熱超聲金絲球引線鍵合機(jī)變幅桿的理論分析

熱超聲金絲球引線鍵合機(jī)變幅桿的理論分析

超聲是一種機(jī)械波，廣泛應(yīng)用于微孔封裝領(lǐng)域。它被廣泛應(yīng)用于熱超聲的銀球參數(shù)（熱超聲的最佳香蕉）、超聲波楔形（超級軟件）和熱超聲的反向安裝（flip）。在這些應(yīng)用中,變幅桿是超聲波傳遞和聚集的部件,研究超聲波在變幅桿中的傳遞具有重要意義。其研究方法可歸納為3類:a.基于力電類比原理。該方法因其可將復(fù)雜的機(jī)械振動問題轉(zhuǎn)化為熟知的交流電路,顯得較簡單而被廣泛使用;其缺點(diǎn)是只能處理集中參數(shù)振動系統(tǒng),對于復(fù)雜分布參數(shù)振動系統(tǒng)不能精確求解。b.基于有限元。該方法可精確建立并求解復(fù)雜分布參數(shù)振動系統(tǒng)模型,但是,難以確定決定系統(tǒng)的關(guān)鍵因素以及其相互影響規(guī)律。c.基于解析模型[8,9,10,11,12,13,14]。該方法試圖通過建立系統(tǒng)的動力學(xué)方程并確定邊界條件以了解超聲波在變論文聯(lián)系人:王福亮,男,博士研究生;電話O);E-mail:wangfuliang@幅桿中的傳遞規(guī)律;雖然要忽略一些系統(tǒng)細(xì)節(jié),卻能準(zhǔn)確確定決定系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。相比較而言,基于解析模型的方法最有利于了解超聲波在變幅桿中的傳遞規(guī)律。關(guān)于變幅桿的研究大多針對一般工業(yè)用超聲波加工,如超聲切割、珩磨、拉拔等,與微電子封裝中的超聲波應(yīng)用相比,其精度與加載形式都有較大區(qū)別。在此,作者利用解析模型的方法,研究超聲波在熱超聲金絲球引線鍵合機(jī)變幅桿中的傳遞規(guī)律。1變幅桿固有特點(diǎn)微電子封裝中超聲引線鍵合機(jī)的功能是:在常溫環(huán)境下,通過超聲振動和劈刀壓力的作用,將金絲(直徑一般為0.025mm)焊接到IC焊盤和基板引腳上,將IC與基板的電路連接在一起。其中,換能器是鍵合機(jī)的核心部件,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為:超聲發(fā)生電路發(fā)出超聲頻率的電信號驅(qū)動PZT;PZT將電信號轉(zhuǎn)換成同頻率的縱向超聲波,經(jīng)變幅桿傳遞放大后,在劈刀中改變方向,轉(zhuǎn)換為橫向超聲波振動,最后,作用在金絲和芯片之焊盤間工作界面上,將金絲焊接在焊盤上,完成超聲引線鍵合的功能。超聲波能量從PZT到鍵合界面的傳遞過程中,變幅桿是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。分析其固有特性,是分析并改進(jìn)熱超聲引線鍵合機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本文研究的對象是U2100熱超聲金絲球引線鍵合機(jī)(由深圳微訊自動化設(shè)備有限公司制造)的變幅桿,其結(jié)構(gòu)及幾何尺寸如圖2所示。該變幅桿具有以下特征:a.橫截面為圓形,由各向同性的鋼制成(超聲波縱波速約5km/s);總長l=82.7mm,由3段連接而成(l1=39.2mm,l2=40mm,l3=3.5mm),左、右兩段是等截面的PZT加載端(大端)和劈刀負(fù)載端,直徑分別為D1=10.5mm,D2=3.5mm;中間段為過渡變截面桿。這種設(shè)計(jì)一方面使變幅桿具有較大的放大系數(shù),另一方面使得變幅桿具有較大的剛度,可承受較大載荷。b.變幅桿中靠近PZT加載端處的肋環(huán)及夾持器(直徑分別為18.8mm和19mm)提供整個(gè)結(jié)構(gòu)靜動態(tài)支撐。2超聲發(fā)生器振動方程的求解對圖2所示的變幅桿建立精確的動力學(xué)模型無疑是非常困難的,為此,要忽略部分細(xì)節(jié),即將其肋環(huán)、夾持器、中部的定位平面及劈刀負(fù)載端的開槽和開孔忽略。其幾何構(gòu)形如圖3所示。在變幅桿上建立如圖3所示坐標(biāo)系統(tǒng),定義大端段為第Ⅰ段,過渡段為第Ⅱ段,小端段為第Ⅲ段,忽略變幅桿的橫向慣性效應(yīng),在假定線彈性、無阻尼條件下考慮其縱向微小振動,可得一維變截面桿的振動方程:?2ξ?x2+1S?S?x?ξ?x+k2ξ=0?2ξ?x2+1S?S?x?ξ?x+k2ξ=0。(1)其中:S=S(x),為變幅桿截面積函數(shù);ξ=ξ(x),為桿中質(zhì)點(diǎn)的位移分布方程;k=ωc?kk=ωc?k為圓波數(shù),ω為圓頻率;c=√E/ρc=E/ρ????√,為縱波在細(xì)棒中的傳播速度。方程(1)的通解形式為:ξ=a1coskx+a2sinkx。(2)其中:a1和a2由邊界條件確定。根據(jù)變幅桿各段的截面積函數(shù)和邊界條件,可得各段桿中質(zhì)點(diǎn)的自由振動振型位移分布為:{ξⅠ=ξ1cos(kx1+kl1),x1∈[-l1,0]；ξⅡ=ξ1coskl1cosα211-ax1cos(kx2+a2),x2∈[0,l2]；ξⅢ=ξ1Νcoskl1cosα2cos(kl2+α2)coskl3?cos(kx3+α3),x3∈[l2,l2+l3]。(3)???????????????ξⅠ=ξ1cos(kx1+kl1),x1∈[?l1,0]；ξⅡ=ξ1coskl1cosα211?ax1cos(kx2+a2),x2∈[0,l2]；ξⅢ=ξ1Ncoskl1cosα2cos(kl2+α2)coskl3?cos(kx3+α3),x3∈[l2,l2+l3]。(3)其中:α1=kl1;tanα2=tankl1+α/k;α3=-(kl2+kl3);α=D1-D2D1l2=Ν-1Νl2α=D1?D2D1l2=N?1Nl2;Ν=D1D2N=D1D2,為截面積系數(shù);ξ1為變幅桿的輸入振幅;k=2πf/cL,為圓波數(shù);f是超聲發(fā)生器的激勵頻率;cL為縱波在變幅桿中的傳播速度;l1=39.2mm;l2=40mm;l3=3.5mm;D1=10.5mm;D2=3.5mm。3頻率/參數(shù)入式振型由變幅桿兩端自由的邊界條件,可求得其固有頻率方程為:tan(kl2+α2)+tankl3-Ναk=0。(4)代入變幅桿的幾何和力學(xué)參數(shù),求解式(4),可得到前3階固有頻率分別為:39.9,66.86和98.27kHz。將各階固有頻率及參數(shù)代入式(3)可得到相應(yīng)振型,如圖4所示。由圖4可知,變幅桿的各階振型中,兩端是位移/速度腹點(diǎn),這也正是變幅桿能傳遞并放大超聲波振動的原因;然而,在不同的振型中,左右兩端的振幅比不一樣,在相同的輸入振幅情況下,高頻的振型具有較大的輸出振幅。此外,每階振型都存在節(jié)點(diǎn);當(dāng)夾持器位于節(jié)點(diǎn)位置時(shí),一方面,可使得超聲波在穿過夾持器時(shí)不會有振幅衰減;另一方面,使得變幅桿有1個(gè)支點(diǎn),可以承受來自工作界面的力和力矩,且不改變變幅桿系統(tǒng)的邊界條件,這種穩(wěn)定的系統(tǒng)特性對于精細(xì)的引線鍵合工藝來說是非常重要的。熱超聲金絲球引線鍵合機(jī)的工作頻率為60kHz,經(jīng)計(jì)算可知第一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在距大端21.667mm處,實(shí)際節(jié)點(diǎn)位置(即夾持器位置)距大端約21mm,其中誤差可能源自推導(dǎo)時(shí)簡化了變幅桿細(xì)節(jié),忽略了夾持器厚度對超聲波傳遞的影響。4變幅桿振動的動力學(xué)方程a.在忽略變幅桿的橫向慣性效應(yīng)、假定線彈性、無阻尼情況下,考慮其縱向微小振動,從一維變截面桿的振動方程出發(fā),建立了復(fù)合變幅桿的動力學(xué)方程,推導(dǎo)了它的頻率方程,求解了穩(wěn)態(tài)振動的模態(tài),獲得了各階振型。在變幅桿的各階振型中