נגישות

הבאת התפוקה ביישומי איחוי מוליכים למצב אופטימלי

איחוי מוליכים (Wire Bonding) היא השיטה העיקרית המשמשת ליצירת חיבורים חשמליים פנימיים בין מעגלים משולבים לבין המארזים שלהם. 
החיבורים הפנימיים בשיטה זו נחשבים לגמישים ביותר והיא נחשבת לטכנולוגיה הכדאית ביותר מבחינת עלותה.
 
תהליך איחוי המוליכים הוא אתגר מנקודת המבט של הבקרה - נדרשים לה תאוצה גבוהה, מהלך קצר וזמני התייצבות קצרים, דיוק ותפוקה גבוהה. 
כדי לעמוד בדרישות מחמירות אלו של ביצועים, נדרשת פלטפורמת בקרת תנועה רבת יכולות. 
המאמר הבא מוכיח מדוע הפתרון של ACS Motion Control מהווה פלטפורמת איחוי המוליכים והפתרון הטוב ביותר לבעיה.
 

תפוקה ביישומי איחוי

איור 1: מכונה לאיחוי מוליכים נפוצה מסוג "איחויי כדור" (Ball Bonder)

 

מהו איחוי מוליכים?

מכונות איחוי מוליכים יוצרות (בדרך כלל) חיבורים באמצעות חוטי זהב, שיכולים להיות בעלי קוטר דק מאוד, עד כדי 13 מיקרו מטר (0.5 מיל). 
החיבורים נוצרים בעזרת שילוב של חום, לחץ, ואנרגיית על-קול (אולטרה סונית), שיוצרים הלחמה בכל קצה של החוט. 
מכונות שמשמשות לאיחוי דומות במראה שלהן למכונות תפירה. יש בהן כלי חד פעמי דמוי מחט, שנקרא "הקפילריות", אשר דרכו מוזן החוט שמחובר, בסופו של דבר, אל משטח המוליך למחצה.
 
קיימים ארבעה שלבים כלליים ליצירת חיבור של חוט: 
1. הצבת כדורית הלחמה על הרפידה (משטח המוליך למחצה) במצב של בקרת מיקום.
2. גילוי סימן למגע בין כדורית ההלחמה והרפידה, ומעבר חלק למצב בקרת כוח במהלך יצירת החיבור הראשון.
3. לאחר שהחיבור הושלם, מעבר חלק חזרה למצב בקרת מיקום וביצוע תנועת XYZ מתואמת למיקום החיבור השני.
4. מעבר חלק למצב בקרת כוח ליצירת החיבור השני.
מכונות איחוי הן מערכות שפועלות בשלושה צירים, והן מורכבות מראש איחוי (ציר Z) המצורף לדרגת XY.
מכלול ראש האיחוי מורכב מסליל קול (דומה לזה של רמקול) בציר Z, עם רזולוציית משוב בטווח שבין 0.1 מיקרו מטר ל- 2 מיקרו מטר שמופעל באמצעות מגבר בעל רוחב פס גדול, (בדרך כלל ליניארי), לקבלת תגובת כוח מהירה.
דרישות הביצועים כוללות תגובה מהירה הנחוצה להידוק החוט, ודיוק איחוי טוב מ- 2 מיקרו מטר.
דרגת XY מורכבת משלושה מנועי פאזה ליניאריים למתח ישר או מסלילי קול עם רזולציית משוב של 50 עד 200 ננו מטר מופעלים על ידי מגברי PWM להספק גבוה.
דרישות ביצועי XY כוללות דיוק מיקום גבוה של +/– 1 מיקרו מטר.
 
 
הדרישות הטכניות
 
המטרה שעומדת בפני מכונת איחוי המוליכים היא השגת תפוקה מרבית. 
מכונות איחוי מוליכים יכולות להגיע ל- 20 חוטים בשנייה, ולכן יש להן צורך ב:
• תנועה והתייצבות מהירות ביותר בכל הצירים (XYZ).
• זמנים קצרים להגדרת פרופיל (מילי שנייה ספורים בלבד), בתאוצה ונתירה (Jerk) גבוהות ביותר (יותר מ- 100g).
• זמן התייצבות מזערי ללא תגובת יתר (OverShoot) ומניעה של רעידות בתדירויות גבוהות. 
• תנועת XYZ מתואמת.
• העברת נתונים בנפח ובתפוקה גבוהים בין המחשב המארח, הבקר ומעגלי הדחיפה. 
• ועוד.
 
התכונות הייחודיות הנדרשות לראש האיחוי כוללות:
• רוחב פס גדול של חוג הזרם (יותר מ- 3 קילו הרץ) - לקבלת תגובת כוח מהירה שנדרשת להידוק חוטים.
• רוחב פס גדול של חוג המיקום (יותר מ- 200 הרץ) - לצורך התייצבות מהירה.
• כוח מגע (Impact) נמוך.
• גילוי מגע מהיר.
• דיכוי רעידות כוח ופיצוי קפיץ ופיצוי כבידה.
 
 
הפתרון של ACS
 
חברת ACS משתמשת בארכיטקטורת בקרה מבוזרת מבוססת תקשורת EtherCAT®, ובכך יכולה ליצור פתרונות בהתאמה אישית, שמתבססים על שילוב היצע של מוצרים מודולריים, הניתנים לשדרוג.
ביישום איחוי מוליכים שנוצר לאחרונה, פתרון הבקרה של ACS היה מורכב מהיחידות SPiiPlusSC ,UDMlc ו–UDMba.
UDMlc הוא מעגל דחיפה לארבעה צירים בעל הספק נמוך ביותר, עקבת מעגל קטן וביצועים גבוהים, המשמש לדחיפת ציר ראש האיחוי. יתרונו נעוץ גם בציר הנוסף (הרביעי) שלו, שבו אפשר להשתמש עבור תהליך לא דורשני, בדרך כלל בחוג פתוח (פתיחת תריס וסגירתו למשל).
SPiiPlusSC (בקר תוכנה) הוא בקר מהשורה הראשונה, מבוסס מחשב PC ללא עקבת התקנה (Zero Footprint) עם תמיכה בעד 64 צירים, עם תיאום מלא וקצב עדכון של 5 קילו הרץ.
UDMba הוא מעגל דחיפה בעל הספק גבוה מאוד וביצועים גבוהים לשני צירים, שמפעיל את דרגת XY.
 
 
תכונות הפתרון
 
לפתרון מבוסס SPiiPlusSC, UDMlc ו–UDMba יש תכונות סטנדרטיות ואופציונליות רבות, שניתן לשפרן, כדי שיעמדו בדרישות התהליך
של איחוי המוליכים. 
ראשית, SPiiPlusSC מציע את תפוקת התקשורת הגבוהה ביותר האפשרית בין מחשב מארח לבקר. 
מאחר שיישום המחשב המארח ו- SPiiPlusSC נמצאים באותו מחשב אישי, אירועים וזיכרון משמשים בשיתוף לקבלת תקשורת מהירה ביותר. 
פתרונות מתחרים מסתמכים על תקשורת Ethernet למטרה זו, שיוצרת צוואר בקבוק בבקרת הכוח ומגבילה את יכולות הביצועים. 
תכונה נוספת של SPiiPlusSC היא זמן מחזור הבקר, שהוא קצר עד כדי 0.2 מילי שנייה וגורם לזמני תנועה קצרים יותר, לתקורה פחותה, לתגובה מהירה יותר של הבקר, ליצירת פרופיל חלקה יותר ולפיצויי משוב לפנים (FeedForward).
 
חברת ACS פיתחה כמה אלגוריתמים המתאימים לשימוש באיחוי מוליכים, לרבות בקרת הכוח "Soft Touch", "ServoBoost" ו–"MotionBoost". 
בין התכונות של "Soft Touch" נמצא אלגוריתם מהיר לגילוי מגע המבוסס על כמה קריטריונים אופציונליים: שגיאת מיקום, פקודת דחיפה
או כניסה אנלוגית (ממתמר כוח).
תכונות נוספות כוללות פיצוי קפיץ לא ליניארי, פיצוי כבידה ומנגנון שיכוך המיועד להגבלת כוח המגע ולדיכוי רעידות מושרות. 
עבור איחוי מוליכים, לאחר שהתרחש גילוי נגיעה, הכוח מופעל בהתבסס על תרשים תזמונים מוגדר מראש, אשר לאחריו המערכת עוברת באופן חלק חזרה למצב מיקום.

יישומי איחוי

איור 2: תרשים תזמון מצב כוח

 
המעבר ממצב מיקום למצב כוח וחזרה הוא תהליך חלק שמתבצע ב- 50 מיקרו שנייה.
ServoBoost הוא אלגוריתם סרוו שפותח במיוחד עבור יישומים דורשניים מאוד, אשר בעזרתו אפשר להגיע לרוחב פס מרבי, לזמן התייצבות ששווה לאפס ולרזולוציה תת מיקרונית.
MotionBoost היא טכנולוגיה חדשה ליצירת פרופיל תנועה, שפותחה על מנת להגיע לזמן התייצבות מזערי ולביצועים דינמיים מרביים. 
היא יוצרת פרופילי תנועה שתוכננו לכך במיוחד בקצב עדכון הסרוו בזמן אמת (20 קילו הרץ), וכך נוצרת תנועה חלקה ומהירה עם זמנים קצרים עד כדי 100 עד 500 מיקרו שנייה. 
יצירת פרופיל MotionBoost עדיפה על פרופילי תנועה מסדר שני או שלישי, במובן זה שהיא מביאה לזרמי דחיפה מופחתים במהלך ביצוע תנועות חדות ומאפשרת תפוקה מוגדלת.
MotionBoost תומכת גם בתנועה מתואמת של עד שלושה צירים.
 

מצב אופטימלי

איור 3: פרופיל רגיל לעומת MotionBoost

מסקנות

איחוי מוליכים הוא יישום מאתגר. 
באמצעות SPiiPlusSC, UDMlc ו–UDMba חברת ACS Motion Control מספקת את הפתרון בעל הביצועים הגבוהים ביותר הקיים כיום בשוק.
לבקר SPiiPlusSC יש יכולת לספק תפוקה וזמן מחזור מרביים ללא עקבת מעגל והוא תומך באלגוריתמים מיוחדים הנחוצים לטיפול ביישומים
דורשניים מסוג זה. 
למעגלי הדחיפה UDMlc ו- UDMba יש עקבת מעגל קטנה וביצועים גבוהים, והם מתאימים במיוחד לאיחוי מוליכים. 
רבים מבין המוצרים והתכונות של ACS המוזכרים במאמר זה מביאים תועלת לא רק ליישומים בתחום איחוי מוליכים, אלא גם ביישומים של מערכות תכנות אוטומטיות של מעגלים משולבים, מכלולי מעגלים משולבים, בחינת FDP, בחינת פרוסות סיליקון, דימות בקרני רנטגן ובטומוגרפיה ממוחשבת, הרפיית חומרים בלייזר (laser annealing), תנועת מראה גלוונית ויישומים רבים נוספים. 
נוסף על כך, בחברת ACS יש צוות תמיכה נאמן ומנוסה שמוכן לסייע בפתרון אתגרי היישום בכל צעד, החל בתכנון המכונה ועד היציאה לשוק.
 

מאת: רוברט ארטל [Robert Ertel] (חברת ACS Motion Control).

© כל הזכויות שמורות לאבירי טכנולוגיות בע"מ