变频式超声波发生器的高速锁相研究

    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，保证键合过程换能系统处于谐振工作状态，满足芯片 I/O 端口的键合。

    对于超声波发生器，其核心与关键是自动锁相与锁相速度，其是否高速地跟频在换能器的工作谐振状态，决定了超声键合系统能否高效率、高性能、低能耗地工作，它对提高键合强度、键合效率及封装器件的可靠性起了非常重要的作用。因此，研究如何缩短超声波发生器的锁相时间，实现高速跟频有着非常重要的意义。

    2 变频式超声波发生器的构建

    变频式超声波发生器指在较广的范围内，可自行计算换能器的固有谐振频率，并智能调整输出频率实现频率跟踪的超声波发生器。本设计中，超声波发生器的变频范围为20kHz~200kHz。

    超声波发生器的激励方式有自激和他激两种模式，自激模式只能跟踪一个固定的频率，无法实现变频的效果，所以变频式超声波发生器采用第三方扫频模式的他激式，其具有良好的变频效果，原理图如图 1。

    3 PLL频率反馈模块方案分析

    超声波发生器系统中，影响高速锁相的环节主要有嵌入式系统、频率生成及 PLL（Phase LockedLoop）频率反馈。随着高性能 ARM（Advanced RISCMachines）作为嵌入式系统的不断推广及具有高速生成频率功能的DDS（Direct Digital Synthesizer）的广泛使用，频率生成速度已经得到很好的解决，超声波发生器的技术瓶颈集中在 PLL 频率反馈模块。因此，提高超声波发生器的反馈速度对高速锁相具有主要的作用。

    3.1 PLL频率反馈原理

    在实际键合过程，由于键界面处于一个动态变化的过程，换能器谐振频率为一时变过程，因此，超声波发生器必须根据换能器状态动态调整输出频率以实现锁相功能。

    超声键合系统中，换能器可等效为图2所示电路。

    由图 2 可得：

    其中，超声波发生器输出电压 U 及换能器电阻R 不变。    当系统处于非谐振状态时，电流电压相位角θ不为零，随着超声波发生器输出频率远离换能器的谐振频率，相位角θ随之增大，电流 I 变小；

    当系统处于谐振状态时，电抗 X 为零，此时换能器上的相位角θ为0，阻抗Z 有最小值，因此流经换能器的电流 I 最大；

    综上所述，在PLL 频率跟踪模块的控制中，负载端反馈电流和电流电压相位差这两个参数的引入，使得根据负载综合特性阻抗实时控制频率成为可能，也即实现了闭环控制[1]。

    3.2 常见锁相反馈的比较与分析

    3.2.1 相位差反馈方案