超声换能器的设计与动态特性仿真
Design and Dynamic Characteristics Simulation of Ultrasonic Transducers
卢正达① LU Zheng-da；黄敏② HUANG Min
（①同济大学，上海 200092；②纳恩汽车，上海 201612）
（①Tongji University，Shanghai 200092，China；②Naen Auto，Shanghai 201612，China）
摘要：微电子封装已成为当今微电子制造中影响生产效率和器件性能的关键技术。超声键合是最为重要的芯片封装方法与技术，目前企业生产的90%以上芯片是采用超声键合法进行封装。超声波换能器是在微电子制造超声键合工艺中的一个重要部件，超声换能器的设计与动态特性分析是非常重要的。为了得到最大的振动幅值,变幅杆固有频率应和超声波发生器的工作频率相同。通过本文对超声换能器的研究、分析与设计，对于获得理想的超声波换能器具有很强的指导意义。
Abstract: Microelectronic packaging is the key technology which affects the efficiency and performance of the device in the manufacture of the microelectronic.Thermosonic wire bonding is the most important method and technology of the chip packaging.90 percents of chips are bonded with thermosonic bonding.The ultrasonic transducer plays an important role in ultrasonic wire bonding techniques.So it is necessary to realize the design and dynamic characteristics of the ultrasonic transducer.Its intrinsic frequency should be equal to working frequency for the obtainment of maximum amplitude.All above research contexts,methods and conclusions will be helpful to understand, analyze and design the ideal ultrasonic transducer.
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关键词 ：超声波换能器；有限元分析；模态分析
Key words: ultrasonic transducer；finite element analysis；modal analysis
中图分类号：TB552 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）20-0186-04
1绪论
超声键合技术以其简单的制作工艺、高效率的运行水准和无铅绿色的优点，在近几年的发展中逐渐成为集成电路第一级封装的主流技术。这项技术是通过超声能量、压力能量及热量多物理能场的相互耦合，促成芯片凸点与基板的瞬态微互连。
超声能传播是一个能量产生、转换、耗散与吸收的过程。其传播效率、系统振动模态以及封装器件的质量主要取决于超声换能系统的研发水平和动力学特性。因此，研究与分析超声换能系统的动态特性，有助于准确把握换能系统的功能特性，并且能够为进一步优化系统结构设计提供重要的参考依据。
2超声换能系统的系统设计
超声波换能系统主要由超声发生器、压电换能器、变幅杆和劈刀四个部分组成，其结构设计详见图1。
超声波换能系统各部分功能特点如下文所述。
超声发生器一般由波形发生模块、功放模块、阻抗匹配模块、以及锁相环模块组成，其主要功能是将工频电信号转换成压电换能器所需的高频电信号。
压电换能器主要由若干压电陶瓷片、前盖板、后盖板和预紧螺栓构成。高频电信号通过压电换能器的压电效应被转换成同频率的机械振动。由此可见，压电换能器就是一个把电能量转换层超声波能量的转换器。
变幅杆是将超声发生器能量转换为键合工具的振动。在运行期间，加载超声后的变幅杆可能发生俯仰振动、轴向振动以及水平振动，换能杆末端因此也将产生浮躁的振动。为了掌握更为全面的超声波换能系统的设计理念及功能特点，需要对变幅杆实际振动情况加强研究。
3超声波换能系统的结构设计与有限元仿真
3.1 超声波换能系统的结构设计
法兰型超声换能器尺寸参数是后面所设计的两款新型换能器的重要参考。它全长81.7mm，变幅杆3部分尺寸长分别为34mm、21mm、7mm。底部设计了一个深9mm的#10-32的螺纹孔，用于安装超声电机；顶部开了个直径为1.1mm的#0-80螺纹孔，则是便于安装劈刀。夹持法兰上开了两个直径为3.3mm的圆孔用于固定。换能器对变幅杆粗糙度要求很高，要求做镜面抛光。其3D效果如图2。
3.2 新型的法兰型超声换能器
图2所示的法兰型超声波换能器已被人申请专利，故本文将变幅杆截面形状改成对称的正方形。此款超声波换能器除了变幅杆外尺寸参数与原有的法兰型换能器尺寸参数相同。变幅杆取原换能器圆形变幅杆做内接正方形，即为边长4.8mm的正方形，并作镜面抛光，成为一种新型的法兰型换能器。
首先，对这种新型的法兰型换能系统中用到的各种材料进行设定。本文选用不锈钢作为换能器的材料。其材料力学特征如表1所示。
然后，在原有的法兰型换能器的基础上，设计出新型的法兰型换能器的具体参数。其参数如图3-图7所示。
3D图如图8所示。
3.3 ANSYS仿真分析
①建模。
将画好的3D图以.IGS格式导入ANSYS中。在前处理中，定义单元类型，选择SOLID92单元。定义不锈钢属性，其参数见表1。
②加载并求解。
进入ANSYS求解器，选择模态分析和Lanczos法求解。待提取的模态个数设置为100，设置加载频率50kHz-200kHz，进行求解计算。
③提取分析结果。
后处理中，选择General Postproc下Read Results提取数据并绘制。反复上述操作，得到100阶模态结果。
通过模态仿真，得到以下结果，如图9所示。
由于系统轴向振动模态均能确保芯片保持与基板相对平行的运动状态，因此成为仿真分析中最值得关注的振动模态。由图可知，由于换能器时要求其固有频率是63kHz或138kHz，所以认为第31阶振动模态是符合工作频率的，即64256Hz为此法兰型换能器的固有频率。虽然与设计频率有一定的误差，但能够满足芯片键合的要求。
④新型的法兰型超声换能器模态分析。
操作同步骤①-③，得到图形显示如图10，并得到第32阶振动模态是符合工作频率，其固有频率为64083Hz。
⑤对比分析。
在相同模态下，法兰型超声换能器和新型的法兰型超声换能器的固有频率相似，振态相近。
在工作频率附近，除了轴向振动之外，系统还包含扭转振动、水平弯曲振动及垂直弯曲振动等模态类型，在实际键合条件下，由于这些谐振频率都没有远离工作频率，它们极有可能被激发，就会浪费超声能量，并破坏芯片与基板之间的正常键合，所以这些振动模态在工作情况下应该被抑制。
4新型换能器系统设计的实验验证
通过使用安捷伦4294A阻抗分析仪验证ANSYS仿真得到的固有频率的正确性。图11为新型的法兰型超声换能器实物。图12-16为法兰型超声换能器10KHz-150KHz的阻抗图。
结果表明，换能器有一定数量的允许谐振频率，它们分别为：14.4kHz、27.2kHz、50.7kHz、64.1kHz、81.9kHz、117.8kHz、125kHz。可知：在10-l50kHz频率范围内有7个轴向固有频率，其中第4阶64.1kHz与仿真频率64083Hz非常接近，其与仿真的误差仅为0.03%。
5结论
5.1 超声换能系统的设计及模态分析的结论
①对于法兰型超声换能器在50kHz-200kHz范围内，共做了100阶模态分析，其中第31阶振动模态是符合工作频率的，即64256Hz为此法兰型换能器的固有频率。
②对于新型的法兰型换能器，在50kHz-200kHz范围内的100阶模态中，其中第32阶振动模态符合工作频率的，其固有频率为64083Hz。
5.2 超声换能系统的振动特性分析的结论
新型的法兰型超声波换能器在10kHz-l50kHz频率范围内有7个轴向固有频率，其中第4阶64.1kHz与仿真频率64083Hz非常接近，其与仿真的误差仅为0.03％。
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