基于ABAQUS的LED固晶臂优化研究

赵振宇，肖永山， 黄世昌， 王晓丽，张泽熙

（深圳信息职业技术学院机电学院，广东 深圳 518172）

LED技术在光领域将改变世界，在21世纪LED照明将成为最具发展前景的高科技技术，特别是以发展高亮度LED为核心的半导体照明技术将成为全球产业的热点[1-2]。

LED引线键合设备涉及许多不同领域的科学和技术，如系统集成技术、微电子技术、精密光学、高精密自动控制技术、高精密机械设计技术、显微视觉技术、微力混合控制技术、热压超声控制技术、计算机科学、传感技术、材料学等[3-4]，是一个综合性、技术含金量非常高的光、机、电一体化设备。

LED固晶设备作为高速、高精度系统，其关键部件必须在高动态工作状况下，具备优良的静态和动态品质[5]：①运动部件具有低的惯量特性；②部件具有高的刚度，以保证系统良好的动态特性；③降低部件的运动学和动力学中非线性的影响。根据对现有固晶设备进行的固晶臂振动与模态测试，发现在不同约束情况下，其固有频率变化较大，而且振型发生了扭曲，这是希望避免的情形。这些方面限制了引线键合设备的精度、速度和加速度的进一步提高。

本文通过改变固晶臂几何结构，得出LED固晶臂的优化设计方案；基于有限元分析方法，比较在不同的约束情况和装配刚度情况下固晶臂的固有特性，为LED固晶设备的精度与速度提高奠定基础。

1 固晶臂结构优化设计

在SOLIDWORKS中建立固晶臂（材料为镁铝合金）的几何模型，根据实际设计与制造过程出现的问题，进行不同的结构改进，如表1。将几何模型导入ABAQUS，进行材料属性分析，如表2所示。

表1 LED固晶臂不同结构Tab.1 Different structures of LED die-bonding arm

序号 几何改变情况 示意图6 增加螺栓孔支撑部厚度7 改变螺栓孔支撑部厚度

固晶臂有较多的孔和槽结构，难以划分六面体网格，划分所用的总体尺寸统一设定为2，其他网格设定均保持为默认。在不同结构的固晶臂比较时，对网格的影响情况进行相应验证，各个结构网格总数的差别在5%之内。

表2 AZ31B-F材料属性Tab.2 AZ31B-F material properties

分析中采用统一约束，原始约束情况和ABAQUS中施加的约束如图1和图2。

图1 约束区域局部示意图Fig.1 Partial schematic view of constraint regions

图2 ABAQUS中施加的约束Fig.2 Constraints imposed in ABAQUS

所有模型均在臂头部施加一个2.2g的质量点，以模拟螺栓和吸嘴的质量。如图3所示。

图 3 质量点模型Fig.3 Quality point model

计算表1中的所有情况的前3阶模态，结果在表3中列出。

由表3可得出，固晶臂的臂身挖槽形式和大小方向，对固晶臂的模态影响不大；改变螺栓孔支撑区域的厚度，可以显著提高固晶臂的固有频率，且厚度与固有频率成正比。

表3 不同模型的前三阶固有频率Tab.3 First three natural frequencies of different models

2 固晶臂不同约束的仿真分析

基于原始设计的几何模型，采用2.2g的质量点加到臂头部模拟螺栓和吸嘴的质量。通过改变固晶臂尾部的约束位置，进行相应仿真并对比其仿真结果，找出模态结果对不同位置约束的敏感性。

约束的不同位置及示意图见表4。

计算这三种情况下的前三阶固有频率，列入表5。

表4 不同约束位置列表Tab.4 Location of different constraints

表5 前三阶固有频率比较表Tab.5 First three natural frequency comparison

从表5中可以得出，支撑板位置与螺栓位置相比，前者对固有频率的影响更大；螺栓孔处的约束对固有频率的影响不大。

3 装配刚度对固晶臂模态的影响

在固晶臂的支撑板安装螺栓位置，采用2.2g的质量点模拟头部的螺栓和吸嘴，使用ABAQUS中的弹簧模拟装配刚度对固晶臂模态的影响情况，如图4所示。

图4 弹簧位置示意图Fig.4 Spring positions before changing

分别设螺栓刚度从0.8N/mm到8000N/mm变化，模拟不同的安装刚度对模态的影响，列出各种刚度下前三阶固有频率如表6所示。

将弹簧的位置移到螺栓孔处（见图5），而将支撑板所在的位置设置为固定约束，重新计算，得到表7。

图5 改变弹簧位置Fig.5 Spring positions after changing

表6 前三阶固有频率Tab.6 First three natural frequencies

表7 前三阶固有频率Tab.7 First three natural frequencies

从表7中可得出，固有频率对支撑板处的刚度变化较敏感，而对螺栓孔处的刚度变化不敏感。

4 结论

LED固晶设备作为高速、高精度系统，其关键部件LED固晶臂必须在高动态工作状况下，具备优良的静态和动态品质。基于有限元分析软件ABQUS，对固晶臂不同结构形式进行了仿真对比，得出优化设计方案；同时针对不同约束情况与装配刚度对固晶臂动态特性的影响进行分析，得出如下结论：

（1）固晶臂的臂身挖槽形式和大小方向对固晶臂的模态影响不大；改变螺栓孔支撑区域的厚度，可以显著提高固晶臂的固有频率，且厚度与固有频率成正比。

（2）支撑板位置与螺栓位置相比，前者对固有频率的影响更大，螺栓孔处的约束对固有频率的影响不大。

（3）固有频率对支撑板处的刚度变化较敏感，而对螺栓孔处的刚度变化不敏感。

（4）后期的固晶臂结构可通过加厚支撑板，或者加强支撑板处的螺栓连接来改变支撑板处的刚度；同样可适当加厚螺栓孔支撑区域的厚度来提高固有频率。

（References）

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[3]王延风, 何惠阳. 全自动金丝球焊机的CAD/CAE设计研究[J]. 光学精密工程. 2002, Vol.10 (5):466-470.WANG Yanfeng, HE Huiyang. Design of fully automatic gold wire bonder with CAD/CAE[J]. Optics and Precision Engineering. 2002, 10 (5): 466-470. (in Chinese)

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