超声键合变频式超声波发生器的设计

    1 前 言

    超声波发生器是超声键合设备的核心装备之一，用于驱动换能器，以保证键合过程中换能系统处于谐振工作状态，而满足芯片 I/O端口的键合。随着超声键合技术的发展，引线键合超声波换能器的工作频率已从 62 kHz步入到 138 kHz，并逐步到达国际正在研究应用的 192kHz。现今，国内外研制的应用设备均为换能器与之对应超声波发生器的配套工作，不谐振频率段的换能器无法被其他超声波发生器驱动并锁频，无法实现广频域内的锁相跟频。近年来，随着科研机构对换能器多模态、多频段特性开展的深入研究，提出具有现实应用价值的变频式超声波发生器概念。这里，研制了一套能在宽频域内锁频且适应性广的通用引线键合超声波发生器，它能满足不同应用场合、不同固有特性换能器的驱动和快速锁相要求，具有非常重要的意义。

    2 变频式超声波发生器的构建

    2.1 变频式超声波发生器概念的定义

    变频式超声波发生器指在较广的一定范围内，可自行搜寻换能器的固有谐振频率，并智能调整输出频率，以实现频率跟踪的超声波发生器。设计中，超声波发生器的变频范围为 20~200kHz。

    2.2 变频式超声波发生器激励方式的选择

    超声波发生器的激励方式有自激和它激两种模式。前者，只能跟踪一个固定频率，无法实现变频效果，所以变频式超声波发生器采用由第 3 方扫频模式的它激方式，故具有良好的变频效果。图 1给出其原理图。

    2.3 变频式超声波发生器的变频实现

    图 2 所示的直接数字频率合成（DDS）是一种根据输入数字量生成相对于参考频率进行频率和相位调节的技术。具有高速、高精度、恒温输出及灵活变频、快速反应等优点[1-2]，但其输出频率中谐波频率较多，因此必须在 DDS 输出端加入良好的滤波模块，以大幅度降低 DDS 的杂散信号，从而有效提高信噪比。由于系统的工作频率低于 200kHz，所以低通滤波器采用有源结构[3]，这里选用 Sallen-Key 拓扑结构的二阶巴特沃思低通滤波器，并在后级采用 RC 高通滤波器，以滤除直流成分。该方案采用 SPI 同步串行通信方式AD9835DDS芯片，其频率生成公式为：

    式中：data 为单片机传输给 DDS 的 32 位数字；fclk为 DDS 的参考频率源。

    由于 DDS 可在一个较大范围内线性生成频率，因而可在不同频段驱动换能器，也即实现变频效果。

    2.4 变频式超声波发生器的功率放大电路设计