倒裝芯片鍵合頭模態特性研究與實驗分析

宮文峰，黃美發，張美玲

(1.桂林電子科技大學海洋信息工程學院，廣西北海536000; 2.桂林電子科技大學廣西先進設計與制造技術重點實驗室，廣西桂林541004)

倒裝芯片鍵合頭模態特性研究與實驗分析

宮文峰1，黃美發2，張美玲1

(1.桂林電子科技大學海洋信息工程學院，廣西北海536000; 2.桂林電子科技大學廣西先進設計與制造技術重點實驗室，廣西桂林541004)

鍵合頭是全自動倒裝芯片鍵合機重要的功能運動部件，其主要功能是完成芯片的拾取、點膠和鍵合。鍵合頭在高頻高加速的往復多自由度運動中產生的振動和共振量直接影響芯片的鍵合精度，因此要求鍵合頭應具有足夠的剛度、強度和較好的動態特性。掌握鍵合頭的模態特性及其影響因素之間的關系是自主研發高性能倒裝芯片鍵合頭的關鍵問題。為此，建立鍵合頭模態特性研究系統模型，采用理論計算與實驗測試相結合的方法研究鍵合頭在安裝工況下的模態特性，將ANSYS有限元仿真的結果與錘擊模態試驗的結果作一致性對比和分析，得到鍵合頭準確的模態參數、剛度分布情況和影響因素。研究結果為多功能高密度芯片鍵合頭的進一步結構優化和精度控制以及整機的防振、抑振等提供理論支撐和實驗依據。

倒裝芯片鍵合機;模態分析;鍾擊測試;有限元法

0 引言

倒裝芯片鍵合機(flip chip bonder，FCB)是基于倒裝焊工藝而設計的微電子后封裝新設備［1－2］。它采用固晶的方式將芯片通過拾取、翻轉、傳送、識別、點膠和鍵合等過程與芯片載體固結在一起［3］。目前，我國的高性能倒裝芯片鍵合設備基本上依賴于進口，研發具有自主知識產權的高密度倒裝鍵合機尤為重要。

鍵合頭是倒裝芯片鍵合機中精度要求最高的功能運動部件之一，其主要功能是完成芯片的拾取、點膠和鍵合。鍵合頭在高頻高加速的多自由度往復運動中常因其結構剛度不足導致準停后而產生殘余附加振動;當伺服電機或外部環境等工作頻率與鍵合頭的某階固有頻率相近或相同時將會產生共振現象［3－4］，直接影響芯片的鍵合精度和效率。為有效保證芯片的鍵合精度，有必要對鍵合頭的動態特性和相關實驗等關鍵技術進行研究，為自主研發高性能芯片鍵合頭提供理論支撐和實驗參考。

目前關于模態測試的研究主要集中在模態參數辨識方面［4－5］，比較有代表性的有Massa［6］提出了模糊模態分析的新概念和實驗行為的預測;Kromulski J等［7］對工作變形(ODS)測定中的實驗模態分析方法的應用進行了介紹;Pintelon等［8］對模態分析中的不確定性計算進行了研究;應懷樵等成功的用錘擊法和變時基技術進行了鐵路橋的模態試驗分析［9］;巨麗等［10］對擊式液壓錘進行了模態研究;蔡力鋼等［5］對五軸聯動重載擺角銑頭進行了模態分析與實驗研究;宮文峰等［4］采用Polytec激光測振儀對復雜鈑金件進行了模態測試。本文以國內某企業試制的某高密度倒裝鍵合頭為研究對象，對其進行了模態特性理論計算和模態試驗研究。文中以振動理論、模態辨識理論及機械動力學等為理論基礎，對鍵合頭進行了三維數字建模、ANSYS有限元模態計算、LMS Test.Lab錘擊法模態測試、模態參數辯識和提取，得到鍵合頭準確的模態特性，并給出了鍵合頭的改進措施，研究結果和方法已為某自主研發的倒裝芯片鍵合頭結構優化和精度控制提供參考。

1 倒裝芯片鍵合頭的三維數字建模

根據倒裝鍵合頭的實體結構，運用Solidworks三維設計軟件建立了鍵合頭的三維數字模型，如圖1所示。鍵合頭具有4個自由度，可以實現上下、左右、前后3個方向的線運動和拾取頭繞Z軸作±90°的轉動，用來完成芯片的拾取、傳送和鍵合等往復快速動作。前后和左右方向的運動由直線電機驅動，上下方向的運動由伺服電機配合絲杠驅動，拾取頭旋轉由微調電機驅動，定位精度由光柵尺實時監測并反饋給控制系統，形成閉環精確控制。為確保鍵合頭的工作精度和效率，通常要求其應具有足夠的強度、剛度和良好的動態特性。

圖1 鍵合頭結構圖

2 研究方法

模態分析是研究振動特性的基礎，每一階模態具有特定的固有頻率、阻尼和振型［3］。本文建立了鍵合頭模態特性研究系統模型，該模型采用理論計算與實驗測試相結合的方法，并綜合考慮了鍵合頭在自由懸掛和原裝固定兩種狀態，并將仿真與實測結果做一致性比較，試圖得到鍵合頭準確的模態參數、剛度分布情況和影響因素。本模型先以計算結果為參考指導模態實驗，再以測試結果驗證仿真的有效性，最后將兩者結果作一致性比較，當兩者結果偏差較大時，以實測結果為參考對仿真模型進行修正，使仿真模型能較好地反映實際鍵合頭的結構特性，修正后的仿真模型再進行后續的結構優化和多物理場耦合等分析所得到的結果將具有較高的可信性，所以不必再進行大量的重復性試驗驗證，從而縮短了產品的研發周期，降低了研發成本。研究方法框圖如圖2所示。

3 鍵合頭理論模態研究

3.1 鍵合頭有限元建模

為提高有限元建模的效率和可移植性，本文采用了聯合建模的方法。根據鍵合頭的實際結構，文中運用Solidworks建立其三維數字模型，并另存為Parasolid(*.x_t)格式，運用接口技術將其導入ANSYS Workbench中建立有限元模型。鍵合頭屬于三維對稱組合實體結構，為保證計算效率和收斂性，對規則形體劃分為20結點的六面體網格(SOLID186)，對不規則形體劃分為10結點的四面體網格(SOLID187)，薄殼體劃分為4節點的四邊形殼單元(SHELL181)。未經簡化的鍵合頭實體模型如圖3(a)所示，為提高計算效率，對鍵合頭上小尺寸的倒角、倒圓、工藝孔、螺栓孔等進行簡化，簡化后的模型如圖3(b)所示，有限元網格劃分模型如圖4所示。有限元網格數據如表1所示，共包含有218178個結點和79098個單元。

圖2 鍵合頭模態特性研究系統模型

圖3 鍵合頭三維模型

圖4 鍵合頭網格劃分

表1 鍵合頭有限元網格參數

3.2 理論模態計算求解方程

鍵合頭是一個具有無限多自由度的振動系統，理論上存在無限多階次的模態固有頻率［4］。有限元求解即是將連續系統離散為有限單元和節點，分別計算每個單元的質量矩陣［M］和剛度矩陣［K］，最后集合疊加成統一總質量和總剛度矩陣，其系統運動微分方程可表示為

{X}——節點位移向量;

{F(t)}——載荷向量。

有限元模態計算中通常不考慮外載荷，且阻尼因素對固有頻率的影響較小，因此，將式(1)簡化為無阻尼自由振動微分方程:

設式(2)解的形式為

式中:{A}——振幅列陣;

ω——振幅{A}的振動頻率;

φ——初相位。

將式(3)代入式(2)得

頻率特征方程即為

求解式(5)的行列式即可得到n個特征值，對特征值開平方即可得到系統的固有頻率ω，第i階模態圓頻率為，將ωi代入式(4)求得非零解{A(i)}，即為第i階模態振型。

3.3 理論模態計算結果與分析

根據鍵合頭的實際安裝工況，文中進行了約束模態理論計算，將鍵合頭底座下底板固定約束，仿真的邊界條件設置與實驗測試相對應，以便于根據仿真結果指導模態試驗。為提高計算效率和解的收斂性，在ANSYS中選用Frequency Finder模態求解器進行求解，計算得到鍵合頭前6階主振型如圖5所示，前6階固有頻率和相應的振型描述如表2所示。

表2 鍵合頭前6階固有頻率和振型描述

從振型圖和振型動畫上可以看出，鍵合頭前3階振型中變形最為活躍的位置發生在拾取臂末端處，尤其是第3階模態呈現為拾取臂的局部彎曲變形，此結果與鍵合頭實際工作時采用高速相機測取的結果相吻合，這與拾取臂的長懸臂結構有很大關系，建議對此處改為短懸壁結構或增加肋板尺寸和數量來提高拾取臂結構剛度;2階模態振型圖中還顯示了鍵合頭底座光柵尺連接板的局部擺動變形，此變形將直接影響鍵合頭的監測控制精度，此處應添加肋板提高剛度;后3階振型為組合變形，也顯示出拾取臂為最薄弱環節。計算得到鍵合頭1階固有頻率為347.26 Hz，而與鍵合頭所接近的驅動伺服電機轉速為0～10 000 r/min，遠高于此工作范圍所對應的激振頻率，因此鍵合頭不會與周圍激振源發生共振現象。

圖5 鍵合頭前6階振型圖

4 鍵合頭試驗模態研究

4.1 實驗模態測試方法

為獲取鍵合頭準確的模態特性，在理論模態計算結果的指導下再進行試驗模態研究，并以測試結果驗證理論計算的正確性，從而得到鍵合頭完整的模態參數、薄弱環節和影響因素。本模態試驗采用了業內最先進的模態測試系統，主要包括:比利時LMS數據采集儀、德國Polytec單點式激光測振儀、LMS Test.Lab錘擊測試軟件、LMS沖擊力錘、PCB－356A16型壓電式三向加速度傳感器、力傳感器等測試器材。

本模態實驗為提高測試效率和準確性采用了聯合測試的方法，以沖擊力錘作為激振工具，在數據采集上結合使用了接觸式加速度傳感器和非接觸的激光測振儀，并對兩種數采手段進行一致性對比，得到兩者獲取的數據基本一致的結論。根據鍵合頭的結構特點和實驗條件，采用單點激振多點拾振(SIMO)的方法，使用力錘敲擊鍵合頭拾取臂末端左測點(圖7的B5∶13號點)，將4個三向加速度傳感器作為一組移步測試鍵合頭主要部件、將3個單向加速度傳感器作為一組測試鍵合頭次要部件、激光測振儀用于采集不易貼裝傳感器的測點，并在測試軟件中設置各傳感器的靈敏度。本模態實驗的測試系統圖如圖6所示。

圖6 實驗模態測試系統框圖

圖7 鍵合頭測點框線圖

在LMS Test.Lab－Impact Testing界面中根據鍵合頭的實際尺寸定義每個測點的位置，并建立鍵合頭測試框線圖如圖7所示。測點的布置原則為:采用盡可能少的測點獲得盡可能形象的振型特征，重要位置多布點，一般位置少布點。

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2倍。實驗時的采樣頻率根據仿真計算前6階最高固頻的2倍取整設置，仿真中最高分段頻率為0～2 000Hz，本試驗采樣頻率為4 096Hz。對響應信號添加指數窗函數，對力信號添加力－指數窗函數。測試過程中采用4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，考察測試的可靠性，如圖8所示。

圖8 錘擊測試相干曲線圖

4.2 實驗模態測試結果與分析

通過對鍵合頭在安裝工況下進行模態測試，最終提取了鍵合頭的前6階模態。圖9為測試得到的模態識別狀態圖，表3給出了圖9中的字母代表的5種狀態，在狀態圖中根據經驗識別出較優的頻率波峰。表4為本試驗模態提取的鍵合頭前6階固有頻率、阻尼比和振型描述，相對應的前6階模態振型如圖10所示。本測試所得到的各階固有頻率所對應的阻尼比均在4%以下，說明所提取的各階次模態準確性較好。

圖9 鍵合頭模態識別狀態圖

表3 模態狀態識別圖符號含義

表4 鍵合頭試驗模態識別參數和振型描述

圖10 鍵合頭試驗模態前6階振型圖

從以上實測所得的振型圖和動畫可以看出，實驗所得到的振型圖基本上能反映每階模態的變動趨勢，其中前4階振型的變動規律性較好;鍵合頭整機也存在一定的變形，主要變化表現為拾取臂的擺動、彎曲、扭轉等組合變形。總體上看本試驗所定義的測點和建立的框線圖可以較好地反映鍵合頭的振動型態，基本符合實驗要求。

5 理論模態與試驗模態結果對比分析

本研究采用有限元仿真和實驗測試相結合的方法獲取了鍵合頭在安裝工況狀態下的模態特性。通常有限元計算中，所有的模型元件都參與計算且裝配體結合面特性難以有效仿真，因此仿真得到的固有頻率往往與真值有一定的偏差量，結構阻尼參數很難獲取，但得到的模態振型較為準確;試驗模態中可以根據要求在所關心的結構件上布置傳感器獲取精度相對較高的固有頻率值，且可獲取結構的阻尼參數，但是振型動畫常因測點數量和位置限制而易失真，因此采用仿真與試驗相結合的方法可以更好地獲取鍵合頭準確的模態特性。本研究分別得到了仿真與試驗下鍵合頭的前6階模態參數。表5統計對比了仿真與測試獲得的鍵合頭前6階固有頻率數據。

表5 鍵合頭仿真與試驗的固有頻率對比

從表5可以看出，試驗測得的前6階固有頻率與仿真計算得到的前6階固有頻率比較接近。試驗所得頻率與理論計算頻率誤差在9.5%以內，尤其最為關心的1階固有頻率誤差僅為6.53%。誤差主要由于仿真模型簡化了部分小特征，且結合面的設置存在一定的假設，但是誤差值在允許的范圍內，因此可以認為本研究的前6階固有頻率是可信的［4］。從仿真與試驗所得到的振型圖看，由圖5和圖10對比可知，實驗測試得到的前6階振型與仿真計算得到的振型相似度很高，尤其前4階實測振型與仿真振型變動趨勢基本吻合，后兩階振型變動規律不是很明顯，但變動趨勢基本相同。以上結果說明本研究的仿真模型能較好地反映鍵合頭實際的動態特性，可作為后續的結構優化和改進的理論支撐。

6 結束語

本研究采用理論計算與實驗測試相結合的方法研究了國內某研究所研發的某倒裝芯片鍵合機的鍵合頭的模態特性，聯合使用了ANSYS軟件、LMS Test.Lab模態測試系統和Polytec激光測振儀等研究工具，先對鍵合頭進行有限元建模和計算，再以仿真數據指導實驗測試，通過將仿真與試驗的結果對比分析，得到了該鍵合頭在安裝工況下準確的模態參數和影響因素，得到的主要結論如下:

1)從固有頻率方面看，鍵合頭的1階固有頻率高于340Hz，而與鍵合頭相接近的驅動伺服電機轉速為0～10 000 r/min，遠高于此工作范圍所對應的激振頻率，因此鍵合頭不會與周圍激振源發生共振現象。

2)從仿真計算與實驗測試的結果對比方面看，兩者吻合性較好，理論計算和實驗測試的固有頻率誤差在9.5%以內，尤其1階固有頻率誤差僅為6.53%;仿真計算和試驗所得前6階振型圖的相似度很高，尤其前4階實測振型與仿真振型變動趨勢基本吻合，因此可以認為本研究的結果是可信的，仿真模型可作為后續結構優化和改進的依據開展工程研究。

3)從振型云圖和剛度分布方面看，首先鍵合頭拾取臂的長懸臂結構剛度最為薄弱，振動趨勢較明顯，建議將此處改為短懸壁結構或增加肋板尺寸和數量來提高拾取臂結構剛度;其次，鍵合頭底座光柵尺的“工字型”連接板的剛度也不足，將直接影響鍵合頭的控制精度，建議此處添加肋板提高剛度。本研究可為鍵合頭進一步結構優化、多物理場耦合和精度控制以及整機的防振、抑振等提供了理論支撐和實驗依據。

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

［2］RILEY G A.Flip chip advantage for complex electronics in micro－systems［C］//Proceedings of the SPIE Conference on Micro－robotics and Micro－assembly，1999.

［3］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］//International Conference on Electronic Packaging Technology.IEEE，2013:732－737.

［4］宮文峰，黃美發.倒裝鍵合機支撐板模態參數提取與實驗驗證［J］.中國測試，2014，40(5):145－148，152.

［5］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.

［6］MASSA F，TISON T，LALLEMAND B.Fuzzy modal analysis:prediction of experimental behaviors［J］.Journal of Sound and Vibration，2009，322:135－154.

［7］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.

［8］PINTELON R，GUILLAUME P，SCHOUKEN J.Uncertainty calculation in(operational)modal analysis［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2007(21): 2359－2373.

［9］YING H Q，LIU J M，AO Q B，et al.Small rockets exciting Qian Tang great bridge for modal analysis［C］//17th IMAC，1999:2015－2060.

［10］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.

(編輯:李妮)

Modal characteristic research and experimental analysis of flip chip bonding head

GONG Wenfeng1，HUANG Meifa2，ZHANG Meiling1
(1.School of Marine Information Engineering，Guilin University of Electronic and Technology，Beihai 536000，China;2.ADMT Key Laboratory of Guangxi，Guilin University of Electronic and Technology，Guilin 541004，China)

Bonding head in FCB is one of the most important functional components used to deal with the process of chip picking，dispensing，and bonding.Since both resonance and additional vibration in bonding head directly affect the working precision，therefore，it is very meaningful to investigate its vibration characteristics.In order to develop high performance chip bonder，the modality characteristics of bonding head under the assembly condition are investigated by simulation calculation and experiment test.In this paper，the modal characteristic system model is established，and the theory of calculate modality and experimental modality are introduced.Experimental and theoretical analysis results were compared and discussed.Exact modal characteristics，weak link and its influential factors of bonding head are obtained.This research result provides a theoretical support and experiment reference for optimizing structure，preventing resonance and reduces vibration of bonding head.

flip chip bonder;modal analysis;harmmering test;finite element method

A

1674－5124(2016)11－0119－07

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.024

2015－12－27;

2016－02－18

國家自然科學基金(51365009，50865003);十一五國家重大專項02專項(2012ZX02601)

宮文峰(1987－)，男，山東泰安市人，工程師，碩士，研究方向為機械振動與CAE技術、微電子封裝與組裝技術、先進制造與精密測量技術。

黃美發(1962－)，男，廣西蒙山縣人，教授，博士生導師，研究方向為機電系統精度設計和智能測量方法等。