（机械电子工程专业论文）引线键合变频式超声波发生器的研究与设计.pdf

摘要 本论文研究与设计的是面向芯片键合封装领域的变频式超声波 发生器，其可以在广频域内驱动不同的金丝球引线键合换能器，智能 搜索换能器最佳工作频率并动态锁相实现换能器的最优功率输出。其 中，所进行的工作及成果如下： ( 1 )通过对换能器等效电路模型及导纳圆进行的分析、仿真及 实验，得出换能器各谐振模态下的电学特点及其锁相特征，为变频式 超声波发生器的信号采集方案及锁相算法提供明确的理论依据。 ( 2 )对基于它激模式的变频式超声波发生器进行了整体设计， 并对微控制器系统、d d s 信号生成系统、滤波系统、功率放大系统、 信号采集系统、信号调理反馈系统、人机交互系统、电源系统进行了 研究、方案比较与详细电路设计。 ( 3 )为了得到快速切换、低失真、高稳定、宽频谱的信号源， 系统引入了通信领域的d d s 技术。采用高速a v r 单片机控带i j d d s ，系 统具备灵活、快速的变频效果。辅以具有防三极管热击穿功能的高保 真a b 类功率放大电路及精密设计的滤波器，超声波发生器具备优异 的正弦信号输出。同时，基于真有效值的频率跟踪电路，引入射频领 域的真功率检测芯片，其具备快速、准确地将复杂的换能器电流信号 以线性及分贝形式的直流电压值反馈给单片机的能力。单片机通过判 断模数转换后的数字量最大值及最小值，分别实现换能器串联、并联 谐振的频率跟踪。加设电压、电流相位检测电路，进一步强化锁相能 力。最后，为系统提供了完善的人机交互界面、u s b 通信及信号幅值、 工载时间的数控方案。 ( 4 )实验表明，变频式超声波发生器具有广频域驱动、多谐振 模态锁频、数字式控制、快速锁相及阻抗分析等优秀性能。 关键词超声波发生器，变频，锁相，d d s ，换能器 a bs t r a c t f r e q u e n c y - m o d u l a t e du l t r a s o n i cg e n e r a t o ri nc h i pp a c k a g ef i e l dw a s o n ek i n do fu l t r a s o n i cg e n e r a t o rw h i c hw a sa b l et of i n dd i f f e r e n tg o l d w i r eb o n d i n gt r a n s d u c e r sr e s o n a n tf r e q u e n c ya u t o m a t i c a l l ya n dm a k e p l l i n t e l l i g e n t l yi nal a r g ef r e q u e n c yr a n g e t h ew o r kw a sl i s t e db e l o w ： ( 1 ) t h r o u g h t h e a n a l y s i s ，s i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t o f t r a n s d u c e r s e q u i v a l e n t e l e c t r o n i c m o d e l ，e l e c t r o n i ca n dr e s o n a n t c h a r a c t e r i s t i co ft r a n s d u c e rc o u l db eg o r e n i to f f e r e dd e f i n i t et h e o r y b a s i so f s i g n a l c o l l e c t e ds c h e m ea n dp l la r i t h m e t i ct ot h e f r e q u e n c y m o d u l m e du l t r a s o n i cg e n e r a t o r ( 2 )i n t e g r a t e dd e s i g n a n de a c hm o d u l e sb e s ts c h e m eo f f r e q u e n c y - m o d u l a t e d u l t r a s o n i c g e n e r a t o r b a s e do n i n d e p e n d e n t e x c i t a t i o nh a v eb e e nd i s c u s s e d , w h i c hc o n t a i n e de m b e d d e dc o n t r o l l e r , d d ss i g n a lg e n e r a t o r , f i l t e r , p o w e ra m p l i f i e r , s i g n a lc o l l e c t e ds y s t e m ， s i g n a lp r o c e s sf e e d b a c ks y s t e m ，h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c es y s t e ma n d p o w e rs u p p l y ( 3 ) f o rau l t r af a s ts w i t c h ，l o wd i s t o r t i o n ，e x c e l l e n ts t a b i l i t ya n d b r o a d f r e q u e n c ys p e c t r u ms i g n a ls o u r c e ，d d st e c h n i q u e i nt h e c o m m u n i c a t i o nw a si n t r o d u c e d a p p l y i n gh i g hs p e e da v rm c ut o c o n t r o ld d s ，s y s t e mh a dt h ef l e x i b l e ，f a s tf r e q u e n c y m o d u l a t e da b i l i t y a f t e rd d s ，t h e r ew e r ea n t it h e r m a lb r e a kd o w nh i f ia bc l a s sp o w e r a m p l i f i e ra n dp r e c i s ed e s i g n i n gf i l t e rw h i c hm a d et h es y s t e mb ea b l et o o u t p u te x c e l l e n ts i n ew a v e a tt h es a m et i m e ，p l lc i r c u i tb a s e do nr e a l r m sh a db r o u g h ti nt r u ep o w e rd e t e c t o ri nr ff i e l d ，w h i c hw a sa b l et o t r a n s f e rt r a n s d u c e r sh i g hc r e s tc u r r e n ts i g n a li n t od cv o l t a g el i n e a r l y a n di nl i n e a r - i n d e c i b e l sf o r mt ot h em c uf a s ta n da c c u r a t e l y j u d g i n g t h em a x i m u ma n dm i n i m u md i g i t a ln u m b e ro u t p u t t e db ya d c ，m c uw a s a b l et ol o c kt r a n s d u e r ss e r i a la n dp a r a l l e lr e s o n a n ts t a t u s a d d i n gt h e p h a s ed e t e c t o rc i r c u i t ，t h ep h a s el o c ka b i l i t yo ft h es y s t e mw a se n h a n c e d f i n a l l y , s u i t a b l e m a t r i x k e y b o a r d ，l c d ，u s b r s 2 3 2c o m p u t e r c o m m u n i c a t i o na n dd i g i t a lc o n t r o lo fs i g n a l s a m p l i t u d ea n dw o r k i n g t i m eh a db e e na d d e di nt h ep r o d u c t ( 4 )e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t f r e q u e n c y - m o d u l a t e du l t r a s o n i c g e n e r a t o rh a dt h eo u t s t a n d i n ga b i l i t yt od r i v et r a n s d u c e ri nab o a r d 矗e q u e n c yd o m a i n ，t ol o c kt h er e s o n a n tf r e q u e n c yi ns e v e r a lr e s o n a n t m o d e s ，t om a k ep l lw i t hh i g hs p e e d ，a n dt h ef u n c t i o n so fd i g i t a lf m ， a m ，t m ( t i m em o d u l m i o n ) ，e v e ni m p e d a n c ea n a l y s i s k e yw o r d su l t r a s o n i cg e n e r a t o lf r e q u e n c y m o d u l a t i o n ，p l l ，d d s ， t r a n s d u c e r 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特；l , l j n 以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：! 坚日期：翌l 年上月旦日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：! 壑导师签名兰童煎三日期乏堕年上月旦日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 超声波金属键合 第一章绪论 1 1 1 超声波金属键合简介 超声波金属键合( 简称超声键合) 技术是功率超声的一个重要应用新领域。 超声键合是利用超声换能器的高频振动造成被焊金属之间的摩擦作用，从而将被 焊金属紧密地结合成一体的新兴的特种加工工艺。它可焊接不同材质、不同厚度 的金属片，焊点牢固可靠；同时节能、无污染，是一种环保工艺；其在电子元器 件、电器制造、电工技术、汽车制造、移动通讯、轻工等行业均具有广阔的应用 前景【i 】。 超声波金属焊接有连续焊和点焊两种方式。工件连续匀速输送，运动过程中 振动工具头外缘压着工件表面并以相同线速度转动，形成连续焊缝的焊接过程称 为超声连续焊( 或缝焊) ；如果焊头不作转动，工具头与工件的接触和加压均是间 歇进行的，每次形成一个焊点，则称为超声问断焊或超声点焊。超声波金属焊接 的特点如下【2 l ： ( 1 ) 可焊接范围广。可进行点焊、连续焊，焊接速度快，能焊接不同种类金 属材料( 即使材料的物理性能相差悬殊，也能很好焊接) 。能焊接金属箔 片( 可以薄至o 0 0 6 m m ) 、细丝、微小的器件以及厚薄悬殊的多层金属片， 其它焊接方法对此很难奏效。 ( 2 ) 焊点强度高，稳定性好。超声焊缝的强度比接触焊高1 5 2 5 ，且具有 高抗疲劳强度特征。实验表明，要分离成功焊接的金属片是不可能的， 硬扯的结果是与焊点交界处的未被焊接的材料被撕裂。与其他焊接相 比，它对焊接件产生的高温是局部、短时的，焊接件总体温度低，因而 焊接过程无需水冷却。同时，被焊工件的变形很小，焊接完成后工件无 须进行退火等处理。超声波焊接自身包含着对焊接件表面氧化层的破碎 清理作用，焊面清洁美观、无需像其它焊接那样进行焊接面的清理。 ( 3 ) 能耗低。不需消耗大量能量直接加热使焊条熔化，不直接对不焊部位金 属加热，与电焊、气焊相比，超声波金属键合能耗更小。日本的研究表 明，厚度为l 1 1 m m 的铝板进行超声焊接仅需1 5 4 k w 的电功率，而 采用传统的接触焊，则需7 5 k w 。超声焊仅为传统接触焊能源消耗的5 ， 显示了超声波焊接方法在提高能源利用率上的极大潜力。其不需要添加 焊剂，不污染被加工物，不产生任何焊渣、污水、有害气体等废物污染， 是符合节能环保要求的绿色加工方法。 ( 4 ) 易于实现自动化。超声波发生器由功率电子线路构成，易于实现电气控 中南人学硕j ：学位论文第一章绪论 制，它能很好地和计算机配合进行焊接控制，从而实现高精度的焊接， 以及焊接过程的自动化。 1 1 2 微电子封装领域的超声波金属键合 微电子领域的超声键合能量来自超声波发生器( 一般为4 0 - - 2 0 0 k h z ) ，加载 在换能器后，换能器产生高频振动，振动通过变幅杆传送到劈刀，当劈刀中的引 线与焊接件接触时，在压力和振动的作用下，待焊金属表面相互摩擦，氧化膜被 破坏，并发生塑性变形，致使两个纯净的金属面紧密接触，达到原子距离的结合， 最终形成牢固的金属键合【3 j 。在微电子封装领域，超声键合技术主要用于微电子 器件中固态电路内部互连接线的连接，即芯片的表面电极与引线框架之间的连 接。图1 1 及图1 2 分别是引线键合的效果图及工艺流程图。 图l 一1 芯片封装中的引线图 图1 2 引线键合工艺流程 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 按照内引线形式，可分为丝材超声波键合、丝球键合、倒装引线键合【4 】。 ( 1 ) 丝材超声波键合是在材料的键合面上同时施加超声波和压力，超声波振 动平行于键合面，压力垂直于键合面。该方法一般采用铝或铝合金丝。 缺点是尾丝不好处理，不利于提高器件的集成度，而且实现自动化的难 度较大，生产效率也比较低。 ( 2 ) 丝球键合是将丝材( 一般为金丝) 通过空心劈刀的毛细管穿出，然后经 过电弧放电使伸出部分熔化，并在表面张力的作用下形成球形，然后通 过劈刀将丝球压焊到芯片的电极上。几十年前，国际设备商一直探寻采 用铝丝或铜丝替代金丝球键合。经长期的科研攻关，在8 0 年代末，国 外的铜丝球键合成功地投入在生产中。9 0 年代初，国内也成功地研制了 铜丝球键合设备，其采用受控脉冲放电式双电源形球系统，使用微机控 制形球高压脉冲的频率、脉冲宽度以及低压维弧时间，实现了对形球能 量的精确控制和调节，在氩气保护条件下确保了铜丝形球的质量。 ( 3 ) 随着大规模和超大规模集成电路的发展，微电子器件内部引线的数目随 之增加。丝球焊作为一种点焊技术，不论是键合质量、还是键合效率都 不能适应大规模生产的要求，群焊技术应运而生。倒装引线键合是群焊 的典型代表，它是将芯片倒置在劈刀下面，通过超声能量，辅以温度、 压力的作用，使得芯片焊盘与基板键合在一起【5 】。这种方法能实现多引 脚一次性键合，适用于微电子器件小型化、高功能的要求。 1 2 超声换能器简介 1 8 8 3 年f g a l l o n 发明的气哨是世界上最早的超声波发生器。第一次世界大 战期间l a n g e v i n 发明的钢石英钢结构的夹心( 复合) 压电换能器标志着在低频大 功率超声设备上取得的重大进展。在2 0 世纪4 0 年代，w p m a s o n 发明了变幅杆 6 1 ，它与压电陶瓷连接而获得高强度超声波振动，开创了功率超声在固体媒质中 的应用。2 0 世纪8 0 年代森荣司等提出的夹心弯曲换能器结构，扩大了工业应用。 换能器理论在上世纪得到了飞速的发展。2 0 世纪4 0 年代w p m a s o n 首先提 出等效网络分析法，近年来在此基础上发展了传输矩阵法用于复杂结构的一维纵 振分析。2 0 世纪7 0 年代森荣司提出表观弹性法，用于二维振动问题分析。目前 主要利用有限元及边界元法分析三维振动问题。继m a s o n 发明的指数型变幅杆 之后，2 0 世纪5 0 年代i j e m e p k y o b 等提出悬链线型变幅杆及由多级组合的变幅 杆，扩展了变幅杆类型【7 】。2 0 世纪6 0 年代e e i s n e r 提出形状因素的概念【8 】，发 展了一种应力沿杆件均匀分布的高斯型变幅杆，获得了很高的位移振幅。同期， 森荣司提出振动方向变换器，开辟了用功率合成方法获得特大功率的高强度 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 5 0 k w 以上) 超声的新途径。这些功率超声理论应用有：超声清洗、焊接、加工、 雾化、乳化、粉碎、提取以及治疗。2 0 世纪5 0 年代发明的超声波金属键合，己 广泛应用于集成电路的引线焊接。2 0 世纪8 0 年代日本神奈川大学研制成功的超 声波对焊装置，可以对厚度达到1 0 m m 的铝板进行对焊，成为一种实用的新型焊 接装置【9 1 。焊接设备除传统的切向和纵向振动外，还发展了扭转和多系统的复合 振动，焊接方式由叠焊发展到端面对接焊，功率容量达5 0 k w 。 我国于2 0 世纪5 0 年代初开始研究大功率超声。以研究超声波加工、清洗、 焊接、粉碎和乳化等应用为先导，进而研究磁致伸缩换能器、压电换能器。2 0 世纪6 0 年代以后集中研究夹心式压电换能器，用等效网络建立一维理论，首先 给出有力、电负载损耗时换能器的共振频率和等效表达式。代表性的研究成果有t 提出决定换能器最大效率的参量，指出最佳设计方向【1 0 - 1 1 ，提出一种新型可调频 率的换能裂1 2 】。2 0 世纪7 0 8 0 年代提出两种新型的功率超声换能器，一种是半 穿孔结构宽频带压电换能器，理论上阐明了工作原理，并广泛应用于超声清洗设 备【1 3 】；另一种是双向辐射换能器，用于超声乳化设掣1 4 】。后又提出声匹配问题， 为改进功率超声换能器的设计指出了方向【1 5 】。2 0 世纪9 0 年代以来开展了大尺寸 压电换能器的二维分析弯曲振动、扭转振动和复合振动的压电换能器设计计算， 为这类换能器在工业方面的应用奠定了基础【l 引。2 0 世纪6 0 年代以来对纵振动 的单一和组合变幅杆的特性进行过系统的分析。2 0 世纪8 0 年代初用复变数解析 映象理论研究了有负载的变幅杆【l9 1 ，建立有负载变幅杆的阻抗映象图，是变幅 杆理论的重要发展。1 9 8 7 年，出版了国内外第一部有关超声变幅杆的专掣2 0 1 。 在2 0 世纪9 0 年代以来研究了大尺寸单一和复合变幅器的二维振动【2 ，弯曲振 动变幅卡于【2 2 1 以及纵扭、纵弯复合振动模式的变幅杆【2 3 之4 1 ，提出了新型扭转振动 变幅杆，并分析了几种扭振复合变幅杆，填补了这一方面的空白。上述理论研究， 使得我国在变幅杆方面的研究处于世界前列。在超声波焊接技术的应用方面，2 0 世纪5 0 年代开始进行超声波金属材料焊接应用研究，包括点焊、缝焊和集成电 路引线焊接，已得到了广泛的应用。 1 3 超声波发生器 1 3 1 超声波发生器的研究现状 超声发生器( 超声波电源或超声波功率源) 是超声设备的核心部件之一， 其作用为输出超声功率信号驱动超声换能器的工作。我国从8 0 年代中期开始超声 发生器的研制，其电子器件经历了从电子管、晶闸管、晶体管、i g b t 及v d m o s 的升级、转变，从模拟器件向数字器件的过渡以及从自激式电路向它激式电路的 转型【2 5 1 。目前我国已研制出具有频率自动跟踪，功率可调，过压、过流保护电 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 路的应用于超声焊接、超声键合、超声清洗、超声空化等领域的超声发生器【2 6 1 。 在芯片封装领域中，超声键合技术凭其工艺简单、效率高且无铅绿色，成为 芯片封装领域具有发展潜力的工艺【2 刀，其中超声能是超声键合工艺中最为关键 的参数。超声发生器作为换能器的谐振激发能量信号源，其是否精确地、快速地 跟频在换能器的工作谐振状态，决定了超声键合系统能否高效率、高性能、低能 耗地工作，它对提高键合强度及封装器件的可靠性起了非常重要的作用。 国内外早期超声发生器主要以自激式模拟推挽电路为主，振荡线路简单、成 本低，然而可靠性差，锁相环易失锁，频率不可调节，且功率因素较低( 8 5 以 下) ，无法满足未来芯片封装的发展需要。现今已有厂家研制它激式数字超声发 生器，其振荡线路较自激式复杂，但可靠性好、热稳定性高，频率可调且自动跟 踪能力强，采用i g b t 、v d m o s ，功率因素可达9 0 以上，功率范围高达1 0 k w ， 已成为国内外新产品的研发新方向【2 引。但是，在频率自动跟踪方面，频率连续 可调技术尚不成熟。运用单片机、d s p 控制技术实现频率连续可调的锁相环控制 并具备动态阻抗匹配【2 9 1 的产品和研究数量非常少，现有产品无法连接不同谐振 频率的换能器，这为超声键合的多频研究特性和应用带来不便1 3 0 。同时，现有 的超声波发生器频率跟踪精度不足，易激发换能器的第二模态，降低了换能系统 的能量输出并缩短了换能器的寿命。随着d d s ( 直接数字频率合成) 技术的成熟， 快速响应的高精度超声发生器的研制成为可能。d d s 具有高分辨率、高稳定性、 快速变换、频率大范围可调等显著优点【3 卜3 2 1 。采用单片机控f 1 i j d d s 的方案加上阻 抗匹配可以实现超声发生器高速跟踪、高分辨率、低能耗的苛刻要求p 弼4 1 。由于 此项技术源于通信领域，且技术较新，国内尚无应用此技术于功率超声领域，但 随着超声键合封装质量要求的提高，此项技术的发展变得极其重要。 1 3 2 常见超声波发生器频率自动跟踪控制方式 在超声波键合过程中，由于键合负载、键合工具的磨损以及换能器的温度、 刚度等各种因素的变化，使得换能器固有频率发生漂移。如果超声波发生器的输 出频率不跟随换能器的变化而变化，势必造成整个系统的失谐，这就要求超声波 发生器具有频率自动跟踪功能。传统的超声波键合机采用电子管振荡器产生高频 信号，经功率放大后直接产生超声波，难以实现频率跟踪。为了快速、准确地实 现频率跟踪，人们在这种方式上进行了各种探索。 1 电反馈的自激振荡方式 自动频率跟踪实现方式主要有声反馈和电反馈两大类，随着元器件和电子技 术的发展，电反馈方式己经占了主导地位，其中的自激振荡方式由于简单便利， 应用相当广泛。代表性方法是采用差动变量桥式电路对压电换能器的电学臂进行 补偿。使电反馈信号取决于机器臂，从而能够在机械谐振频率上始终保持自激振 中南大学硕士学位论文第一章绪论 荡，达到频率的自动跟踪【3 5 1 。工作原理如图1 3 所示，其中c o ，冠，厶，c i 表 示超声换能器的等效参数，砜是激励信号，u 是提取的电信号，m 是具有2 个 对称线圈的电位互感器，互和互是2 个对称线圈，c 是补偿电容。当c ，z ，正， g 组成的桥式电路平衡时，电容c 上流过的电流和电容c n 上流过的电流l 在 电位互感器膨中的磁通相互抵消，只有c l 上流过的电流通过线圈乃时的磁通 将激励产生电压u ，即只与机械臂电路有关。当机械谐振时，最大，以才 最大，并且满足相位条件，能够与激励电源构成回路产生自激振荡。 ，1 u i 图1 - 3 自激式振荡频率自动跟踪原理图 上述原理可以变换为不同的形式。例如，将正，z 换成电阻，将电流量转换 成电压量，同样也能反映网络特性；用运算放大器的差动放大电路来完成m 的 耦合作用，将输出部分的差值显示出来，以达到补偿的可能。根据补偿元件和压 电换能器等效电路组成桥式电路的平衡条件，找到在机械谐振点上u ，和“同相 时的频率关系。同时电路也能满足自激振荡的相位条件，构建成自激振荡回路， 自激振荡频率随机械谐振点同步变化，实现自动跟踪【3 6 1 。 2 锁相压控振荡方式 从谐振频率附近的压电换能器等效电路分析得知，当压电换能器处于谐振状 态时，加在它两端的电信号与流过其中的电信号是同相的。当激励信号的频率偏 离换能器的谐振频率时，换能器工作于失谐状态，其两端的电压信号与流过的电 流信号不再同相位。因此，取出电压和电流的相差信号，并作为激励振动系统谐 振的控制信号，这就是锁相压控振荡方式的理论依据。锁相式频率自动跟踪系统 原理图如图l _ 4 所示。 锁相式自动跟踪系统实际上是一个相位控制系统【3 7 1 ，环路中的检相器比较 换能器电流信号和电压信号间的相位，输出一个代表相位差的误差信号，此误差 信号经环路滤波器滤波后变成一个与误差信号成正比的直流电压并加到后级的 压控振荡器上( 其朝着减小相位差的方向改变压控振荡器的频率) ，再通过功率 放大环节，最后供给换能器所需的电信号。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图l _ 4 锁相式频率自动跟踪系统原理图 锁相式频率自动跟踪系统的特点如下： ( 1 ) 锁相环路具有良好的窄带特性，环路本身就是一个良好的带通滤波器， 可以有效地将不需要的信号滤掉，防止系统误跟踪于非谐振频率。 ( 2 ) 换能器不直接包括在反馈网络之内，避免了因换能器不对称造成电路中 各元件参数的严格选择和复杂调试。 ( 3 ) 频率自动跟踪系统的控制信号与换能器振动系统的电压、电流波形的好 坏关系不大。此特点保证这种系统能够应用于大功率超声设备，实现大 功率超声设备的自动跟踪。 ( 4 ) 输出功率相对较稳定，不会因负载的变化而产生显著的变化。 ( 5 ) 在小信号状态下控制系统能够长时间连续稳定地工作。 因此，现今大多数超声键合设备的频率跟踪方式以此类锁相为主。随着电子 元器件技术的发展，锁相环功能的电路已经集成化，其典型产品有通用性较强的 n e 5 6 5 ，低功耗的c d 4 0 4 6 等，随之锁相式频率自动跟踪电路的设计将会更方便、 更可靠。 3 电流动态反馈方式 根据机械与电的等效理论将超声换能器等效为一个二端口网络，可以推导出 谐振时输出振幅与电流大小的关系【3 8 】。其结论如下：谐振状态下，换能器阻抗 最小，回路电流最大，振幅大小近似正比于电流大小。因此，可将换能器电流有 效值作为反馈量调节逆变频率，实现超声系统谐振控制和振幅恒定控制【3 9 1 。 检测控制换能器电流大小是电流反馈频率跟踪系统的核心。进一步借助于单 片机或p c 机实时性好、反应迅速等特点，根据具体情况改变发生器的工作频率 控制换能器电流处于最大值，以达到频率跟踪的目的。原理图如图1 5 所示。 单片机h 脉冲发生器h 驱动电路h 逆变电路 模数转换h 电流传感器h换能器h 匹配网络 图1 5 电流反馈式频率自动跟踪系统原理图 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 安装于主电路的电流传感器检测超声换能器的工作电流，经a d 转换输入 给单片机。单片机将瞬时电流值与上次检测的电流值比较、判断后，改变p w m 输出的占空比，从而改变脉冲发生器的输出频率，通过驱动电路传给桥式逆变电 路，实现换能器工作频率的调整。 电流反馈式频率跟踪必须注意两点： ( 1 ) 如果匹配网络采用串联方式，在串联谐振频率的低频点和高频点处可能 会出现2 个电流峰值，可能导致误跟踪到高频点，故存在如何正确搜索 谐振频率的问题。 ( 2 ) 存在搜索电流最大值的方法和算法问题。振动系统固有频率的变化分为 缓慢频率漂移和瞬时频率变化，要求脉冲发生器能快速、准确地跟踪系 统固有频率的缓慢漂移和瞬时变化，因此需要充分考虑如改变步长等算 法搜索电流最大值，加快频率跟踪速度。 4 自适应控制方式 由于超声换能器的性能一致性差，焊接对象多变，焊接过程参数变化明显， 因此要求超声键合设备的频率控制具有高效率和高可靠性。近年来，控制理论在 超声键合中的应用有了新的尝试，自适应控制方式成为实现频率自动跟踪的一个 新兴的、有潜力的发展方向。 一种典型的方案是：微机系统对电压、电流、换能器振幅、电压电流信号相 位差等诸多参数进行在线测量、辨识，通过计算按照规定的程序来改变系统参数， 输出控制电压来调节超声波开关电源的频率，使脉冲发生器的频率能很好地跟踪 系统谐振频率。微机系统的主要任务是通过自适应策略，根据检测到的各个参数 计算出控制量，从而达到频率控制的目的m 】。 由于超声过程是一个复杂的时变系统，建立其数学模型比较困难。因此，需 选择一个主控制参数进行控制，如要控制换能器振幅的大小，只需选择适当的控 制算法使换能器振幅在最大值附近作微小的变化，就可以用线性化方法来建立时 变参数离散模型。设系统方程为： 】，【f ) + 4 】，( f 1 ) + 4 】，【f 一2 ) = s o v ( t 1 ) + s l v ( t 一2 ) + e o ) ( 1 - 1 ) 使系统开环运行，测量输入系列u ( t ) 和输出系列y ( t ) ，并考虑e ( t ) 的影响， 可以求得系数4 ，4 ，鼠，丑。由于焊接过程短，不能采用复杂的控制算法， 因此，用稳定性理论设计并采用可调模型的参考自适应系统进行控制是合适的选 择。主要方法是在线利用递归最小二乘法进行参数识辨，采用最小方差控制规律 或极点配置控制规律，同时实时修改控制参裂4 1 1 。 自适应控制式频率自动跟踪方式只是频率跟踪算法的一个典型代表。这类方 式中还有其他研究方向，在国内外都取得了较好的效果。例如： 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 固定增益与可变增益的比例积分( p i ) 控制方式，该控制方式简单、易 于实现，但难以满足高性能的要求； ( 2 ) 模糊控制逻辑型控制方式，此控制方式包含了模糊控制推理、频率电压 控制及可逆控制； ( 3 ) 混合型控制方式，即将p i 控制和自适应控制糅合进行控制。 1 4 课题来源与研究意义 1 4 1 课题来源 ( 1 ) 国家重大基础研究发展项目( 9 7 3 计划) “高性能电子产品设计制造精微化数 字化新原理和新方法”课题2 “复合能场作用下微互连界面的微结构演变规 律”( 编号：2 0 0 3 c b 7 16 2 0 2 ) ； ( 2 ) 国家自然科学基金“十五”重大项目“先进电子制造中的重要科学技术问题研 究”课题4 “芯片封装界面制造过程多参数影响规律与控制”( 编号：5 0 3 9 0 0 6 4 ) ( 3 ) 国家自然科学基金青年科学基金项目“超声波在键合换能系统接触界面的传 播机理与低能耗接触界面设计”( 编号：5 0 6 0 5 0 6 4 ) 。 1 4 2 研究意义 在芯片封装领域里，提高超声键合技术，有利于提高芯片封装成品率，提高 生产效率，降低成本。为保证最佳连接强度与提高键合效率，需要精确控制系统 的超声能量，研制具有自主知识产权的高性能、高精度超声发生器有着至关重要 的意义，它为满足高速、高效、高可靠性的封装发展趋势提供了必要的设备保障。 目前，国内的超声发生器在“频率自动跟踪”、“功率自动调节”和“阻抗匹配” 三大主要性能指标上，尚无法完全实现，并且产品工作噪声大、功耗高，不能很 好地满足高密度、高集成的芯片封装趋势。 研制可变频高精度智能超声发生器可满足芯片封装中不同谐振频率换能器 的简便切换，为实现一机多用提供了便携性与可能性；其智能地高精度频率跟踪 充分保证换能系统一直处于最佳工作状态，摆脱多模态对换能器使用寿命及封装 效率、可靠性的不利影响。 为满足低能耗、高效率、高可靠的超声键合的硬件要求，填补国内空缺，并 为功率超声未来领域提供借鉴及理论支持，设计一套采用它激式数字电路，使用 单片机控制、高精度d d s 、集成数字芯片、模块电路的新型可变频高精度智能超 声发生器的意义非常重大。 9 中南大学硕士学位论文第二章超声换能器振动特性的研究 第二章超声换能器振动特性的研究 2 1 超声换能器的结构 超声键合技术所用的换能器为夹心式压电换能器( 后均简称为超声换能器或 换能器) 。换能器由前后金属盖板、压电陶瓷堆、预应力螺杆和电极片等组成。 压电陶瓷堆由六片压电陶瓷环片并联而成，使得纵向振动同相叠加。由于压电体 的抗张强度差，所以常常通过金属块及夹紧螺杆给压电体施加预压力，使压电体 在强烈的振动时也始终处于压缩状态，避免压电体的破裂。螺杆用高强度的螺栓 钢制成，前后金属盖板一般采用钢、铜、硬铝或钛合金材料【4 2 1 。换能器的结构见 图2 1 ( a ) 。 。_ 。、黑豳 鬻茹7 粥謦罄j i 黼影二j i l 蟛 囊囊鬟l 麓鬻委攀i 鬟鬟 猫自淄黪i 鬃溺淄绻豢霪 ( a ) 换能器的结构 合 具 ( b ) 键合原理 ( c ) 键合效果 图2 一l 超声换能器的工作原理图 超声换能器可以通过改变换能器的结构与形状来获得不同的工作频率和声 辐射。实际键合过程中，在电极片和地之问输入正弦交流电，由于逆压电效应， 压电体在纵向( 厚度) 方向上产生振动，从而驱动变幅杆产生纵向的振动。在变 幅杆上安装劈刀，则使劈刀产生径向振动，将超声能量传递给芯片和基板，实现 超声键合，如图2 一l ( b ) 和图2 1 ( c ) 所示。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章超声换能器振动特性的研究 2 2 超声换能器的等效电路模型及其导纳圆 2 2 1 超声换能器的等效电路模型 当超声换能器的工作频率远低于其内部固有谐振频率时，换能器的电学特性 等效为一个电容，其通常被称为自由电容g ，即受夹持的压电振子两极板之间 的电容。自由电容可以通过万用表直接测得，也可在i k h z 以下的信号激励下直 接测得，其在换能器工作过程中近似为常数。当换能器在其内部固有谐振频率附 近工作时，则表现出很强的非线性和时变性，工作频率的稍许变化将引起换能器 电阻抗特性及机械特性的显著变化。因此可以推断，换能器在其固有谐振频率附 近，除静态特性外，还有随频率变化明显的动态特性。这些动态特性形成的动态 支路并不是真实的电学量，而是换能器机械特性在电学上的反映。 对于压电器件而言，如果在离某一谐振频率很远的频率上，没有其它谐振， 则在这个谐振频率附近可把压电器件近似看成一个集总系统【4 3 1 ，其高频梅森 ( m a s o n ) 等效电路及其符号如图2 2 所示，其中c 0 为静态电容，r 为静态电阻 ( 压电陶瓷的内介电损耗，其值较大，通常在计算中可忽略不计) ，厶、墨、g 分别是动态电感、动态电阻和动态电容【删。其中，g 及r 与频率变化几乎不相 关，属于静态特性，所在支路称为静态支路；厶，q ，墨因与频率变化关系密 切，所以属于动态特性，所在支路称为动态支路。 i 一 7 1 r 0 =- - c o 芒 j 萱 图2 - 2 超声换能器的等效电路模型 当交变电场加载到换能器的压电陶瓷上时，由于逆压电效应在换能器上产生 各种模式的弹性形变，当外加电场的频率与换能器的固有频率一致时，换能器就 进入了稳定的机械振动状态，它服从受迫振动规律【4 5 】： ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 中南大学硕士学位论文第二章超声换能器振动特性的研究 彳：垡 ( 2 3 ) e 其中，所为压电陶瓷的质量，q 为柔度，r 。为压电陶瓷的内摩擦阻抗和辐 射能量阻抗之和，即机械损耗，y f ，f ，) 为加在陶瓷片两端的电压，彳为力电转换系 数( p 为压电陶瓷的厚度，s 为压电陶瓷的截面积，e l 为纵向压电应力常数) 。 因为换能器的电学等效方程为： 厶碧+ 墨鲁鼍州 ( 2 4 ) 又因为换能器的机械、电学等效模型具有一致性，所以联立公式( 2 1 ) 、 公式( 2 2 ) 、公式( 2 3 ) 后的机械等效公式与电学等效公式( 2 4 ) 对比，可得： 厶= 暑 墨= 争 c l = q 彳2 2 2 2 超声换能器的导纳圆 根据静态电容c o 与动态支路的连接关系， 学樟型! ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 可以将压电换能器等效成两种数 ( 1 ) 静态电容c n 与动态支路并联，其等效导纳g + 坷在固有频率附近随频率 变化表现为一个圆，称之为导纳圆，称此电路为g - b 等效电路模型。 ( 2 ) 静态电容c n 与动态支路串联，其等效阻抗尺增在固有频率附近随频率 变化也表现为一个圆，称之为阻抗圆，称此电路为r - x 等效电路模型。 这两种电路模型是同一物理实体的不同表达方式，因而二者之间可以相互转 化。分析串联谐振时，采用导纳圆较为方便；分析并联谐振时，采用阻抗圆较为 方便。由于串联谐振最常运用，这里将等效电路分解为静态支路与动态支路并联 的关系，因此采用导纳圆可以简化计算。 动态支路导纳： x = g l + b , j = 静态支路导纳： 总导纳： 羽r 1 + ； n ( 南却 2 足2 陪1 厶刁 + 浯厶缈) 2 ( 2 - 8 ) k = g o + 鼠2 i 1 + c 0 叫 ( 2 - 9 ) y = y o + x = ( g o + g 1 ) + ( b + 且) _ ，= g + 巧 ( 2 一l o ) 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章超声换能器振动特性的研究 电 联立公式( 2 8 ) 、公式( 2 9 ) 及公式( 2 1 0 ) ，可得方程： ( g 一万1 一面1 ) 2 + ( 口一c o = ( 击) 2 ( 2 - 1 1 ) 形成的圆见图2 - 3 ( a ) 所示。 自b 1 石 厂9 二 r d o |蟛 1 j s jf r o 石：电导( ， ( a ) 示意图实测图 图2 - 3 超声换能器的导纳圆示意图及实测图 由图2 3 0 ) 可观察，导纳圆的最左边界在零点的左边，根据公式( 2 一1 1 ) 可 知，静态电阻风为负值，即r 为负电阻。常见的电阻为正，属于消耗性器件，民 的负电阻不存在实物，仅是一个等效效应，即等效为一个电源。因为压电陶瓷在 交流信号的驱动下产生机械振动，而机械振动在一定程度上又逆向生成交流信 号，即产生电源效果，所以换能器谐振时存在一个负电阻。如图2 4 所示，在外 界加载信号停止时，换能器的功率呈负值，这是内部电容及负电阻联合作用的结 果。 _ 4 - 一 皋 、i t 0 锝 督 图2 _ 4 换能器的功率时域图 通过扫描式测量换能器的阻抗，可绘制出导纳圆，采样点数越多，则越接近 理想圆。通过导纳圆在导纳坐标的方位，可根据公式计算出换能器相应的参数， 因此，采用扫描式测量换能器，可获得换能器的特性。其中，超声换能器导纳圆 中南大学硕士学位论文 第二章超声换能器振动特性的研究 的具体参数及其计算公式如下【倒： ( 1 ) 谐振频率z ：换能器等效电路中串联支路的谐振频率，称为串联谐振频率。 当匹配一致时，在这个频率下，换能器的阻抗最小。 ( 2 ) 最大电导g 螂：换能器谐振时的导纳值的实部。 ( 3 ) 半功率点石与正：从导纳圆上看，导纳实部等于g 似2 处的频率，这样的 频率有两个，大于z 的为z ，小于z 的为石。 ( 4 ) 反谐振频率：换能器并联支路的谐振频率，称为并联谐振频率。当匹配一 致时，在这个频率下，换能器的阻抗最大。 ( 5 ) 最大导纳频率厶：此时换能器阻抗最小。 ( 6 ) 最小导纳频率z ：此时换能器阻抗最大。 ( 7 ) 谐振频率( b = 0 ) z ：阻抗相位为零的较低的频率。 ( 8 ) 反谐振频率( b = 0 ) z ：阻抗相位为零的较高的频率。 ( 9 ) 机械品质因数q ：计算公式为 ， q = ( 2 1 2 ) ，2，i 其中z 为谐振频率，石、正为半功率点。或者： 1 厅一 q m 玄苦( 2 - 1 3 ) 这两个公式的计算结果完全相同。 ( 1 0 ) 自由电容g ：换能器在i k h z 频率下的电容值。此值和万用表直接测量的值 是一致的。 ( 1 1 ) 动态电阻足：即换能器串联支路的电阻。计算公式为： 墨= l g ( 2 1 4 ) ( 1 2 ) 动态电感厶：即换能器串联支路的电感。计算公式为： ， - 尼- i 厶。芴历万 ( 2 - 1 5 ) 1 2 万( 厶一f ) 7 其中足为动态电阻，e 、e 为半功率点。 ( 1 3 ) 动态电容q ：即换能器串联支路的电容。计算公式为： 一 1 q2 硒 (2-16)4n 2 居2 厶 卜 其中z 为谐振频率，厶为动态电感。 ( 1 4 ) 静态电容c 0 ：计算公式为： c o = g q ( 2 - 1 7 ) 静态电容也可以根据导纳圆圆心和电导轴( g 轴) 的偏移距离来计算。但是 在实际应用中，一般都采用公式( 2 1 7 ) 。 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章超声换能器振动特性的研究 ( 1 5 ) 有效机电耦合系数：k , g 被定义为无负载的换能器在机械谐振时贮存的 机械能与贮存的全部能量比值的平方根。其计算公式为： k 毋= ( 2 1 8 ) 图2 5 是采用a g i l e n t4 2 9 4 e h 抗分析仪对u t h e 公司i 拘11 0 k h z 换能器的阻抗实 测图，其中，波谷是串联谐振下的阻抗，具有阻抗最小值；波峰是并联谐振下的 阻抗，具有阻抗最大值。 阻抗( i gf 1 ) l i 的；￥鹊：