ACS Motion Control
Steuerungstechnik für Wire-Bonding-Maschinen
Steuerungen für Wire-Bonding-Maschinen müssen schnelle Beschleunigungsvorgänge ebenso beherrschen wie kurze Bewegungs- und Ausregelzeiten. ACS Motion Control bietet eine Steuerungsarchitektur aus Soft Controller, 4-Achs-Verstärker und 2-Achs-Verstärker, die die hohen Anforderungen des Wire-Bonding erfüllt.
Wire-Bonding (Draht-Bonden) ist eine wichtige Technologie zur Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen integrierten Schaltkreisen und ihren Packages. Das Verfahren gilt als die kosteneffektivste und flexibelste Verbindungstechnik und ist das häufigste Halbleiter-Assembling-Verfahren.
Der Wire-Bonding-Prozess stellt die Steuerung vor große Herausforderungen - er verlangt schnelle Beschleunigungsvorgänge, kurze Bewegungs- und Ausregelzeiten, hohe Genauigkeit und hohen Durchsatz. All dies erfordert eine besonders leistungsfähige Steuerungstechnik, wie ACS Motion Control sie bereitstellt.
Wire-Bonding-Maschinen erzeugen Kontaktierungen mittels (typischerweise) Golddrähten, die 13 µm dünn sein können. Die Verbindungen werden hergestellt durch Erzeugung von Wärme, Druck und Ultraschallenergie, um ein Verschweißen an den jeweiligen Enden des Drahtes zu bewirken. Bond-Maschinen wirken auf den ersten Blick wie Nähmaschinen; ein nadelartiges Werkzeug dient als Führungsrohr (engl. capillary), das den Draht führt und an der Bondstelle mit der Halbleiteroberfläche verbindet.
Die Herstellung der Draht-Bond-Verbindung gliedert sich in vier Phasen:
1. Zuführung des zu verbindenden Drahtendes zur Kontaktstelle (Halbleiter-Oberfläche).
2. Detektieren der Berührung zwischen Draht und Substrat und übergangsloses sanftes Umschalten auf Kraftregelung während der Ausbildung der ersten Schweißverbindung.
3. Nach Fertigstellung der Schweißung übergangslose sanfte Umschaltung auf Positionsregelung und synchronisierte Bewegung der Achsen XYZ zu nächsten Bondposition.
4. Erneutes sanftes Umschalten auf Kraftregelung unter Ausbildung der Schweißverbindung.
Bond-Maschinen sind dreiachsige Systeme, die einen Bondkopf (Z-Achse) gekoppelt mit einem XY-Tisch aufweisen. Die Bondkopf-Baugruppe besteht aus einem Z-Achsen-Voice-Coil-Antrieb mit Feedback-Auflösung zwischen 0,1 und 2 µm, angesteuert durch einen Verstärker hoher Bandbreite (typischerweise ein Linearverstärker), um eine schnelle Kraftsteuerung zu ermöglichen. Zu den Anforderungen gehören eine schnelle Reaktion für das Drahtklemmen und eine Bond-Genauigkeit besser als 2 µm.
Die Achsen des XY-Kreuztisches werden angetrieben von Linearmotoren (dreiphasigen bürstenlosen DC-Motoren) oder von Voice-Coil-Motoren mit Feedback-Auflösungen von 50 bis 200 nm. Die Motoransteuerung erfolgt mit leistungsstarken PWM-Verstärkern. Für die Wiederholgenauigkeit der Kreuztischachsen werden Werte von +/-1 µm gefordert.
Eine wichtige Forderung ist die Maximierung des Durchsatzes. Typischerweise können Wire-Bond-Maschinen 20 Drähte pro Sekunde kontaktieren. Dies erfordert kurze Bewegungs- und Ausregelzeiten für alle drei Achsen (XYZ), kurze Profilaufbauphasen (wenige Millisekunden), hohe Beschleunigungen (>100 g) und hohe Jerk-Werte (Jerk ist die Ableitung der Beschleunigung). Ferner werden kurze Ausregelzeiten ohne Overshoot und die Vermeidung bzw. Unterdrückung hochfrequenter Schwingungen verlangt. Weitere Anforderungen sind koordinierte XYZ-Bewegungen, schnelle Bewegungsprofil-Erzeugung und die Fähigkeit, große Datenmengen in Echtzeit zwischen Host-PC, Steuerung und Achsverstärker zu übertragen.
Spezifische Forderungen für den Bondkopf sind hohe Stromregler-Bandbreiten (f > 3 kHz) für rasche Kraftreaktion beim Klemmen der Drähte, hohe Positionsbandbreite (f > 200 Hz) zum schnellen Ausregeln der Position, geringe Auftreffkraft, schnelle Berührungserkennung, Unterdrückung kraftinduzierter Schwingungen sowie Federkraft- und Gravitationskompensation.
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