нию (100 циклов при температурах -55...+150 °С) соединения золотой проволоки с медными печатными проводниками полу­чаются ТЗС при температуре подложки 105-200 °С. Практи­чески ТЗС начинают широко применять и для сборки ИМС мас­совых серий с целью смягчения режимов и снижения критично­сти сварочного процесса к колебаниям качества соединяемых материалов.

Термозвуковая сварка «шариком» используется для соеди­нения золотой проволоки с алюминиевыми и золотыми контак­тными площадками (рис. 12.2). Нагрев подложки производится до 300 °С, прикладываемое усилие до 50 г. Соединения, полу­ченные «шариком», более прочные, чем полученные методом «клина»

Рис. 12.2. Термозвуковая сварка золотой проволоки методом шарика - клина: а - образование шарика с помощью водородной микрогорелки - золотая проволока (1) в капилляре инструмента (2); б - соединение с кристаллом (3), проволока согнута в петлю (4) и присоединена клином

12.4. Автоматическое оборудование и инструмент

Разработаны автоматы присоединения выводов для ИМС массовых серий ЭМ-4060П и ЭМ-4020П» в которых использует­ся единая стойка управления, состоящая из однотипных блоков управления, распознавания, питания ультразвуковые генерато-ров (УЗГ). В автомате применены также однотипные загрузоч-но-разгрузочные устройства (ЗРУ) и оптико-телевизионные сис­темы.

Система технического зрения (СТЗ) позволяет распознавать и определять положение кристаллов ИМС и траверс. Положе­ние корпуса определяется по одной траверсе при смещении только по линейным координатам и по двум траверсам - при смеще­нии по линейным координатам и углу. СТЗ может определять положение каждой траверсы индивидуально.

Усовершенствованная УЗ система автоматов имеет непрерыв­ную амплитудно частотную характеристику (АПЧ) в полосе не менее 5 кГц с погрешностью отслеживания частоты резонанса УЗ преобразователя (УЗП) не более 20 Гц и времени захвата не более 20 мс.

Встроенная модернизированная система контроля функцию нирования и компенсации ошибок позволяет вдвое (по сравне­нию с ЭМ-4020Б) уменьшить максимальную длительность ком­пенсации ошибок (время модуляции), увеличивает устойчивость резонанса и обеспечивает заблаговременную сигнализацию об отказе системы; Имеется датчик, сигнализирующий о создании требуемого акустического контакта между инструментом и со­единяемыми деталями и позволяющий не только определить позицию сварки по координате Z, но и увеличить воспроизводи­мость качества соединений.

Подача на инструмент ультразвука (дежурного сигнала) в промежутках между сварками снижает трение между инстру­ментом и проволокой при формировании петли, облегчает отде­ление инструмента от сформированного соединения. Встроенное устройство контроля сварочных систем, программно и аппарат-но поддержанное управляющей системой установки, позволяет осуществить функциональное диагностирование системы и не­прерывное наблюдение за ходом процесса формирования каждого сварного соединения и на этой основе осуществить 100% -ный контроль качества при обработке ИМС любого типа и в любом корпусе.

Автоматическое уменьшение амплитуды колебаний инстру­мента по мере образования соединения в сочетаний с малой длительностью сварки позволяет устранить усталостное разру­шение материалов в зоне сварки, что увеличивает процент вы­хода годных изделий и стойкость инструмента.

Новая система согласования генератора и параметров ульт­развуковой пайки в совокупности с широкой полосой ампли-тудо-частотной характеристики обеспечивает стабильность экс­плуатационных свойств УЗ системы. Использование сварочных автоматов, работающих при повышенных скоростях перемеще­ния ИМС, а также в отсутствие оператора повышает требования к гарантированному совмещению проволоки с контактной пло­щадкой, требуемой деформации соединения и обеспечению за-

данной формы петли проволочной перемычки.

Автомат ЭМ-4020б предназначен для присоединения по за-

данной программе проволочных выводов внахлестку к контакт­ным площадкам кристалла и корпуса полупроводниковых при­боров интегральных микросхем с числом выводов до 128 мето­дом УЗС без подогрева изделий внахлестку. Автомат оснащен системой распознавания для автоматического считывания ин­формации о неточностях расположения кристалла. Ввод коор­динат сварных точек на кристалле и корпусе осуществляется в режиме «Самообучение». Имеется система самодиагностики основных функциональных устройств. Структурная схема установки присоединения проволочных выводов приведена на рис. 12.3.

Основными режимами установки являются: автоматичес­кий, полуавтоматический, ремонт, а также ряд вспомогатель­ных, позволяющих запрограммировать установку на разварку определенного типа прибора.

В автоматическом режиме загрузочно-разгрузочное устрой­ство (ЗРУ) осуществляет подачу в рабочую зону прибора пред­назначенного к разварке проволочными выводами. Система тех­нического зрения распознает и определяет положение кристал­ла и корпуса. По окончании разварки ЗРУ подает очередной прибор в рабочую зону.

В полуавтоматическом режиме введение коррекции на поло­жение кристалла или прибора относительно инструмента вы­полняется оператором, который совмещает визир сначала с пер­вой, затем со второй, наиболее удаленной от первой контакт­ной площадкой кристалла ИМС. Оператор дает команду на выполнение разварки прибора после окончания совмещения, а

также подачу очередного прибора на рабочую позицию после окончания разварки проволочных выводов.

Рис. 12.3. Структурная схема установки УЗС проволочных выводов

При ремонте прибора оператор разваривает выборочную про­волочную перемычку. Если ремонт одного или нескольких вы­водов осуществляется на том же приборе, на котором произво­дится автоматическая разварка, и коррекция на его положение введена, то от оператора требуется определить только номер ре­монтируемого вывода и удалить, если это необходимо, оборван-

ный вывод. В противном случае он с помощью визиров вводит поправки на неточное положение кристалла и корпуса прибора.

Количество вспомогательных режимов может быть достаточно большим, и связаны они с изменением циклограммы работы, введением данных в систему технического зрения, проверкой работоспособности установки и т.д.

В оборудовании УЗС используются системы управления: цен­трализованные, иерархические, распределенные (с различными управляющими устройствами от комбинированных микросхем до микропроцессоров). Их отличительной особенностью явля­ется большое количество преобразований координат (простран­ственная, в которой расположен объект, механическая система координат привода, пространственная система после оптическо­го преобразования изображения объекта, электрическая система ТВ датчиков, электрическая система после дискретизации и кван­тования видеосигнала).

Автомат ЭМ-4260 (см. рис. 12.4, а) предназначен для автоматического присоединения проволочных выводов из золо­та к контактным площадкам и выводов корпусов ИМС мето­дом термозвуковой сварки. Двухкоординатный X—У-линей­ный шаговый двигатель с датчиками обратной связи обеспе­чивает высокую точность и скорость перемещения сварочной головки. Перемещение сварочного инструмента по координате Z осуществляется с помощью «звуковой катушки» с обратной связью. Автомат оснащен системой контроля качества сварки. Основные параметры технологического процесса (скорость пере­мещения, диаметр шарика, усилие сварки и др.) программиру­ются. Встроенная программно управляемая библиотека петель и высокая точность исполнительных механизмов обеспечива­ют разварку различных типов изделий с длиной перемычки до 7 мм, в том числе многовыводных СБИС в тонких корпусах. Подача обрабатываемых рамок - магазинная с программируе­мой переналадкой, при этом конфигурация рамок не регла­ментируется.

Автомат ЭМ-4480 (см. рис. 12.4, б) предназначен для ав­томатического присоединения алюминиевых проволочных вы­водов большой номенклатуры изделий, требующих большого

поля, повышенной точности монтажа выводов, в том числе мно­гокристальных и многоуровневых ГИС, методом ультразвуко­вой сварки внахлестку. Автомат обеспечивает требуемую ди­намику формообразования выводов, снижение влияния механи­ческих вибраций инструмента и «мягкое» касание за счет при­менения легкой, размещенной отдельно от приводов X, У, Z, вращающейся сварочной головки, а также автоматическое оп­ределение положения контактных площадок кристаллов, тра­верс и многоуровневых изделий, индивидуальное программиро­вание режимов присоединения и формы петель для каждого вы­вода. Автомат универсален за счет использования многомест­ных матричных кассет и большого рабочего поля и имеет само­диагностику работы основных функциональных устройств.

Рис. 12.4. Автоматы присоединения проволочных выводов: ЭМ-4260 - а и ЭМ-4480 - б

Установка 1484 фирмы Kulicke and Sof^}fa Industries (США) для монтажа проволочных выводов, созданная в 1990-е годы, обладает высокими уровнями скорости, точностью, надежнос­тью и производительностью. В ней используется микропроцес­сорное управление, которое в сочетании с вращающейся соеди-

няющей головкой и телевизионной системой контроля с про­граммируемым фокусом делают модель исключительно удоб­ной в эксплуатации. Установка 1484 обеспечивает термозвуко-вую сварку при сравнительно низких температурах (200-240 °С). Такие же возможности имеются и у установки ЭМ-4360К при температуре нагрева 100-400 °С (см. рис. 12.5).

Рис. 12.5. Автоматы ТЗС модели 1484 (а) и ЭМ-4360К (б)

Комплексным и основным показателем, характеризующим установки в наибольшей степени, является производительность.

Часовая производительность для приборов, имеющих пере­мычки не более 1,5 мм, ориентировочно может быть рассчитана по формуле

Общие требования, предъявляемые к инструментам: обеспе­чение концентрации энергии в зоне сварки; возможность визу­ального контроля процесса сборки прибора; высокая механичес­кая прочность и износостойкость; удобство в эксплуатации. В зависимости от назначения и конструкции инструмента об­щие требования подразделяются на более конкретные частные, например, при термокомпрессионной сварке холодным инстру­ментом для обеспечения концентрации энергии в зоне сварки он должен иметь минимальную теплопроводность, при сварке нагретым инструментом, наоборот, максимальную и т.д.

Требования к инструменту для УЗС с точки зрения особен­ностей этого вида сварки можно сформулировать следующим образом:

• форма и размеры инструмента должны обеспечивать эффек­тивную передачу энергии УЗ колебаний;

• материал инструмента должен обеспечивать минимальное за­тухание УЗ колебаний и не должен вступать во взаимодей­ствие с материалами проволоки вывода.

Для сохранения спектра собственных частот и вида колеба­ний (в частности, изгибных) необходимо соблюдать условие

(12.2)

- длина волны изгибных колебаний; d -макс, диаметр сечения

где

инструмента.

Для расчета длины инструмента УЗС используется уравне­ние Олсона:

(12.3)

Часто длина инструмента, определенная из уравнения (12.3), оказывается слишком малой. Инструмент должен иметь отвер­стие для подачи проволоки и достаточную длину для закрепле-

ния на концентраторе. В этом случае рекомендуется рассчиты­вать инструмент на частоту, для которой основная частота УЗ генератора является второй гармоникой:

(12.4)

где fo - основная частота, f_p - расчетная частота.

Практика показывает, что при этих частотах наиболее ста-

билен в работе инструмент длиной 21 мм. В этом случае длину инструмента определяют с использованием формулы:

(12.5)

Множитель 7,85² соответствует первой нечетной гармонике.

Форма заточенной части инструмента также имеет суще­ственное значение для обеспечения стабильности сварки. При использовании инструмента с длиной клиновидной части 5-7,5 мм плоскости пучностей и узлов изгибной волны смеща­ются по длине инструмента, приводя к нестабильности. Длину клиновидной части инструмента рекомендуют выбирать не бо­лее 2,8 мм.

Для термозвуковой сварки рекомендуется изготавливать в инструменте рубиновые капилляры, имеющие более высокую износостойкость рабочих поверхностей, коррозионную стойкость и чистоту поверхности (см. рис. 12.6, а). Обозначение капилля­ра: КТ51 - 25 - 150 - 2 - 30: К - капилляр, Т - термокомпрес­сионная сварка, 25 - диаметр проволоки, 150 - диаметр на выходе капилляра D, 30 - радиус рабочей части инструмента R.

Функциональные особенности инструмента для УЗС опре­деляются следующими факторами (рис. 12.6, б):

- длина рабочей части инструмента h - длиной деформируе­мой при сварке проволоки и выбирается из соотношения

(12.8)

Оптимальная величина h = 0,1 мм для проволоки 27 мкм и 0,2 для 60 мкм;

- глубина продольного паза - коэффициентом деформации

(12.9)

- для обеспечения симметрии петли проволочной перемыч­ки удаление выхода отверстия от задней кромки рабочей пло­щади должна удовлетворять соотношению

(12.10)

- угол наклона задней кромки рабочей площадки b - обес­печением подрезки, проволоки после второй сварки без остаточ­ных напряжений в ней (60 градусов).