熱聲焊機(jī)超聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

馬生生，孫麗娜，井文麗

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原 030024)

微波集成組件的制造過程中，大量使用微波混合組裝技術(shù)，絲焊(Wire Bonding)技術(shù)是微波混合組裝技術(shù)最為關(guān)鍵的工藝技術(shù)之一。絲焊的質(zhì)量、可靠性直接決定了微波集成組件的性能和壽命。熱聲焊機(jī)是實(shí)現(xiàn)絲焊的關(guān)鍵設(shè)備，而超聲系統(tǒng)在熱聲焊機(jī)中擔(dān)負(fù)著實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生超聲振動(dòng)，傳遞超聲能量的重任，是熱聲焊機(jī)的核心部件。超聲系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響著鍵合質(zhì)量和鍵合速度，如圖1所示，熱聲焊機(jī)的超聲系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、換能器（包括壓電陶瓷換能器和變幅桿）以及鍵合工具（劈刀）組成。

1 超聲波發(fā)生器

超聲波發(fā)生器是向換能器提供超聲頻電能的一種裝置，由振蕩器、放大器和匹配電路組成。振蕩器產(chǎn)生一定頻率的電信號(hào)，用以推動(dòng)放大器，考慮到頻帶調(diào)節(jié)范圍的問題，一般采用他激式振蕩器。放大器將振蕩信號(hào)放大至所需電平，目前大多采用晶體三極管或場效應(yīng)管。匹配網(wǎng)絡(luò)主要是用來改善電發(fā)生器與換能器之間的耦合程度，以便使電發(fā)生器輸出的功率高效率地傳輸給換能器。

圖1 熱聲焊機(jī)的超聲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)選用了美國UTHE公司的10G－SH超聲波發(fā)生器，其工作頻率為63 kHz，最大超聲功率可達(dá)到5W，超聲的時(shí)間為0.1～1.0 s。圖2所示為電能發(fā)生器電路原理框圖。

圖2 超聲波發(fā)生器電路框圖

2 壓電陶瓷換能器的設(shè)計(jì)

熱聲金絲鍵合機(jī)的壓電陶瓷換能器采用一種在壓電陶瓷圓片的兩端面夾以金屬塊而組成的夾心式換能器，或稱為復(fù)合式換能器，又稱朗之萬換能器，由前后金屬蓋板、壓電陶瓷堆、預(yù)應(yīng)力螺桿、電極片和絕緣管組成。圖3為復(fù)合式換能器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 復(fù)合式換能器結(jié)構(gòu)示意圖

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于既利用了壓電陶瓷振子的縱向效應(yīng)，又得到了較低的共振頻率。壓電陶瓷圓片的極化方向與振子的厚度方向一致，壓電陶瓷晶堆由若干片壓電陶瓷環(huán)片采用機(jī)械串聯(lián)而電路并聯(lián)的方式連接，相鄰兩晶片的極化方向相反，使得各晶片的縱向振動(dòng)同相疊加。以保證壓電陶瓷晶堆能夠協(xié)調(diào)一致地振動(dòng)。晶片的數(shù)量一般為偶數(shù)，以便換能器的前后蓋板與同一極性的電極相連。

壓電晶片材料應(yīng)是機(jī)械及介電損耗較低而壓電常數(shù)和機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)較高，一般選用PZT-4和PZT-8等發(fā)射型大功率材料，以實(shí)現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換。壓電陶瓷環(huán)片間及壓電片與金屬蓋板之間通常用彈性及導(dǎo)電良好的銅片隔開并作為電極。由于壓電體的抗張強(qiáng)度差，所以常常通過金屬塊及夾緊螺桿給壓電體施加預(yù)壓力，使壓電體在強(qiáng)烈的振動(dòng)時(shí)也始終處于壓縮狀態(tài)，避免壓電體的破裂。螺桿用高強(qiáng)度的螺栓鋼制成。前后金屬蓋板一般采用鋼、銅、硬鋁或鈦合金材料，通過改變金屬塊的厚度或形狀可獲得不同的工作頻率和聲強(qiáng)。壓電陶瓷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由壓電方程[30]描述。本文中的壓電振子處于第二類邊界條件，即：機(jī)械夾持和電學(xué)短路。其壓電方程為e型：

式中：T-應(yīng)力矢量；

c-彈性矩陣；

D-電通密度矢量；

E-壓電矩陣；

S-應(yīng)變矢量；

ε-介電常數(shù)矩陣；

E-電場強(qiáng)度矢量。

3 變幅桿的設(shè)計(jì)

超聲變幅桿是超聲系統(tǒng)的重要組成部件，它被用來將換能器傳來的由電能轉(zhuǎn)換成的機(jī)械能傳遞給被加工工件，變幅桿的作用是放大換能器所獲得的超聲振動(dòng)振幅，是超聲換能器的重要關(guān)聯(lián)器件。特別在高強(qiáng)度超聲設(shè)備的振動(dòng)系統(tǒng)中作用尤為重要。變幅桿有以下4方面作用：（1）放大位移振幅（或振速），或者把能量集中在較小的面積上，即聚能作用。超聲換能器輻射面的位移振幅在20khz時(shí)只有幾微米。而在高強(qiáng)度超聲應(yīng)用中，如超聲加工、超聲焊接、超產(chǎn)搪錫、粉碎細(xì)胞、超聲金屬成形應(yīng)用中，振動(dòng)位移幅度需要幾十甚至幾百微米量級(jí)。因此，必須在換能器的端面聯(lián)接超聲變幅桿，把機(jī)械振動(dòng)幅度加以放大。（2）變幅桿在檢測超聲中可以作為機(jī)械阻抗變換器，使換能器與聲負(fù)載更好地匹配耦合，更有效地在換能器與聲負(fù)載之間傳遞和交換聲能。（3）變幅桿也是為了用來固定整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)（在波節(jié)處固體）以盡可能地減少機(jī)械能量的損耗。（4）變幅桿使換能器和工作媒質(zhì)之間獲得熱學(xué)和化學(xué)上的隔。

如果把壓電換能器看作振動(dòng)的推動(dòng)級(jí)的話，變幅桿就是振幅的放大級(jí)。用于制造變幅桿的材料應(yīng)有高的抗疲勞強(qiáng)度和小的振動(dòng)損耗。一般有45號(hào)鋼、30CrMnsi低合金鋼、高速鋼以及鈦合金等。在功率超聲的應(yīng)用中，變幅桿可分為縱向振動(dòng)、彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)變幅桿。

常見的縱向振動(dòng)單一超聲變幅桿按其母線的形狀分為：圓柱形、階梯形、圓錐形、以及指數(shù)形等等，見圖4。圓柱形變幅桿不能放大Df端面的振動(dòng)幅值；階梯形的變幅桿放大系數(shù)最大，而且加工方便，但其共振范圍小，并且由于直徑大小的突然變化引起極大的應(yīng)力集中，從而使得變幅桿的工作應(yīng)力大增，導(dǎo)致變幅桿疲勞斷裂，設(shè)計(jì)階梯變幅桿時(shí)應(yīng)該把直徑變化設(shè)計(jì)在整個(gè)長度的中間處，那里的軸向振幅為0，也即節(jié)面；指數(shù)形變幅桿的放大系數(shù)小、機(jī)械強(qiáng)度大、然而指數(shù)形變幅桿由于外形的特殊性，必須用NC機(jī)床加工，所以它的應(yīng)用也受到了一定程度的限制；圓錐形變幅桿有較寬的共振頻率范圍，但放大系數(shù)最小。

圖4 不同形狀的變幅桿示意圖

熱聲金絲鍵合中變幅桿與換能器相連接，傳遞超聲波機(jī)器振動(dòng)能至劈刀，且具有改變超聲波振幅和頻率的功能。設(shè)計(jì)變幅桿時(shí)，為了和換能器匹配，它最上端的尺寸決定于換能器壓電陶瓷堆尺寸，最下端的尺寸決定于加工工具頭的尺寸，用于把變幅桿固定于換能器的附件直徑不能大于變幅桿的直徑，否則變幅桿的振動(dòng)振幅將會(huì)衰減。熱聲金絲鍵合機(jī)換能器的設(shè)計(jì)選用了壓電陶瓷換能器和圓錐形變幅桿，如圖5。

圖5 熱聲金絲鍵合機(jī)換能器示意圖

4 換能器的優(yōu)化

（1）諧振頻率諧振頻率在工藝上有兩方面的含意，即諧振頻率的數(shù)值和諧振頻率的精度。根據(jù)需要的頻率數(shù)值來設(shè)計(jì)壓電換能器和聚能器；同時(shí)，由于聲負(fù)載阻抗的變化，將會(huì)帶來換能器諧振頻率的變化，故又要使換能器工作在一定的頻率范圍，該問題已通過前面介紹的頻率自動(dòng)跟蹤解決；

（2）振幅根據(jù)工藝要求，合理設(shè)計(jì)聚能器，使振幅放大到工藝要求；

（3）振動(dòng)模式適當(dāng)選擇壓電晶片和聚能器的外形尺寸，使其遠(yuǎn)離徑向振動(dòng)模式的諧振頻率，從而消除或抑制寄生的徑向振動(dòng)；

（4）換能器的安裝所有的聚能器都存在著一個(gè)波截面，在波節(jié)面處可用其他裝置運(yùn)用適當(dāng)?shù)牧貙?duì)整個(gè)換能器進(jìn)行固定，從而減小振動(dòng)能量的損耗。所用的力矩不可過大，否則會(huì)導(dǎo)致聚能器截面的變形，從而降低整個(gè)超聲系統(tǒng)的性能。

[1]林書玉.超聲換能器的原理及設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[2]陳桂生.超聲換能器設(shè)計(jì)[M].北京：海洋出版社，1984.