倒裝鍵合機支撐板模態參數提取與實驗驗證

宮文峰，黃美發

（桂林電子科技大學海洋信息工程學院，廣西 北海 536000）

倒裝鍵合機支撐板模態參數提取與實驗驗證

宮文峰，黃美發

（桂林電子科技大學海洋信息工程學院，廣西 北海 536000）

采用ANSYS有限元仿真計算與LMS Test.Lab錘擊實驗相結合的方法研究支撐板的模態特性。仿真分析得到支撐板的前6階固有頻率和振型，并通過實驗驗證仿真結果的準確性。將理論計算與試驗的結果進行對比分析，得出支撐板的一階固有頻率為400Hz，高于支撐板上安裝的伺服電機的工作頻率以及周圍環境的激振頻率，因此不會產生共振現象，為防止共振、改善整機質量性能及結構優化提供參考依據。

倒裝芯片鍵合機；模態分析；ANSYS Workbench軟件；LMS Test.Lab模塊

0 引 言

倒裝芯片鍵合機（flip chip bonder，FCB）是基于倒裝焊[1]工藝而設計的微電子后封裝設備，它采用固晶的方式將芯片與芯片載體鍵合在一起[2]。在倒裝鍵合機中使用了較多的支撐板進行承重或連接，其體積大、壁厚、承載情況復雜，且常因伺服電機、氣泵工作站等外部環境激勵而產生振動或引發共振，直接影響鍵合機的工作精度，因此有必要研究其振動特性。

模態分析是研究機械振動特性的基礎，對模態參數的獲取方法主要有實驗測試和有限元理論計算，以及兩者的結合形式。目前關于模態測試的研究主要集中在模態參數辨識方面[3]，比較有代表性的有Kromulski J等[4]對工作變形（ODS）測定中的實驗模態分析方法的應用進行了研究；Pintelon等[5]對模態分析中的不確定性計算進行了研究；在模態分析的應用研究上，應懷樵等[6]發明了脈沖激勵與系統響應變時基導納分析技術和彈性聚能力錘，并采用該方法對鐵路橋進行了模態試驗分析[7]；巨麗等[8]對對擊式液壓錘進行了模態分析；在理論與實驗相合的研究中，蔡力鋼等[3]對五軸聯動重載擺角銑頭進行了模態理論分析與實驗研究。本文在以上研究的基礎上，采用了ANSYS有限元理論計算與LMS Test.Lab錘擊法模態測試相結合的方法對國內某企業生產的鍵合機某靈敏支撐板的模態特性進行了研究。

1 研究方法

模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型[9]。本文先采用ANSYS Workbench有限元軟件對支撐板進行無約束的自由模態分析，并以仿真結果指導模態實驗，再采用比利時LMS公司的Test.Lab模塊對支撐板進行自由懸掛的錘擊法模態測試，從而驗證仿真計算的準確性，最后將兩者結果作一致性比較，試圖得支撐板準確的模態參數和剛度分布情況。研究方法框圖如圖1所示。

圖1 模態分析研究框架圖

2 計算模態分析

2.1 支撐板的有限元建模

本文所研究支撐板是某倒裝芯片鍵合機上一塊較敏感的連接承重件，根據支撐板的結構特點，文中運用CAD軟件Solidworks建立了支撐板的三維數字模型，如圖2（a）所示。然后保存為Parasolid（.x_t）格式導入ANSYS Workbench的Modal（ANSYS）中進行模態計算。網格劃分是將幾何形體離散成一定數量的單元和節點的過程，網格數量和類型將影響計算結果的精度和計算規模大小[9]。本結構采用Hex Dominant劃分為20結點的六面體單元（SOLID186）進行劃分，并對孔部位進行加密處理，分網后的有限元模型如圖2（b）所示，共包含有42358個結點和11265個單元。支撐板的網格數據如表1所示。

2.2 計算模態仿真結果與分析

在ANSYS Workbench中應用Frequency Finder模態求解器對支撐板進行自由模態求解，計算得到支撐板的模態參數。去除剛體模態的支撐板前6階固有頻率和振型描述，如表2所示。圖3為支撐板的前6階振型圖。

圖2 支撐板三維模型和有限元模型

表1 網格劃分數據

表2 支撐板前6階固有頻率和振型描述

圖3 支撐板前6階振型圖

3 試驗模態分析

在以上計算模態分析的基礎上，再對支撐板進行試驗模態分析，并以仿真結果指導錘擊試驗中激振點、拾振點和懸掛點的選擇，最后以試驗結果來驗證仿真計算的正確性，從而獲得準確的模態特性。

3.1 模態測試方法

模態實驗采用比利時LMS公司的Test.Lab測試系統與其他測試設備聯合進行，主要測試設備包括：LMS數據采集儀、LMS Test.Lab 13A-Impact Testing測試軟件、LMS沖擊力錘、力傳感器、PCB公司的356A16型壓電式加速度傳感器及數據線等測試器材。

本試驗采用單點激振多點拾振（SIMO）的方法測試了支撐板的模態特性，測試中固定激振點，移步加速度傳感器拾振，其測試系統框架如圖4所示。本測試中加速度傳感器布置分為4組，每組3個。根據支撐板的結構在LMS測試軟件中建立結構框線圖，如圖5所示。

采用橡皮筋或柔性鎖將支撐板懸掛到空中，選擇吊繩長度時，根據經驗要使繩鎖的頻率至少低于被測件頻率的五分之一，以保證測試的精確度[3]。

根據ANSYS仿真計算出前6階固有頻率，確定測試的采樣頻率，同時在LMS Test.Lab-Impact Testing軟件中進行Bandwidth設置，為避免測試信號發生頻率混疊，根據香農采樣定理，信號的采樣頻率不得低于欲分析最高頻率的兩倍。本測試中設定的采樣頻率為4096Hz，并對響應信號添加指數窗，對力信號添加Force-Exponential窗函數。

圖4 模態測試系統框圖

圖5 支撐板框線圖

根據ANSYS仿真的模態振型結果來指導選擇最佳懸掛點（節點）、最佳激振點和拾振點，同時在LMS Test.Lab-Impact Testing測試軟件的 Impact Setup中Driving Point選項里驗證最佳驅動點的位置。本試驗拾振點位置為Point：1-15，激振點位置為Point：16，如圖5所示。

測試過程中采用5次平均處理，由測試系統自動檢查并拒絕過載和連擊現象，錘擊過程可實時監測相干曲線，保證測試的可靠性，如圖6所示。

3.2 模態實驗求解方程

根據機械振動理論及模態參數辯識理論，可將被測支撐板視為一個n自由度的線性系統[3]：

式中：M，C，K——質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；

f

（t）——外激勵向量；

x（t）——位移響應向量。

對式（1）的拉氏變換為

系統響應記為

上式中H（s）稱為位移傳遞函數矩陣。在模態理論中，該傳遞函數矩陣可以寫為

該矩陣為對稱矩陣，其第l行第p列元素可表示為

式中：φli和φpi為第i階振型中的第l行第p列元素；φli*為φli的共軛；頻率si等于模態剛度ki與模態質量mi之比。

圖6 錘擊測試相干曲線圖

圖7 支撐板模態識別狀態圖

若在系統的某一點j施加一個激振力Fj，則系統上各點產生振動響應Xi（i=1，2，…，n），且存在系統任意兩點間的傳遞函數Hij，其關系式可表達為如下矩陣方程：

式中：H——系統的傳遞函數矩陣；

X——系統的響應列矩陣；

F——系統的激勵矩陣。

同時測取激勵信號Fj和響應信號Xi，就可以得到系統任一點的傳遞函數Hij（f）。

本試驗采用單點激振多點拾振（SIMO）的測試方法，以力錘激勵支撐板的某一點，用加速度傳感器拾取各拾振點響應信號，即相當于測量了傳遞函數矩陣H的某一列，由頻響函數經傅里葉逆變換即可得到系統的脈沖響應，從而識別系統的模態參數[6]，確定各階模態的固有頻率、模態剛度、模態質量、模態阻尼比及主振型等。

3.3 實驗模態測試結果

通過對支撐板進行自由模態試驗，得到結構的各階固有頻率和振型。在LMS Test.Lab-Impact Testing分析軟件中，可以方便地提取和查看各測試點的集總平均傳遞函數、時域和頻域曲線、自譜和互譜曲線等。圖7為本次模態試驗的模態識別狀態圖，在狀態圖中根據經驗識別出較優的頻率波峰。表3為本試驗模態識別出的支撐板的前6階固有頻率和阻尼比。支撐板的前6階振型如圖8所示。

表3 支撐板試驗模態識別參數

圖8 支撐板試驗模態前6階振型圖

4 仿真與實驗對比分析

仿真計算與實驗測試的支撐板在自由狀態下的固有頻率對比數據如表4所示。實驗與理論計算的頻率誤差在4.1%以內，尤其最為關心的一階固有頻率誤差僅為0.491%，因此可以認為本研究的前6階固有頻率是可信的。

表4 理論與試驗的固有頻率對比

由圖3和圖9對比可知，計算模態和實驗模態所得前6階振型圖的相似度很高，尤其是前4階振型圖，基本一致，這說明本試驗所選激振點能夠較好的激起了支撐板的低階振型。

5 結束語

本文采用理論仿真與實驗測試相結合的方法研究某倒裝芯片鍵合機上某敏感支撐板的模態特性，先以ANSYS Workbench仿真結果指導模態實驗，再以LMS Test.Lab錘擊測試結果驗證仿真計算的正確性，研究獲得了支撐板準確的模態特性與影響因素，得到如下結論：

1）從仿真計算與實驗測試對比結果看，兩者吻合性較好，計算和實驗的固有頻率誤差在4.1%以內，尤其一階固有頻率誤差僅為0.491%；計算和試驗所得前6階振型圖的相似度很高，特別是前4階振型基本相同，可以認為本研究的結果是可信的。

2）從固有頻率方面看，由于支撐板的一階固有頻率為400Hz，高于支撐板上安裝的伺服電機的工作頻率以及周圍環境的激振頻率，因此，本部件不會產生共振現象。

3）從振型圖方面看，支撐板的主振型發生在其工作面方向，且振動形態較為活躍，容易對支撐板上所安裝部件產生影響，尤其端部變形量最大，因此，有必要增強此方向的剛度，建議在支撐板一側增加肋板改進結構。

[1]Reza A.Semiconductor backend flip chip processing, inspection requirements and challenges[J].SEMI IEEE: IEMT，2002（4）：18-22.

[2]Gong W F，Huang M F，Chen L L，et al.Dynamic characteristics analysis of the flip chip bonding head based on multiple working conditions[C]∥Proceedings of the IEEE International Conference on Electronic Packaging Technology，2013：732-737.

[3]蔡力鋼，馬仕明，趙永勝，等.重載擺角銑頭模態分析與實驗研究[J].振動與沖擊，2011，30（7）：250-255.

[4]Kromulski J，Hojan E.An application of two experimental modal analysis methods for the determination of operational deflection shapes[J].Journal of Sound and Vibration，1996，196（4）：429-438.

[5]Pintelona R，Guillaumeb P，Schoukens J.Uncertainty calculation in operational modal analysis[J].Mechanical Systems and Signal Processing，2007（21）：2359-2373.

[6]應懷樵.脈沖激勵與系統響應變時基導納分析技術:中國，CN1067312A[P].1992.

[7]Ying H Q，Liu J M，Ao Q B，et al.Small rockets exciting qian tang great bridge for modal analysis[C]∥17th International modal analysis conference，1999.

[8]巨麗，李永堂.對擊式液壓錘理論與試驗模態分析[J].機械工程學報，2009，45（1）：273-281.

[9]呂端，曾東建，于曉洋，等.基于ANSYS Workbench的V8發動機曲軸有限元模態分析[J].機械設計與制造，2012（8）：11-13.

Modal parameter extract and experimental verification of support plate of flip chip bonder

GONG Wen-feng，HUANG Mei-fa
（School of Marine Information Engineering，Guilin University of Electronic and Technology，Beihai 536000，China）

In this paper，the modality characteristic of the support plate is investigated using the ANSYS simulation calculation and LMS Test.Lab hammering experimental test.The first six-order inherentfrequency and vibration mode ofthe supportplate are obtained.Experimentaland simulation results are compared and analyzed.The results show that first-order inherent frequency is 400Hz，and the frequency is higher than the external excitation frequency.Therefore，the resonance phenomenon would notoccur.Thisresearch providesthe reference ofpreventing resonance，improving the quality performance and optimizing the structure.

flip chip bonder（FCB）；modal analysis；ANSYS workbench；LMS Test.Lab

TN405；TH113.1；TP391.9；O241.82

：A

：1674-5124（2014）05-0145-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.037

2014-04-08；

：2014-05-11

國家自然科學基金項目（50865003）“十一五”國家重大專項02專項（2012ZX02601）

宮文峰（1987-），男，山東泰安市人，碩士研究生，專業方向為振動工程與CAE技術。