CN101969034A - 四环精密位置控制和力控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用在金线焊线机上的四环位置控制和力控制方法，其中位置控制架构包括：位置环、速度环、力环和电流环，力控制包括：力环和电流环。力环是嵌入在位置环和速度环之中的，保证了其足够快的响应速度。位置环控制器由比例控制器、速度前馈控制器和加速度前馈控制器组成；电流控制器由比例-积分控制器组成；力环控制器由比例-积分控制器和速度阻尼组成；电流环控制器由比例-积分控制器组成。该控制架构保证了位置控制到力控制的平滑切换，消除了切换带来的冲击和振动，从而保证了焊线的质量。

Description

四环精密位置控制和力控制方法
[技术领域]
本发明涉及一种应用于LED金线焊线机的四环精密位置控制和力控制方法。
[背景技术]
金线焊线机是是完成微电子封装中引线键合环节的设备。随着半导体产业的逐渐发展壮大，市场对于各类芯片的需求也越来越多，对焊线的速度和质量都提出了更高的要求。在焊线的过程中要求每一步骤都要保证很高的精度，这就要求在控制过程中要保证很高的定位精度，除此之外焊接力的控制也决定了焊线的质量。
电子封装就是把晶圆切割下来的芯片，安装在引线框架上，并以金属丝或凸点连接裸芯片及引线框架或基板的电路，接着在晶粒外面包装绝缘的塑料或陶瓷外壳的过程。引线键合是电子封装中的一道关键工序，它负责用细微的金属丝将裸芯片及引线框架连接起来，实现芯片内部和外部引脚之间的信号互连。引线键合的基本步骤包括：形成第一焊点，形成线弧，最后形成第二焊点。在键合过程中要通过高精度的位置定位保证焊点的准确性，并且形成理想的线弧。同时键合力的大小必须被精确控制，以满足键合工艺的需要。过小的键合力会导致未成形的键合或尾丝翘起；过大的键合力会阻碍键合工具的运动，抑制超声能量的传导，导致污染物和氧化物被推到了键合区域的中心，形成中心未键合区域。根据工艺要求，键合力一般处于0.2N到1.2N之间可调，属于微小力级别。键合时间非常短，力的作用时间只有个毫秒，要求力的建立非常快。在者，为缩短焊线周期，键合前焊接头的搜索速度比较大，这将导致大的碰撞了产生。这几方面的特点，对立的控制系统提出了苛刻的要求，难以实现。
引线键合及的主要部件有三个轴，一个XY平台运载邦头做平面定位，Z轴负责邦头的垂直焊接，力控制主要由Z轴实现的。首先，Z轴从成球高度，高速下降到搜索高度，然后以较低的常速度搜索芯片，碰撞后开始焊接。焊接完成之后土里接触开始拉线弧动作，进入第二点焊接，其后过程和第一点差不多，最终又回到成球高度，开始下一个周期。在一个周期内，Z轴有三种控制状态，(1)位置控制，在这个状态中，邦头与芯片没有接触，目的是拉出线弧或者运动到焊接位置附近；(2)切换控制：也可称为“切换态”，这是由位置环向力环控制的过渡，这是，邦头以非常低的速度去接近元件，以避免大的冲击力而损坏元件；(3)力控制：邦头和芯片接触上，以个稳定的接触力需要保持。由此可见，焊接过程中，力控制和位置控制相辅相成，在时序上互为基础，在性能上互相影响。
传统的焊线机一般采用位置控制加上开环力控制的控制方式。位置控制一般包括三环：位置环，速度环和电流环，而力控制也只是采取开环加电流的方式。即使随之科技的发展，闭环力控被引入引线键合过程，在控制过程中要进行位置控制和力控制的切换。在切换的过程中会使系统在某一时刻只有电流环控制器，也就是系统处于开环不受控阶段，在这一阶段会给系统带来很大的扰动或者冲击，从而影响引线键合的质量。目前在国内外的芯片封装工业中还没有任何将位置控制和力控制融入一套环路的控制方法。
[发明内容]
本发明的目的在于提供一种可在引线键合过程中使用的四环精密位置控制和力控制方法。其特征在于：包括：位置控制时的四环控制方法，即位置环，速度环，力环和电流环；力控制时的双环控制方式，即力环和电流环，并使用一个高精度的力传感器获得力反馈信号。在该方法中力环嵌入位置环和速度换中，所以力环的响应频率很高。同时，将力环嵌入到位置环和速度环中，当需要从位置控制切换到力控制时，只要通过改变速度控制器和位置控制器的参数即可，不存在开环控制失控的阶段。所以系统从位置控制到力控制的切换可以变得非常平滑。这种方法可以减小切换过程中的冲击或震动，增加系统的稳定性。
根据本发明，将力环嵌入位置环和速度环，可以在位置控制是达到很高的定位精度，同时，在切换为力控制时，保证平滑切换，不引入振动和冲击，且设置力环控制器为PI控制器加速度阻尼的结构，通过调节各控制器的参数可以达到很好的力控制效果。
[附图说明]
图1是表示LED金线焊线进焊线过程图；
图2是表示在焊线过程中Z轴的运动示意图；
图3是表示本发明的四环控制方法的控制框图；
图4是表示本发明的四环控制方法中位置环控制器和速度环控制器的结构框图；
图5是表示本发明的四环控制方法的力控制框图；
图6是表示本发明的四环控制方法的力环控制器的结构框图
[具体实施方法]
图1是表示LED金线焊线机的焊线过程，其中位置控制段包括：高速下降段1、第一段搜索段2、线弧形成段4，第二段搜索段5、剪线段7和高速上升段8；力控制段包括：第一段焊接段3和第二段焊接段。图2是表示力控制发生的主要轴Z轴从位置控制到力控制的切换过程。正如图2中所示，系统由开始时加速下降规定高度后改为低速下降，这段也称为搜索段。在劈刀没有与焊接灯杯碰撞的时候，系统一直处于位置控制阶段。当劈刀与焊接灯杯碰撞，力传感器检测到信号大于某一给定值时，系统从位置控制切换到力控制。
图3是本发明的四环控制框图，包括：位置环、速度环、力环和电流环。在位置控制时，通过调节各环路控制器的参数可以使得系统具有很高的定位精度。图4所示的是本发明中位置控制是速度环和位置环的结构框图，位置环由一个比例控制器，速度前馈控制器和加速度前馈控制器组成，速度环由比例积分控制器组成。在位置控制时，同时调节位置控制器和速度控制参数和力控制器的参数，从而使系统达到跟好的控制效果。
图5中给出的是力控制时系统的双环控制框图，双环包括力环和电流环。力环控制器的结构框图如图6所示，由一个比例积分控制器和速度阻尼组成，通过这样的设计可以使力控制的超调很小，调节时间更短，并且稳态振动更小。
本发明中所提到的四环位置和力控制的调节步骤如下：步骤一，建立四环运动控制系统，调节位置环、速度器和力环各控制器的参数使得位置控制达到要求的精度。在调节位置控制各控制环参数的过程中应当关闭力传感器。步骤二，开启力传感器，给定期望力，将位置环各控制器参数置零，速度控制器保留比例控制器结构，调节速度环比例控制器和力环控制器的参数使得力控制达到要求的精度。步骤三，在位置控制时，设定力传感器的门限值，关闭力传感器，应用步骤一中所述的调节好的各环路控制器进行位置控制，当与被焊灯杯的距离超过某一位置值的时候开启力传感器，该位置值通过实验测定。步骤四，在力传感器的大于步骤三中所示门限值的时候，将位置控制切换为力控制，也就是将步骤一中的各控制器的参数切换为步骤二中各控制器的参数。

Claims (2)

1.一种四环位置控制和力控制方法，将力控制环路嵌入位置控制环路，构成了位置、力联合控制的四环控制方法。其特征在于：包括：
由位置环，速度环，力环和电流环所构成的位置控制结构；
由力环和电流环所构成的力控制结构；
力控制环路嵌入位置和速度控制环路；
位置控制和力控制的切换通过各环路控制器参数的切换得到，不需要切断任何环路。
2.如权利要求1所述的四环位置控制和力控制方法，其特征在于：在力控制环路中应用比例-积分控制器加速度阻尼的控制结构，速度阻尼的获得利用速度控制器的比例控制器得到。
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