超声键合装置中劈刀的稳态振型研究

　　在微电子封装领域中,超声振动系统是超声键合中的核心部件,它主要包括换能器、变幅杆和劈刀。人们对换能器和变幅杆进行过研究[1-2],而对劈刀在超声键合装置中的振动形态研究较少。劈刀与变幅杆连接的振动结构比较的复杂,它不是简单的悬臂梁、简支梁结构,且边界条件和外载荷很难确定。另外,当其它条件不变,仅改变劈刀与变幅杆连接的松紧程度,会对换能系统的电学特性、超声键合压力、换能系统的非线性动力学行为等产生影响[3-5]。因此,对劈刀的稳态振型进行实验研究,能加深我们对超声键合系统的认识。

　　1　实　验

　　1.1　实验内容

　　本文以微讯U3000型粗铝丝键合机为实验平台,采用简谐信号驱动换能系统,改变劈刀与变幅杆连接的松紧度,使用激光多普勒测振仪(简称LDV: La-serDopple Vibrometer)对劈刀的稳态振动进行测试。键合机工作频率约60kHz,劈刀与变幅杆采用图1所示连接。其中, a)劈刀安装长度l是指劈刀处于换能杆下面部分的长度;b)连接松紧度是指劈刀与换能杆联结螺栓的拧紧程度,通过对施加在拧紧工具上的砝码重力G进行调节; c)数字“1~4”表示劈刀与变幅杆连接越来越紧。

　　1. 1. 1　劈刀振动的理论模型

　　将超声振动系统中的劈刀视为伯努力—欧拉梁,仅考虑梁的横向弯曲振动,于是可得到劈刀的振动为[6]:

　　其中,E为弹性模量,I(y)为截面惯性矩;m(y):劈刀材料的线密度(劈刀为均质、等截面,故EI和m为常量);f(y, t):单位劈刀长度上分布的载荷。设劈刀振动水平位置为y轴,振动横向位移z(y, t)以垂直向上为正。方程(1)的解,可用对应于给定劈刀边界条件的正规振型函数表示为[6]:

　　任意常数Ap和Bp取决于初始条件。梁的强迫振动的解可表示为各阶振型之和,因此劈刀的固有振动为:

　　1.1.2　劈刀模态振型的测量

　　利用LDV对劈刀进行扫描测试,获取稳态振型的实验装置如图2示。首先,确定劈刀结构平面为测量平面,在测量平面上布置合适的扫描点(电脑屏幕截图,如图3)。布点密度必须合适,如果太密则需要更多的扫描时间,超声加载时间延长,不利于换能系统的工作;如果布点太疏则劈刀上点的振动信息不够,可能得不到高阶模态。

　　利用LDV进行速度测量时,速度响应信号为[7-8]:

　　其中,(y)和ψ(y)分别为复模态的实部振型和虚部振型;ωp为谐激励频率; y表示沿扫描路径方向点的位置,当采用LDV进行扫描测试时,y又是时间t的函数即: y =y(t) (7)

　　于是,测得的速度响应即为:

　　由希尔伯特变换: