Adams仿真在鍵合頭柔性設計中的應用

周啟舟，郝術壯

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

IC裝片機是一種“高端封裝設備”，主要應用于通信、計算機和消費電子等領域，具有廣闊的市場前景。該設備關鍵機構之一鍵合機構直接決定了裝片的速度、精度、質量、可靠性等關鍵指標。為使鍵合頭Z向運動精準、快速且鍵合力可控，防止損傷芯片，設計中加入了彈簧進行柔性著陸。但是，彈簧的存在容易使機構產生振動，因此，在彈簧參數的設計中需要加以分析和計算。由于該機構運動中存在接觸等大的非線性因素，分析計算比較復雜，應用現有動力學軟件將會帶來很大方便。adams是MSC公司的一款多體動力學仿真軟件，用其對機構建模后能完成復雜的動力學計算，既方便準確又快速形象[1]。本文利用adams軟件對所設計的鍵合頭Z向運動進行了動態仿真，并完成了鍵合頭彈簧參數的選取，為研發滿足設計指標要求的鍵合頭起到一定積極作用。

1 直驅鍵合頭結構

鍵合頭是IC裝片機的關鍵機構，其在驅動機構的帶動下要實現X、Y、Z和θ四個方向的運動。其中最為關鍵的是Z向運動，Z向運動除要快速運動到指定位置外，還要在接觸到芯片時保持一定的接觸力。力過大則會損壞芯片，過小則影響芯片鍵合質量，使芯片良率達不到要求。

根據工藝要求，所設計的鍵合頭要滿足Z向行程60 mm，最大加速度45 m/s2，鍵合力0.05～80 N，合力的初始瞬態加載率優于0.1 N/ms，重復性誤差<1%的要求。為此我們設計了如圖1所示鍵合頭[2]。圖中所示結構連接到X、Y、Z運動平臺上，實現各方向運動，θ向運動由圖中所示電機實現。為防止Z向快速運動時過沖而造成芯片損壞，并且能夠控制實現合適的鍵合力，在機械結構上采用了彈簧，如圖2所示。彈簧連接零件1和零件2，彈簧中有導向軸，能使零件2相對零件1滑動。零件1在X、Y、Z運動平臺帶動下運動。由于彈簧的存在，在實現一定的鍵合力同時要防止鍵合頭在高速Z向運動時發生振動。因此，該彈簧必須合理選擇和調整，確定恰當的彈簧參數。文中為得到彈簧參數，用adams軟件仿真來幫助選取彈簧。

圖1 鍵合頭圖

圖2 鍵合頭結構圖

2 鍵合頭運動分析

零件1運動時，零件2會在其帶動下運動。當零件1加減速運動時，零件1和零件2之間就會有相對運動，由于彈簧的存在還可能發生振動，但其振動幅度被限定在零件2相對零件1運動的行程范圍內。彈簧的剛度和預緊力會影響二者之間的運動狀況，分析彈簧剛度和預緊力對運動狀況的影響規律對彈簧的選擇和調節大有益處。由于零件1和零件2在運動過程中，還會發生碰撞，這是一種非線性情況[3]，很難手工列式求解，因此應用軟件仿真，考察彈簧剛度和預緊力的變化對兩零件間運動情況的影響是較好的方法。

模型受力分析如圖3所示，列平衡方程得：

圖3 受力分析圖

其中：m為零件2及其下面零件質量；

c為彈簧阻尼系數；

k為彈簧剛度系數；

xs為鍵合頭規劃運動曲線；

Fp為彈簧預緊力；

L為零件2相對零件1的最大行程。

3 利用adams對鍵合頭Z向運動進行仿真

鍵合頭Z向運動規劃，行程60 mm，如圖4所示。規劃速度曲線如圖5所示，加速度曲線如圖6所示。

圖4 位移曲線1

圖5 規劃速度曲線1

圖6 規劃加速度曲線1

在adams中建立鍵合頭模型，不斷改變不同的彈簧剛度和預緊力數值，可以得到不同的仿真結果。下面僅給出4組結果。

當K=2 N/mm，預緊力1.95 N時，零件2相對零件1的位移仿真結果如圖7所示。

當K=2 N/mm，預緊力2 N時，零件2相對零件1的位移仿真結果如圖8所示。

圖7 位移曲線2

圖8 位移曲線3

當K=1 N/mm，預緊力2 N時，零件2相對零件1的位移仿真結果如圖9所示。

圖9 位移曲線4

當K=2 N/mm，預緊力1.8 N時，零件2相對零件1的位移仿真結果如圖10所示。

當K=1 N/mm，預緊力1.8 N，零件2相對零件1的位移仿真結果如圖11所示。

從圖8和圖9中的曲線可看出，零件1和零件2間的位移很小，這只是二者運動時零件間相互作用時變形而產生的，圖10和圖11變形不同表明二者之間發生了分離。對比圖8、9和圖10、11可以發現預緊力在1.9 N時是二者之間發生分離運動的臨界值。而彈簧剛度的大小在二者不發生分離運動時，幾乎沒有影響。在二者發生分離運動時，彈簧剛度的大小影響振動的幅值。如果兩零件間發生了相對運動，但在鍵合頭到達芯片上時以恢復初始位置，那么這樣的彈簧預緊力和剛度也是可用的。利用adams的后處理功能，繪出當K=1 N/mm，預緊力 1.8 N，零件 2相對零件1的位移、速度、加速度仿真結果，如圖12所示，圖中加速度為正表示零件1向下加速。由圖可見，當零件1向下加速運動時，二零件間分離最大值達到0.25 mm，當零件1減速時，相對位移恢復到0。

圖10 位移曲線5

圖11 位移曲線6

圖12 零件2相對零件1的位移、速度、加速度仿真結果

根據仿真結果并結合結構參數得到：當ma＞mg+Fp，會出現振動（Fp為彈簧預緊力，下同）；當 ma＜mg+Fp，不會出現振動；Fp=1.95 時是兩種情況的分界。彈簧剛度的大小影響振動時的振幅，對于沒有振動出現的情況無影響。

4 結 論

本文利用adams軟件對所設計的鍵合頭Z向運動進行了動態仿真，得到設計中彈簧預緊力的大小，是鍵合頭二零件間發生震蕩與否的關鍵因素，并且存在一臨界值，大于其值不會發生震蕩，小于則會發生。彈簧剛度的大小只影響振動時的振幅，對于沒有振動出現的情況無影響。借助adams軟件進行仿真，也體現了以下幾個優點：可以直觀的看到仿真的運動過程和結果，不必進行復雜的列式和計算；可以建立虛擬樣機，更改設計參數方便，避免制作物理樣機進行實驗。

[1]陳立平張云清任衛群覃剛.機械系統動力學分析及ADAMS應用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]濮良貴紀名剛等，機械設計（第8版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學（第7版）[M].北京：高等教育出版社，2009.