（机械制造及其自动化专业论文）引线键合高频超声换能器的设计和键合头运动控制研究.pdf

中文摘要 旨在提高引线键合设备的速度、封装质量和超声能量的转化效率，本文针对 引线键合用高频超声换能器设计方法和实验测试作了详尽研究，同时探讨了键合 头运动控制系统的搭建和调试。全文工作和取得的成果如下： 口根据振动和波动理论建立聚能器和换能器的数学解析模型，推导出其频率方 程，通过机电等效原理，建立了压电换能器系统的机电等效电路，为换能器 拓扑模型的设计提供了理论依据。 口利用上述解析方法，求解出换能器的初始几何拓扑模型，借助有限元分析软 件a n s y s 对换能器的各组成部件以及换能器整体作谐振特性分析，并综合考 虑各组成部件对换能器性能的影响规律，通过参数化建模方法进行优化设 计，最终建立了压电换能器的最优模型。 口借助阻抗分析仪对所设计的压电换能器进行阻抗特性测试，结果表明，实验 与有限元分析有很好的一致性。 口对引线键合头运动部件作动力学模态分析，提取其在一定频率范围内的振动 形式，并深入探讨了这些振动形式对键合过程的影响，为键合头的结构优化 和控制提供参考。 口搭建了由旋转音圈电机驱动的键合头运动系统，并利用e l m o 驱动器软件 c o m p o s e r 对键合头的自由旋转状态性能作了深入研究，得出键合头部运动系 统的性能指标。 以上工作对于推动引线键合设备发展，拓展其在集成电路制造业的应用具有 重要意义。 关键词：超声换能器，动力学分析，阻抗分析，键合头，运动控制 a b s t r a c t a i m e da ti m p r o v i n gt h es p e e da n dq u a l i t yo fw i r eb o n d e ra n dc o n v e r s i o n e f f i c i e n c y o fu l t r a s o n i c e n e r g y , am e t h o d o l o g y f o r d e s i g n i n gh i g h f r e q u e n c y u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r si sp r o p o s e da n dt h ee x p e r i m e n t a lt e s t sa r ea l s os t u d i e di nd e t a i l a tt h es a m et i m e ，i ti n v o l v e si nt h es t r u c t u r ed e s i g na n dc o n t r o lo fb o n dh e a d t h e f o l l o w i n gw o r k sa n da c h i e v e m e n t sh a v eb e e na c c o m p l i s h e d 口b a s e do nv i b r a t i o na n dw a v et h e o r y , t h ea n a l y t i c a lm o d e lo fu l t r a s o n i c c o n c e n t r a t o ra n dt r a n s d u c e ra r eb o t hf o r m u l a t e d ，m e a n w h i l e ，t h ef r e q u e n c y e q u a t i o n sc a nb ed e d u c e d u t i l i z i n gt h es i m i l a r i t yb e t w e e nm e c h a n i c a lv i b r a t i o n a n de l e c t r i c a lr e s o n a n c e 。t h ee l e c t r o m e c h a n i c a le q u i v a l e n tc i r c u i t r yo ft r a n s d u c e r s y s t e m h a sb e e ne s t a b l i s h e d i tp r o v i d e sb a s i ct h e o r yf o rd e t e r m i n i n gt h e t o p o l o g yo ft r a n s d u c e r 口t h et o p o l o g i c a lm o d e lo ft r a n s d u c e rh a sb e e na c h i e v e db yu s i n go fa n a l y t i c a l m e t h o d i ta l l o w st h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a r t st h a tc o m p o s et h e t r a n s d u c e r st ob ee l a b o r a t e l yi n v e s t i g a t e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft h ep a r t st o t r a n s d u c e r si sw o r k e do u t t h eo p t i m a lm o d e li so b m i n e df i n a l l yt h r o u g ha n s y s p a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ( a p d l ) 口e x p e r i m e n ti sc a r r i e do u ti no r d e rt oh a v ei m p e d a n c eo ft r a n s d u c e rt e s t e d t h e r e s u l tp r o v e sr e m a r k a b l er e s e m b l a n c ew i t ht h e o r ya n df e m 口b vm e a n so fm o d a la n a l y s i si na n s y s ，t h ev i b r a t i o nf o r m so fm o t i o np a r t si na c e r t a i nr a n g eh a v eb e e nd i s p l a y e d t h ei n f l u e n c eo ft h e s ev i b r a t i o nf o r m st o b o n d i n gp r o c e s sa r ed e e p l yd i s c u s s e da sw e l l ，w h i c hc o n t r i b u t e st oo p t i m i z a t i o n o fs t r u c t u r ed e s i g na n dm o t i o nc o n t r 0 1 口t h eb o n dh e a dm o t i o ns y s t e md r i v e nb yr o t a r yv o i c ec o i la c t u a t o ri si n t r o d u c e di n t h ed i s s e r t a t i o n s o m ee x p e r i m e n t a lt e s ta n dd e b u g g i n gh a v ea l s ob e e np r e s e n t e d ， a n dt h ep e r f o r m a n c ei n d e xo f m o t i o ns y s t e mi sg i v e n t h ew o r ka c c o m p l i s h e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni sv e r ym e a n i n g f u lf o rp r o m o t i n gt h e d e v e l o p m e n to fw i r e b o n d e ra n de x p a n d i n gi t sa p p l i c a t i o ni ni n t e g r a t e dc i r c u i t m a n u f a c t u r i n g k e yw o r d s ：u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r , d y n a m i ca n a l y s i s ，i m p e d a n c ea n a l y s i s ，b o n d h e a d ，m o t i o nc o n t r o l 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：五福翠 签字日期： 触哆年占月侔日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 王福军 签字日期：】p 矽年占月坶日 导师签名：尹琴乏乙 签字日期：厶7 年月，髟矽 第章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 第一章绪论 当今令球集成电路( i c ) 产业蓬勃发展，已成为推动世界经济增k 的重要动 力。建立在i c 技术进步基础上的全球信息化、网络化浪潮使i c 产业的战略地位 越来越重要，对国民经济、国防建设和人民生活的影响也越来越大。i c 产业是科 技含量非常高的产业，其生产过程有两个阶段一芯片设计和芯片制造。近年来， 我国加大了l c 行业的发展力度，国家自然科学基金委员会工程与材料部在学科发 展战略报告中将微电子和光电子器件制造列为2 0 0 6 2 0 1 0 年发展的一项重大项 e 1 。我国的i c 行业也有了较大发展，在2 0 0 5 年7 5 0 亿元销售收入中，i c 设计业和 晶圆代丁业收入分别为i3 l 亿元和2 8 0 亿元，封装测试业收入约3 4 0 亿元，三者的 增长速度分别分6 08 、5 45 和2 03 。可见芯片封装作为芯片产业的重要环节， 一直追随着1 c 产业的发展而发展，而且i c 芯片集成度的不断提高，使l c 封装技术 向着高度集成化、高性能化、多引线和细间距化方向发展i i - 2 l 电子制造包括前道裸芯制作和后道封装两部分。电子封装是指从电路设计完 成开始，根据电路图，将裸芯片、陶瓷、金属、有机物等物质制造成芯片、元件、 板卡、电路板，最终组装成电子产品的整个过程。封装可分为零级封装( 晶片级 的连接) 、一级封装( 单晶片或多个晶片组件或元件) 、二级封装( 印制电路板级 的封装) 和三级封装( 整机组装) 。电子封装有四种基础技术，即成膜技术、微 连接技术、基板技术、封连和密封技术。微连接技术起着承上启下的作用，无论 是芯片装连在载体上还是封装在基板上，都会用到微互连技术。而微互连技术主 要通过日r 线键合( w i r eb o n d i n g ) 、载带自动焊( t a p ea u t o m a t e db o n d i n g ) 和倒 装封装( f l i pc h i p ) 等技术实现p 】。图i - 1 是几种具有代表性的封装形式示意图。 髓匪焉 a ) 引线键台b ) 多排芯片封装 c ) 倒装封装 图l - i 代表性芯片封装技术图示 第一章绪论 国际上近几年内半导体封装方面的一些基本情况是：9 0 以上的封装是用引 线键舍互连( 倒装封装占很小的比例) ，其中9 5 以上是使用金丝引线键合， 9 0 左右的封装其外引出线数不多于1 0 0 ，约7 0 的封装引线数不大于3 2 。由 于引线键合技术具有生产成本相对较低，精度高，互连焊点的可靠性高且产量大， 使得这种技术成为芯片互连的主要工艺方法，今后一段时期内，芯片焊接设备仍 然是以引线键合设备为主。 引线键合( w i r eb o n d i n g ) 是将半导体芯片焊匡与电子封装外壳的i 0 引线 或基板上技术布线焊区用金属细丝连接起来的工艺技术。焊接金属一般为金或 铝。其原理是：用高压电火花( e f o ) 使金属丝端部熔成球形，在i c 芯片上加 热加压加超声，使接触面产生塑性变形并破坏了界面的氧化膜，使其活性化，通 过接触面两金属之问的扩散接合而完成球焊第一焊点；然后焊头通过复杂的三维 移动到达集成电路底座外引线的内引出端，再加热加压加超声完成楔焊第二焊 点，从而完成一根线的连接。 近几年来，世界各知名公司如e s e c 、k & s 、a s m 等大力发展并推出了焊 线精度25 p m 以下，焊线速度大于1 2 线s 的自动金丝球焊机，如瑞士e s e c 公 司的3 1 0 0 、美国k & s 公司的m a x l _ u nu l t r a 、荷兰a s m 公司的e n g l e m 0 等，如 图l 一2 所示。有些公司设计出双键合头同时工作的键合机，例如a s m 公司的 t w i n e a g l e 键台机。 播譬驾 一一 ；嗣 由孱! 的e s e c3 1 0 0b ) k & s m a x p r a u l t r a0 a s me n g l e 6 0 焊线周期：5 0 - 6 0 m s捍线周期：6 0 m s焊线周期小于6 0 m s 定证精度25l t m定位精度：土25 p m定位梳室：3 1 t i n 圈j 之国际先进引线键合机样机 为了实现超精密间距、多引脚，高运动速度、低制造成本的微电子封装，要 求键合机具有比以前更高的精度、速度和可靠性并要求其具有较高的能量转化 和利用效率。目前国内外的研究主要集中到以下几个方面：( 1 ) 高性能的运动控 第一章绪论 制系统：引线键合机的运动加速度要求达到1 2 1 5 9 ，频率1 0 2 0 h z ，定位精度 2 - 5 l ，u n 。这方面的研究主要涉及新的驱动方式、运动机构和先进控制策略。( 2 ) 键合头部分关键技术研究：包括z 向驱动电机及其控制的设计，超声换能系统的 设计和优化，电子打火装置( e f o ) 和线夹的改进等。引线键合拉弧运动和超声 能量的利用是保证良好焊接质量的关键，因此对其进行研究尤为重要。( 3 ) 机 器视觉技术：引线键合机采用机器视觉技术实现芯片定位，先进的标定方法和模 式识别算法也是研究的热点 4 - 1 5 j 。 国内对引线键合关键技术的研发还处于初步阶段，发展具有我国自主知识产 权的封装制造设备核心技术，对加快我国i c 产业化进程具有重要的意义。国家 十一五规划中，将电子封装技术列为未来5 1 5 年的重点发展技术。中国电子科 技集团公司第四十五研究所、上海交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、 中南大学等国内的科研单位都在作相关方面的研究。 本课题得到天津市科技攻关项目( 2 0 0 5 0 4 2 0 0 7 0 4 ) 、国家自然科学基金 ( 2 0 0 6 0 1 2 0 0 8 1 2 ) 两个项目的资助，致力于提供一台可用于i c 封装生产的高速 精密定位系统样机，使样机性能达到或者接近国外的样机水平。本文针对键合头 部分部件作了系统研究，主要包括引线键合高频超声换能器的设计和键合头z 向 驱动部件的动力学分析和控制。 1 2 国内外研究状况 超声引线键合和热超声倒装键合是当今芯片封装的主要形式，作为超声引线 键合和热超声倒装键合系统的重要组成部分，超声换能系统充当电声转化和超声 能量传递的角色，其超声振动特性直接影响系统的能量输出，进而影响芯片与基 板之间的键合质量。换能系统综合了电场、声场、力场等不同物理系统，其振动 特性相当复杂。超声换能系统性能的好坏是影响引线键合成败和键合质量的重要 因素，因此一直是国内外研究的重点。 引线键合机z 向驱动形式及其控制对实现焊线过程所需拉弧运动和键合过 程中键合力的控制都起着至关重要的作用，同时键合头机械部件的静动态特性也 制约着系统性能的提高，国内外学者也在作相关方面的研究。 1 2 1 引线键合超声换能器的国内外研究状况 传统的引线键合超声换能系统包括压电换能器和聚能器两大部分，如图1 3 所示，压电换能器利用p z t 压电陶瓷的逆压电效应，将超声频率的电信号转化 为高频机械振动，聚能器传输并放大振动信号后将能量传递给键合工具，工具与 第一章绪论 芯片或基板相互摩擦完成引线键合过程。 后 压电陶瓷安装环聚能器 图1 3 超声换能器结构组成示意图 u t h et e c h n o l o g yi n c 是世界上以生产换能器及其测试装置为主要产品的公 司i l6 | ，为当今引线键合机生产商k & s ，a s m 和e s e c 等公司供应超声换能系统， 其大部分换能器具有图1 3 所示的结构，该公司供应的引线键合换能器频率范围 为6 0k h z 1 6 7k h z ，以工作频率为6 0k h z 的换能器为主导产品，其产品价格很 高。 随着i c 管脚间距的减小，近年来，国内外对引线键合超声换能器的研究很 多，旨在提高超声换能器的性能和降低其成本，主要表现在提高换能器的工作频 率，减小其体积和质量，增大驱动功率和换能器工作带宽，适当改善换能器品质 因数以改善其电路频率跟踪特性等等。而这些性能指标的优化则主要是通过改变 超声换能器结构和其各部件的材料特性来获得。另外，国内外很多学者对超声换 能系统的性能测试和换能系统对引线键合过程的影响作了深入分析和实验研究。 ( 1 ) 引线键合超声换能器结构方面 如图1 4 所示，该换能器将夹持环设计到中间部位，夹持环的两侧分别安装 两片压电陶瓷圆环，陶瓷环外各对应一个聚能器，各部件由螺杆连接，能够工作 在5 0k h z 和1 2 5k h z 两个不同频率点附近，并且通过改变前后聚能器的端面半 径比，前后聚能器形状和材料，可以调节劈刀端纵向振幅i l 。 压 图l - 4 双聚能器结构超声换能器图1 - 5 一体化结构超声换能器 将前后端聚能器、夹持部位等作为一体，如图1 5 所示【18 1 ，该换能器结构降 低了由于装配误差给其性能造成的影响。省去了螺栓，通过自锁装置的合理设计 第章绪论 给压电陶瓷一定的预紧力将陶瓷片安装到换能器一体化结构中。可以工作在 6 0 k h z 和】2 0 i d - l z 两个频率点附近，巧妙的机械结构减小了径向与轴向振动的耦 合，增大了带宽，方便了频率跟踪电路的设计。 图i - 6 三角形截面聚能器结构超声换能器 图1 7 双换能器结构超声换能系统 通过对聚能器截面的合理设计和夹持部位的优化，得到了如图l - 6 所示结构 的换能器【l ”，聚能器具有等腰或等边三角形结构，夹持部位通过合理布置节点的 位置，使其在键合过程中受到的力矩干扰减到最小通过与传统换能器对比，该 结构换能器在提高劈刀端振幅、减小动态电阻和发热方面有很大优势。 一种由双换能器组成的超声换能系统如图l - 7 所示，两个换能器均为l ，2 波 长，该结构能够保证在旋转键台头上下运动和施加较大键合力的情况下，换能器 轴向振动不会偏离，并使换能器在很高频率下得到较大振幅剧j 。 枣爱翌避 i 电极引线 图i - 8 空心结构超声换能器 图l 一8 所示结构换能器能够改善外界系统( 包括外界机械系统、外界散热等) 对换能器的影响，对换能器系统起到保护作用并有效提高超声能量的利用率忙。 轴向f 图l - 9 结构优化的夹持部位图0 位置优化的夹持部位振动形式 图1 9 为改进的夹持部位的结构夹持部位选在外侧孔处，降低了超声换能 第一章绪论 系统与其他系统的机械耦台。lp a r r i n i 利用有限元优化夹持部位的位置，通过合 理设计将夹持部位选在轴向和径向位移节点位置，如图卜1 0 所示，实现了换能 器与其他机械系统的完全解耦，从而提高了超声能量的转化效率【2 2 】。 ( 2 ) ；r 线键合换能器驱动部件材料方面 传统引线键台用超声换能器驱动材料都是选用p z t 型压电陶瓷，压电陶瓷 材料厚度方向的机电耦舍系数高，困而机电转化效率高，在较小的电信号驱动下 可蚍得到相对较大的轴向振动，介电损耗比较小，品质因数高，制作工艺也相对 简单。但随着换能器向小型化和高频方向发展，压电陶瓷材料表现出一些缺点， 如径向对轴向振动耦合较大，高频振动模态比较多，品质固数过大，带宽小，这 样给高频换能器和后续频率跟踪电路的设计带来了不便，并且随着所加功率的提 高，会使换能器发热，不利于大功率换能器的应用。 针对以上情况swo r 用1 3 复合压电材料取代压电陶瓷，研制了如图1 1 i 所示换能器，通过实验对比这种换能嚣的径向耦合振动很小，具有合适的品质固 数和带宽并且减小了超声键台超声自量施加的过渡时间，增强了键合过程超声 能量的平稳性。另外，他还用磁性材料制作了磁致伸缩换能器，并验证了这种换 能器可以提高换能器的功率如图i 2 所示 2 3 i 。 氐穆 图i 1 1 复合压电材料换能器1 1 2 磁致伸缩换能器 ( 3 ) 换能器的测试及超声系统对键合过程的影响 换能器的测试主要采用阻抗分析仪和多普勒测振仪，利用阻抗分析仪可以得 到换能器的一些电学参数和谐振频率的关系，而多普勒删振能得到换能器的不同 频率点的振动模式和振动幅值。 bc h y l a k 等人利用现有引线键台机测试了不同频率超声系统对引线键合第 一、第二键台点的影响实验结果显示：采用高频超声换能系统可以缩短第一键 合点键舍时间，降低第一点键音温度，提高第一点键合质量，但是降低了第二键 合点的键合质量。韩雷、钟掘等分析了键合过程中存在的一些非线性动力学行为， 指出换能器锁相非线性、换能器非平稳加载都是影响键台的主要周素，也是急需 解决的问题。rp u f a l l 通过在换能器上安装压电传感器来在线检测键合力、超声 振幅和键台时间1 ：43 0 】。 第一章绪论 1 2 2 引线键合头的国内外研究状况 ( 1 ) 驱动和运动机构形式 图1 1 3 所示为旋转键合头旋转电机l 带动超声换能系统作上下旋转运动， 与传统键合头不同的是该结构在线夹后端加入了电机2 ，通过该电机实现线夹的 旋转运动，改善了引线键合的过程，有利于提高键合效率p 1 | 。 直线电机驱动的键合头，如图1 1 4 所示，直线电机带动换能器上下往复运 动，减小了机械摩擦和惯量，保证了劈刀与结合面始终垂直，直线电机的行程变 大，可以适应多种芯片的连接，该结构对金线也有保护作用f 3 2 。 电机2 引线孔 电机 能器 图1 1 3 旋转键合头结构图图1 1 4 直线电机驱动键合头 图1 1 5 为改进的引线键合头结构，由电机l 实现键合头沿x 向的前后平移， 电机2 实现键合头绕z 向的旋转运动，电机3 则实现键合头沿z 向微小平移， 结构4 采用了弹性铰链结构，保证键合时劈刀与键合面垂直【3 3 】。 电 弹 电机1 图1 1 5 极坐标形式键合头图1 1 6 气浮键合头结构 e s e c3 1 0 0 键合机采用了图1 1 6 所示气浮平台结构，三个方向均采用气浮 技术，保证电机1 驱动键合头作y 向往复平移运动，电机2 实现键合头绕z 向 第一章绪论 1 5 0 转动，键合头z 向上下运动由摇杆产生，所有电机的驱动力始终通过系统 的重心，保证键合机在最大加速度下保持最小振动，这一技术被称为t y 技术， 同时气浮技术也减小了劈刀端振动【3 4 1 。 ( 2 ) 键合头运动的控制 引线键合要求z 向电机具有较大的加速度和较短的稳定时间，引线键合z 向电机主要完成上下运动和对键合表面施加适当的键合力，其过程主要包括电机 的加速运动、匀速运动和施加恒定力阶段。而这一过程的实现一般需要力位混合 控制策略。在劈刀接触键合表面时采用精确的力反馈控制，其他运动采用位置控 制。 传统的引线键合机z 向电机力反馈控制是通过间接式电流控制来实现，为了 提高力反馈精度和系统稳定性，y h y i n 等提出用永磁直线电机实现z 向运动的 自由状态和转切状态，自由状态采用精确的位置控制，在电机转切状态施加力反 馈控制，经实验验证具有较好效果。r p u f a l l 利用压电传感器在线检测键合力、 超声振动振幅来判断键合质量，但并没有涉及反馈作精确闭环控制。j h k i m 等 提出了判断劈刀与键合表面是否接触的算法，该算法具有耗时短和稳定性好等优 点 3 5 - 3 6 】。 键合头运动控制系统的性能直接影响到引线拉弧过程和超声键合过程，因此 如何采取适当的控制算法，在高速高精度下达到良好效果，对提高焊线质量龙为 重要，因此对键合头运动系统控制的研究具有重要意义。 1 3 本文主要内容 本文紧密结合国家自然科学基金资助项目和天津市科技攻关计划培育基金 项目，设计出用于引线键合的高频超声换能器，通过有限元辅助分析软件a n s y s 进行仿真和优化，对已加工出超声换能器做阻抗实验测试，并且探讨和研究键合 头部运动部件动力学特性和控制方法。全文编排如下： 第一章绪论。阐述课题的研究背景和意义，综述国内外相关领域的研究概 况和存在的问题，并最终提出主要的研究内容。 第二章高频超声换能器的设计。简述超声换能器的设计理论和方法，分析 压电陶瓷的纵振模式，由机电等效电路和振动理论得出换能器和聚能器的频率方 程，最终得到超声换能器的初始模型。 第三章超声换能器的仿真和优化设计。对已得到的换能器模型进行动力学 模态和谐响应分析，考虑换能器各组成部件因素对其性能的影响，不断优化模型 参数，得到换能器最优模型。 第一章绪论 第四章超声换能器实验测试。阐述换能器阻抗分析的基本理论，利用阻抗 分析仪对换能器作实验测试，并进行数据分析。 第五章引线键合头动力学分析和控制。在分析旋转音圈电机驱动的键合头 运动部件振动特性基础上，探讨和研究键合头的运动控制和运动特性。 第六章总结全文主要内容，提出今后工作展望。 第二章高频超声换能器的设计 2 1 引言 第二章高频超声换能器的设计 引线键合用高频压电超声换能器属于发射型换能器，发射级发出一个电振荡 信号，使换能器储能元件电场发生变化，而借助电场的某种“力效应 ，产生一 个对换能器机械系统的推动力，使之进入振动状态，从而向负载介质中辐射出声 波信号，来完成超声键合，这是换能器将电能转化为超声能量的基本过程 3 7 - 3 8 】。 因此，超声换能器包含了电路系统、机械振动系统和声学系统，并且三者在换能 器工作时，有机地结合在一起成为一个整体，对它的研究一般会融合电子学、声 学和力学等方面的研究方法。 引线键合用超声换能器系统由超声换能器和聚能器组成，换能器是振动的推 动级，聚能器则是振幅的放大级，另外超声聚能器还充当机械阻抗变换器，在换 能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量更有效地由超声换能器向负载传 递。本章对换能器的一些基本研究方法和理论作了阐述，并分析了压电陶瓷的振 动模态，给出了换能器和聚能器的频率方程，基于此，初步设计出超声换能器的 拓扑模型。 2 2 超声换能器的设计理论和方法 引线键合超声换能器中，为了获得合适的超声振动并使超声能量得到有效利 用，通常采用一级或二级聚能器将换能器产生的振动信号放大，本设计拟采用两 级聚能器进行放大，如图2 1 所示，一级聚能器采用半波长指数小端接圆柱过渡 结构，二级聚能器采用半波长纯指数形。设计中主要涉及以下理论： 一级聚能器二级聚能器 图2 1 两级聚能器超声换能器结构 ( 1 ) 机械振动理论和波动理论 - 1 0 - 第二章高频超声换能器的设计 机械系统的振动与超声波的传播理论是超声换能器和聚能器设计的基础。 由均匀、各向同性材料所组成的变截面棒，不考虑材料的机械损耗，并假设 一维平面波沿棒的轴向传播，在这种假设下，在变截面棒的横截面上应力分布是 均匀的，棒中任意截面上的位移可用细棒轴线上的坐标表示，从而得到一维细棒 纵振方程，进而能够得到该方程的解。 当固体物质受到外力作用时，将引起形变，同时内部介质交界面处将产生相 互作用力，除了产生体积形变外还要产生剪切变形，因此会引起纵波和横波，这 两种波以不同速度在介质中传播，传播的速度取决于介质的弹性模量和密度。图 2 2 表示了引线键合换能器纵波的传播形式。 ( 2 ) 机电等效电路理论 在超声换能器的研究领域，通过力电类比，将力学振动系统转化为理论上较 熟悉的电路系统。压电陶瓷振子的等效电路表示法，是利用电学术语来表示压电 弹性体的机械振动特性，以及把某些力学量模拟为电学量的方法，这样把研究的 问题变得物理意义直接从而使问题简化。 利用机电等效电路理论的基本方法是：把机械振动、电振荡以及机电转换过 程用机电类比的原理，组合在一个等效图中。其中，机械力等效为电压，振速等 效为电流，同时，机械系统中的质量，刚度和阻尼分别等效为电路中的电感，电 容和电阻，得到机械振动的动力学方程和电路状态方程。 ( 3 ) 有限元分析方法 有限元法是目前工程实践中大量采用的一种数值计算方法。有限元法是以变 分原理和剖分插值为基础的。剖分插值是将待分析的整个连续体想象地剖分成有 限个单元，这些单元在其边界面( 或边界线) 处彼此连接，以单元边界( 或边界 内) 的节点处的参数为未知量，构造未知量节点值和单元内任意点值关系的插值 函数，从而建立整个连续体近似满足的方程组。 有限元法最适合应用在复杂的三维几何模型，包括各种有源或无源材料、各 向同性或各向异性、有或无机械损耗的结构，而且有限元法还可以综合考虑到机 械振动和外部流体的耦合作用等，因此同样适用于超声换能器设计。 以上提到的是设计超声换能器的理论和方法，在换能器的设计过程中要综合 第二章高频超声换能器的设计 考虑各种方法的结合，或是不同阶段采用不同的理论和方法，或是各种方法同时 运用，给设计带来方便3 9 4 5 1 。 2 3 压电陶瓷材料及其纵振模式 2 3 1 压电陶瓷材料及其重要参数 当前在超声换能器的应用中，压电陶瓷材料处于支配地位。与其他压电晶体 材料相比，压电陶瓷材料具有以下优点：原材料价格低廉，机械强度好，易于加 工成不同形状和尺寸，适于不同场合应用，通过添加不同的材料成分，可以制成 品种各异、性能不同可满足不同需要的压电材料，采用不同的形状和不同极化方 式，可以得到所需的各种振动模式。 压电超声换能器利用压电陶瓷的逆压电效应来产生超声振动。压电陶瓷的逆 压电效应是指当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质会发生变形，电场 去掉后，电介质的变形随之消失。该效应常常是通过压电振子的压电方程来表示。 由于应用状态或者测试条件的不同，它们可以处于不同的电学和机械边界条件。 机械边界条件有两种，分别为机械自由和机械夹持。当压电振子的中心被夹 持，片子的边界可以自由变形时，边界上的应力为零，应变不为零，这种边界条 件称为机械自由边界条件。当压电振子的边界被夹持，振子不能自由变形，这种 状态成为机械夹持边界条件。 电学边界条件包括电学短路和电学开路两种。当压电振子内的电场强度等于 零或常数，而电位移不等于零或常数时，称为电学短路边界条件。当压电振子的 电极表面自由电荷保持不变，振子内的电场不等于零或常数，成为电学开路边界 条件。 根据压电振子的不同的边界条件，可以把其压电方程分为四类：机械自由和 电学短路、机械夹持和电学短路、机械自由和电学开路与机械夹持和电学断路。 四种状态对应的压电方程分别为： s = s e t + d t e d = d t + r e( 2 - 1 ) t = c e s e r e d = 岱+ s s e( 2 - 2 ) s = s d t + g t de = 髻丁+ 7 d ( 2 - 3 ) t = c d s + h t d e = - h s + s d( 2 - 4 ) 其中，s 为短路弹性柔顺矩阵，s d 是开路弹性柔顺常数矩阵，c e 为短路弹性刚 度矩阵，c d 为开路弹性刚度矩阵，7 。为自由介质隔离率矩阵，矿为受夹持介质 隔离率矩阵，为自由介电常数矩阵，8 s 为受夹持介电常数矩阵，d 、g 、e 、 第二章高频超声换能器的设计 h 分别为压电应变常数矩阵、压电电压常数矩阵、压电应力常数矩阵和压电劲度 常数矩阵。t 、岛、e t 和h t 为对应的转置矩阵，s ，r ，d 和e 分别为应变矩 阵，应力矩阵，电位移矩阵和电场强度矩阵。 对于极化以后的压电陶瓷材料，在垂直于极化轴的平面内各向同性，在这种 情况下，压电陶瓷材料的弹性常数柔顺矩阵形式为 介电常数矩阵形式为 0 蜀1 o l 0000 4 5 0 i d = 10 00 吐5 00 l 吃，吃。吃s 00 o j 除了压电方程包含的一些矩阵参数外，压电陶瓷材料还包括机电耦合系数k ， 介电损耗角正切t g a 和机械品质因数q 卅等。 机电耦合系数k 是表示压电材料的机械能与电能之间耦合关系的重要参数。 实际工作中，通常用有效机电耦合系数砀来表征，其定义为 ，2 一，2 勤= 生j 生 ( 2 - 5 ) ，p 式中z ，以分别为压电振子的串联谐振频率和并联谐振频率。 材料在交变电场持续作用下，压电材料所产生的电介质损耗主要是由极化驰 豫和漏电引起的，电位移密度总是落后一个相位角艿，称为介电损耗角。定义介 电损耗角正切为 t 9 6 = 挚 ( 2 6 ) c 式中厶表示有功电流，毛表示无功电流。 机械品质因数反映了压电陶瓷振子谐振时机械损耗的大小，反映了压电体振 动时因克服内部摩擦而损耗的能量，其定义为 f q = 2 n 詈 ( 2 - 7 ) 2a 0 0 0 0 0 一 孔 o 0 0 0 o 0 o o 0 0 3 3 o 0 0 o 0 o l 2 3 1 o o o 日0 o 。l = 占 为式形阵矩数常变应电压 第二章高频超声换能器的设计 e 。表示谐振时振子储藏的机械能量，局表示谐振时每周期内损耗的机械能量。 引线键合超声换能器对陶瓷片的性能要求比较高，一般采用p z t 型压电材 料，p z t 型压电陶瓷材料具有以下优点：机电耦合系数较大，压电系数大，机械 品质因数高，介电损耗小，性能稳定，机械强度高等。其中p z t 8 材料尤其适合 在较大功率和振幅情况下做发射换能器使用，因而选用p z t 8 型压电陶瓷圆环。 2 3 2 压电陶瓷纵振模式 图2 3 轴向极化压电陶瓷圆环 如图2 3 所示，压电陶瓷圆环轴向厚度r ，外径d l ，径向厚度w ，考虑西， w t 的情况，压电陶瓷轴向极化，可以得到该陶瓷圆环纵向振动的压电方程 乃= s 3 一吃3 d 3 ( 2 8 ) 岛= 一忽3 s + 威b ( 2 9 ) 由压电方程和波动理论可以推导出纵向振动时压电陶瓷圆环的阻抗为 z ( 国) = 两1 冥甲，c o = 2 万为角i i | 贝翠，为天持电谷，一为纵l 司利l 电祸笛系双， 位移下某一平面内的纵波传播速度，p 为陶瓷材料的密度。 g = a 成= 孚 轷荔= 百h 3 3 2 e 3 s 3 培= 居 压电陶瓷圆环谐振时，有z ( c o ) = 0 ，即 ，搿翌c o , t ：。 g 1 j r l 2 讫 ( 2 1 0 ) 蟛是恒电 ( 2 11 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 第二章高频超声换能器的设计 这里，缉= 2 硝为谐振角频率，当压电陶瓷处于反谐振状态时，有： 弋( 可c o o t 厂) o o ( 2 - 1 5 ) 吃= 2 万z 是反谐振角频率，由式( 2 1 4 ) ，( 2 1 5 ) 可以解出压电陶瓷的谐振频率 和反谐振频率z 和z 。 2 4 超声换能器系统设计 2 4 1 纵振聚能器机电等效电路和频率方程 假设一维平面波沿轴向传播，变截面棒的横截面上应力分布均匀，并且认为 细棒是由均匀、各向同性材料所组成，不考虑材料的机械损失，此时棒横截面上 各质点做等幅同相振动。 图2 4 是一个变截面细棒，其横向尺寸远小于波长，棒的对称轴为x 轴，对 于厚度为次的小单元在简谐振动情况下，细棒的动力学方程可简写为 磐+ ! 箜丝i - 七z f ：0 ( 2 1 6 ) 曩 磊 图2 4 变截面细棒的纵振动示意图 其中，k = 叫c ，k 是波数，0 9 为振动圆频率，c = 纠p 是细棒中一维纵振的传播 髋钮纠一去堂0 x 2 ，$ y ，可删觥解棚 孝= 去( 心n 戤+ b c o s 触) ( 2 - 1 7 ) 舌，彘分别是变截面棒两端的振动速度，s ，& 分别是棒两端的横截面积，z 为 棒的长度，根据图2 4 的边界条件，可求出上式中的常数 b ：监毫，彳：一鱼墨刍璺! ! 丝 j 。c o 。1j c o s i n k 由棒两端的力平衡条件，可得 互= 象( 现鲁+ 譬c o t 尉毒+ 蔷麦协 第二章高频超声换能器的设计 e = 坐2 j k 、, o x ) 神麦+ 譬c o t 尉麦+ 德鲁协 据此可以得到变截面棒一维纵振动的机电等效电路图2 - 5 ，图中z 1 ，z 2 ，z 3 分 别是变截面棒一维纵振动等效电路中的串并联阻抗，其具体表达式为 图2 - 5 变截面细棒一维纵振动机电等效电路图 互= 三m 肚、( a s 、一j 。- 0 + p c 肛k s , a xc 。t 尉一旦j 型k 监s i nk ( 2 - 2 。) 1 2 肚，卸豇 z ：= 一互p 以c ( 箜缸) ，哥+ p c 业k s 2 。c 。t 尉一酱 ( 2 2 1 ) z 3 ：尝 ( 2 - 2 2 ) 对于不同的截面变化规律，等效电路图中的等效电阻有所不同，但其等效机 械图的形式是相同的。因此，任何变截面棒，其一维振动的等效电路图可用一个 t 型网络来表示。 对于指数形，设其变化规律为s = s p _ 2 肛，= i n n ，n = s 瓜s z 。对应等 效电路图各阻抗的具体表达式为 z l = 一乒，等c 。t ( 七+ 等差崭 ( 2 2 3 ) z 2 = i z 2 一缟等c o t ( 川) + 等羔裔 ( 2 2 4 ) 乙= 丢蒹 协2 5 ， 式中七= j f j 歹，毛= p c s , ，z ：= 最，j j ：叫c ，是：s p 之，上式适用于七 情况，当七 c 3 ，3 ， 方程中相关矩阵为 结构质量矩阵 【肘】= 州p i n “ 【c 】【既】d ( 阳，) ( 3 - 1 4 ) 结构阻尼矩阵 【c 】_ 引m 】+ 【k 】 ( 3 1 5 ) 结构刚度矩阵 吲= ，训阿 】限】d ( 谢) ( 3 - 1 6 ) - 2 4 - o a一如o a一砂a一叙 o a 一钞 o a一苏a一勃 o a r 1 5 o o a 一钞 o a 一七 第三章压电超声换能器仿真和优化设计 置d = 一训限n g 】【既】d ( 阳，) 压电耦合矩阵 k ： = ，州b ” 乍】d ( ，) 弹性能、介电能和电机械耦合能分别由下面公式计算 = 寺7 【五】 以) = i l rk d ) = 去( ”k 2 m + ”k 2 n ) ) 3 3 高频超声换能器有限元仿真与优化 ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 利用有限元辅助分析软件a n s y s1 0 0 ，对各部件进行详尽的动力学特性分 析( 主要包括模态和谐响应分析) 。模态分析可以抽取结构的固有频率和振型， 它是其他动力学分析的重要基础，a n s y s 允许对模型进行预应力模态分析，这 里选用子空间迭代法对模态结果进行提取。谐响应分析用来求解结构在正弦激励 下的响应特性，对换能器而言，可以得到换能器在给定正弦电压激励下的位移曲 线、电导纳曲线等。 本章采用模块化的设计方法，针对换能器各主要组成部件做相应分析，最终 得到换能器系统的优化模型。其基本过程主要包括：建立各部件的几何模型，赋 予各部件对应参数和单元属性，划分网格，求解计算，提取结果。分析中用到的 主要部件材料特性参数和单元类型等如表3 1 、3 - 2 所示。压电分析用来解决电 场和结构的耦合问题，这里采用压电单元p l a n e l 3 ( 2 d ) 和s o l i d 5 ( 3 d ) 来实现。 结构单元采用p l a n e 4 2 ( 2 d ) 和s o l i d 9 5 ( 3 d ) ，螺栓预应力施加主要通过p r e t s l 7 9 单元来模拟。 表3 1 组成部分、材料特性参数、单元类型 组成部分材料单元单元类型 密度( k g m 3 ) 弹性模量( g p a ) 泊松比 压电陶瓷p z t - 8 p l a n e l 3 s o l i d 5 7 6 5 0 前盖板 钛合金p l a n e 4 2s o l i d 9 5 4 5 0 01 1 40 3 4 聚能器 钛合金p l a n e 4 2s o l i d 9 5 4 5 0 01 1 4o 3 4 后盖板 不锈钢p l a n e 4 2 s o l i d 9 57 9 0 02 2 60 2 8 预紧螺栓 不锈钢p l a n e 4 2 s o l i d 9 57 9 0 02 2 6o 2 8 预紧力 p r e t s l 7 9 2 5 第