（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）金絲球焊線機(jī)數(shù)字控制超聲波發(fā)生器的研究與設(shè)計(jì).pdf

摘要 摘要 金絲球焊線機(jī)是超聲鍵合封裝重要設(shè)備 它采用超聲波焊線技術(shù) 在壓力和超 聲波能量共同作用下 產(chǎn)生超聲機(jī)械振動(dòng)并帶動(dòng)金屬絲與焊盤在接觸面處進(jìn)行摩擦 此接觸面瞬間產(chǎn)生高溫 使金屬絲與晶圓之間發(fā)生原子擴(kuò)散 實(shí)現(xiàn)其原子間的連接 超聲波發(fā)生器作為金絲球焊線機(jī)設(shè)備的超聲信號(hào)源 是金絲球焊線機(jī)電動(dòng)系統(tǒng)的重 要組成部分 其性能直接決定鍵合封裝的質(zhì)量和效率 本論文針對(duì)超聲波發(fā)生器的 關(guān)鍵技術(shù)問題 研究了數(shù)字控制超聲波發(fā)生器的原理和控制方法 從硬件電路和軟 件程序兩方面進(jìn)行了設(shè)計(jì) 并對(duì)制作的實(shí)驗(yàn)電路板進(jìn)行了相關(guān)的硬件測(cè)試和參數(shù)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證分析 工作主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 確定了整體工作原理 并對(duì)方案進(jìn)行了比較和研究 重點(diǎn)對(duì)正 弦波發(fā)生電路 濾波器的類型 功率放大器方案 換能器振動(dòng)特性 頻率自動(dòng)跟蹤 電路進(jìn)行了詳細(xì)分析 為硬件電路的搭建提供依據(jù) 在硬件電路部分 設(shè)計(jì)了單片機(jī)控制電路 d d s 信號(hào)產(chǎn)生電路 濾波電路 功 率放大電路 信號(hào)采集電路 功率信號(hào)調(diào)整電路 超聲輸出時(shí)間控制開關(guān)電路 信 號(hào)調(diào)理反饋電路 阻抗匹配電路 顯示電路 上位機(jī)通信電路 電源電路等 同時(shí) 制作了實(shí)驗(yàn)電路板 在軟件程序部分 主要為下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì) 針對(duì)系統(tǒng)軟件框架中的 主要功能模塊進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì) 主要包括主程序流程圖模塊 正弦波 發(fā)生模塊 上位機(jī)通信模塊 串行口中斷服務(wù)模塊 功率調(diào)整模塊 超聲輸出定時(shí) 模塊 調(diào)頻模塊 諧振頻率顯示模塊等 電路測(cè)試實(shí)驗(yàn)包括超聲頻率與功率測(cè)試 頻率自動(dòng)跟蹤效果測(cè)試 以及換能器 功率和輸入頻率變化測(cè)試 對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析 總結(jié)出實(shí)驗(yàn)結(jié)論 該數(shù)字控制超聲波發(fā)生器能夠在所規(guī)定的頻域內(nèi)驅(qū)動(dòng)金絲球引線鍵合換能器 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)搜索換能器最佳工作頻率 并動(dòng)態(tài)地在所設(shè)定的頻域內(nèi)鎖相 較好地滿 足了不同功率輸出的要求 關(guān)鍵詞 焊線機(jī) 數(shù)字控制超聲波發(fā)生器 d d s 頻率跟蹤 鎖相環(huán) a b s t r a c t a b s tr a c t g o l db a l lw i r eb o n d i n gm a c h i n ei sa l li m p o r t a n te q u i p m e n to fu l t r a s o u n db o n d i n g e n c a p s u l a t i o n w h i c hu s e su l t r a s o n i cw i r eb o n d i n gt e c h n o l o g y p r e s s u r ea n du l t r a s o n i c e n e r g yt o g e t h e r p r o d u c e su l t r a s o n i cm e c h a n i c a lv i b r a t i o na n dl e a d sw i r ei nc o n t a c tw i t h t h ep a da tt h ef r i c t i o ns u r f a c e t h ee x p o s u r es u r f a c ei n s t a n t l yg e n e r a t eh i g ht e m p e r a t u r e s t h em e t a la t o m sb e t w e e nt h ew i r ea n dt h es p r e a do ft h ew a f e rt oa c h i e v et h ec o n n e c t i o n b e t w e e ni t sa t o m s u l t r a s o n i cg e n e r a t o rd e v i c e sa sag o l db a l lw i r eb o n d e r su l t r a s o n i c s i g n a ls o u r c e i sa l li m p o r t a n tp a r to fe l e c t r i cs y s t e mo f t h eg o l db a l lw i r eb o n d e r s w h i c h p e r f o r m a n c eb o n dp a c k a g ed i r e c t l yd e t e r m i n et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c y t h i st h e s i s f o c u s e so nt h ek e yt e c h n i c a li s s u e so fu l t r a s o n i cg e n e r a t o r w h i c hr e s e a r c h e st h et h e o r y a n dc o n t r o lm e t h o d so ft h ed i g i t a lc o n t r o lu l t r a s o n i cg e n e r a t o r d e s i g n st h ed i g i t a lc o n t r o l u l t r a s o n i cg e n e r a t o rf r o mb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea s p e c t s a n dp r o d u c t i o no ft h e e x p e r i m e n t a lc i r c u i t b o a r dt e s t i n ga n dr e l a t e dh a r d w a r ee x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o no f p a r a m e t e r s t h em a j o rr e s e a r c ha s p e c t si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h eo v e r a l lp r i n c i p l ei sd e t e r m i n e d a n dt h e s c h e m e sa r ec o m p a r e da n ds t u d i e d t h es i n ew a v eg e n e r a t i o nc i r c u i t t h et y p eo ff i l t e r p o w e ra m p l i f i e rs o l u t i o n s v i b r a t i o nt r a n s d u c e r a n df r e q u e n c ya u t o m a t i ct r a c k i n gc i r c u i t a r ea n a l y s i s e di nd e t a i lt op r o v i d ef o u n d a t i o n sf o rf o rh a r d w a r e i nt h eh a r d w a r ec i r c u i tp a r t c o n t r o lc i r c u i td e s i g no ft h em i c r o c o n t r o l l e r d d s s i g n a lg e n e r a t o rc i r c u i t f i l t e rc i r c u i t p o w e ra m p l i f i e r t h es i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i t t h e p o w e rs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t u l t r a s o n i co u t p u tt i m ec o n t r o l s w i t c hc i r c u i t t h e f e e d b a c ks i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t t h ei m p e d a n c em a t c h i n gc i r c u i t d i s p l a yc i r c u i t p c c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t a n dp o w e rc i r c u i ta r ed e s i g n e d a c c o r d i n g l y t h ee x p e r i m e n t a l c i r c u i tb o a r da r ep r o d u c e d i nt h es o f t w a r ep a r t s o f t w a r ef o rt h em a i nc o n t r o l l e rs y s t e ma r ed e s i g n e d m a i n f u n c t i o nm o d u l e so ft h es y s t e ms o f t w a r ef r a m e w o r ko ft h es y s t e ma r ea n a l y s i s e da n d d e s i g n e di nd e t a i l i n c l u d i n gt h em a i np r o g r a mf l o wc h a i r to ft h em o d u l e t h es i n ew a v e i i i 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 g e n e r a t o rm o d u l e t h ep cc o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h es e r i a lp o r ti n t e r r u p t s e r v i c e m o d u l e t h ep o w e ra d ju s t m e n tm o d u l e u l t r a s o n i co u t p u tt i m i n gm o d u l e f mm o d u l e t h e r e s o n a n tf r e q u e n c yo fd i s p l a ym o d u l e s e t c c i r c u i tt e s t i n g i n c l u d i n gu l t r a s o u n df r e q u e n c ya n dp o w e ro fe x p e r i m e n t a lt e s t s t h e f r e q u e n c ya u t o m a t i ct r a c k i n gt e s t a n dp o w e ra n dt h ei n p u tt r a n s d u c e rf r e q u e n c yt e s t t h et e s tr e s u l t sa r ea n a l y z e d a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r es u m m a r i z e d t h ed i g i t a lc o n t r o lu l t r a s o n i cg e n e r a t o rc a nd r i v et h ef r e q u e n c yd o m a i nu n d e rt h e g o l db a l lw i r eb o n d i n gt r a n s d u c e rt oa c h i e v ea na u t o m a t i cs e a r c hf o ro p t i m a lf r e q u e n c y t r a n s d u c e r a n d s e t d y n a m i c a l l y i nt h e f r e q u e n c yd o m a i nl o c k b e t t e rm e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h ed i f f e r e n tp o w e ro u t p u t k e y w o r d s w i r eb o n d e r s d i g i t a lc o n t r o l u l t r a s o n i cg e n e r a t o r d d s f r e q u e n c y t r a c k i n g p l l c o n t e n t s 0 0 n t e n t s a j s t r a c t c h i n e s e i a b s t r a c t e n g l i s h i i i c o n t e n t s c h i n e s e v c o n t e n t s e n g l i s h i x c h a p t e r ii n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n do fr e s e a r c h 1 1 1 1u l t r a s o n i cg e n e r a t o r 2 1 1 2f r e q u e n c y a u t o t r a c k i n gt e c h n o l o g y 3 1 2t h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h 3 1 3c u r r e n td e v e l o p i n gs t a t u so fu l t r a s o n i cg e n e r a t o r 4 1 4s o u r c e o ft h er e s e a r c h 5 1 m a i nc o n t e n to ft h et h e s i s 5 c h a p t e ri i h a r d w a r es y s t e md e s i g na n dr e s e a r c h 7 2 1d e s i g nr e q u i r e m e n t so fd i g i t a lc o n t r o lu l t r a s o n i cg e n e r a t o r 7 2 2t h ew h o l ep r i n c i p l e so fd i g i t a lc o n t r o lu l t r a s o n i cg e n e r a t o r 7 2 3h a r d w a r eo fd i g i t a lc o n t r o lu l t r a s o n i cg e n e r a t o r 9 2 4p o w e rs u p p l yc i r c u i t 10 2 5m c uc i r c u i t 1l 5 1m c u p r o g r a m 1 1 2 5 2c 8 0 5 l f 3 4 0s c m 1 1 2 5 3c 8 0 5lf 3 4 0c o n t r o lc i r c u i t 12 2 6s i n ew a v eg e n e r a t i o nc i r c u i t 1 3 2 6 1t h eo c c u r r e dp r o g r a m so fs i n ew a v e 13 2 6 2u l t r a s o n i cs i n u s o i d a ls i g n a lg e n e r a t i n gc i r c u i t 16 7f i l t e r 17 2 7 1f i l t e rp r o g r a m 17 7 2e l l i p t i cf i l t e rd e s i g n 19 i x 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 2 8u l t r a s o n i cp o w e ra n dt i m ec o n t r o lc i r c u i t 2 1 2 9p o w e ra m p l i f i e ra n dt h ec u r r e n tp h a s eo ft h es a m p l i n gc i r c u i t 2 3 2 9 1p o w e ra m p l i f i e rc i r c u i tp r o g r a m 2 3 2 9 2o t lp o w e ra m p l i f i e rc i r c u i ta n ds a m p l i n gc i r c u i t 2 4 2 9 3e f f i c i e n c yc a l c u l a t i o no fo t lp o w e ra m p l i f i e r 2 5 2 9 4s a m p l i n gp r o g r a m 2 6 2 10a u t o m a t i cf r e q u e n c yt r a c k i n gc i r c u i t 2 7 2 10 1u l t r a s o n i ct r a n s d u c e rv i b r a t i o na n a l y s i s 2 7 2 10 2t h et h e o r e t i c a lb a s i so fp h a s ec o n t r o l 2 8 2 10 3a u t o m a t i cf r e q u e n c yt r a c k i n gc i r c u i tp r o g r a m 3 1 2 1o 4c i r c u i td e s i g n 3 3 2 11i m p e d a n c em a t c h i n ga n ds i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t 3 4 2 1 2d i s p l a yc i r c u i t 3 5 2 1 3p cc o m m u n i c a t i o n sp r o g r a m sa n dc i r c u i t 3 6 2 1 4b r i e fs u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 3 7 c h a p t e ri i ie x p e r i m e n ts o f t w a r ed e s i g n 3 9 3 1t h em a i np r o g r a mf l o wc h a r t 3 9 3 1 1s i n es u b r o u t i n e 4 1 3 1 2t op cc o m m u n i c a t i o np r o g r a m 4 3 3 1 3v o l t a g ea dc o n v e r s i o ns u b r o u t i n e s 4 4 3 1 4f ms u b r o u t i n e 4 5 3 1 5s e r i a li n t e r r u p ts e r v i c es u b p r o g r a m 4 5 3 1 6u l t r a s o n i cp o w e ra d j u s t m e n tp r o c e d u r e 4 6 3 1 7t i m i n gp r o g r a md e s i g no f u l t r a s o n i co u t p u t 4 7 3 1 8d i s p l a yp r o g r a m m i n g 4 7 3 2b r i e fs u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 4 8 c h a p t e ri vs y s t e md e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t a l 4 9 4 1e x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n de q u i p m e n t 4 9 4 2d d sm o d u l et e s t i n g 5 0 43m a x i m a mp o w e rt e s to f1s tb o n da n d2 n db o n d 5 2 x c o n t e n t s 4 4t e s to ff r e q u e n c ya u t o t r a c k i n g 5 4 4 5f r e q u e n c ys t a b i l i t yt e s to ft h et r a n s d u c e r 5 5 4 6e x p e r i m e n tc o n c l u s i o n s 5 6 4 7b r i e fs u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 5 6 c o n c l u s i o n sa n de x p e c t a t i o n s 5 7 ic o n c l u s i o n s 5 7 i i e x p e c t a t i o n s 5 8 r e f e r e n c e s 5 9 p u b l i s h e dp a p e r sd u r i n gc a n d i d a t ef o rm a s t e r 6 3 o r i g i n a lt h e s i ss t a t e m e n t 6 5 t h e s i ss t a t e m e n tc o p y r i g h tl i c e n s e 6 5 a c k n o w l e d g e m e n t 6 7 x i 第一章緒論 1 1 課題背景 第一章緒論 金絲球焊線機(jī)又稱金線邦定機(jī) 1 它的主要控制系統(tǒng)包括工業(yè)計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng) 壓力系統(tǒng) 超聲系統(tǒng) 打火系統(tǒng) 溫度控制系統(tǒng) 電源提供系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和 圖像定位系統(tǒng)等 金絲球焊線機(jī)的理論基礎(chǔ)是金絲球焊線技術(shù) 又稱為芯片打線技 術(shù) 是一種初級(jí)內(nèi)部互連方法 它把框架引腳連到裸片表面或器件邏輯電路內(nèi)部 通過這種連接方式 把i c 的電信號(hào)與外界連接起來 金絲球焊接工藝是介于冷壓焊 和摩擦焊之間的一種工藝 其利用高頻機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的高密度能量來工作的 金絲球焊線技術(shù)原理圖如圖1 1 所示 金絲球焊線機(jī)焊接的焊頭機(jī)械振動(dòng)平行 于工件表面p 1 當(dāng)焊接時(shí) 焊接壓力通過焊頭垂直作用在焊接表面上 同時(shí)疊加著 高頻振動(dòng)的剪切力 當(dāng)剪切力超過材料彈性極限時(shí) 工件接觸表面部分地區(qū)開始發(fā) 生滑移 這個(gè)剪切力在焊接過程中以每秒鐘幾萬次的頻率不斷地改變方向 破碎并 清除工件表面的污物 純凈金屬表面開始呈多點(diǎn)狀接觸 隨著高頻振動(dòng)的延續(xù) 純 凈金屬接觸面積不斷擴(kuò)大 直到擴(kuò)展為整個(gè)焊接區(qū) 與此同時(shí)在接觸面上發(fā)生原子 擴(kuò)散 金屬再結(jié)晶生成細(xì)晶粒組織結(jié)構(gòu)并且呈現(xiàn)金屬冷變形的特性 當(dāng)超聲波停止 作用后 讓施加在劈刀上的壓力持續(xù)一段時(shí)間 使其凝固成型 這樣就形成牢固的 機(jī)械連接 即實(shí)現(xiàn)焊接h 圖1 1 超聲波焊線技術(shù)原理圖 劈刀 f i g 1 1s c h e m a t i co fu l t r a s o n i cw i r eb o n d i n gt e c h n o l o g y 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 1 超聲波發(fā)生器 目前大功率超聲波發(fā)生器多采用開關(guān)式 比較常見的電路形式主要有 半橋型 和全橋型 這些屬于模擬超聲波發(fā)生器p 1 傳統(tǒng)的模擬超聲波發(fā)生器主要有以下缺 點(diǎn) 1 不易使用現(xiàn)代的微處理器來處理 因?yàn)樵撾娐烦尸F(xiàn)一個(gè)比較典型的模擬線 路特征 用數(shù)字處理比較復(fù)雜 涉及到a d 模數(shù)轉(zhuǎn)換 和d a 數(shù)模轉(zhuǎn)換 成本 比較高 可靠性低隅1 2 模擬控制電路存在控制精度低 動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢 參數(shù)整定 不方便 溫度漂移嚴(yán)重 容易老化等缺點(diǎn) 雖然專用模擬集成控制芯片的出現(xiàn)大大 簡(jiǎn)化了電力電子電路的控制線路 提高了控制信號(hào)的開關(guān)頻率 只需外接若干阻容 元件即可直接構(gòu)成具有校正環(huán)節(jié)的模擬調(diào)節(jié)器 提高了電路的可靠性p 1 但是 也 正是由于阻容元件的存在 模擬控制電路的固有缺陷 如元件參數(shù)的精度和一致性 元件老化等問題仍然存在 3 模擬集成控制芯片還存在功耗較大 集成度低 控 制不夠靈活 通用性不強(qiáng)等問題 用新型數(shù)字化控制代替模擬控制 可以消除溫度 漂移等常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點(diǎn) 有利于參數(shù)整定和變參數(shù)調(diào)節(jié) 便于通過 程序軟件的改變方便地調(diào)整控制方案和實(shí)現(xiàn)多種新型控制策略 同時(shí)可減少元器件 的數(shù)目 簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu) 從而提高系統(tǒng)的可靠性 0 1 此外 還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的 自動(dòng)儲(chǔ)存和故障自動(dòng)診斷 有助于實(shí)現(xiàn)電力電子裝置運(yùn)行的智能化 新型數(shù)字化控制超聲波發(fā)生器技術(shù)一般有三種形式 1 采用a v r 等高檔單 片機(jī)控制 在超聲波發(fā)生器中 單片機(jī)主要用作數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算處理 電壓電流調(diào) 節(jié) p w m 信號(hào)生成 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和故障自我診斷等 一般作為整個(gè)電路的主控 芯片運(yùn)行 完成多種綜合功能 配合d a 轉(zhuǎn)換器和m o s f e t 功率模塊實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào) 制 另外 單片機(jī)還具有對(duì)過流 過熱 欠壓等情況的中斷保護(hù)以及監(jiān)控功能 2 1 單片機(jī)控制克服了模擬電路的固有缺陷 通過數(shù)字化的控制方法 得到高精度和高 穩(wěn)定度的控制特性 并可實(shí)現(xiàn)靈活多樣的控制功能 2 采用d s p 控制 3 1 d s p 數(shù) 字信號(hào)處理器 是近年來迅速崛起的新一代可編程處理器 d s p 屬于精簡(jiǎn)指令系統(tǒng) 計(jì)算機(jī) r i s c 大多數(shù)指令都能在一個(gè)周期內(nèi)完成并可通過并行處理技術(shù) 在一 個(gè)指令周期內(nèi)完成多條指令 在超聲波發(fā)生器中 它可以完成除功率變換以外的所 有功能 如主電路控制 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控及保護(hù)和系統(tǒng)通信等 雖然d s p 有著許多優(yōu) 點(diǎn) 但是它也存在一些局限性 如采樣頻率的選擇 p w m 信號(hào)頻率及其精度 采 樣延時(shí) 運(yùn)算時(shí)間及精度等 這些因素會(huì)或多或少地影響電路的控制性能 3 采 2 第一章緒論 用f p g a 控制 f p g a 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 屬于可重構(gòu)器件 其內(nèi)部邏輯功能可 以根據(jù)需要任意設(shè)定 具有集成度高 處理速度快和效率高等優(yōu)點(diǎn) 4 1 1 1 2 頻率自動(dòng)跟蹤技術(shù) 超聲波發(fā)生器的輸出頻率不跟隨超聲波換能器的變化而變化 則會(huì)使整個(gè)系統(tǒng) 失諧 這就要求超聲波發(fā)生器具有頻率自動(dòng)跟蹤功能 5 1 目前頻率自動(dòng)跟蹤的方法 可以分為電反饋控制和聲反饋控制兩種 聲反饋控制是以聲耦合方式 從換能器上 采集反映機(jī)械諧振頻率的反饋信號(hào) 6 1 電反饋控制方法把換能器振動(dòng)系統(tǒng)看作超聲 功率電源的電學(xué)負(fù)載 通過利用在諧振時(shí)換能器電學(xué)信號(hào)的特征進(jìn)行反饋控制 由 于聲反饋可以直接檢測(cè)換能器的振動(dòng)信息 但傳感信號(hào)一般極微弱 在信號(hào)處理上 對(duì)系統(tǒng)抗干擾性要求非常嚴(yán)格 從而導(dǎo)致成本的增加 現(xiàn)在常用電反饋 具體的電 反饋形式有阻抗電橋式動(dòng)態(tài)反饋 電流動(dòng)態(tài)反饋 基于鎖相環(huán)硬件電路 自適應(yīng)控 制方式 1 7 1 本文采用基于鎖相環(huán)硬件電路的諧振頻率跟蹤方式 它是利用換能器電 壓與電流的相位差來控制數(shù)字控制超聲波發(fā)生器的輸出電頻率 從而實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng) 跟蹤 主要優(yōu)點(diǎn)有 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 鎖相環(huán)片內(nèi)集成的v c o 振蕩頻率范圍寬 頻 率跟蹤能力穩(wěn)定可靠 成本低廉 鎖相環(huán)芯片能減少雜波 其跟蹤的是相位信號(hào) 不直接使換能器包括在反饋網(wǎng)絡(luò)中 避免了復(fù)雜的硬件電路設(shè)計(jì) 頻率自動(dòng)跟蹤技 術(shù)未來的方向是自適應(yīng)控制方式 隨著控制理論在超聲鍵合中的運(yùn)用 這種方式逐 漸成為實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤的一個(gè)新興的 有潛力的發(fā)展方向 1 8 1 1 2 課題研究的實(shí)際意義 金絲球焊線機(jī)是i c 封裝過程中的重要設(shè)備 目前國(guó)內(nèi)i c 封裝設(shè)備仍然主要依 賴價(jià)格昂貴的進(jìn)口設(shè)備 而且香港 日本 美國(guó) 韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)的廠家只對(duì)我 國(guó)開放低端技術(shù) 阻止高端關(guān)鍵技術(shù)向中國(guó)大陸轉(zhuǎn)移 這種趨勢(shì)容易造成國(guó)內(nèi)核心 技術(shù)邊緣化 空心化 9 1 另外在國(guó)內(nèi) 尤其是珠三角地區(qū)對(duì)i c 封裝設(shè)備具有巨大的 市場(chǎng)需求呤0 1 調(diào)查數(shù)據(jù)顯示 在過去的 十五 期間 在i c 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中 有6 0 7 0 瞳u 的預(yù)算資金投用于了購(gòu)置半導(dǎo)體專用設(shè)備 尤其是i c 封裝設(shè)備等 預(yù)計(jì)未來 幾年有可能出現(xiàn)i c 產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的局面 所以i c 封裝中關(guān)鍵設(shè)備全自動(dòng)焊線機(jī)的 市場(chǎng)前景是巨大的口0 1 作為焊線機(jī)重要組成部分的超聲波發(fā)生系統(tǒng) 其性能優(yōu)劣 直接影響焊線機(jī)的效能 提高超聲鍵合技術(shù) 有利于提高芯片封裝成品率 提高生 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 產(chǎn)效率 降低成本 為保證最佳連接強(qiáng)度與提高鍵合效率 需要精確控制系統(tǒng)的超 聲能量 研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能 高精度超聲發(fā)生器有著至關(guān)重要的意義 它為滿足高速 高效 高可靠性的封裝發(fā)展趨勢(shì)提供了必要的設(shè)備保障旺2 1 目前國(guó) 內(nèi)的超聲發(fā)生器在頻率自動(dòng)跟蹤 功率自動(dòng)調(diào)節(jié)和阻抗匹配三大主要性能指標(biāo)上 尚無法完全實(shí)現(xiàn) 并且產(chǎn)品工作噪聲大 功耗高 不能很好地滿足高密度 高集成 的芯片封裝趨勢(shì) 要想加快焊線的速度 改善焊點(diǎn)的質(zhì)量 提高焊線機(jī)整機(jī)設(shè)備的 性能 促進(jìn)我國(guó)半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 打破國(guó)外的技術(shù)壟斷 掌握面向金絲球焊 線機(jī)的高性能超聲波發(fā)生器的原理及其控制方法 因此研制一款數(shù)字化 高精度超 聲波發(fā)生器 并且其智能地高精度頻率跟蹤充分保證換能系統(tǒng)一直處于最佳工作狀 態(tài) 擺脫多模態(tài)對(duì)換能器使用壽命及封裝效率 可靠性的不利影響口3 1 所以采用單 片機(jī)控制 高精度d d s 集成數(shù)字芯片 模塊電路設(shè)計(jì)的數(shù)字超聲波發(fā)生器的意義 非常重大 1 3 超聲波發(fā)生器國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 超聲波發(fā)生器國(guó)內(nèi)外的研究狀態(tài)可以大致劃分為三個(gè)階段 第一階段 上世紀(jì) 8 0 年代前 采用電子管放大 但是電子管極易老化 效率低 能耗大和體積大等 對(duì)設(shè)備的維護(hù)有很大的麻煩 目前已經(jīng)基本上不生產(chǎn)了 2 引 s c r 的可控硅式超聲波 發(fā)生器由于s c r 振蕩器輸出波形不是正弦波 在電源中含有尖峰泳沖 這對(duì)無線電 或高靈敏度測(cè)量?jī)x器 往往引起感應(yīng)故障 目前也已不生產(chǎn) 第二階段 上世紀(jì)8 0 年代到9 0 年代中旬 采用晶體管放大器 同樣存在功耗較大 體積大 重量重 效 率不高和不易使用現(xiàn)代的微處理器來處理等缺點(diǎn) 第三階段 隨著電力電子器件的 發(fā)展 特別是v d m o s 管和i g b t 的發(fā)展和成熟 采用開關(guān)型超聲波發(fā)生器 主要 特點(diǎn)是功耗低 效率高 體積小 重量輕 可靠性好 與微處理器等配合較容易呤5 1 國(guó)外對(duì)超聲波發(fā)生器的研究 一般把數(shù)字技術(shù)引入到超聲波發(fā)生器之中 特別 是微處理器 m p u 及信號(hào)處理器 d s p 的發(fā)展 對(duì)實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤和功率自 動(dòng)調(diào)節(jié)成為近幾年來研究的熱點(diǎn)b 6 1 掃頻技術(shù)在超聲波發(fā)生器上的應(yīng)用 避免了某 一工作點(diǎn)固定出現(xiàn)駐波的現(xiàn)象 使加工效果均勻和穩(wěn)定 另外模糊控制技術(shù)和人工 智能技術(shù)在超聲系統(tǒng)上的開始應(yīng)用 為超聲系統(tǒng)和i c 封裝設(shè)備的前景發(fā)展帶來了新 的方向啦7 1 4 第一章緒論 1 4 課題來源 本課題來源于廣州市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目 全自動(dòng)i c 芯片焊線機(jī)的關(guān)鍵技術(shù) 研究與開發(fā) 項(xiàng)目編號(hào) 2 0 0 6 2 3 d 9 0 7 1 如圖1 2 所示為全自動(dòng)i c 芯片焊線機(jī)的 工作臺(tái) 圖1 2 全自動(dòng)i c 芯片焊線機(jī)的工作臺(tái) f i g 1 2t h et a b l eo fi cc h i pa u t o m a t i cw i r eb o n d e r s 1 5 本文主要研究?jī)?nèi)容 本文根據(jù)金絲球焊線機(jī)的工藝動(dòng)作和數(shù)字控制超聲波發(fā)生器的控制要求 主要 在以下幾個(gè)方面開展研究工作 1 數(shù)字控制超聲波發(fā)生器系統(tǒng)的整體功能分析 根據(jù)該系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)控制方 案 2 設(shè)計(jì)數(shù)字控制超聲波發(fā)生器硬件系統(tǒng) 采用模塊化設(shè)計(jì)的方式 主要包括 以下模塊電路 單片機(jī)主控制模塊 d d s 波形發(fā)生器模塊 濾波模塊 功率放大模 塊 信號(hào)采集調(diào)理模塊 頻率自動(dòng)跟蹤模塊 串口通信模塊 顯示模塊和電源模塊 在蕾 r ro 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)軟件的設(shè)計(jì) 主要為下位機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件的設(shè)計(jì) 包括主程序流程圖 模塊 超聲波產(chǎn)生模塊 a d 轉(zhuǎn)換模塊 諧振頻率顯示模塊 串行中斷服務(wù)模塊 功率調(diào)整模塊和超聲輸出定時(shí)模塊 4 數(shù)字控制超聲波發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路板的搭建 電路板的調(diào)試等 5 數(shù)字控制超聲波發(fā)生器電路的實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的 總結(jié) 6 第二章數(shù)字控制超聲波發(fā)生器硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 第二章數(shù)字控制超聲波發(fā)生器硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 數(shù)字控制超聲波發(fā)生器是利用微控制器控制 采用d d s 技術(shù)產(chǎn)生超聲波信號(hào) 經(jīng)過濾波 放大 之后驅(qū)動(dòng)換能器工作 其中超聲功率是用數(shù)字調(diào)節(jié) 頻率跟蹤數(shù) 字化 能夠?qū)崿F(xiàn)超聲鍵合穩(wěn)定和可靠 傳統(tǒng)超聲波發(fā)生器 多采用模擬硬件電路實(shí)現(xiàn) 不具有智能控制的要求 采用 數(shù)字控制為超聲鍵合智能化提供了條件 同時(shí)數(shù)字控制超聲波發(fā)生器具有可移植性 的優(yōu)點(diǎn) 只需改變軟件 即可完成另外一種頻率的超聲鍵合工作 2 1 數(shù)字控制超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)要求 本文研究的數(shù)字控制超聲波發(fā)生器應(yīng)用于微功率焊接的金絲球焊線機(jī) 功率上 需求較小 最大只有5 w 可焊金絲線徑為2 0 5 0 肛m 即0 8 一2 m i l 超聲焊接時(shí)劈 刀的振動(dòng)幅度極小 肉眼基本上難以觀測(cè) 因此 對(duì)驅(qū)動(dòng)壓電換能器的超聲波電信 號(hào)的波形失真度和頻率穩(wěn)定性要求較高 頻率的變化范圍須在 1 k h z 之內(nèi) 焊線機(jī)工作時(shí) 焊一條線一般要有兩個(gè)焊點(diǎn) 焊接過程分一焊和二焊 一焊焊 點(diǎn)是i c 的硅片焊盤 二焊焊點(diǎn)是銅質(zhì)引線框架的焊盤 由于兩個(gè)焊點(diǎn)材料不同 則 一焊焊接和二焊焊接時(shí) 所需超聲焊接功率和時(shí)間不同 設(shè)計(jì)兩個(gè)通道 對(duì)超聲功 率和時(shí)間進(jìn)行數(shù)字化調(diào)節(jié) 數(shù)字控制超聲波發(fā)生器的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)要求如下 電源 a c 2 2 0 v 1 0 5 0 h z 超聲輸出通道數(shù) 2 通道 一 二焊超聲功率以及時(shí)間分別可調(diào) 超聲輸出功率 0 一5 w 可調(diào) 超聲輸出時(shí)間 5 1 0 0 m s 士5 可調(diào) 超聲輸出頻率 6 2 5 k h z h k h z 頻率跟蹤方式 自動(dòng)跟蹤 焊接參數(shù)輸入方式 通過軟件由上位機(jī)控制平臺(tái)輸入 2 2 數(shù)字控制超聲波發(fā)生器的整體原理 數(shù)字控制超聲波發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 1 所示 包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部 分 上位機(jī)使用p c 機(jī)上的控制軟件平臺(tái) 如v i s u a lb a s i c 等 下位機(jī)系統(tǒng)采用模塊 7 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 化設(shè)計(jì) 主要包括以下功能模塊 一焊超聲功率模塊 二焊超聲功率模塊 一焊超 聲時(shí)間控制 二焊超聲時(shí)間控制 一焊超聲輸出和二焊超聲輸出等 圖2 1 系統(tǒng)控制方案 f i g 2 1b l u e p r i n to ft h ec o n t r o ls y s t e m 數(shù)字控制超聲波發(fā)生器基本系統(tǒng)框圖如圖2 2 所示 圖2 2 數(shù)字控制超聲波發(fā)生器基本系統(tǒng)框圖 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a m o fd i g i t a lc o n t r o lu l t r a s o n i cg e n e r a t o r 數(shù)字控制超聲系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)部分組成 正弦波信號(hào)產(chǎn)生模塊 信號(hào)濾波 模塊 功率放大模塊 阻抗匹配模塊 采樣跟蹤電路模塊 諧振頻率顯示模塊和上 位機(jī)通信模塊 超聲系統(tǒng)以c 8 0 5 1 f 系列單片機(jī)為系統(tǒng)主控芯片 通過對(duì)d d s 芯片 控制產(chǎn)生正弦波信號(hào) 該信號(hào)經(jīng)過濾波和放大 最后加載在換能器上 驅(qū)動(dòng)換能器 工作 換能器工作過程中由于受到負(fù)載力 溫度和濕度等影響 將導(dǎo)致?lián)Q能器頻率 8 第二章數(shù)字控制超聲波發(fā)生器硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 發(fā)生漂移 為了使換能器始終工作在諧振狀態(tài) 利用頻率跟蹤電路來解決這個(gè)問題 解決過程為 調(diào)理后的參考信號(hào)和采樣信號(hào)送入頻率跟蹤電路 頻率跟蹤電路輸出 相位差信號(hào)送給單片機(jī) 單片機(jī)經(jīng)過a d 轉(zhuǎn)換計(jì)算出信號(hào)電壓值 并決定是否調(diào)節(jié) 頻率 從而達(dá)到了頻率跟蹤的目的 使換能器工作在諧振狀態(tài)下 2 3 數(shù)字控制超聲波發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu) 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和方案的分析 設(shè)計(jì)了超聲波發(fā)生器系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 其 結(jié)構(gòu)框圖如圖2 3 所示 圖2 3 數(shù)字控制超聲波發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu)原理圖 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i g i t a lc o n t r o lu l t r a s o n i cg e n e r a t o r 在數(shù)字控制超聲波發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu)原理圖中 單片機(jī)為主控芯片 控制超聲功 率 超聲時(shí)間 諧振頻率顯示 給d d s 送相位頻率參數(shù) 調(diào)頻和上位機(jī)通信 d d s 產(chǎn)生正弦波信號(hào) 該信號(hào)通過低通濾波 反饋給d d s 內(nèi)部比較器 比較后的方波信 號(hào)作為參考信號(hào) 該信號(hào)和正弦波信號(hào)同頻同相 之后送入頻率跟蹤模塊 濾波后 的正弦波信號(hào)經(jīng)過功率放大 加載在經(jīng)過阻抗匹配后的換能器上 驅(qū)動(dòng)換能器工作 其中圖2 3 中的電流采樣信號(hào)是指同換能器工作電流頻率 相位一致的電流信 號(hào) 信號(hào)調(diào)理電路用來調(diào)整電壓參考信號(hào)和電流采樣信號(hào) 使與頻率跟蹤電路的輸 入要求相一致 調(diào)頻電壓信號(hào)包括調(diào)高頻率 調(diào)低頻率和換能器諧振信號(hào) 超聲功 率和時(shí)間電路放在低通濾波器和功率放大電路之間 受單片機(jī)控制 進(jìn)行調(diào)節(jié)超聲 功率和超聲時(shí)間 9 廣東 z l k 大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)住論文 2 4 電源電路 本系統(tǒng)需要提供如下電源 c 8 0 5 1 f 3 4 0 單片機(jī)控制模塊提供 3 3 v 5 v 電源 超聲發(fā)生主體回路提供 1 5 v 電源 換能器功放驅(qū)動(dòng)模塊提供 4 0 v 電源 電源結(jié)構(gòu)框圖如圖2 4 所示 電源的實(shí)現(xiàn)方法主要是2 2 0 v 的交流市電經(jīng)變壓 整流濾波 穩(wěn)壓和濾波后分別輸出 3 3 v 5 v 1 5 v 和 4 0 v 各路電源允許輸 出的電流最高可達(dá)1 5 a 電源內(nèi)部具有過載保護(hù) 熱保護(hù)和短路保護(hù)等功能 以確 保系統(tǒng)的安全 電源電路如圖2 5 圖2 6 所示 圖2 4 電源結(jié)構(gòu)框圖 f i g 2 4s t r u c t u r eo fp o w e rs u p p l y 圖2 5 3 v 3 3 v 電源電路 f i g 2 5 3 v 3 3 vp o w e rc i r c u i t 圖2 6 4 0 v 1 5 v 5 v 電源電路 f i g 2 6 4 0 v 15 v 5 vp o w e rc i r c u i t 1 0 第二章數(shù)字控制超聲波發(fā)生器硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 2 5 微控制器電路 2 5 1 微控制器方案 常用微處理器的比較如表2 1 所示 從性價(jià)比及實(shí)驗(yàn)室條件出發(fā) 設(shè)計(jì)方案采 用c 8 0 5 1 f 3 4 0 單片機(jī)做主控芯片 表2 1 常用微處理器的比較 t a b 2 1c o m m o nm i c r o p r o c e s s o r sc o m p a r i s o n 控制芯片 m c ua蹦dsp f p g a 控制能力強(qiáng)很強(qiáng) 中等中等 速度 價(jià)格 2 5 2c 8 0 51 f 3 4 0 單片機(jī) 中等 低 高 高 高 高高高 c 8 0 5 1 f 3 4 0 單片機(jī)原理框圖如圖2 7 所示 c 2 口q 耕 v 嗽 d d v b u s 羹鉭 五習(xí) l 乜蘇 睦k 囂 栳i i 囂 龜毒 隧絡(luò) 汀 1 刪2 壤 孟 瑤揮鹺髀 c i p 5 18 0 5 1 擰艦器棱 撤 笛器 j i 扣 偉趣鬯捧 u s b 廿設(shè) 廠 l r 逢 氍連l 收發(fā)囂 i j 岡 i 一 網(wǎng) i 一 s f r 息線 j i o 擰 數(shù) 外設(shè) u a r t o 優(yōu)丸敖 幺z 埒t i f e 囂 外筘f 鳙囂接n 擰硝 地鉀 陽 p 2 p 3 爭(zhēng) 穆擬外設(shè) 1 0 2 c a b 鵝 a d c 0 工 c 卵 c p 2 t 輕囂 啪 籀lo 豁磚囂 盞01 彰畝 囂 瑤o2 靜毋囂 端l3 缸蕾囂 弦k4 豁 囂 j 喲 n 悖 品哇 吁荽鼯 圖2 7c 8 0 5 1 f 3 4 0 原理框圖 f i g 2 7p r i n c i p l ed i a g r a mo fc 8 0 5 1f 3 4 0 1 1 舶e p o p 0 2 p d3 p 0 4 p 0 p 0 掃x t 址 p 0 l 2 p 0 p 1 p 1 二 p 1 3 p 14 c 啪 s t r p 1 j 叫疑e f p 1e p 17 p 2 墨 p 2 p 2 p p p 三 p e p 27 p 3 c p 3 p 3 2 p 3 p 3 4 p 35 p 3 上 p 3 7 p o p j p p 4 0 4 p 45 r 七 p 47 黑 中i 一 者一 廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 c 8 0 51 f 3 4 0 微控制器膽叼的模擬外設(shè)包含10 位a d c 特點(diǎn)為轉(zhuǎn)換速率可達(dá) 2 0 0 k s p s 內(nèi)建模擬多路器 單端或差分輸入 v r e f 可在內(nèi)部v r e f 外部引腳或 v d d 中選擇 內(nèi)置溫度傳感器 外部轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入 有兩個(gè)比較器 內(nèi)部電壓基準(zhǔn) 上電復(fù)位 掉電檢測(cè)器 u s b 控制器特點(diǎn)為符合u s b 規(guī)范2 0 版 全速 1 2 m b p s 或低速 1 5 m b p s 集成時(shí)鐘恢復(fù)電路 無需外部晶振 支持8 個(gè)端點(diǎn) 1 k bu s b 緩存 集成收發(fā)器 無需外部電阻 在片調(diào)試特點(diǎn)為片內(nèi)調(diào)試電路提供全速 非侵 入式的在系統(tǒng)調(diào)試 不需仿真器 支持?jǐn)帱c(diǎn) 單步 觀察 修改存儲(chǔ)器和寄存器 比使用仿真芯片 目標(biāo)仿真頭和仿真插座的仿真系統(tǒng)有更優(yōu)越的性能 電壓調(diào)整器 輸入2 7 v 5 2 5 v 使用片內(nèi)電壓調(diào)整器時(shí) 支持的電壓范圍為3 6 5 2 5 v 高速8 0 5 1 微控制器內(nèi)核 特點(diǎn)為流水線指令結(jié)構(gòu) 7 0 的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng) 時(shí)鐘周期 有4 8 m i p s 和2 5 m i p s 兩種版本