介紹

焊線是加工集成電路和封裝之間電子連接的基本方法。焊線被認為是最具成本效益和靈活的連接技術(shù)，它被用于組裝絕大多數(shù)半導體封裝。從控制的觀點看，焊線是很具有挑戰(zhàn)性的，其要求極高的加速度，短位移，和極短的穩(wěn)定時間，很高的精確度，高的吞吐量。一個強大的控制平臺必須具備嚴格的性能。本文介紹了為什么ACS運動控制方案最適合焊線設(shè)備。

Figure 1:通用球形接合焊線設(shè)備

關(guān)于焊線

焊線機可以用金屬線生產(chǎn)直徑13um（0.5mil）的連接。連接是由高溫、壓力和超聲能量的組合在金線的末端產(chǎn)生焊接。焊線機的外觀與縫紉機相似。一個像面條一樣的一次性的工具，我們叫它毛細管，通過這個細管生成線并最終連接到半導體表面。產(chǎn)生一個線連接一般分為4個階段：1）在位置控制模式下將焊接珠放在墊上（半導體表面）  2）檢測焊機珠和墊之間的連接，在第一個連接形成的過程中平滑切換到力矩控制模式， 3）一旦連接完成，平滑轉(zhuǎn)換到位置控制模式，執(zhí)行一個坐標xyz的運動到第二個連接位置4）為形成第二個連接平滑轉(zhuǎn)換到力矩控制模式。

焊線機是一個包括xy平臺和被加到xy平臺上的連接頭（z軸）的三軸系統(tǒng)。Z軸組裝包括一個分辨率0.1um到0.2um的音圈，為了快速力響應(yīng)，音圈由一個高帶寬放大器（典型線性）供電。性能要求包括，針對線夾緊的高響應(yīng)，連接精度好于2um。Xy平臺由帶分辨率50-200nm的反饋并由高功率PWM放大器驅(qū)動的線性三相直流無刷馬達或者音圈 組成。Xy性能要求包括+-1um的高位置精確度。

技術(shù)要求

焊線機的目標是最大化吞吐量。典型的焊線機可見達到20線每秒，這要求每個軸（xyz）都有快速的移動和快速的穩(wěn)定，短的規(guī)劃時間（幾毫秒），非常快的加速度和加加速度（大于100G）沒有超調(diào)的最小整定時間，在高頻率時防止震動。其他要求包括坐標xyz運動，規(guī)劃生成到執(zhí)行的 反應(yīng)時間要短，主站、控制器、驅(qū)動器直接的實時數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)容量/吞吐量要高。

對于連接頭的專門要求包括高電流環(huán)帶寬（超過3khz）以適應(yīng)線夾緊時的高速力響應(yīng)高的位置帶寬（高于200hz）以適應(yīng)快速穩(wěn)定，低碰撞力，快速鏈接檢測，抑制力矩震動，彈力和重力補償。

ACS解決方案

ACS使用基于EtherCAT，分布式控制的架構(gòu)，這樣做可以基于提供模塊化，可擴展，標準化的組合創(chuàng)造用戶解決方案。在近期的焊線應(yīng)用中，ACS控制方案包括SPiiPlusSC + UDMlc + UDMba. SPiiPlusSC (軟控制器)是一個最先進的，基于pc的支持64軸聯(lián)動和5khz更新速率的無引腳控制器。UDMlc是低功率，少引腳，高性能，四軸驅(qū)動   可用于驅(qū)動連接頭軸。額外軸有一個好處是可以被用于添加一個性能要求不苛刻的典型的開環(huán)過程（比如開關(guān)一個快門）。UDMba是一個更高功率，高性能的雙軸驅(qū)動，用于驅(qū)動xy平臺

方案的特點

SPiiPlusSC + UDMlc + UDMba方案 有很多標準和可選的特征，這些特征可以被改變以滿足線連接過程的要求。首先SPiiPlusSC提供了主站到控制器之間最大通信吞吐量的可能性。因為主應(yīng)用和SPiiPlusSC屬于同一臺PC，共享內(nèi)存和事件，它們被用于超快速通信。與我們競爭的方案依賴于Ethernet 通訊，這將造成一個力矩控制的瓶頸和極限性能能力的性能。SPiiPlusSC的另一個特點控制器循環(huán)時間低于0.2毫秒，這樣可以達到更短的運動時間，減少反應(yīng)時間，達到更快的控制器響應(yīng)，更光滑的軌跡生成和前饋補償。

EtherCAT® 是注冊商標和專利技術(shù)，由德國倍福自動化有限公司許可。

ACS研發(fā)了很多適合焊線應(yīng)用的特殊算法，包括“Soft Touch”力控制，“ServoBoost”和“MotionBoost”。

“Soft Touch”力控制包含一個基于一些可選準則的快速接觸探測算法；這些準則包括位置誤差，驅(qū)動命令，或者模擬輸入（來自力傳感器）。它也包含非線性彈力補償，重力補償，和一個限制沖擊力和抑制震動的減震機制。對于線連接而言，在檢測碰撞之后，力矩按照預(yù)先定義的時序被施加（如果合適，插入圖片），之后系統(tǒng)平滑轉(zhuǎn)向位置模式。從位置模式轉(zhuǎn)向力矩模式然后再回到位置模式的過程是平滑的，這個過程在50usec內(nèi)完成。“ServoBoost”是一個針對高要求應(yīng)用研發(fā)的伺服算法。應(yīng)用“ServoBoost”可以在確保亞微米分辨率的前提下實現(xiàn)最大的帶寬和零整定時間。“MotionBoost”是為了達到最小整定時間和最好動態(tài)性能研發(fā)的運動規(guī)劃技術(shù)。特別地，它生成實時伺服更新率（20khz）的特殊設(shè)計的運動規(guī)劃，可以實現(xiàn)非常平滑和持續(xù)時間低至100-500us的快速運動。“MotionBoost”規(guī)劃生成優(yōu)于2階和3階運動規(guī)劃，因此在激烈運動時能夠減少伺服電流，允許進一步增加吞吐量。“MotionBoost”也支持到3軸的坐標運動。

Figure 2: 普通規(guī)劃和 MotionBoost規(guī)劃
黃色=通常規(guī)劃   綠色= MotionBoost規(guī)劃    紅色=位置誤差（通常規(guī)劃）  藍色=位置誤差（MotionBoost）

結(jié)論

線連接是一項具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，今天應(yīng)用SPiiPlusSC + UDMlc + UDMba，ACS運動控制可以提供更高性能的解決方案。SPiiPlusSC控制器能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的吞吐量和循環(huán)時間，支持處理如此高要求的應(yīng)用所需的特殊算法，而且沒有引腳。UDMlc and UDMba驅(qū)動的特點是少引腳和高性能，是線連接理想的選擇。在本文提到的許多acs產(chǎn)品和特點也可以應(yīng)用于除了線連接之外的應(yīng)用，包括自動IC編程器，pcb組裝，F(xiàn)PD檢測，晶圓檢測，X射線和CT影像，激光退火，振鏡運動，等等。另外，acs有非常專業(yè)，經(jīng)驗豐富的技術(shù)支持工程師幫助您解決應(yīng)用中的每一個挑戰(zhàn)；從設(shè)備設(shè)計到市場推廣。