全自動(dòng)引線(xiàn)鍵合機(jī)的送線(xiàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(dòng)引線(xiàn)鍵合機(jī)是以金屬引線(xiàn)連接芯片焊盤(pán)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(guò)程的根本特征在于通過(guò)引導(dǎo)金屬引線(xiàn)在三維空間中作復(fù)雜高速的運(yùn)動(dòng)以形成各種滿(mǎn)足不同封裝形式需要的特殊線(xiàn)弧形狀。

全自動(dòng)引線(xiàn)鍵合機(jī)的機(jī)械組成主要包括XY工作臺(tái)、鍵合頭、光學(xué)系統(tǒng)、物料傳輸系統(tǒng)及送線(xiàn)機(jī)構(gòu)。

送線(xiàn)機(jī)構(gòu)是引線(xiàn)鍵合機(jī)的重要部件，它的作用是實(shí)時(shí)的為鍵合頭提供金線(xiàn)，使其能夠連續(xù)焊線(xiàn)，送線(xiàn)過(guò)程的好壞直接影響著焊線(xiàn)的效率和成功率，所以要求送線(xiàn)穩(wěn)定流暢。

1 送線(xiàn)機(jī)構(gòu)的構(gòu)成和送線(xiàn)過(guò)程

1.1 送線(xiàn)機(jī)構(gòu)的構(gòu)成及各部分的作用

送線(xiàn)機(jī)構(gòu)主要由線(xiàn)軸保護(hù)蓋、線(xiàn)軸、轉(zhuǎn)向軸、空氣導(dǎo)向裝置和張線(xiàn)器構(gòu)成（如圖1）。線(xiàn)軸保護(hù)蓋主要是防止金線(xiàn)污染，保證焊線(xiàn)的品質(zhì)，為了能夠在工作過(guò)程中實(shí)時(shí)觀察線(xiàn)軸的運(yùn)動(dòng)情況，并且防止靜電影響，線(xiàn)軸保護(hù)蓋一般選取防靜電有機(jī)玻璃板為設(shè)計(jì)材料。線(xiàn)軸主要作用是旋轉(zhuǎn)送線(xiàn)，纏有金線(xiàn)的套筒套在線(xiàn)軸上，考慮轉(zhuǎn)動(dòng)體要保證小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，線(xiàn)軸的設(shè)計(jì)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(xiàn)路徑，保證金線(xiàn)的弧度，其設(shè)計(jì)位置的最終確定要通過(guò)焊線(xiàn)工作中的調(diào)試來(lái)確定。空氣導(dǎo)向裝置主要是靠空氣浮起金線(xiàn)，防止金線(xiàn)損傷同時(shí)形成輔助線(xiàn)弧，儲(chǔ)存一定的金線(xiàn)；為了實(shí)時(shí)監(jiān)控金線(xiàn)的進(jìn)給情況，在空氣導(dǎo)向裝置中有監(jiān)測(cè)金線(xiàn)進(jìn)給情況的光電傳感器，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成雙光電傳感器和單光電傳感器兩種模式。張線(xiàn)器的作用是拉緊金線(xiàn)，在焊線(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)氣流控制配合鍵合頭運(yùn)動(dòng)形成焊接弧線(xiàn)，張線(xiàn)器的設(shè)計(jì)也直接影響到焊線(xiàn)的成功率和質(zhì)量。

圖1 送線(xiàn)機(jī)構(gòu)

1.2 送線(xiàn)機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程

送線(xiàn)機(jī)構(gòu)的送線(xiàn)路徑如下：線(xiàn)軸電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)線(xiàn)軸旋轉(zhuǎn)提供金線(xiàn)，金線(xiàn)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(guò)氣嘴把金線(xiàn)在導(dǎo)向裝置中浮起并使金線(xiàn)保持一定的弧度，然后穿入張線(xiàn)器，最后進(jìn)入劈刀。

其中壓縮空氣的流量通過(guò)流量閥控制，焊線(xiàn)工作時(shí)流量閥的示數(shù)多少，要通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)來(lái)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(xiàn)，金線(xiàn)不能被吹出空氣導(dǎo)向裝置，并且形成的金線(xiàn)弧度能夠有較好的張力?？諝鈱?dǎo)向裝置中有兩個(gè)擋線(xiàn)柱，其擋住被壓縮空氣吹過(guò)來(lái)的金線(xiàn)，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(guò)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(guò)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(guò)兩個(gè)擋線(xiàn)柱的中間位置，這樣就保證了所產(chǎn)生的線(xiàn)弧的規(guī)則形狀。而空氣導(dǎo)向裝置中用于擋線(xiàn)和走線(xiàn)的零件考慮到防止金線(xiàn)斷線(xiàn)的情況發(fā)生，零件的加工要求較高的平面度和光潔度?？諝鈱?dǎo)向裝置的安裝角度也是影響送線(xiàn)質(zhì)量的一個(gè)重要因素，因?yàn)榻鹁€(xiàn)的張力，弧度和其傳入張線(xiàn)器的角度都是是否斷線(xiàn)，是否焊線(xiàn)成功的因素。而空氣導(dǎo)向裝置的安裝角度是對(duì)線(xiàn)弧形成路徑的最主要的影響因素，這個(gè)角度的確定可根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)有限元分析來(lái)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(xiàn)器的最佳相對(duì)位置關(guān)系。

送線(xiàn)機(jī)構(gòu)的送線(xiàn)控制如下：進(jìn)線(xiàn)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(xiàn)軸和劈刀之間的金線(xiàn)長(zhǎng)度基本保持一個(gè)恒定值。焊線(xiàn)時(shí)，線(xiàn)軸和劈刀之間的金線(xiàn)會(huì)逐漸變短，相應(yīng)的金線(xiàn)在空氣導(dǎo)向裝置中的位置會(huì)降低，當(dāng)金線(xiàn)下降過(guò)程中經(jīng)過(guò)光纖傳感器視覺(jué)范圍時(shí)，電機(jī)進(jìn)行送線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)焊線(xiàn)速度，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定時(shí)間后停止送線(xiàn)。對(duì)于斷線(xiàn)的監(jiān)測(cè)是通過(guò)線(xiàn)軸上金屬零件和送線(xiàn)機(jī)構(gòu)背后的水銀滑環(huán)形成的電氣通路來(lái)實(shí)現(xiàn)。將金線(xiàn)安裝到線(xiàn)軸上后，要將金線(xiàn)的尾線(xiàn)和線(xiàn)軸上相應(yīng)的零件纏繞，然后將金線(xiàn)繞過(guò)轉(zhuǎn)向軸，并進(jìn)入空氣導(dǎo)向裝置，再穿過(guò)張線(xiàn)器，進(jìn)入劈刀。焊線(xiàn)過(guò)程中，如若出現(xiàn)斷線(xiàn)情況，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)的電信號(hào)會(huì)給系統(tǒng)以反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，線(xiàn)軸只能沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

1.3 送線(xiàn)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(xiàn)機(jī)構(gòu)的雙傳感器形式。其工作原理是，當(dāng)焊線(xiàn)時(shí)，線(xiàn)軸和劈刀之間的金線(xiàn)會(huì)逐漸變短，相應(yīng)的金線(xiàn)在空氣導(dǎo)向裝置中的位置會(huì)降低，當(dāng)金線(xiàn)下降到第一光纖傳感器的視覺(jué)范圍后，電信號(hào)觸發(fā)，系統(tǒng)控制送線(xiàn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，送線(xiàn)進(jìn)行。此時(shí)，金線(xiàn)長(zhǎng)度充足后，在壓縮空氣的作用下，金線(xiàn)又一次被吹開(kāi)，遠(yuǎn)離第一傳感器，同時(shí)電機(jī)在金線(xiàn)下一次碰到第一傳感器的時(shí)間段內(nèi)處于停止?fàn)顟B(tài)。隨著焊線(xiàn)的不斷進(jìn)行，金線(xiàn)最終會(huì)沒(méi)有足夠的長(zhǎng)度，會(huì)越過(guò)第一傳感器，當(dāng)金線(xiàn)下降到第二光纖傳感器的視覺(jué)范圍后，電信號(hào)觸發(fā)，此時(shí)反饋給系統(tǒng)的信息是需要更換金線(xiàn)，因此焊線(xiàn)停止。

圖2 送線(xiàn)機(jī)構(gòu)的單傳感器形式

如圖2所示，是送線(xiàn)機(jī)構(gòu)的單傳感器形式。其工作原理是，進(jìn)線(xiàn)由一個(gè)光電傳感器控制，傳感器基本上能保持線(xiàn)軸和焊線(xiàn)工具之間的焊線(xiàn)恒定長(zhǎng)度。當(dāng)焊線(xiàn)不在傳感器感覺(jué)范圍內(nèi)時(shí)，傳感器產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，系統(tǒng)讓送線(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)起來(lái)。當(dāng)光電傳感器感覺(jué)到焊線(xiàn)時(shí)，或者，在進(jìn)線(xiàn)最短持續(xù)時(shí)間之后，送線(xiàn)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。壓縮空氣引導(dǎo)焊線(xiàn)軸和張線(xiàn)器之間的焊線(xiàn)，壓縮空氣將焊線(xiàn)升起，形成輔助弧線(xiàn)，給在光電傳感器探測(cè)區(qū)域內(nèi)的焊線(xiàn)定位。只有在不需要焊線(xiàn)的時(shí)候，光電傳感器可探測(cè)到導(dǎo)氣里焊線(xiàn)的出現(xiàn)。當(dāng)有需要時(shí)，焊線(xiàn)被卷出傳感器之外，這樣可以使送線(xiàn)電機(jī)運(yùn)作。當(dāng)進(jìn)線(xiàn)足夠，壓縮空氣能將焊線(xiàn)移到傳感器探測(cè)范圍之內(nèi)，送線(xiàn)電機(jī)將停止運(yùn)行。

送線(xiàn)機(jī)構(gòu)的空氣導(dǎo)向裝置部分設(shè)計(jì)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(lái)確定。從成本上來(lái)說(shuō)，單傳感器模式成本較低，但是對(duì)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(xiàn)器的原理

張線(xiàn)器是引導(dǎo)并保持從空氣導(dǎo)向裝置到劈刀的焊線(xiàn)張力。使用壓力提高焊線(xiàn)張力。張線(xiàn)器安裝在光學(xué)系統(tǒng)的垂直照明外殼上。

張線(xiàn)器的張線(xiàn)原理（如圖3）：氣管1吹氣，氣管2通入壓縮空氣，張線(xiàn)器張緊金線(xiàn)是通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的腔體產(chǎn)生的合力來(lái)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(xiàn)存在粘滯力，氣流運(yùn)動(dòng)可以帶動(dòng)金線(xiàn)一起運(yùn)動(dòng)，從而使金線(xiàn)向上張緊；第二部分是真空氣流產(chǎn)生，外部氣體通過(guò)腔體5進(jìn)入腔體4，通過(guò)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(dòng)，在粘滯力的作用下帶動(dòng)金線(xiàn)向上張緊。通過(guò)腔體1和腔體5中產(chǎn)生的合力一起張緊金線(xiàn)。這其中腔體3的作用是隔離兩個(gè)腔體（由于腔體3的內(nèi)孔直徑與金線(xiàn)直徑差不多大，當(dāng)金線(xiàn)通過(guò)腔體3時(shí)，金線(xiàn)與腔體3之間的間隙會(huì)對(duì)氣體產(chǎn)生一個(gè)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(xiàn)器

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于金線(xiàn)硬度低，很容易磨損和折斷，所以要求送線(xiàn)路徑光滑，盡量避免硬接觸，同時(shí)路徑不能有特別小的彎角。因?yàn)榻鹁€(xiàn)易磨損，所以運(yùn)行一段時(shí)間后，導(dǎo)向裝置會(huì)布滿(mǎn)粉塵，需要定期清洗，這就要求送線(xiàn)機(jī)構(gòu)必須易于拆裝和清洗。另外送線(xiàn)角度要合適，在整個(gè)焊線(xiàn)范圍內(nèi)，送線(xiàn)要流暢。同時(shí)金線(xiàn)要保持與機(jī)殼絕緣，以保證斷線(xiàn)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

全自動(dòng)引線(xiàn)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(xiàn)機(jī)構(gòu)雖然是全自動(dòng)引線(xiàn)鍵合機(jī)上比較簡(jiǎn)單的部件，但是其直接影響到焊線(xiàn)的效率和成功率，因此穩(wěn)定可靠的送線(xiàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是全自動(dòng)引線(xiàn)鍵合機(jī)性能可靠的最基本要求。

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

[2]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)，中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典[M].江西科學(xué)出版社.

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