马兴超 胡祥雷
中国电子科技集团公司第四十三研究所
摘要：本文以美国Palomar8000自动金丝键合机为研究对象，从运动过程、键合控制过程两个方面系统研究了自动金丝键合机的工作原理，分类分析了电源驱动类、运动执行类、反馈控制类典型故障的维修方法，并提出了两点改进建议，为自动金丝键合机的维修保障提供了理论依据和实践经验。
关键词：自动金丝键合机；工作原理；故障；改进
1 引言
微组装技术是将裸芯片、混合电路、表面贴装元器件等进行高密度互连的技术，其中键合是微组装技术中的重要工序，自动金丝键合机是实现金丝键合的主要手段，因此研究自动键合机的工作原理，总结自动键合机的维修方法，对于实时保证自动键合机的稳定运行具有十分显著的意义。
本文以美国Palomar 8000自动金丝键合机为研究对象，通过运动过程、键合控制过程两个方面系统研究了自动金丝键合机的工作原理，针对电源驱动类、运动执行类、反馈控制类典型故障中的打火电源驱动板故障、Y轴光栅尺故障、打火杆驱动线圈故障进行了分析，并针对主板SATA接口的工作模式和导轨工作台不平整的问题提出了两点改进建议，对美国Palomar 8000自动金丝键合机的故障维修具有指导作用。
2 工作原理
自动金丝键合机是由电源驱动、运动执行、反馈控制等系统组成的高精度半导体芯片键合设备，如图1所示。
2.1 运动过程
编辑好键合程序后，I/O板下达指令给线性马达（X轴/Y轴/ZL轴/ZR轴）到达指定位置，运动过程中编码器不断修正位置偏差，到达指定位置后，识别系统会按照键合程序中编辑好的参考图像进行拍照对比（如Acceptance Confusion和Threshold），如果在搜索区域找到满足参考图像要求的即认为满足要求，然后进入第2点图像搜索，并自动生成两个定位坐标，从而完成定位目标的整个运动过程。
2.2 键合控制过程
当所有被键合的目标成功定位后，ZL轴自动升到指定打火位置，打火杆（EFO Wand）通过驱动线圈和编码器的闭环控制到达指定位置释放2500V低电流高压，通过尖端放电的原理将金丝打火击成FAB球，再通过FAB球和整个打火系统的回路监测FAB球的稳定性。打火完成后，键合头运动至键合目标的上方接触到目标表面，FAB球在Force和U/S作用下产生变形（即我们所需的变形量），同时在Force和U/S和温度的作用下和表面产生一种键合层确保键合的有效性。当第1焊点完成后，丝夹处于打开的状态下ZL轴上升到指定高度，执行拉弧动作，直到劈刀运动到第2焊点上方，直至完成整个键合控制过程。
3 典型故障
3.1 电源驱动类故障
Palomar 8000自动金丝键合机的电源驱动器件主要有辅助电源板、直流电源箱、X轴驱动板、Y轴驱动板、ZL轴驱动板、ZR轴驱动板、打火电源驱动板等组成，为执行运动、键合动作提供驱动动力。
某次设备故障停机，观察发现打火杆摆动击球动作正常，但未观察到放电打火击球现象，且打火电源驱动板电流显示无变化。通常造成没有FAB球的原因为：（1）Tail Length不合适或者无尾丝；（2）EFO Time或者Current参数设置不合适；（3）打火杆的位置或者打火电源故障，最终检查判定打火电源驱动板故障。当打火电源驱动板故障时，无法控制输出低电流高压，从而无法形成FAB球和整个打火系统的电流回路，电流显示无变化。
3.2 反馈控制类故障
Palomar 8000自动金丝键合机的反馈控制器件主要有X轴传感器、Y轴传感器、ZL轴传感器、ZR轴传感器（传感器由光栅尺和读头组成）、打火杆编码器等组成，按照设定的参数闭环控制，实现执行高精度的运动、键合动作。
某次设备故障停机，故障代码显示"Initializing Bonder System error"，观察发现设备Y轴无法完成初始化动作。通常造成Y轴无法完成初始化动作的原因为：（1）系统软件问题；（2）Y轴驱动器问题；（3）I/O板问题或者Y轴传感器本身问题，包括光栅尺和读头，最终检查判定Y轴光栅尺轻微磨损。Palomar 8000自动金丝键合机通电后须初始化（Reset）整个设备，顺序依次为ZL轴、打火杆、ZR轴、X轴、Y轴，初始化过程中通过驱动器给相应轴施加驱动动力，传感器（光栅尺和读头）反馈位置信息到I/O板，再由I/O板发送指令信号给相应的轴，从而完成整个伺服闭环回路。当光栅尺磨损后读头无法反馈位置信息到I/O板，从而无法完成初始化动作。故障代码和Y轴传感器如图2所示。
注意：光栅尺日常点检过程中，只需用无尘布轻轻擦拭，切勿沾用酒精等擦拭。
3.3 运动执行类故障
Palomar 8000自动金丝键合机的运动执行器件主要有X轴线性马达、Y轴线性马达、ZL轴线性马达、ZR轴线性马达和打火杆驱动线圈（EFO Coil），在电源驱动下按照反馈控制信号执行运动、键合动作。
某次设备故障停机，故障代码显示"EFO Wand Position error"或者"Failure Wire Command",观察发现打火杆没有摆动击球的动作，无法达到指定位置，通常造成打火杆没有摆动击球的动作的原因为：（1）打火杆驱动线圈的电源驱动问题（辅助电源板），包括输入信号问题或者电流输出问题；（2）打火杆驱动线圈本身问题。打火杆是在打火杆驱动线圈的驱动下完成摆动动作，判定打火杆驱动线圈本身故障的方法为测量打火杆驱动线圈的阻值，标准阻值为电阻20±1.5欧姆，经测量打火杆驱动线圈开路，最终判定打火杆驱动线圈故障。
注意：安装打火杆驱动线圈时，要严格按照操作步骤更换，并要整理好线圈连接线，不能形成运动阻力，否则会缩短打火杆驱动线圈的寿命。
4 改进建议
4.1 主板SATA接口工作模式的问题
Palomar 8000自动金丝键合机PC主板支持RAID模式，其原理为PC标配两块等容量的硬盘，其中一块硬盘在整个运行中为主硬盘，另一块次硬盘及时备份主硬盘中的数据，防止主硬盘出现机械性的损伤时数据的丢失，但是主硬盘出现任何软件问题时次硬盘也会出现同样的问题，从而造成RAID模式失去存在的意义，而且RAID模式下不能ghost软件备份，硬盘的故障率也高。针对RAID模式的上述问题，将主板SATA接口的工作模式改为了IDE模式，该模式下可以实现ghost软件备份，防止硬盘出现机械性损伤和软件问题，实际生产中已应用，硬盘故障率明显降低。
4.2 导轨工作台不平整的问题
产品无规律的出现弧形不稳定，而且球型也不一致的现象，检查键合参数（Bond Force、Bond Time、U/S、EFO Time、Current以及Tail的参数等）和弧形参数（Standard Loop等）都正常，物料也符合标准。Palomar 8000自动金丝键合机产品放置在载具上（载具通过底部加热台和上部固定在导轨上的压板固定），通过劈刀实测产品表面四个角的最大高度差值为15.728mil，大于标准高度差值1mil，产品表面相对不平整导致的弧形不稳定和球型不一致，进一步实测后发现导轨工作台不平整为最终原因。
针对导轨工作台不平整的问题，优化设计了压板，通过调整压板上的三个接触顶丝，来补偿导轨不平整的问题，实际生产中已应用，效果良好。压板如图3所示。
5 结束语
在Palomar 8000自动金丝键合机电源驱动类、运动执行类、反馈控制类典型故障实例中，从工作原理上分析了打火箱电源驱动板故障、Y轴光栅尺故障、打火杆驱动线圈故障的原因和维修方法，并针对主板SATA接口工作模式的问题和导轨工作台不平整的问题提出了两点改进建议，对美国Palomar 8000自动金丝键合机的故障维修具有指导作用。
论文作者:马兴超 胡祥雷
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/26
标签：故障论文; 金丝论文; 线圈论文; 电源论文; 导轨论文; 动作论文; 硬盘论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;