焊線是加工集成電路和封裝之間電子連接的基本方法。焊線被認為是最具成本效益和靈活的連接技術，它被用於組裝絕大多數半導體封裝。從控制的觀點看，焊線是很具有挑戰性的，其要求極高的加速度，短位移，和極短的穩定時間，很高的精確度，高的吞吐量。一個強大的控制平臺必須具備嚴格的性能。本文介紹了為什麼ACS運動控制方案最適合焊線設備。
圖1：通用球形接合焊線設備
關於焊線
焊線機可以用金屬線生產直徑13um（0.5mil）的連接。連接是由高溫、壓力和超聲能量的組合在金線的末端產生焊接。焊線機的外觀與縫紉機相似。一個像麵條一樣的一次性的工具，我們叫它毛細管，通過這個細管生成線並最終連接到半導體表面。產生一個線連接一般分為4個階段：
1）在位置控制模式下將焊接珠放在墊上（半導體表面）
2）檢測焊機珠和墊之間的連接，在第一個連接形成的過程中平滑切換到力矩控制模式
3）一旦連接完成，平滑轉換到位置控制模式，執行一個座標xyz的運動到第二個連接位置
4）為形成第二個連接平滑轉換到力矩控制模式。
焊線機是一個包括xy平臺和被加到xy平臺上的連接頭（z軸）的三軸系統。Z軸組裝包括一個分辨率0.1um到0.2um的音圈，為了快速力響應，音圈由一個高帶寬放大器（典型線性）供電。性能要求包括，針對線夾緊的高響應，連接精度好於2um。Xy平臺由帶分辨率50-200nm的反饋並由高功率PWM放大器驅動的線性三相直流無刷馬達或者音圈 組成。Xy性能要求包括+-1um的高位置精確度。
技術要求
焊線機的目標是最大化吞吐量。典型的焊線機可見達到20線每秒，這要求每個軸（xyz）都有快速的移動和快速的穩定，短的規劃時間（幾毫秒），非常快的加速度和加加速度（大於100G）沒有超調的最小整定時間，在高頻率時防止震動。其他要求包括座標xyz運動，規劃生成到執行的 反應時間要短，主站、控制器、驅動器直接的實時數據傳輸數據容量/吞吐量要高。
對於連接頭的專門要求包括高電流環帶寬（超過3khz）以適應線夾緊時的高速力響應高的位置帶寬（高於200hz）以適應快速穩定，低碰撞力，快速鏈接檢測，抑制力矩震動，彈力和重力補償。
ACS解決方案
ACS使用基於EtherCAT，分佈式控制的架構，這樣做可以基於提供模塊化，可擴展，標準化的組合創造用戶解決方案。在近期的焊線應用中，ACS控制方案包括SPiiPlusSC+UDMlc+UDMba.SPiiPlusSC（軟控制器）是一個最先進的，基於pc的支持64軸聯動和5khz更新速率的無引腳控制器。UDMlc是低功率，少引腳，高性能，四軸驅動：可用於驅動連接頭軸。額外軸有一個好處是可以被用於添加一個性能要求不苛刻的典型的開環過程（比如開關一個快門）。UDMba是一個更高功率，高性能的雙軸驅動，用於驅動xy平臺
方案的特點
SPiiPlusSC+UDMlc+UDMba方案 有很多標準和可選的特徵，這些特徵可以被改變以滿足線連接過程的要求。首先SPiiPlusSC提供了主站到控制器之間最大通信吞吐量的可能性。因為主應用和SPiiPlusSC屬於同一臺PC，共享內存和事件，它們被用於超快速通信。與我們競爭的方案依賴於Ethernet通訊，這將造成一個力矩控制的瓶頸和極限性能能力的性能。SPiiPlusSC的另一個特點控制器循環時間低於0.2毫秒，這樣可以達到更短的運動時間，減少反應時間，達到更快的控制器響應，更光滑的軌跡生成和前饋補償。
EtherCAT®是註冊商標和專利技術，由德國倍福自動化有限公司許可。
ACS研發了很多適合焊線應用的特殊算法，包括“Soft Touch”力控制，“ServoBoost”和“MotionBoost”。
“Soft Touch”力控制包含一個基於一些可選準則的快速接觸探測算法；這些準則包括位置誤差，驅動命令，或者模擬輸入（來自力傳感器）。它也包含非線性彈力補償，重力補償，和一個限制衝擊力和抑制震動的減震機制。對於線連接而言，在檢測碰撞之後，力矩按照預先定義的時序被施加（如果合適，插入圖片），之後系統平滑轉向位置模式。從位置模式轉向力矩模式然後再回到位置模式的過程是平滑的，這個過程在50usec內完成。“ServoBoost”是一個針對高要求應用研發的伺服算法。應用“ServoBoost”可以在確保亞微米分辨率的前提下實現最大的帶寬和零整定時間。“MotionBoost”是為了達到最小整定時間和最好動態性能研發的運動規劃技術。特別地，它生成實時伺服更新率（20khz）的特殊設計的運動規劃，可以實現非常平滑和持續時間低至100-500us的快速運動。“MotionBoost”規劃生成優於2階和3階運動規劃，因此在激烈運動時能夠減少伺服電流，允許進一步增加吞吐量。“MotionBoost”也支持到3軸的座標運動。
圖 2：普通規劃和 MotionBoost規劃
黃色=通常規劃 綠色=MotionBoost規劃 紅色=位置誤差（通常規劃） 藍色=位置誤差（MotionBoost）
結論
線連接是一項具有挑戰性的應用，今天應用SPiiPlusSC+UDMlc+UDMba，ACS運動控制可以提供更高性能的解決方案。SPiiPlusSC控制器能夠實現最優的吞吐量和循環時間，支持處理如此高要求的應用所需的特殊算法，而且沒有引腳。UDMlc and UDMba驅動的特點是少引腳和高性能，是線連接理想的選擇。在本文提到的許多acs產品和特點也可以應用於除了線連接之外的應用，包括自動IC編程器，pcb組裝，FPD檢測，晶圓檢測，X射線和CT影像，激光退火，振鏡運動，等等。另外，acs有非常專業，經驗豐富的技術支持工程師幫助您解決應用中的每一個挑戰；從設備設計到市場推廣。
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