热超声键合压电换能器的动力学特性

　　0 序言

　　在半导体加工制造领域,热超声引线键合是芯片封装过程的一种主要电互连方式之一,其采用加热、加压和加超声能量的方法完成芯片电极和集成电路底座外引线的连接。作为热超声引线键合系统的重要组成部件,压电超声换能器实现了电能与超声能量的转化,其性能好坏直接影响键合质量。用于热超声键合的传统换能器多工作在60 kHz频率点附近。高频键合可以提高键合速度、降低键合温度,并能实现更微细的电互连[1]。文献[2]指出由于高频换能器部件尺寸不合理会引起其工作频率附近模态密集,进而影响超声能量的转化效率,并通过模块化设计解决了该问题。文献[3]利用有限元方法对换能器进行模态分析,分析中忽略了压电陶瓷的压电效应。文献[4]和[5]对引线键合过程作了试验测试研究。但利用有限元方法和试验手段详尽地考察热超声键合用压电换能器的动力学特性尚缺乏系统地研究。借助ANSYS软件,详细研究了换能器的稳态和瞬态振动特性,探讨了影响超声能量传递的因素,并通过试验测试考察了换能器的振动特性,以及螺栓对换能器和焊点质量的影响规律。

　　1 超声换能系统

　　引线键合超声换能系统如图1所示。该系统主要包括:超声信号发生器、压电振子、聚能器、夹持法兰和劈刀等部件。信号发生器产生高频电信号,通过压电振子将电信号转化为超声振动信号,超声能量经聚能器的传输和放大,传递到劈刀端。在压力和振动的作用下,劈刀和键合表面相互摩擦,清除键合表面氧化层,从而完成键合。不考虑劈刀与键合表面相互接触的状态称为自由振动状态,考虑接触和摩擦的状态称为约束振动状态。现有超声换能系统通常是利用压电换能器的纵振模式来实现键合,该换能器的工作频率为99.3 kHz。

　　2 自由状态换能器动力学分析

　　对于线性压电弹性体的小振幅振动,在忽略阻尼和电磁辐射的情况下,逆压电效应可由下面的压电方程来表征

　　式中:{T}为应力矢量;[c]为弹性矩阵;{S}为应变矢量;[e]为压电矩阵;{E}为电场矢量矩阵;[E]为介电常数矩阵。

　　利用压电单元solid5或plane13来模拟压电材料电场和结构耦合,分析中需输入相对介电常数矩阵[E],压电矩阵[e],弹性矩阵[c]。PZT4压电陶瓷材料特征参数为

　　2.1 不带法兰的换能器动力学分析

　　基于该结构轴对称性,采用plane13单元来模拟陶瓷片,plane42单元模拟其它结构部件,prets179单元模拟螺栓预紧力,陶瓷端面施加零电压来模拟电学短路状态,并对相邻陶瓷定义相反的轴向极化方向。

　　通过模态分析,可知换能器1~120 kHz频率范围内共存在三阶纵振模态,频率分别为39.5,67.0和99.1 kHz,其中99.1 kHz振动模式为换能器的工作模式,换能器在该点纵振时,共存在三个纵向位移节面,整个换能器的长度为1.5倍波长。