热声焊机超声系统的设计和优化

2011-03-26马生生孙丽娜井文丽

电子工业专用设备 2011年5期

马生生，孙丽娜，井文丽

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024)

微波集成组件的制造过程中，大量使用微波混合组装技术，丝焊(Wire Bonding)技术是微波混合组装技术最为关键的工艺技术之一。丝焊的质量、可靠性直接决定了微波集成组件的性能和寿命。热声焊机是实现丝焊的关键设备，而超声系统在热声焊机中担负着实现电声转换，产生超声振动，传递超声能量的重任，是热声焊机的核心部件。超声系统性能的优劣直接影响着键合质量和键合速度，如图1所示，热声焊机的超声系统由超声波发生器、换能器（包括压电陶瓷换能器和变幅杆）以及键合工具（劈刀）组成。

1 超声波发生器

超声波发生器是向换能器提供超声频电能的一种装置，由振荡器、放大器和匹配电路组成。振荡器产生一定频率的电信号，用以推动放大器，考虑到频带调节范围的问题，一般采用他激式振荡器。放大器将振荡信号放大至所需电平，目前大多采用晶体三极管或场效应管。匹配网络主要是用来改善电发生器与换能器之间的耦合程度，以便使电发生器输出的功率高效率地传输给换能器。

图1 热声焊机的超声系统结构图

本设计选用了美国UTHE公司的10G－SH超声波发生器，其工作频率为63 kHz，最大超声功率可达到5W，超声的时间为0.1～1.0 s。图2所示为电能发生器电路原理框图。

图2 超声波发生器电路框图

2 压电陶瓷换能器的设计

热声金丝键合机的压电陶瓷换能器采用一种在压电陶瓷圆片的两端面夹以金属块而组成的夹心式换能器，或称为复合式换能器，又称朗之万换能器，由前后金属盖板、压电陶瓷堆、预应力螺杆、电极片和绝缘管组成。图3为复合式换能器结构示意图。

图3 复合式换能器结构示意图

这种结构的优点在于既利用了压电陶瓷振子的纵向效应，又得到了较低的共振频率。压电陶瓷圆片的极化方向与振子的厚度方向一致，压电陶瓷晶堆由若干片压电陶瓷环片采用机械串联而电路并联的方式连接，相邻两晶片的极化方向相反，使得各晶片的纵向振动同相叠加。以保证压电陶瓷晶堆能够协调一致地振动。晶片的数量一般为偶数，以便换能器的前后盖板与同一极性的电极相连。

压电晶片材料应是机械及介电损耗较低而压电常数和机电转换系数较高，一般选用PZT-4和PZT-8等发射型大功率材料，以实现高效率的能量转换。压电陶瓷环片间及压电片与金属盖板之间通常用弹性及导电良好的铜片隔开并作为电极。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。前后金属盖板一般采用钢、铜、硬铝或钛合金材料，通过改变金属块的厚度或形状可获得不同的工作频率和声强。压电陶瓷的运动状态由压电方程[30]描述。本文中的压电振子处于第二类边界条件，即：机械夹持和电学短路。其压电方程为e型：

式中：T-应力矢量；

c-弹性矩阵；

D-电通密度矢量；

E-压电矩阵；

S-应变矢量；

ε-介电常数矩阵；

E-电场强度矢量。

3 变幅杆的设计

超声变幅杆是超声系统的重要组成部件，它被用来将换能器传来的由电能转换成的机械能传递给被加工工件，变幅杆的作用是放大换能器所获得的超声振动振幅，是超声换能器的重要关联器件。特别在高强度超声设备的振动系统中作用尤为重要。变幅杆有以下4方面作用：（1）放大位移振幅（或振速），或者把能量集中在较小的面积上，即聚能作用。超声换能器辐射面的位移振幅在20khz时只有几微米。而在高强度超声应用中，如超声加工、超声焊接、超产搪锡、粉碎细胞、超声金属成形应用中，振动位移幅度需要几十甚至几百微米量级。因此，必须在换能器的端面联接超声变幅杆，把机械振动幅度加以放大。（2）变幅杆在检测超声中可以作为机械阻抗变换器，使换能器与声负载更好地匹配耦合，更有效地在换能器与声负载之间传递和交换声能。（3）变幅杆也是为了用来固定整个机械系统（在波节处固体）以尽可能地减少机械能量的损耗。（4）变幅杆使换能器和工作媒质之间获得热学和化学上的隔。

如果把压电换能器看作振动的推动级的话，变幅杆就是振幅的放大级。用于制造变幅杆的材料应有高的抗疲劳强度和小的振动损耗。一般有45号钢、30CrMnsi低合金钢、高速钢以及钛合金等。在功率超声的应用中，变幅杆可分为纵向振动、弯曲振动、扭转振动变幅杆。

常见的纵向振动单一超声变幅杆按其母线的形状分为：圆柱形、阶梯形、圆锥形、以及指数形等等，见图4。圆柱形变幅杆不能放大Df端面的振动幅值；阶梯形的变幅杆放大系数最大，而且加工方便，但其共振范围小，并且由于直径大小的突然变化引起极大的应力集中，从而使得变幅杆的工作应力大增，导致变幅杆疲劳断裂，设计阶梯变幅杆时应该把直径变化设计在整个长度的中间处，那里的轴向振幅为0，也即节面；指数形变幅杆的放大系数小、机械强度大、然而指数形变幅杆由于外形的特殊性，必须用NC机床加工，所以它的应用也受到了一定程度的限制；圆锥形变幅杆有较宽的共振频率范围，但放大系数最小。

图4 不同形状的变幅杆示意图

热声金丝键合中变幅杆与换能器相连接，传递超声波机器振动能至劈刀，且具有改变超声波振幅和频率的功能。设计变幅杆时，为了和换能器匹配，它最上端的尺寸决定于换能器压电陶瓷堆尺寸，最下端的尺寸决定于加工工具头的尺寸，用于把变幅杆固定于换能器的附件直径不能大于变幅杆的直径，否则变幅杆的振动振幅将会衰减。热声金丝键合机换能器的设计选用了压电陶瓷换能器和圆锥形变幅杆，如图5。