用于下一步成型密封研究中，从而揭开导致引线短路现象产生的真正原因。

图3.5对环路高度和键合节距间隔进行调整时的典型引线特性

3.1.3引线短路的故障排除方法

成型密封工艺对引线短路与成型流程机理间的有着十分重要的关联。就引线位置而言，加压成型的流动方向会对引线的偏距造成一定的影响。

必须对相关的成型参数进行成型表征并对其加以识别。根据研究结果，可以将成型转移压力做为一个重要的影响参数进行考虑，对其进行表征以获得最佳值和较高的安全允许范围。

解决方案：考虑了三种实验设计方案：环路参数表征、与交叉引线技术相结合的环路类型选择、优化成型转移分布。

环路参数表征：

我们采用现有的材料、引线键合设备、成型工艺和条件对10条引线进行了实验，以确定引起引线短路的最大环路参数。

主要考虑了三种成型参数：第一种是转移压力，第二种是停顿时间，第三种是转移速度。上述全部参数，在其改变前后都进行了收集和监测。

必须研究用交叉引线技术对引线键合环路参数进行表征的结果与成型转移分布之间的相互关系以获得最佳的工艺参数。同时还要衡量运用交叉引线技术的效果。

采用交叉引线技术时对引线键合环路类型的选择

对正常环路型和梯形环路型两种环路类型进行了考虑并对两种类型加以比较。因为梯形环路中形成的第二个扭结的特点非常适合作为额外保护结，用以防止成型流动效应引起的引线偏差，因而我们选择了梯形环路。为了提高引线键合的效率，使用交叉引线技术。首先要从修改参数上实现一个目标，即同一个接地引脚中的每一条引线不会导致任何的短路机理，每一条引线都得到相互支撑而不是只支撑孤零零的一条引线，这种方法具有一个重要的优点，再与交叉引线布局方法相结合就可以解决引线短路本身的隔离问题。双引脚交叉引线产生的严重的引线弯曲结果说明，引线平均摆动最低，在结果一定的情况下，我们选择了采用交叉引线技术的双引脚作为这两种方法中较好的引线布局设计。

对转移压力和时间进行调整和优化之前和之后都要进行上述分析。对这些参数完成优化之后，即可发现转移参数分布会有所改善，而且就引线偏差而言最终产品的质量还会有所提高。我们发现采用交叉引线技术与优化成型转移参数分布相结合的方法可以彻底消除由成型工艺流程影响而导致的引线短路现象。

3.2高温厚铝溅射时柱状突起故障诊断与排除

本节介绍了高温厚铝溅射（Alsputter）时柱状突起缺陷（whiskerdefect）的产生原因，针对影响柱状突起缺陷的各个因素，进行分析诊断，数据化各因素的影响程度，找出最大的影响因素，实现了一种在现有的设备条件并保证产品质量的前提下，以最小成本控制和优化铝柱状突起缺陷的方法。

溅射法是在半导体制程焊接中用于铝互连线淀积的最主要方法，基本原理：在工艺腔中形成等离子体环境，用带正电的气体离子氩轰击靶材，把动能直接传递给靶材原子，从而使靶原子逸出，淀积在衬底材料上的物理化学过程。氩不断轰击靶材，靶原子不断淀积在衬底材料上，在此过程中会产生大量热量，从而导致工艺腔升温，工艺腔需要有良好的温控系统。在某一制程中，由于大电流通过的要求，顶层金属铝需要加厚到一定厚度，溅射时温度设定为300℃，在现有的工艺条件下，连续溅射淀积如此厚的金属，在铝溅射完成后产生大量缺陷，由于此种缺陷目视时为沿铝晶粒边界的柱状突起，定义此种缺陷为铝柱状突起缺陷（Alwhiskerdefect）。质量与成本在生产过程中永远是对立统一的两面，寻求两者的平衡是工业化的基础。在设备成本增加最少，设备生产效率影响最小的前提下，控制和排除铝柱状突起缺陷，使得其对质量无影响，是本节讨论的目标。

3.2.1铝柱状突起缺陷形成诊断分析

某产品在风险量产时，顶层铝刻蚀后在线缺陷检测发现大量缺陷，全数检测此批次产品所有硅片，所有硅片都缺陷超标。生产线停止，设备检查，并对生产线上其它产品进行缺陷检测，未发现缺陷超标，初步判断只是此批工艺产品缺陷超标。针对此问题进行分析定位。

图3.6铝溅射后显微镜下的照片图3.7铝溅射后扫描电镜下的照片

图3.8铝刻蚀后显微镜下的照片图3.9铝刻蚀后电镜下的照片

3.2.2缺陷的分析、定位过程

顶层铝刻蚀完成后在线检测发现大量缺陷，显微镜下目视为小黑点（图3.8）。

扫描电镜观察为柱状突起刻蚀残留（图3.9），进行成分分析，确定残留物的主要成分为铝。

对铝刻蚀前可能产生缺陷的工艺步骤进行分析，设备状态确认,增加在线检测，寻找缺陷的来源。

顶层铝溅射后在线检测发现大量缺陷，显微镜下目视为小黑点（图3.6），扫描电镜观察为柱状突出（图3.7），跟踪此缺陷，在铝刻蚀后此缺陷表现为柱状突起刻蚀残留（3.9），确定缺陷为铝溅射产生。

检查工艺设备历史记录，未发现异常。同一工艺腔进行重复试验，检测到缺陷。用其它设备的同样工艺腔重复试验，检测到缺陷。判断与此制程产品的铝溅射工艺有关。

追加扫描其它层次铝溅射，未发现同样缺陷。进行不同厚度铝溅射，薄铝条件时未发现缺陷，厚铝条件时缺陷数量增多。判断此种缺陷的产生与铝厚度有关。

3.2.3工艺条件对铝柱状突起缺陷的影响分析

在上面的分析中已确定了铝柱状突起缺陷的产生原因：温度积累产生应力释放。在工艺过程中影响温度的原因有很多：溅射压力、功率、溅射速率、铝厚度、工艺腔真空度、加热台温度设定和靶材寿命等。现在我们需要在这些条件中找出对缺陷影响最大的因素。

工艺条件比较：通过对溅射时每一片硅片的工艺参数比较（溅射功率、工艺腔真空、压力条件、溅射实际时间和溅射稳定时间等），一个批次溅射时第一片硅片和最后一片硅片工艺条件无差异。

设备条件比较：通过对每一片硅片工艺时的设备参数比较（硅片进入工艺腔前后的真空度比较、冷却水流量比较、工艺腔加热台温度设定比较等）发现工艺腔加热台温度第一片硅片和最后一片硅片存在差异，使用温测硅片（TCwafer）测量发现不同硅片间有20℃以上的差异。

温度是产生铝柱状突起缺陷的最主要因素，之所以缺陷数量随溅射硅片数量的增加而增加是由于连续溅射，溅射时的等离子体连续轰击工艺腔，造成工艺腔加热台温度由于散热效率不够而升高，溅射的越多，温度越高，缺陷数量越多。

3.2.4铝溅射时温度变化分析

铝柱状突起缺陷产生原因找到，影响最大的因素“温度”也找到了，现在的问题是如何控制“温度”。为了不降低设备生产效率（改变工艺条件，降低溅射速率也可以有效控制温度，但严重降低设备效率），我们从分析分析工艺腔的构造入手，寻找控制硅圆片“温度”的方法。

3.2.5硅片热源的诊断分析

溅射时的等离子体轰击，使硅片升温的主要因素。硅片加热台（waferheater）的加热作用（使硅片保持在一个稳定的温度状态），工艺时间较短时，加热硅片，但在此工艺中，硅片由于等离子的轰击作用产生的升温，远高于加热台加热的升温，此时加热台起降温作用。

3.2.6硅片散热方式

辐射散热，但工艺腔为高真空，效率很低。

通过热传导散热：

（1）加热台热传导：在加热台下方有冷却水循环，以保证加热台能够在设定的温度范围内（＋/-10℃）。我们的工艺腔是普通爪式夹具加热台（Clampheater），控温能力有限，在高温厚铝溅射时对温度的控制很差（设备供应商处已有静电吸附式加热台）可以有效的控制温度，但成本高）。

（2）直接接触硅片的爪式夹具（Clamp）通过与其它部件的接触，热传导散热：在此工艺中爪式夹具也被等离子体轰击，并且材质为金属，受等离子体轰击的面积也大，升温很快，实际对硅片起加热作用。

3.2.78028型焊线机的工艺腔控温方式

工艺腔主体有独立循环冷却水，温度可以得到很好的控制。

靶材部件有独立循环冷却水，温度可以得到很好的控制。

加热台有独立循环冷却水，但在此种长时间的工艺过程中，本文中设备使用的普通爪式夹具加热台（Clampheater）无法有效控制硅圆片温度。

爪式夹具及其接触部件Clamp，无循环冷却水，完全依靠本身材料散热，温度控制差。

3.2.8故障排除办法

给爪式夹具及其部件降温是我们现在可行的方法。成本最低是我们的目标，设备人员动手改造工艺腔给爪式夹具部件中的适配器添加一路循环冷却水,通过热传导作用，降低爪式夹具部件温度，从而给硅片降温。为了确认爪式夹具部件增加循环冷却水后对铝柱状突起缺陷的影响，比较增加前后的两个批次（试验条件：连续溅射厚度为3万埃的一个批次硅片，检测第2、6、11、18、25片硅片，比较缺陷数量）硅圆片的缺陷检测结果：增加循环冷却水后，缺陷数量明显减少。爪式夹具部件增加循环冷却水后，能够有效的减少铝柱状突起缺陷。

控制铝柱状突起缺陷除了上述的方法，还可以通过降低焊线机的溅射速率，降低工艺温度设定，更新工艺腔加热台类型（普通爪式夹具加热台Clampheater换成静电吸附式加热台ESCheater）等多种方法达到同样的效果。本节主要是分析一种在不对现有的工艺条件进行变更，设备成本不增加（自行动手增加循环冷却水，仅有加工费用）的情况下有效控制和排除铝柱状突起缺陷的简便易行方法

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