基于频率灵敏度方法的超声键合换能器结构优化

　　0　引言

　　超声换能器是应用压电陶瓷材料具有的压电效应，将电能量转化为高频率超声波能量的一种智能装置。目前，超声换能器已经广泛应用于国民生产的各个领域，如工业焊接、水声、环保、医疗等，成为工程装备中重要的核心执行机构[1-2]。

　　在当前我国日趋被重视的半导体工艺与设备中，芯片键合换能器是被公认的超声键合装备的关键部件之一[3-5]，其主要作用是为细微金属引线(如金线、铝线、铜线)与基板相互连接提供必需的超声能量，实现半导体器件IC或LED芯片的信号传递。虽然在结构组成上，键合换能器与其他工业领域的压电换能器类似，但其工作的对象与条件更为苛刻，表现为：金属引线的直径为12.5～25.0μm，环境温度约200℃，换能器运动加速度高达约20g，且通常情况下换能器保持24h连续工作。因此，这些特殊的键合条件与因素对超声换能器的能量稳定性与精确控制都提出了很高的要求。

　　当前对超声换能器的研究大多集中于设计方法与过程，包括有限元、等效电路方法、传递矩阵方法等[6-8]。国内外对换能器性能优化的研究鲜有报道。事实上，基于以上方法设计的换能器在频率与振动模态上经常存在诸多问题，如频率漂移、模态混叠、模态畸变、阻抗过高等[9-10]。因此，优化超声换能器性能对提高其自身的能量传递效率具有重要意义。本文针对超声键合换能器设计中存在的模态混叠现象，研究了其结构优化与控制方法，并用相关试验进行了验证。

　　1　超声键合换能器的模态混叠现象

　　超声键合换能器主要由前盖板、后盖板、压电陶瓷、变幅杆等部分组成，如图1所示。在超声发生器的驱动下，压电陶瓷通过逆压电效应将电能转换为轴向机械振动，经由变幅杆的位移放大作用，将超声能量传递到芯片键合界面。

　　表1与表2为一组超声键合换能器的主要材料参数与主要尺寸。利用美国Agilent公司4294A阻抗分析仪扫频实测该换能器的频率与导纳特性，测试条件为：起始频率55kHz，终止频率70kHz，频率间距5Hz。测试结果如图2、图3所示。由测试结果可知：在55～70kHz范围内，该换能器的工作频率为61.680kHz，此时系统阻抗为最小值;此外，换能器还包含57.452kHz干扰频率。从导纳上可发现，此时换能器有两个频率的导纳圆混杂在一起。因此，工作频率与干扰的非工作频率相互接近，造成实际工作中超声驱动电源有可能跟踪在干扰频率点上，或者在工作频率与干扰频率之间相互切换，导致换能器的超声能量输出不稳定。

　　利用有限元方法计算该超声换能器的固有频率与振动模态，采用的商业软件为ANSYS9.0，模型包含12430节点，8149单元，采用BlockLanczos计算方法进行计算。结果表明，在56～65kHz范围内，换能器包含3阶固有振动模态，即61.399kHz轴向模态、59.824kHz垂直弯曲模态、62.563kHz水平弯曲模态，如 图4～图6所示。可以发现，各阶模态混叠在一起，在超声发生器频率跟踪精度有限的情况下，这些模态都有可能被激发，产生多模态效应。