（机械电子工程专业论文）热超声键合机功放与换能系统电学特性的实验研究.pdf

中南大学硕+ 学付论文 摘要 本文工作是对t s 2 1 0 0 型金球键合机实验平台和u 3 0 0 0 型粗铝线 键合机实验平台进行了功放驱动与换能系统动态特性的实验研究： 对t s 2 1 0 0 型金球键合机的超声功率源的功放模块进行频响实验研 究；对t s 2 1 0 0 型金球键合机上的p z t 压电换能系统在不同加载电压 下的频响实验研究；对t s 2 1 0 0 型金球键合机上的p z t 压电换能系统 在不同环境温度下的频响实验研究；对u 3 0 0 0 型粗铝线键合实验平 台上的p z t 压电换能系统在不同连接松紧度下的频响实验研究。主 要研究内容如下： 1 开发了基于l a b v i e w 软件平台的数据采集系统，开发了基 于激光多普勒测振仪的p z t 压电换能系统导纳测试系统，和对扫频 测量进程监视软件界面；利用求有效值方法求取电学导纳和速度电 压导! 纳幅值；研究了数据处理方法，利用h i l b e r t 变换求出系统加载 电压电流之间的相位差，和系统加载电压与响应速度之间的相位差， 从而得到系统的电学特性曲线和机电特性曲线。 2 利用激光多普勒测振仪测量软件的数据采集功能和直接数字 合成器功能，对t s 2 1 0 0 型金球键合机的功放电路的输入输出电压进 行了单点扫频测量。实验过程中，对于每个频率点测量了多个不同 电压输入下的输入和输出，进而分析得出该系统基本上足线性系统 的结论。在此基础上，得到该功放电路的幅相频特性，并作出系统 的b o d e 图。并利用b o d e 图幅频特性上各环节的渐近线特性与相频 特性上各环节的相位特点，求出了参数模型的频率特性，进而求得 传递函数。 3 根据压电换能系统等效电路模型，以及求取模型参数的导纳 圆法，用建立起来的导纳测试系统，测量了不同加载电压下换能系 统的电学特性曲线，利用导纳圆法求得系统的各项参数，分析了系 统电学导纳特性，得出了加载电压影响换能系统电学导纳特性的规 律；测量了不同环境温度下换能系统的电学导纳曲线，得出环境温 度影响换能系统电学导纳特性的规律，指出换能系统等效电路参数 比较稳定的环境温度范围；测量了键合工具与换能杆在不同连接松 紧度下的电学导纳特性和机械导纳特性，拟合得到系统的等效电路 中南大学硕十学位论文 模型参数，得出连接松紧度影响换能系统阻抗特性的规律，指出劈 刀应与换能杆紧密连接，以减弱其对超声在系统中的传播引起的畸 变作用。 所有这些工作，可用于引线键合和倒装键合机的换能系统设计、 调试和优化。有关认识和结论，将为新一代微互连工艺、技术和原 型机的设计，奠定重要的技术基础。 关键词：p z t 压电换能系统，频率特性，等效电路，导纳圆，松紧度 中南大学硕士学停论文 a b s t r a c t 1 1 1 i sp a p e ri sa b o u tt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ep o w e rs u p p l ya n d t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fp z tt r a n s d u c e rs y s t e m0 nt h et s 2 1 0 0 t h e r m o s o n i eg o l dw i r eb a l lb o n d e ra n dt h eu 3 0 0 0u l t r a s o n i ct h i c k a l u m i n u mw i r eb o n d e r i n c l u d i n gt h a tt h ef r e q u e n c yr e s p o n s es t u d yo f p o w e ra m p l i f i e ro fu l t r a s o n i cp o w e rs u p p l yo nt h et s 2 1 0 0t h e r m o s o n i c g o l dw i r eb a l lb o n d e r ；t h a tt h ef r e q u e n c yr e s p o n s es t u d yo fp z t t r a n s d u c e rs y s t e ma tv a r i o u sl o a d i n gv o l t a g eo i lt s 2 1 0 0t h e r m o s o n i c g o l dw i r eb a l lb o n d e r ；a n dt h a tt h ef r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f p z tt r a n s d u c e rs y s t e ma tv a r i o u sc o n n e c tt i g h t n e s so nu 3 0 0 0u l t r a s o n i c t h i c ka l u m i n u mw i r eb o n d e r t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi ss e tb a s e do nl a b v i e ws o f t w a r e p l a t f o r m a d m i t t a n c e m e a s u r e m e n ts y s t e mo fp z tt r a n s d u c e ra n d s o f t w a r ei n t e r f a c e w a t c h i n g m e a s u r e m e n t p r o c e s s o f s w e e p i n g f r e q u e n c ya r ed e v e l o p e d o nl a s e rd o p p l e rv i b r o m e t e r r m sa m p l i t u d ei s u s e dt oc a l c u l a t ee l e c t r i c a la d m i t t a n c ea n d v e l o c i t yt ov o l t a g ea d m i t t a n c e m a g n i t u d e d a t ap r o c e s s i n gm e t h o d si s s t u d i e dt h a tu s i n gh i l b e r t t r a n s f o r mt oc a l c u l a t et h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nl o a d i n gv o l t a g ea n d c u r r e n t ，a n dt h a tb e t w e e nl o a d i n gv o l t a g ea n dr e s p o n s ev e l o c i t y t h e n t h ee l e c t r i c a la n de l e c t r o m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sc a nb e o b m i n e d t h ee x p e r i m e n tb a s e so nt h ed a t ag a t h e r i n gf u n c t i o na n dt h ed i r e c t d i g i t a ls y n t h e s i z e r f u n c t i o no ft h em e a s u r e m e n ts o f t w a r eo fl a s e r d o p p l e rv i b r o m e t e r , t os a m p l ew i t hp o i n tt h ei n p u ta n do u t p u tv o l t a g eo f p o w e ra m p l i f i e ro f t h et s 2 10 0t h e r m o s o n i cg o l dw i r eh a l lb o n d c r i nt h e e x p e r i m e n t a lp r o c e s s ，im e a s u r em a n yd i f f e r e n ti n p u t sa n do u t p u t s v o l t a g eo ne v e r yf r e q u e n c ys p o ta n do b t a i nt h a tt h es y s t e mb a s i c a l l yi sa l i n e a rs y s t e m b a s e do nt h i sr e s u l t ，t h eb o d em a g n i t u d ea n dp h a s e d i a g r a mo f p o w e ra m p l i f i e ri sg a i n e d u s i n gt h ea s y m p t o t eo f e v e r yp a r t o f t h em a g n i t u d ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h ep h a s ec h a r a c t e r i s t i co f e v e r yp a r to ft h ep h a s ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ，ic a no b t a i nt h e 中南大学硕士学侍论文 f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co ft h ep a r a m e t e r sm o d u l ea n dg a i nt h et r a n s f e r f u n c t i o n b yu s i n g t h ea d m i t t a n c em e a s u r e m e n t s y s t e m ，e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i cc u l w ew a so b t a i n e du n d e rd i f f e r e n tl o a d i n gv o l t a g e a c c o r d i n gt ot h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d a lo fp i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r s y s t e m ，a n da d m i t t a n c e - c i r c l e f i t t 堍m e t h o d ，t h ev a l u e so ft h em o d e l p a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d t h e ni ti so b t a i n e dt h a tt h ep r i n c i p l eo ft h e l o a d i n gv o l t a g eh o wt oa f f e c tt h ee l e c t r i c a la d m i t t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s b ym e a s u r i n g e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v eu n d e rd i f f e r e n t e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e ，t h ep r i n c i p l eo fe n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e h o wt oa f f e c tt h ee l e c t r i c a la d m i t t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f t h et r a n s d u c e ri s o b t a i n e d ，a n dt h e ni ti sp o i n t e do u tt h a tt h e r ei sag o o dt e m p e r a t u r ea r e a w h e r et h em o d e lp a r a m e t e ri sm o r es t a b l e b ym e a s u r i n ge l e c t r i c a l a d m i t t a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n de l e c t r o m e c h a n i c a la d m i t t a n c e c h a r a c t e r i s t i c so fp z tt r a n s d u c e rw i t hd i f f e r e n tj o i n tt i g h t n e s sb e t w e e n b o n d i n gt o o la n dt a p e r e dh o r n , t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lp a r a m e t e r s a r eo b t a i n e db ya d m i t t a n c ec i r c l ef i t t i n g ，a n dt h e nt h ep r i n c i p l eo ft h e j o i n tt i g h t n e s sh o wt oa f f e c tt h ee l e c t r i c a la d m i t t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f t h et r a n s d u c e ri so b t a i n e d i ti sp o i n t e do u tt h a tt h et i g h t n e s ss h o u l db e h i g h e rt ol o w e rt h ea b e r r a n te f f e c tw h e nu l t r a s o n i ct r a n s m i t si nt h ep z t t r a n s d u c e rs y s t e m a l lt h i sw o r kc o u l db ea p p l i e do nt h ew i r eb o n d i n ga n df l i pc h i p m a c h i n ef o rt h ed e s i g n ，d e b u g ，a n do p t i m i z a t i o no ft r a n s d u c e rs y s t e m 1 1 1 e k n o w l e d g ea n dt h ec o n c l u s i o nw i l lb et h eb a s eo ft h en e w g e n e r a t i o n o fm i c r oi n t e r c o n n e c t i o n c r a f t w o r k , t e c h n i q u e a n d e q u i p m e n t k e y w o r d s ：p z t p i e z o e l e c t r i c t r a n s d u c e r s y s t e m f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c s ，e q u a lc i r c u i t a d m i t t a n c ec i r c l e ，t i g h t n e s s 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，除了论文中特别加以标注和致谢 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论文中作了明确的说明。 作者签名：压 蕉盘一日期：丛年竺月型日 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：团宏盘弋导师签 期。 地垒月一 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 超声波金属键合原理 近十几年来，功率超声的产生、功率超声技术的机理以及功率超声技术的 应用等方面的研究都有了较大的进展，其应用遍及航空、航海、国防、生物工 程以及电子等领域。与超声技术有关的高科技产品涉及到振动与声、电子、机 械及材料等新技术，超声检测、超声清洗、超声键合、超声加工等领域的高新 技术企业日益壮大。 超声波金属键合技术是功率超声的一个重要应用新领域。超声波金属键合 就是将超声振动应用于芯片封装系统中的键合工具上，以达到两个不同材料的 金属面粘合在一起的一种方法。把超声振动应用到热超声倒装键合过程中，工 艺过程将发生明显地改变，了解其规律有助于改善工艺过程的稳定性、可靠性。 超声波金属键合是一种特种压力键合方法”。该方法是利用电超声波发生器 产生超声频率的电信号( 一般为4 0 1 4 0 k h z ) ，经电致伸缩( 或磁致伸缩) 换能 器转换为超声机械振动能，通过变幅杆传送到劈刀。当劈刀与引线及被焊件接 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 成牢固的机械连接。这也是热超声键合的原理。该键合工艺具有键合温度低( 材 料不熔化) ，焊件变形小，保持被焊材料原有材料性能等特点。从而，超声波 金属键合具有其它键合方法无可比拟的优越性，在现代工业领域中发挥着愈来 愈广泛的应用。 1 1 2 超声波金属键合种类 在微电子封装领域，超声波金属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，即芯片得表面电极( 金属化层材料主要为a t ) 与引线框架 之间的连接。按照内引线形式，可分为丝材超声波键合、丝球键合、倒装芯片 键合。 ( 1 ) 丝材超声波键合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a l 或a l 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 中南大学硕士学位论文第一章绪论 难度较大，生产效率也比较低。 ( 2 ) 丝球键合丝材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，并在表面张力作用下成球形，然后通过劈刀将球压焊到芯片的电 极上。该方法一般采用a u 丝。近年来，国际上一直寻求采用a l 丝或c u 丝替代 a u 丝球键合，到8 0 年代，国外c u 丝球键合已在生产中应用。国内研制的c u 丝 球键合装置，采用受控脉冲放电式双电源形球系统，并用微机控制形球高压脉 冲的数、频率、频宽比以及低压维弧时间，从而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c u 丝形球质量。 ( 3 ) 倒装芯片键合随着大规模和超大规模集成电路的发展，微电子器件 内引线的数目也随之增加。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，群焊技术便应运而生。热超声倒装芯 片键合过程中，芯片倒置在劈刀下面，通过超声能量的输入，辅以温度、压力 的作用，使得芯片焊盘与基板键合在一起。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 1 3 热超声引线键合系统 热超声引线键合系统，主要是由超声波功率源、p z t 换能器、变幅杆、 以及劈刀等组成”“1 ，如图1 一l 。超声波功率源由锁相环模块和功放模块组成。 锁相环模块具有频率自动跟踪功能，能使得p z t 换能器工作于谐振状态。功放 模块具有功率放大和阻抗匹配功能，以便于向p z t 换能器输出较大功率。p z t 换能器是由若干压电陶瓷片、l i 盖板及后盖板组成，通过电致伸缩效应将高频 电信号转换为同频率的机械振动，即p z t 换能器是一个将电能量变换为机械振 动能量的转换器。用于热超声引线键合的变幅杆一般为圆锥型，用于调节p z t 换能器的输出振幅，并实现p z t 换能器和劈刀之间的阻抗匹配。 p z t 换能器肋环支承麦幅杆金线 图1 1 热超声引线键合系统 1 1 4 换能器共振频率的频率跟踪1 在超声波金属键合加工中，压电陶瓷与变幅杆、劈刀、基板共同组成一 2 中南大学硕十学位论文第一章绪论 个机械谐振系统，当系统谐振时，劈刀有最大的振幅：若超声电源输出的工作 频率偏离键合系统的机械谐振频率，劈刀振幅就会减少甚至无振动。机械谐振 系统的谐振频率主要决定于换能器的设计和性能，但是也随着工作状态的变化 发生漂移，它受温度和负载等因素的影响，严重时会导致功率源的输出频率偏 离换能器谐振带宽而发生停振”。因此，若要进行持续、稳定的超声振动键合， 就必须保证电源系统能够随着负载的变化，自动调整振动频率及幅值，使系统 保持工作在动态的谐振点附近，即具各自动频率跟踪功能”。 近年来解决换能器频率自动跟踪的方法大都是利用p l l 锁相环电路“， 图l 一2 是锁相环实现频率跟踪的基本原理图。 图1 2 锁相环频率自动跟踪原理 换能器 r 3 图1 - - 2 中电压取样圪和电流取样k 经过波形变换后变为同相位的方波，然 后一同送入鉴相器p d 。由p d 给出它们的相位误差信号屹，虼经过低通滤波 器l f 滤波后，作为压控振荡器v c o 的输出频率偏移量的控制电压f 。v c o 的 振荡频率随屹而变化，直到吒和k 同相位。此时，圪为零，p d 输出为高阻态， l f 输出不变，p l l 锁定在电路支路谐振频率上。 如果发生频率漂移，圪和k 之间又出现相位差，p d 会再次输出屹来调整 v c o 的振荡频率，直到圪和k 再次同相位。由此可见，p l l 电路跟踪的不是换 能器的某个固定频率，而足使功放输出电流与输出电压同相的频率。虽然在这 个频率上换能器两端的电流电压同相，达到换能器效率的最佳，但它并不足换 能器的机械谐振频率，只是让换能器在电路中呈现纯阻性，为电学意义上的谐 振频率。在换能器前端串联的匹配电感三。只是让这个同相位的频率始终保持在 换能器的谐振频带附近。如果要使换能器始终工作在其机械谐振频率点上，需 要动态地对换能器进行电感匹配，这方面陕西师范大学的鲍善惠作了大最的研 究，发表了一系列论文，但所作的动态匹配基本上是处于试验状态“，尚未 建立起各匹配参量问的定量关系，操作时主要依赖经验。此外，与静态匹配一 样，缺少功率自动调节的机制。在大功率超声应用场合，换能器往往会产生温 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 升，从而引起静态电容发生变化，哈尔滨工业大学的朱武博士采用动态改变匹 配电感值的方法，以达到动态匹配的效果n 3 1 ，但负载的变化产生的影响不在调 节范围之内。如何使换能器在负载状态下精确地跟踪机械谐振频率，目前还没有 一个通用且完满的解决方法。 1 2 功率超声换能器特性实验研究的发展现状 1 2 1 换能器的性能参数和等效电路模型 随着功率超声在微电子封装方面日益广泛的应用，对其所用的振动系统的 性能评价及质量监测也愈加显得重要“。准确地测定换能器的性能参数足设计 换能器的重要依据，对于研究换能器性能的提高更有重要意义。 换能器是一个涉及到材料、机械、电子、声学等多学科的复杂系统。从机 械的角度看，换能器有它的机械品质因数、振幅和振动模态等参数；从电的角 度看，换能器有其等效的电学阻抗和等效电路模型；从声学的角度讲，电声效 率是换能器的重要参数。目前对换能器的评价和通用的参数测量方法并无一个 广泛适用的杯准“。换能器性能参数主要体现在电声效率和等效电路模型两个 方面，其中等效电路模型对换能器性能的描述更丰富一些。在对换能器的性能 评价时，通常应用机电模拟理论“，将换能器的机械系统变成便于分析的等效 电系统网络。与建立在换能器的弹性材料模型基础上的数值分析方法相比，等 效电路模型更简单，有效，且更容易实现。只要确定了等效电系统的电路图和 参量，就可以充分利用电路及其网络理论来分析计算和仿真实际的换能器系统。 与其他的声测法和光测法相比，利用换能器两端的加载电信号来建立其等效电 路模型有着不可比拟的优势“。由于电系统的电路元件易于更换，测量电压、 电流部比较容易，为模拟和实验提供了更大的方便，故超声换能器特征参量的 确定多采用基于机电模拟系统的电测法，超声换能器的机械品质因素、电声效 率、谐振频带等参数就可以由对应的电系统的参数所反映。 换能器的机电等效模型建立在压电陶瓷的振动理论上。压电换能器是利用 特殊材料的逆压电效应来工作的。压电陶瓷在外加电场的作用下，内部电极化 状态会发生相应的变化，造成与外加电场强度成正比的应变现象，产生对应方 向上的形变。常用的超卢换能器压电效应为纵压电效应，压电元件的形变方向 与电场的方向相重合。 通常采用等效电路法来分析压电体，最早一种是梅森( m a s o n ) 等效电路法 4 中南大学硕+ 学位论文 第一章绪论 ，采用理想的机电变压器形式。另一种是克争姆霍尔斯( k r i l i l h o l t z ) 等效电路 法啪1 ，它是克里姆霍尔斯等人提出的，是从梅森等效电路图发展而来的，其特 点是将压电元件当作声学传输线，突出压电元件内声学参量的空问分靠特性， 当压电元件带有匹配层、背衬块、传声层时，这些层可作为声学传输线，和压 电元件声学传输线顺序连接，避免了梅森等效电路中负电容这类并不存在的概 念。 i1 誊 c 寸 图1 3 克里姆霍尔斯等效电路 在克里姆霍尔斯模型的基础上可以计算出换能器的各种性能参数，如谐振 频率、电阻抗及其频率特性，以及声功率和电声效率等。目前功率超声换能器 的特征参量测量主要集中在电声效率和换能器的等效电路模型参数的测量上， 对超声换能器的性能分析多以等效电路模型为基础。 1 2 2 功率超声换能器电声效率的测量方法 电声效率是衡量功率超声换能器的设计和制作是否合理的一个重要参数。 对于使用状态下大功率压电超声换能器的定量测量及评价仍然足一个比较棘手 的问题，目前大功率状态下换能器电声参数的可行测量方法有以下几种哺1 ： 1 直接测量法 这种方法是通过直接测量换能器的输出声功率p a 和驱动电功率p c 来计算 出电声效率。这里测量输出的声功率比较困难，需要专用的精密仪器：辐射力 天平、力平衡式超声功率计等”“。这种方法对测量条件要求十分苛刻，而所需 要的仪器相对来说比较昂贵。 2 瓦特计法 测量换能器在工作状态时的电声效率可用瓦特计法“，它目前已经成为测 量换能器电声效率的一种标准方法。瓦特计法是利用测量换能器在夹持、无载 和有载条件下的输入电功率，而得到换能器的辐射声功率和效率。缺点是测试 过程比较复杂，并且需要一对性能完全一致的压电换能器。 3 谐振一失谐法 5 中南大学硕+ 学位论文第一章绪论 1 9 9 9 年，陕西师范大学的研究人员在瓦特计法的基础上，提出一种能够测 量换能器在实际状态下电声效率的谐振一失谐法“。该方法需要测量换能器的两 种振动状态，即谐振和失谐状态。该方法的基本思想是：第一，在谐振状态下， 用瓦特计法分别测量换能器在有载和空载工作情况下的输入电功率。第二，在 稍微失谐的情况下，测量待测换能器在负载和空载情况下的输入电功率。第三， 根据传统的结论，即当换能器的两端电压相同时，其介电损耗功率相同；而当 换能器的振动速度相同时，其机械损耗功率也相同，分别消去换能器在负载和 空载时的介电和机械损耗功率，就可以得到换能器的辐射声功率和电声效率。 由于不需要测量换能器的机械和介电损耗功率，因此克服了瓦特计法的缺点。 4 导纳圆图法 该方法是建立在等效电路的基础上的。对换能器进行导纳特性的测量后， 通过计算得到换能器的谐振辐射电导和谐振时的电声效率，目前快速、便捷的 电声测量都是采用这种方法“。 采用阻抗分析仪分别测定压电换能器在空气中和在消声水槽中的频率一导 纳特性。在电导一电纳复平面上绘制导纳圆图。用导纳圆拟合法分别计算出在空 气和在水中的动态导纳圆的直径d a 和见以及在水中测得的谐振电导q 。然 后用下面的公式计算： 打：丝! 堡二堡2 1 眈q 但是这种方法需要阻抗分析仪，成本相对比较高，并且需要测量每一个频率 点的阻抗。手动扫频的测量过程繁琐，速度慢。 1 2 3 导纳特性的测量 通过导纳特性可以分析换能器的许多特征参数。以往的导纳测量方法多是 在小信号驱动下进行的。但换能器的特性在小信号驱动状态下与实际工况下可 能相差甚远，两种状态下的测量结果也相差很大。大功率时，换能器的导纳特 性变化很复杂，会使波形有一定程度的畸变，另外由于驱动换能器的电压具有 高频、高压等一系列特点，大功率状态下进行换能器导纳特性的实时在线测量 十分困难。 在耳前对导纳特性测量的研究中，基本解决方案部是使用一个信号发生器输 出给定频率的小信号，经放大后给换能器。在不同频率下，采集换能器两端电 流电压的幅值和相位差；经过扫频，就得到了换能器在工作频带的导纳特性。 测量换能器的导纳特性需要进行扫频，必须有一个高精度频率的信号源。普 6 中南大学硕士学何论文 第一章绪论 通的模拟信号发生器难以满足这个要求。目前已经有研究人员把锁相环技术应 用于信号发生”“，这种方法能够使函数发生器在l o - 5 0 0 0 k h z 的频带范围内，输 出频率的分辨力达到3 h z 该方法输出频率精度较高。并且频率转换时间小于 2 0 m s 。比较适合于作为换能器导纳特性测试的信号源。 直接数字信号合成技术( d d s ) 也可以用来产生高精度的频率信号。d d s 由 相位累加器、正弦值表、d a 转换器和低通滤波器组成。d d s 的工作原理”见 图l 一4 。 图1 4 直接数字合成信号发生原理图 图1 4 中的参考时钟是一个稳定的晶体振荡器，相位累加器类似于一个简 单的计数器，在每个时钟脉冲输入时，它的输出就增加一个步长的相位增量值。 相位累加器把频率控制字( f s w ) 的数据变成相位抽样来确定输出频率的大小”1 。 相位增量的大小随外部指令f s w 的不同而不同，一旦给定了相位增量，输出频 率也就确定了。当用这样的数据寻址时，正弦查表就把存储在相位累加器中的 抽样值转换成正弦波幅度的数字量函数。0 转换器把数字量变成模拟量，低通 滤波器进一步平滑并滤掉带外杂散，就得到所需要的信号波形。这种方法得到 的频率分辨率可以达到0 0 1 2 h z 以下。 测量部分需要检测两种信号，一是电压电流信号的幅值，可以通过峰值检 波器测得，但是由于换能器的电信号波形并不是很好的正弦波，需要做真有效 值转换。二是电流电压信号的相位差，在测量相位差时，需要注意电流电压采 样要尽量保持相位不变，可以对换能器串联小电阻而进行电流采样。通过有用 功率和电流电压之自j 的关系式，或h i l b e r t 变换算法，可以求得两者之f b 】的相 位差。 1 3 课题综述 1 3 1 课题来源 中国工程院钟掘院士领导的，中南大学机电工程学院韩雷教授主持下的 课题组，2 0 0 3 年开始对热超声键合开展研究，并致力于键合系统的实用化。在 系统设计过程中，科学地评价换能器性能的特征参数，以及实现其特征参数的 7 中南大学硕七学位论文第一章绪论 实验研究方法，对超声键合系统和超声电源的设计有重要的参考价值。功率超 声是一门集超声、振动、机械、电子的综合技术，研究在超声键合中合理地评 价换能器的特征参量，对超声键合过程、机理和技术的研究十分必要。本文将 对超声换能器的电学等效模型进行研究，并利用已有实验设备建立一种能够准 确测量出其等效电路模型参数的测量系统。 本论文的课题来源是国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目“高性能 电子产品设计制造精微化数字化新原理和新方法”的课题2 “复合能场作用下微 互连界向的微结构演变规律”( 编号：2 0 0 3 c b 7 1 6 2 0 2 ) ，以及国家自然科学基金( 编 号：5 0 5 7 5 2 3 0 ，5 0 3 9 0 0 6 4 ，5 0 4 2 9 5 0 1 ) 。重点是对热超声倒装键合的新原理和新工艺 的进行开发，并研究建立在新原理和新工艺基础上的倒装键合样机的换能系统。 1 3 2 课题内容 课题的主要内容有两部分： 1 多因素影响下的换能器导纳特性的研究 目前超声波金属键合应用还存在着几个难点：一是确定换能器的工作最佳 状态，即定义换能器谐振频带，及其工作谐振点：另一个是对影响换能器正常 工作的因素的研究，如加载电压、环境温度、支承工况、劈刀连接状态，以确 保其工作的稳定性；最后对实际工作模式的研究，需要对换能器的导纳特性有 深入的了解。 对超声波金属键合系统中，能否使劈刀输出稳定的振幅是评价系统优劣的 根本依据，同时也直接关系到键合界面的质量和系统的可靠性。换能器是超声 波金属键合系统的核心部件，为了使键合系统稳定工作，必须对其进行振动状 态在线监控。首先要对超声换能器的导纳特性进行深入的研究，为工作状态下 换能器的在线监控提供可靠的理论依据。这就需要建立换能系统电学特性的实 验研究体系。 2 能够准确铡量超声换能器等效电路模型参数的测量系统的建立 利用阻抗分析仪，可以对压电换能器的电学特性进行一般性的测量。然而， 阻抗分析仪只能给出在测试给定电压加载条件下的结果，无法进行压电换能器 工况条件下特性测量研究。 对换能器进行电端静态匹配胁3 ，动态匹配”3 “，以及自动调谐，都足建 立在对换能器性能的详细了解基础上的。换能器的设计、超声功率源的阻抗匹 配和电端匹配也都需要以换能器的等效电路模型作为计算依据，因此亟待开发 一种能够精确测量工况条件下换能器的导纳特性和等效电路模型参数的测量系 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 统。利用多普勒激光测振仪的数据采集系统、直接数字合成器以及运用姒t l a b 语占、l a b v i e w 语言编制的数据采集和信号处理程序，组成一个测量系统，可以 做到对超声换能器在实际工况下的导纳特性进行测量 最后，作者还针对w e t e l 公司的t s 2 1 0 0 型金球键合机实验平台，进行了超 声板电路工作原理研究和功能分析。 1 3 3 课题需要解决的问题 1 最佳谐振点的确定”。 换能器的电端匹配和自动调谐目的是为了维持换能器在最佳谐振点工作。 从等效电路模型看，换能器具有并联谐振频率、串联谐振频率、最大导纳频率、 最小导纳频率等特征频率点，需要根据换能器振动状态、效率等因素选择一个 合理的谐振点。针对不同的超声应用，所选的工作谐振点不一样，因此在超声 波金属键合中如何选择谐振点是一个非常重要的问题。它是换能系统的设计的 依据。 3 高精度频率信号发生器 在测量换能器导纳特性的时候需要一个高精度的函数发生器，用来做扫频 信号：并且要求可以由计算机通过软件控制，能够改变其输出频率。在超声电 源中，多采用利用r c 振荡原理的函数发生器。r c 振荡所得的频率虽然可以由计 算机通过d a 转换输出直流电压来控制，但是它输出的相对精度一般只能达到 1 0 一。以单片函数发生器集成芯片i c l 8 0 3 8 为例，当最高频率输出为6 0 k h z 时， 输出频率的范围是o - 6 0 k h z ，控制电压范围如果是o - 1 5 v ，d a 转换精度是1 2 位 精度，那么得到的频率分辨率只能达到1 5 h z 左右，考虑到d a 转换误差，实际 的频率分辨力在3 0 h z 左右。并且环境温度对r c 振荡的输出频率偏差的影响比 较大，每次进行测量都需要预先进行频率标定。考虑到利用r c 振荡原理的函数 发生器的这些不足，需要采取一种新的方法来获得高精度，并且可通过计算机 控制输出频率的函数发生器。 4 电流电压幅值的测量 导纳的测量一般都是测量换能器两端的电压和电流的幅值吃、f 以及二者 之间的相位差，通过这三个值就可以计算出相应频率下换能器的导纳。由于在 谐振频带区域附近，通过换能器的电流还算比较规则的正弦波，但加载在换能 器两端的电压波形畸变比较严重，不再是规则的正弦波，使用普通的峰值检波 器会增大测量误差。可以利用波形的真有效值来表示其幅值，从而需要一种能 够计算任意波形的真有效值的软件来计算电流电压的幅值。 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 5 电流电压相位差的测量 换能器工作频率很高( * 6 0 k h z ) ，实验室常用的可用于测相位的f f t 分析 仪( 2 0 k h z ) 并不适用。利用有效功率和电流电压幅值乘积之问的关系计算电 流电压相位差方法，不足之处是相位差的正负号无法知晓，必须通过比较电流 电压波形的先后顺序来做正负判断。另外，该方法对存在畸变的电流电压之间 的相位差是否达到零相位不敏感，往往达不到零相位，从而会出现相位的跳跃。 可以采用h i l b e r t 变换求相位差，能够计算出一1 8 0 。+ 1 8 0 。范围内相位差， 能够避免上述的相位跳跃的出现。这两种方法都需要相应的计算程序软件来计 算电流电压的相位差。 1 0 中南大学硕十学位论文第二章超卢换能器导纳特性的研究及其测茸方法 第二章超声换能器导纳特性的研究及其测量方法 2 1 压电换能器的结构 超声波金属键合技术多应用于中低频超声( 6 0 k h z 左右) 。常采用的是夹心 式压电换能器，或称为朗之万换能器。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。前后金属盖扳一般采用钢、铜、硬铝或 钛合金材料“1 。它的结构见图2 1 。 压电陶瓷 j 岳 图2 1 夹心式压电换能器示意图 夹心式压电换能器可以通过改变金属块的厚度或形状来获得不同的工作频 率和声辐射，制作工艺上简单方便，在超声振动切削技术中获得了广泛的应用。 在超声波金属键合中，换能器的设计也是采用了这种纵向振动复合换能器，在 它前端增加了一个变幅杆以提高输出振幅。压电换能器在超声波金属键合系统 上工作时，在电极片和地之间输入正弦交流电，频率在6 0 k h z 左右。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。如果在变幅杆上安装劈刀，则可以使劈刀产生附加的超声频振动，实现 超声键合。 对于这样的压电换能器，设计时要考虑各个部件的尺寸对谐振频率、谐振 带宽、变幅杆前端的振幅以及电声效率等性能参数的影响。由于这是一个通过 压电体和金属复合而构成的能量转换机构，如果用纯粹的压电方程计算压电体 的振动模型，再考虑前后端盖的边界影响、变幅杆的振幅放大和负载等因素， 问题变得非常复杂。这样评价一个换能器，需要很多输入参数和大量的数值计 中南大学硕士学付论文第二章超声换能器导纳特性的研究及其测量方法 算，并且可能由于工艺和装配上的因素，理论值和实际值也会有很大的误差。 如果把换能器看作一个暗箱，输入端只是一定频率的电压信号，输出端信 号足两端的电流，换能器表现出一定的导纳，则可以根据对应的换能器在电端 作为负载的导纳特性来了解、评价一个换能器。这对于实际换能系统特性的研 究，也是非常有意义的。 2 2 超声换能器的等效电路 压电体存在有很多种振动模式，其中厚度伸缩振动模式是超声监测、超声 诊断领域中应用很广泛的一种振动模式。纵向复合换能器的压电体也是工作在 这种模式下的。这类压电元件的极化方向平行于它们的厚度方向，即沿着坐标 轴的z 轴方向，它们的电极面被覆盖在主表面上，即与z 轴垂直的表面上。压 电体在外接电场的作用下，在z 轴方向产生伸缩。 l 粼缀方淘 图2 - 2 压电体纵向振动示意图 通过对压电体电学方程和运动方程的推导和研究，可以把换能器的机电系 统的等效模型简化为如下电路模型陋。推导公式见文献恤! 的附录一：压电振 子的等效电路。文献中也做了类似的推导。 r d f l lc 誊 一11jt 图2 - 3 压电换能器等效电路图 r 足换能器的动态电阻，由两部分组成：一部分表示换能器本身的动态等 效电阻，是一个随谐振状态变化的量；另一部分表示换能器对外做功的动态等 1 2 中南大学硕士学何论文第二章超声换能器导纳特性的研究及其测量方法 效电阻，是和负载有关的量。表示换能器的动态等效电感，c 表示动态等效电 容。动态等效电感、动态等效电容c 和动态等效电阻矗串联组成换能器的动 态支路，是压电振子的质量脚，柔度c 0 和机械损耗的等效电路参量。各 参量的对应关系为= 暑，c = 。口2 ，r = 争。其中，口是力电变换参数，它口。口一 和m ，c 0 及，都取决于压电换能器的材料、尺寸和振动模式。在工作中， 这些动态参数都是变化的，但在换能器的谐振频带内，可以把动态支路的参量 作为不变量。心和q 构成压电换能器的并联支路，髟表示压