Adams仿真在键合头柔性设计中的应用

周启舟，郝术壮

(北京中电科电子装备有限公司，北京100176)

IC装片机是一种“高端封装设备”，主要应用于通信、计算机和消费电子等领域，具有广阔的市场前景。该设备关键机构之一键合机构直接决定了装片的速度、精度、质量、可靠性等关键指标。为使键合头Z向运动精准、快速且键合力可控，防止损伤芯片，设计中加入了弹簧进行柔性着陆。但是，弹簧的存在容易使机构产生振动，因此，在弹簧参数的设计中需要加以分析和计算。由于该机构运动中存在接触等大的非线性因素，分析计算比较复杂，应用现有动力学软件将会带来很大方便。adams是MSC公司的一款多体动力学仿真软件，用其对机构建模后能完成复杂的动力学计算，既方便准确又快速形象[1]。本文利用adams软件对所设计的键合头Z向运动进行了动态仿真，并完成了键合头弹簧参数的选取，为研发满足设计指标要求的键合头起到一定积极作用。

1 直驱键合头结构

键合头是IC装片机的关键机构，其在驱动机构的带动下要实现X、Y、Z和θ四个方向的运动。其中最为关键的是Z向运动，Z向运动除要快速运动到指定位置外，还要在接触到芯片时保持一定的接触力。力过大则会损坏芯片，过小则影响芯片键合质量，使芯片良率达不到要求。

根据工艺要求，所设计的键合头要满足Z向行程60 mm，最大加速度45 m/s2，键合力0.05～80 N，合力的初始瞬态加载率优于0.1 N/ms，重复性误差<1%的要求。为此我们设计了如图1所示键合头[2]。图中所示结构连接到X、Y、Z运动平台上，实现各方向运动，θ向运动由图中所示电机实现。为防止Z向快速运动时过冲而造成芯片损坏，并且能够控制实现合适的键合力，在机械结构上采用了弹簧，如图2所示。弹簧连接零件1和零件2，弹簧中有导向轴，能使零件2相对零件1滑动。零件1在X、Y、Z运动平台带动下运动。由于弹簧的存在，在实现一定的键合力同时要防止键合头在高速Z向运动时发生振动。因此，该弹簧必须合理选择和调整，确定恰当的弹簧参数。文中为得到弹簧参数，用adams软件仿真来帮助选取弹簧。

图1 键合头图

图2 键合头结构图

2 键合头运动分析

零件1运动时，零件2会在其带动下运动。当零件1加减速运动时，零件1和零件2之间就会有相对运动，由于弹簧的存在还可能发生振动，但其振动幅度被限定在零件2相对零件1运动的行程范围内。弹簧的刚度和预紧力会影响二者之间的运动状况，分析弹簧刚度和预紧力对运动状况的影响规律对弹簧的选择和调节大有益处。由于零件1和零件2在运动过程中，还会发生碰撞，这是一种非线性情况[3]，很难手工列式求解，因此应用软件仿真，考察弹簧刚度和预紧力的变化对两零件间运动情况的影响是较好的方法。

模型受力分析如图3所示，列平衡方程得：

图3 受力分析图

其中：m为零件2及其下面零件质量；

c为弹簧阻尼系数；

k为弹簧刚度系数；

xs为键合头规划运动曲线；

Fp为弹簧预紧力；

L为零件2相对零件1的最大行程。

3 利用adams对键合头Z向运动进行仿真

键合头Z向运动规划，行程60 mm，如图4所示。规划速度曲线如图5所示，加速度曲线如图6所示。

图4 位移曲线1

图5 规划速度曲线1

图6 规划加速度曲线1

在adams中建立键合头模型，不断改变不同的弹簧刚度和预紧力数值，可以得到不同的仿真结果。下面仅给出4组结果。

当K=2 N/mm，预紧力1.95 N时，零件2相对零件1的位移仿真结果如图7所示。

当K=2 N/mm，预紧力2 N时，零件2相对零件1的位移仿真结果如图8所示。

图7 位移曲线2

图8 位移曲线3

当K=1 N/mm，预紧力2 N时，零件2相对零件1的位移仿真结果如图9所示。

图9 位移曲线4

当K=2 N/mm，预紧力1.8 N时，零件2相对零件1的位移仿真结果如图10所示。

当K=1 N/mm，预紧力1.8 N，零件2相对零件1的位移仿真结果如图11所示。

从图8和图9中的曲线可看出，零件1和零件2间的位移很小，这只是二者运动时零件间相互作用时变形而产生的，图10和图11变形不同表明二者之间发生了分离。对比图8、9和图10、11可以发现预紧力在1.9 N时是二者之间发生分离运动的临界值。而弹簧刚度的大小在二者不发生分离运动时，几乎没有影响。在二者发生分离运动时，弹簧刚度的大小影响振动的幅值。如果两零件间发生了相对运动，但在键合头到达芯片上时以恢复初始位置，那么这样的弹簧预紧力和刚度也是可用的。利用adams的后处理功能，绘出当K=1 N/mm，预紧力 1.8 N，零件 2相对零件1的位移、速度、加速度仿真结果，如图12所示，图中加速度为正表示零件1向下加速。由图可见，当零件1向下加速运动时，二零件间分离最大值达到0.25 mm，当零件1减速时，相对位移恢复到0。

图10 位移曲线5

图11 位移曲线6

图12 零件2相对零件1的位移、速度、加速度仿真结果

根据仿真结果并结合结构参数得到：当ma＞mg+Fp，会出现振动（Fp为弹簧预紧力，下同）；当 ma＜mg+Fp，不会出现振动；Fp=1.95 时是两种情况的分界。弹簧刚度的大小影响振动时的振幅，对于没有振动出现的情况无影响。

4 结 论

本文利用adams软件对所设计的键合头Z向运动进行了动态仿真，得到设计中弹簧预紧力的大小，是键合头二零件间发生震荡与否的关键因素，并且存在一临界值，大于其值不会发生震荡，小于则会发生。弹簧刚度的大小只影响振动时的振幅，对于没有振动出现的情况无影响。借助adams软件进行仿真，也体现了以下几个优点：可以直观的看到仿真的运动过程和结果，不必进行复杂的列式和计算；可以建立虚拟样机，更改设计参数方便，避免制作物理样机进行实验。

[1]陈立平张云清任卫群覃刚.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]濮良贵纪名刚等，机械设计（第8版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学（第7版）[M].北京：高等教育出版社，2009.