超聲換能器的設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)特性仿真

超聲換能器的設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)特性仿真摘要：微電子封裝已成為當(dāng)今微電子制造中影響生產(chǎn)效率和器件性能的關(guān)鍵技術(shù)。超聲鍵合是最為重要的芯片封裝方法與技術(shù)，目前企業(yè)生產(chǎn)的90%以上芯片是采用超聲鍵合法進(jìn)行封裝。超聲波換能器是在微電子制造超聲鍵合工藝中的一個(gè)重要部件，超聲換能器的設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)特性分析是非常重要的。為了得到最大的振動(dòng)幅值,變幅桿固有頻率應(yīng)和超聲波發(fā)生器的工作頻率相同。通過本文對超聲換能器的研究、分析與設(shè)計(jì)，對于獲得理想的超聲波換能器具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

Abstract:Microelectronicpackagingisthekeytechnologywhichaffectstheefficiencyandperformanceofthedeviceinthemanufactureofthemicroelectronic.Thermosonicwirebondingisthemostimportantmethodandtechnologyofthechippackaging.90percentsofchipsarebondedwiththermosonicbonding.Theultrasonictransducerplaysanimportantroleinultrasonicwirebondingtechniques.Soitisnecessarytorealizethedesignanddynamiccharacteristicsoftheultrasonictransducer.Itsintrinsicfrequencyshouldbeequaltoworkingfrequencyfortheobtainmentofmaximumamplitude.Allaboveresearchcontexts,methodsandconclusionswillbehelpfultounderstand,analyzeanddesigntheidealultrasonictransducer.

關(guān)鍵詞 ：超聲波換能器；有限元分析；模態(tài)分析

Keywords:ultrasonictransducer；finiteelementanalysis；modalanalysis

中圖分類號：TB552文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-4311（2024）20-0186-04

1緒論

超聲鍵合技術(shù)以其簡單的制作工藝、高效率的運(yùn)行水準(zhǔn)和無鉛綠色的優(yōu)點(diǎn)，在近幾年的發(fā)展中逐漸成為集成電路第一級封裝的主流技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是通過超聲能量、壓力能量及熱量多物理能場的相互耦合，促成芯片凸點(diǎn)與基板的瞬態(tài)微互連。

超聲能傳播是一個(gè)能量產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、耗散與吸收的過程。其傳播效率、系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)以及封裝器件的質(zhì)量主要取決于超聲換能系統(tǒng)的研發(fā)水平和動(dòng)力學(xué)特性。因此，研究與分析超聲換能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，有助于準(zhǔn)確把握換能系統(tǒng)的功能特性，并且能夠?yàn)檫M(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

2超聲換能系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超聲波換能系統(tǒng)主要由超聲發(fā)生器、壓電換能器、變幅桿和劈刀四個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳見圖1。

超聲波換能系統(tǒng)各部分功能特點(diǎn)如下文所述。

超聲發(fā)生器一般由波形發(fā)生模塊、功放模塊、阻抗匹配模塊、以及鎖相環(huán)模塊組成，其主要功能是將工頻電信號轉(zhuǎn)換成壓電換能器所需的高頻電信號。

壓電換能器主要由若干壓電陶瓷片、前蓋板、后蓋板和預(yù)緊螺栓構(gòu)成。高頻電信號通過壓電換能器的壓電效應(yīng)被轉(zhuǎn)換成同頻率的機(jī)械振動(dòng)。由此可見，壓電換能器就是一個(gè)把電能量轉(zhuǎn)換層超聲波能量的轉(zhuǎn)換器。

變幅桿是將超聲發(fā)生器能量轉(zhuǎn)換為鍵合工具的振動(dòng)。在運(yùn)行期間，加載超聲后的變幅桿可能發(fā)生俯仰振動(dòng)、軸向振動(dòng)以及水平振動(dòng)，換能桿末端因此也將產(chǎn)生浮躁的振動(dòng)。為了掌握更為全面的超聲波換能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念及功能特點(diǎn)，需要對變幅桿實(shí)際振動(dòng)情況加強(qiáng)研究。

3超聲波換能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元仿真

3.1超聲波換能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

法蘭型超聲換能器尺寸參數(shù)是后面所設(shè)計(jì)的兩款新型換能器的重要參考。它全長81.7mm，變幅桿3部分尺寸長分別為34mm、21mm、7mm。底部設(shè)計(jì)了一個(gè)深9mm的#10-32的螺紋孔，用于安裝超聲電機(jī)；頂部開了個(gè)直徑為1.1mm的#0-80螺紋孔，則是便于安裝劈刀。夾持法蘭上開了兩個(gè)直徑為3.3mm的圓孔用于固定。換能器對變幅桿粗糙度要求很高，要求做鏡面拋光。其3D效果如圖2。

3.2新型的法蘭型超聲換能器

圖2所示的法蘭型超聲波換能器已被人申請專利，故本文將變幅桿截面形狀改成對稱的正方形。此款超聲波換能器除了變幅桿外尺寸參數(shù)與原有的法蘭型換能器尺寸參數(shù)相同。變幅桿取原換能器圓形變幅桿做內(nèi)接正方形，即為邊長4.8mm的正方形，并作鏡面拋光，成為一種新型的法蘭型換能器。

首先，對這種新型的法蘭型換能系統(tǒng)中用到的各種材料進(jìn)行設(shè)定。本文選用不銹鋼作為換能器的材料。其材料力學(xué)特征如表1所示。

然后，在原有的法蘭型換能器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出新型的法蘭型換能器的具體參數(shù)。其參數(shù)如圖3-圖7所示。

3D圖如圖8所示。

3.3ANSYS仿真分析

①建模。

將畫好的3D圖以.IGS格式導(dǎo)入ANSYS中。在前處理中，定義單元類型，選擇SOLID92單元。定義不銹鋼屬性，其參數(shù)見表1。

②加載并求解。

進(jìn)入ANSYS求解器，選擇模態(tài)分析和Lanczos法求解。待提取的模態(tài)個(gè)數(shù)設(shè)置為100，設(shè)置加載頻率50kHz-200kHz，進(jìn)行求解計(jì)算。

③提取分析結(jié)果。

后處理中，選擇GeneralPostproc下ReadResults提取數(shù)據(jù)并繪制。反復(fù)上述操作，得到100階模態(tài)結(jié)果。

通過模態(tài)仿真，得到以下結(jié)果，如圖9所示。

由于系統(tǒng)軸向振動(dòng)模態(tài)均能確保芯片保持與基板相對平行的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此成為仿真分析中最值得關(guān)注的振動(dòng)模態(tài)。由圖可知，由于換能器時(shí)要求其固有頻率是63kHz或138kHz，所以認(rèn)為第31階振動(dòng)模態(tài)是符合工作頻率的，即64256Hz為此法蘭型換能器的固有頻率。雖然與設(shè)計(jì)頻率有一定的誤差，但能夠滿足芯片鍵合的要求。

④新型的法蘭型超聲換能器模態(tài)分析。

操作同步驟①-③，得到圖形顯示如圖10，并得到第32階振動(dòng)模態(tài)是符合工作頻率，其固有頻率為64083Hz。

⑤對比分析。

在相同模態(tài)下，法蘭型超聲換能器和新型的法蘭型超聲換能器的固有頻率相似，振態(tài)相近。

在工作頻率附近，除了軸向振動(dòng)之外，系統(tǒng)還包含扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、水平彎曲振動(dòng)及垂直彎曲振動(dòng)等模態(tài)類型，在實(shí)際鍵合條件下，由于這些諧振頻率都沒有遠(yuǎn)離工作頻率，它們極有可能被激發(fā)，就會浪費(fèi)超聲能量，并破壞芯片與基板之間的正常鍵合，所以這些振動(dòng)模態(tài)在工作情況下應(yīng)該被抑制。

4新型換能器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過使用安捷倫4294A阻抗分析儀驗(yàn)證ANSYS仿真得到的固有頻率的正確性。圖11為新型的法蘭型超聲換能器實(shí)物。圖12-16為法蘭型超聲換能器10KHz-150KHz的阻抗圖。

結(jié)果表明，換能器有一定數(shù)量的允許諧振頻率，它們分別為：14.4kHz、27.2kHz、50.7kHz、64.1kHz、81.9kHz、117.8kHz、125kHz?？芍涸?0-l50kHz頻率范圍內(nèi)有7個(gè)軸向固有頻率，其中第4階64.1kHz與仿真頻率64083Hz非常接近，其與仿真的誤差僅為0.03%。

5結(jié)論

5.1超聲換能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及模態(tài)分析的結(jié)論

①對于法蘭型超聲換能器在50kHz-200kHz范圍內(nèi)，共做了100階模態(tài)分析，其中第31階振動(dòng)模態(tài)是符合工作頻率的，即64256Hz為此法蘭型換能器的固有頻率。

②對于新型的法蘭型換能器，在50kHz-200kHz范圍內(nèi)的100階模態(tài)中，其中第32階振動(dòng)模態(tài)符合工作頻率的，其固有頻率為64083Hz。

5.2超聲換能系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析的結(jié)論

新型的法蘭型超聲波換能器在10kHz-l50kHz頻率范圍內(nèi)有7個(gè)軸向固有頻率，其中第4階64.1kHz與仿真頻率64083Hz非常接近