高性能引线键合力控制系统的设计

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1、上海交通大学博士学位论文高性能引线键合力控制系统的设计姓名：方立申请学位级别：博士专业：机械电子工程指导教师：陈兆能;殷跃红20071101摘嘤高性能引线键合力控制系统的设计摘要引线键合技术是重要的微电予封装技术，但是，在键合过程中存在键合力超调或不稳定而导致芯片焊盘的龟裂等“过键合”情况，引起芯片封装的失效，故，芯片键合质量很大程度上取决于键合力控制系统的性能。l}kJ'l-，随着集成电路工艺的发展以及大规模和超大规模电路的出现，芯片的引脚增多、引脚变细和间距变小，更需对引线键合封装设备的精度和效率进行改进和提高。因此，对高性能键合力控制系统的设计要求就是在

2、高速／高加速的运行条件下，实现键合接触时的小超调、稳定和精确键合力。实际上，在高速高加速运动下，键合力的小超调和稳定整定控制是一复杂的研究对象，其键合控制系统的性能的要求包括：最小键合力超调、稳定精确的接触力及键合效率。这些要求之间是相互制约的，联系着机械、应用和控制理论等不同的领域。一方面，由于国际竞争和商业技术保密等，没有关于引线键合工艺中力控制系统设计技术的公开报道；另一方面，以前在解决此类问题时，仅仅关注力控制系统其中的某些特性，而忽视了它们之间的相互制约的关系。至今没有一个成熟、统一的理论和方法来解决自由运动到约束运动时的力控制稳定和超调的难题。尤其

3、，键合速度和效率的提高，导致的键合力超调和稳定性控制难度大大增加。所以，本文提出了新的设计方法以实现上海交通人学博士学似论文高性能键合力控制系统。首先建立键合力控制系统模型以此为基础，采用灵敏度技术来具体分析设计参数对键合力控制系统性能的作用，并针对两种常用的键合结构(单臂梁和双臂梁)，设计出转切控制算法：然后综合考虑了影响键合力性能的主要因素，对机械结构和控制算法进行同步设计，对系统性能进行多目标优化以寻求系统性能间的平衡；进一步，考虑到设计参数的可实现性和其它一些不确定因素对系统性能的影响，在保证小超调键合力抑制和稳定、精确的键合力整定控制的基础之上，对键

4、合系统进行稳健性优化，提高了键合效率；最后，实现了高性能键合力控制系统的设计，并完成了键合打点实验。在整个系统的设计和实现过程中，所做的工作并ilO,J新性成果如下：一、从理论和实验两个方面，建立并简化了引线键合过程时两种不同的运动状态的动力学模型。依此为基础，采用灵敏度分析的策略来分析系统结构设计参数与最大引线键合力的关系，并能够把这种关系定量的呈现出来。从理论上揭示了接触力超调与系统结构参数设计的关系，同时，也为解决此类问题提供了一个一般性的方法。对力控制系统的设计有重要的意义。二、高性能的键合力控制系统，不仅仅反映系统结构设计的问题，还与相应结构所采用的

5、控制算法有关，而以前的设计方法存在缺陷，所以针对高性能引线键合力控制系统中设计参数间耦合性很强的特点，利用多目标优化的策略，来实现引线键合系统的最佳胂Il"厶匕HI二。在具体实现引线键合系统的过程中，由于系统加工误差和购买零件在质量和尺寸上有限制等不确定因素，在多目标同步优化的基础上，采用了稳健性同步优化的策略，设计出切实州‘用的键合力控制系统。关键词：引线键合：转切控制；稳健性同步优化：灵敏度分析DESIGNOFHIGHPERFORMANCEWIREBONDINGFORCECONTROLSYSTEMABSTRACTWirebondingisanimporta

6、nttechnologyinmicroelectronicpackagingasselllblY·Withthedevelopmentofmicroelectronic，moreadvancedwirebondingsystemshouIdbeendesignedforaccuratebondingmotionathighspeedandacceleration·0necommontypeofwirebondingfailurethatisattributedtO”over-bonding“appearsasthedamageofthesemiconducto

7、r,glass，orotherlayerunderthebondingpads，whichbecomeanimportantfactorpreventingfurtherdevelopmentofwirebondingtechnology．Sothekeyrequirementsofwirebondingforcecontrolsystemaret0minimizeovershootofimpactforceandsubsequentlytOkeepthestablyprecl5ebondingforceinthetransitionofthecapillar

8、ytipfromnon-contact