焊線機(jī)超聲波閉環(huán)控制

崔存華，王 惟，朱紹德，賀云波，王 勇

（大族光電設(shè)備有限公司，廣東深圳 518057）

焊線機(jī)超聲波閉環(huán)控制

崔存華，王 惟，朱紹德，賀云波，王 勇

（大族光電設(shè)備有限公司，廣東深圳 518057）

超聲波是焊線機(jī)焊接過程中的重要參與元素，超聲波控制效果決定著焊接的品質(zhì)和速度。在分析超聲換能器頻率特性和電流響應(yīng)的基礎(chǔ)上，給出了頻率自動(dòng)跟蹤和電流受控輸出的閉環(huán)控制方案，提高了超聲波效率，縮短了響應(yīng)時(shí)間，增強(qiáng)了超聲波輸出的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方法實(shí)現(xiàn)了受控的上升時(shí)間和較小的超調(diào)

超聲波；閉環(huán)控制；焊線；半導(dǎo)體封裝

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，半導(dǎo)體器件價(jià)格不斷走低，合金線、銅線封裝應(yīng)用增多，同時(shí)，對(duì)封裝設(shè)備的單位產(chǎn)能要求越來越高。這些變化對(duì)焊線機(jī)超聲換能器的控制提出了更高的要求，即在盡量短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的焊接。

焊線是半導(dǎo)體封裝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，焊線技術(shù)直接關(guān)系到焊線品質(zhì)。所謂焊線技術(shù)，是用金線通過熱超聲波焊接將晶片電極與支架管腳連接（見圖1所示）。焊線的過程為：首先將金線的首端經(jīng)過負(fù)高壓電子打火形成球形，并且對(duì)焊接的金屬表面先進(jìn)行預(yù)熱處理，接著金線在時(shí)間和壓力的共同作用下，在金屬焊接表面產(chǎn)生塑性變形，使兩種介質(zhì)達(dá)到可靠的接觸，并通過超聲波摩擦振動(dòng)，兩種金屬原子之間在親和力的作用下形成金屬鍵，實(shí)現(xiàn)了金線引線的焊接。焊線用于實(shí)現(xiàn)不同介質(zhì)的表面焊接，是一種物理變化過程。熱超聲波焊接包括4大要素：超聲波、溫度、壓力和時(shí)間。具有成熟的超聲波驅(qū)動(dòng)技術(shù)是焊接質(zhì)量、焊接速度的決定性因素之一。

圖1 焊線原理圖

超聲換能器起振部件由壓電陶瓷組成，由于壓電陶瓷將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)需要一定的響應(yīng)時(shí)間，在換能器的起振過程中超聲振幅是條緩慢爬升的曲線，因此開啟超聲后過一段時(shí)間才能得到期望振幅的輸出，且振幅隨著壓力、溫度變化而變化。提高超聲效率，可從兩點(diǎn)著手，一是加快響應(yīng)時(shí)間，二是穩(wěn)定超聲振幅。這兩點(diǎn)可以通過頻率自動(dòng)跟蹤和電流受控輸出來實(shí)現(xiàn)，頻率自動(dòng)跟蹤保證換能器實(shí)時(shí)工作在機(jī)械諧振點(diǎn)上（此點(diǎn)效率最高），電流受控輸出可以得到期望的電流曲線，實(shí)現(xiàn)較快的響應(yīng)和穩(wěn)定的振幅。本文主要介紹頻率自動(dòng)跟蹤和電流受控輸出的實(shí)現(xiàn)方法。

1 超聲發(fā)生器系統(tǒng)方案

超聲發(fā)生器主要由波形發(fā)生、功率放大、阻抗匹配、電壓電流檢測和相位檢測等部分組成。超聲波發(fā)生器系統(tǒng)框圖見圖2。為實(shí)現(xiàn)超聲的閉環(huán)輸出控制，主控芯片采用FPGA，采用FPGA的優(yōu)勢是IO自定義、接口設(shè)計(jì)簡便靈活、FPGA內(nèi)部豐富的RAM資源可用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和觀測調(diào)試。

圖2 超聲發(fā)生器系統(tǒng)框圖

如圖2所示，波形發(fā)生采用DDS+DAC的結(jié)構(gòu)，DDS為直接數(shù)字合成器，提供頻率信號(hào)，DAC為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，提供幅度信息，頻率輸出疊加上幅度輸出即得到相應(yīng)超聲頻率的小信號(hào)。小信號(hào)經(jīng)功率放大、阻抗匹配施加到換能器上，激發(fā)換能器振動(dòng)。

超聲發(fā)生器采集環(huán)節(jié)主要采集4個(gè)信號(hào)，電壓有效值、電流有效值、電壓過零信號(hào)、電流過零信號(hào)，這些信號(hào)是頻率自動(dòng)跟蹤以及功率受控輸出的反饋環(huán)節(jié)，需要經(jīng)過濾波放大才能得到足夠幅度的純凈信號(hào)。

超聲發(fā)生器可以驅(qū)動(dòng)頻率在50～150 kHz的超聲換能器，實(shí)現(xiàn)0.5°的鎖相精度，最大輸出功率4 W（典型值），適用金線、合金線和銅線等常用半導(dǎo)體焊接線材。

2 頻率自動(dòng)跟蹤

根據(jù)超聲換能器的特性，施加相同電壓的條件下，在諧振頻率點(diǎn)工作時(shí)，超聲換能器的阻抗最低，電壓信號(hào)和電流信號(hào)的相位角為0，此時(shí)輸出電功率最大，超聲振動(dòng)最強(qiáng)。

超聲換能器的有效輸出功率P與有效電壓V、有效電流I和相位角φ的關(guān)系為：

為保證超聲電功率輸出效率最高，需要找到超聲換能器的諧振點(diǎn)?？赏ㄟ^兩種方法尋找諧振點(diǎn)，一種是電流最大法，另一種是鎖相法。由于超聲換能器的電流響應(yīng)時(shí)間多為毫秒級(jí)，而一次超聲鍵合多不超過10 ms，電流最大法不適用于實(shí)際生產(chǎn)。鎖相法以電壓電流信號(hào)的相位差（相位角的數(shù)字量）作為反饋信號(hào)，參與頻率的閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤，時(shí)刻保證超聲換能器工作在諧振點(diǎn)上。并且鎖相時(shí)必須限定工作頻率范圍，避免鎖在反諧振點(diǎn)上。

鎖相的系統(tǒng)框圖見圖3。

圖3 鎖相系統(tǒng)框圖

圖 4超聲電壓、電流、振動(dòng)關(guān)系

FPGA操作DDS輸出頻率信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路和阻抗匹配后施加在超聲換能器上激發(fā)振動(dòng)。超聲換能器的電壓、電流信號(hào)經(jīng)濾波放大后通過過零比較，再經(jīng)過FPGA內(nèi)部的鑒相環(huán)節(jié)計(jì)算出相位差。得到相位差后，相應(yīng)地調(diào)整輸出頻率。通過實(shí)時(shí)地采集相位差進(jìn)行頻率閉環(huán)調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)頻率實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤，保證超聲電功率輸出效率最高。

超聲波發(fā)生器可通過修改中心頻率，驅(qū)動(dòng)頻率在50～150 kHz之間的超聲換能器，在0.2 ms左右實(shí)現(xiàn)最高0.5°的鎖相精度。

3 電流受控輸出

正常模式下，通過設(shè)置一個(gè)恒定的DAC值來控制超聲輸出。忽略采樣電阻在不同電流下的分壓值不同的影響，正常模式類似于恒壓模式，即超聲電壓輸出恒定。在正常模式下對(duì)超聲換能器進(jìn)行激光測振實(shí)驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)見圖4。

圖4中通道1（黃色線）是超聲換能器電流，通道2、3是電壓，通道4（藍(lán)色線）是激光測振儀輸出的振動(dòng)速度信號(hào)。圖中顯示，超聲電流與超聲振動(dòng)呈正比關(guān)系，且正常模式下超聲電流上升緩慢，3 ms以后電流才能爬升到穩(wěn)定狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)中，我們還發(fā)現(xiàn)，正常模式下負(fù)載變化時(shí)，負(fù)載電流會(huì)隨之波動(dòng)，不能保持在穩(wěn)定狀態(tài)。為更好的控制超聲振幅，可以通過調(diào)節(jié)超聲電流來實(shí)現(xiàn)，這就是恒流模式。恒流模式的控制原理見圖5。

恒流控制原理大致是：采集超聲換能器的電流，與設(shè)定的CMD相比較，得出差值，通過PID模塊計(jì)算出控制量，輸出給驅(qū)動(dòng)電路，再采集超聲換能器的電流，循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)電流恒定輸出。

針對(duì)超聲波發(fā)生器的體系結(jié)構(gòu)，采取增量式PID控制算法，通過擬合出可設(shè)定上升時(shí)間的命令曲線，選擇合適的控制參數(shù)進(jìn)行分段調(diào)節(jié)，得到了受控的上升時(shí)間和較小的超調(diào)。

圖5 恒流控制原理

圖6展示了使用曲線擬合方法設(shè)計(jì)的上升時(shí)間可設(shè)定檔位的命令曲線。其中ADCI代表的是數(shù)字化的電流，ADCI的單位是 LSB，7.5個(gè)LSB代表1 mA。

圖6 上升時(shí)間可設(shè)定的命令曲線

圖7 誤差曲線

圖6中的曲線是逐點(diǎn)逼近最終命令的，優(yōu)勢是沒有明顯的折點(diǎn)，相對(duì)于階躍命令更平滑、高頻成分少。圖7是使用平滑命令時(shí)的誤差曲線。

從誤差曲線來看，誤差最大值沒有出現(xiàn)在命令啟動(dòng)時(shí)刻，而是推后了幾個(gè)周期。PI算法決定了調(diào)節(jié)指令最大值往往出現(xiàn)在誤差最大值前后，此后隨著誤差的減小，調(diào)節(jié)指令開始減小，如果調(diào)節(jié)指令減小的慢，會(huì)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，反之出現(xiàn)欠調(diào)現(xiàn)象。本文使用上述控制算法，選取合適的分段控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了受控的上升時(shí)間和較小的超調(diào)。圖 8中繪出了1ms和2ms上升時(shí)間的電流響應(yīng)曲線。

圖 8接觸階段1 ms、2 ms上升時(shí)間的電流響應(yīng)曲線

表1是恒流模式下1 ms電流響應(yīng)實(shí)測值，數(shù)據(jù)顯示1%建立時(shí)間<=1 ms、超調(diào)<1.7%。表2是恒流模式下2 ms電流響應(yīng)實(shí)測值，數(shù)據(jù)顯示1%建立時(shí)間<=1 ms、超調(diào)<1.7%。

表 1恒流模式1 ms電流響應(yīng)實(shí)測值

表2 恒流模式2 ms電流響應(yīng)實(shí)測值

為模擬較大的負(fù)載變動(dòng)，在材料壓緊和沒壓緊的兩種情況下使用相同的超聲功率設(shè)置，對(duì)比測試正常模式和恒流模式的表現(xiàn)，測試結(jié)果顯示恒流模式受負(fù)載影響小，上升時(shí)間快；正常模式受負(fù)載影響大，上升時(shí)間慢。測得的電流數(shù)據(jù)見（a）、（b）圖 9。

恒流模式的優(yōu)勢還在于提高金屬間化合物（IMC）的覆蓋面積（見圖 10），增加金球推力（見表 3）。

圖 9材料壓緊和沒壓緊條件下正常模式恒流模式對(duì)比測試

圖10 正常模式和恒流模式金屬間化合物覆蓋面積對(duì)比

表3 正常模式恒流模式金球推力對(duì)比

4 結(jié) 論

本文的超聲波發(fā)生器在頻率自動(dòng)跟蹤和電流受控輸出方面都取得了很好的效果。頻率自動(dòng)跟蹤可覆蓋較寬頻率段的超聲換能器，鎖相時(shí)間快、精度高，可實(shí)時(shí)跟蹤。電流受控輸出解決了超聲電流上升時(shí)間和超調(diào)之間的矛盾，能平穩(wěn)受控地輸出電流，更好地控制超聲振動(dòng)。頻率自動(dòng)跟蹤和電流受控輸出一起實(shí)現(xiàn)了超聲的閉環(huán)輸出，為高質(zhì)量的焊接品質(zhì)提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

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[1]任金蓮，張明鐸，牛勇.功率超聲設(shè)備頻率振幅自動(dòng)控制研究[J].應(yīng)用聲學(xué)，2003，22（1）：31-34.

[2]劉麗華，顧煜炯，楊昆.智能化功率超聲發(fā)生器的研制[J].電子器件，2002，25（1）：67-70.

Ultrasonic Closed-loop Control on Wire Bonder

CUI Cunhua，WANG We，ZHU Shaode，HE Yunbo，WANG Yong
（Han's photoelectric equipment co.，Ltd，Shenzhen 518057，China）

Abstract:Ultrasonic signal is one of the 3 key elements of wire bonding process.The control of ultrasonic signal determines the quality and speed of wire bonding.Based on analysis of ultrasonic frequency characteristic and current response，this paper proposed a closed-loop control method of frequency and current tracking，to improve the effectiveness of the ultrasonic power，to shorten the response time，and to enhance the stability of ultrasonic generation.The experiment results proved less rising time and less overshoot were achieved by adopting the control method.

Keywords:Ultrasonic signal；Closed-loop control；Wire bonding；Semiconductor packaging

TG439.1

A

1004-4507（2014）07-0001-05

2014-06-20

崔存華（1985-），男，河北趙縣人，學(xué)士，現(xiàn)為大族光電設(shè)備有限公司高級(jí)電控工程師，負(fù)責(zé)超聲波發(fā)生器開發(fā)與設(shè)計(jì)。

王惟（1981-），女，北京人，碩士，大族光電設(shè)備有限公司研發(fā)部，主要負(fù)責(zé)硬件研發(fā)及管理工作。

朱紹德（1982-），男，福建人，碩士，從事微連接及電子封裝方面研究，現(xiàn)任大族光電設(shè)備有限公司研發(fā)部工藝經(jīng)理，多年來一直主要從事焊線工藝和研發(fā)方面的工作。

賀云波（1973-），男，新加坡籍，博士，大族光電設(shè)備有限公司總工程師。

王勇（1976-），男，新加坡籍，碩士，大族光電設(shè)備有限公司研發(fā)部總監(jiān)。