超声键合装置中劈刀稳态振动的试验建模

　　0　序　　言

　　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、变幅杆和键合工具。人们对换能器和变幅杆作了许多研究[1,2],而对键合工具在超声键合装置中的振动特性研究较少。文献[3,4]曾利用激光多普勒测振仪(laser dopple vibrometer,简称LDV),对键合工具的振动模态作过测试分析,提供了一种获取模态振型的方法。当其它条件不变,仅改变键合工具(楔形劈刀)与变幅杆连接的松紧度,会对超声换能系统的非线性动力学行为、电学特性、超声键合压力等产生影响[5-7]。因此,对超声键合装置中劈刀的稳态振动进行试验研究,将为优化设计超声振动系统、提高超声能量的利用率提供参考。

　　1　试验方法

　　1.1　劈刀振动模态的测试分析

　　试验的对象是深圳微迅公司生产的U3000型粗铝丝引线键合机,采用单一简谐信号驱动超声换能系统,在超声加载作用下,使用激光多普勒测振仪对劈刀不同连接松紧度时的稳态振动进行连续扫描测试。劈刀与变幅连接示意图见图1。其中,劈刀安装长度l是指劈刀处于换能杆下面部分的长度;连接松紧度是指劈刀与变幅杆连接螺栓的拧紧程度通过对施加在拧紧工具上的砝码重量G进行调节,见图2,螺栓孔直径D1=1.5 mm,变幅杆末端直径D2=8.2 mm。

　　根据弹性梁振动的基本假设,将超声振动系统中倒装连接的劈刀结构视为伯努力—欧拉梁,当仅考虑其横向弯曲振动,可得到劈刀的固有振动为：

　　超声键合装置中劈刀的振动结构不是简单的悬臂梁、简支梁结构,试验中劈刀作强迫振动的边界条件、外部载荷很难确定,无法寻求其精确的解析模型。但在此理论分析的基础上,对其稳态振动模型可作一些改进,期望能对劈刀的弯曲振动作进一步分析研究。激光多普勒测振仪对劈刀进行扫描测振,获取稳态振型的试验装置如图3所示。

　　在单一简谐激励(电压信号作为激励信号)作用下, 0~200 kHz频率范围内,对稳态振动的劈刀进行连续扫描测试,可得到劈刀上测点的速度响应信号,其测试程序如图4所示。

　　激光多普勒测振仪同时采集的激励信号(电压信号)和速度响应信号,通过快速傅立叶变换(FFT)可得到各测点的频响函数(FRF)包括频率、频响函数幅值实部和频响函数幅值虚部。对于所得到的频响函数,不同测点同阶模态参数(阻尼、固有频率、固有振型等)理论上都是相同的。由每个测试点而得到的频响函数都会出现一个频率共振峰(对应频率相同);同时这个共振峰将在频响函数测量周期的同一时刻出现。在共振峰出现的时刻,同步触发系统对此共振频率进行捕捉、同时产生触发信号,开始进行数据采集,提取测点振动信息。测得的多普勒信号被采集设备放大、数字化处理后,于是测点的振动信息以数据块的形式存储在分析记忆库中。扫描完成后,当测得的是速度响应信号时,对频响函数的实部峰值(共振峰值)进行曲线拟合[9](图5),即可得到劈刀弯曲振动的形态。