基于ADAMS引线键合机动态性能仿真分析

许银亮，熊 荣，孙 倩

（哈尔滨工业大学 深圳研究生院 自动控制与机电工程学科部，深圳 518055）

0 引言

全球集成电路（IC）工业正经历飞速发展阶段，国内的IC面临前所未有的机遇和挑战。IC工业包括芯片设计，生产以及封装。目前，国内芯片封装整体水平还与世界一流水平有很大差距，重要的封装设备还主要依赖于进口。因此研究芯片封装技术是必要且迫切[1,2]。在众多封装技术中，引线键合封装是主流的封装技术，占目前初级封装过程的90%。其中，金线焊接由于其高速性在引线键合技术中占了主要地位[3]。

本文在金线键合机基础上，建立样机模型，进行动力学仿真，分析影响其高速运动性能的主要因素，提出相应的改进方案。

1 刚体模型与仿真

1.1 动力学模型

引线键合机是微电子封装设备中的核心设备，它是集精密机械、自动控制、图像识别、计算机应用、光学、超声波焊接等多领域于一体的现代高技术微电子生产设备[4]。通常引线键合机有3个自由度，两个水平方向，一个转动方向。先在Solidworks中建立好模型，按照各个部件的相对位置和相互运动关系，把键合机分成6部分：X-Y高精度定位平台，动臂，换能器，劈刀，底座。接下来，把每一部分在Soildworks以.STL文件形式导出，然后导入ADAMS中并按工作关系装配好。其中，为简化模型，两或多个部件在键合机工作时没有相对运动或运动趋势可以认为是一个部件。

图1 键合机的ADAMS模型

1.2 刚体模型仿真

首先，不考虑其他任何因素的影响，假设键合机各个部件都是理想的刚体，添加运动副并施加驱动后得到以下结果，如图2所示。

图2 刚体模型仿真结果

从图2看出，键合机定位没有误差，动态响应曲线没有振动或超调，可以响应任意高工作频率。这与实际情况是不吻合的，本文的键合机工作在每秒焊6根线时，由于受到外界和自身因素干扰如：机械振动，摩擦，机械疲劳，制造装配误差，还有XY平台后连接的大量导线软管的影响等等，高频高速运动时，键合机的定位精度和响应速度都受到不同程度影响，导致无法正常工作。因此，刚体模型在仿真实物的作用是有限的，必须考虑其他因素的影响，并将主要影响参数加到所建立模型中去。

键合机在高速工作时，某些关键部件的振动及变形必须予以考虑。文中基于实际工作，把换能器和动臂作为分析的主要对象，分析它们对键合机高速运动性能和定位精度的影响。利用Patran和Nastran 把换能器和动臂的刚体部件替换成柔性体部件，部件的物理特性如表1所示。

表1 部件的物理参数

对换能器和动臂进行模态分析，结果如图3所示。

图3 动臂和换能器的有限元分析

更换响应部件后的刚柔混合体模型如图4所示。

图4 键合机的刚柔混合体模型

和前面理想刚体模型施加同样的驱动，仿真的结果如图5 所示。

从仿真结果来看，键合机在高频高速工作时，劈刀是有一定程度的振动，而且振动的幅度超过了工艺指标要求的，会导致焊线失败。仿真的结果与实际物理样机工作情况较为接近。

比较两个模型的实验结果，第二个刚柔混合体的模型能反映键合机的实际工作情况。同时从有限元的分析和仿真结果来看，换能器在高频高速运动下的振动是影响键合机工作性能的主要因数，要提高键合机每秒焊线的数目，必须提高换能器的刚度，提高其固有自振频率，使其在键合机的工作频率时，不发生幅度较大的振动。

在替换能器前，根据替换材料的物理性能，可以在虚拟样机先测试是否满足工艺指标要求，然后再进行替换。这样可以节约开发成本，缩短开发时间，提高效率。

图5 刚柔混合模型仿真

2 结论

本文以金线引线键合机为研究对象，利用Solidworks，ADAMS等商业软件，建立了虚拟样机模型，并进行动态仿真。主要分析影响键合机高速高精度工作时，一些关键部件对其工作性能的影响。通过仿真结果提出相应的改进方案。建立的样机可以节约开发成本，缩短开发时间，提高效率。同时，键合机要满足更高的工作频率如每秒钟10根焊线，模型还需添加考虑其他因数如热膨胀，应力集中，非线性摩擦等。总之，虚拟样机模型可以不断完善来很好地模拟实际物理样机工作情况，为将来的改进工作提供参考。

[1] George G.Harman,Wire bonding in microelectronics:materials,processes,reliability,and yield (New York:McGraw-Hill,1997).

[2] Klaus-Dieter Lang,George G.Harman, Martin Schneider-Ra melow,Modern wire bonding technologies-ready for the challenges of future microelectronic packing,IEEE Transactions on Automation Science and Engineering,8(7),2007,245-257.

[3] E.Hirt,M.Scheffler,G.Tro..ster,Virtual prototyping for high density packaging systems,IEEE Transactions on Advanced Packaging,24(3),2001,392-400.

[4] H.Ding,Z.H.Xiong.Motion Stages for Electronic Packaging:Design and Control.IEEE Robotics & Automation Magazine.2006,13(4):51-61.