基于動態補償原理的超聲波發生器研究

梁杰

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

在電子行業中，封裝形式已逐漸發展為SIP(System In a Package，系統級封裝)封裝或子系統級封裝，零級與一級封裝的界限逐漸被模糊化，對半導體后封裝工藝及其設備的性能提出了更高的要求。超聲引線鍵合在微電子封裝芯片間互聯、芯片與外引腳互聯有著廣泛應用，如功率器件、微波器件、光電器件等的集成電路封裝[1]。微系統技術不斷發展，除傳統的熱超聲引線鍵合外，針對多點芯片的熱超聲倒裝鍵合設備也將廣泛應用。超聲發生器在鍵合過程中擔負著實現電聲轉換，產生超聲振動，傳遞超聲能量的重任，是超聲引線鍵合機的核心部件[2]，如圖1所示。它的智能化改進和性能提升會直接推動包括超聲鍵合、超聲清洗、超聲探傷等多領域專用設備的技術發展。

1　鍵合過程和影響因素

超聲引線鍵合的連接本質是壓力使得引線發生塑性流動導致界面處的元素之間發生原子擴散。超聲波一方面使金屬引線軟化，增強引線塑性流動的能力，另一方面超聲波使引線內部產生大量缺陷，成為快速擴散通道，加速了擴散的進行[1]。超聲引線鍵合大致可分為如下幾個階段：

（1）劈刀下降使得引線下表面接觸到焊盤后，在劈刀壓力的作用下產生初步的受壓變形。

（2）超聲發生電路產生一個60 kHz的正弦信號驅動換能器，利用反壓電效應使得電信號轉換為高頻的機械振動，再由變幅桿放大振動幅度后傳輸到需要鍵合的工作界面上。在鍵合過程中表現為劈刀和引線相對于靜止被鍵合面的機械摩擦作用。同時，引線吸收一部分超聲功率使得自身塑性流動能力增強。引線和焊盤接觸面處的氧化膜層在摩擦力的作用下被沖破，接觸面受摩擦生熱影響溫度持續增高，引線塑性變形增強產生更大面積的焊接，焊接強度在元素之間的擴散作用下不斷增強。

（3）鍵合點形成后經歷回火階段，消除殘留應力防止變形和開裂，穩定鍵合點的組織與尺寸。這樣就完成了一次鍵合過程。

完成鍵合過程的核心階段在超聲源產生的機械振動和功率傳遞下主導完成。超聲的傳輸效率和控制不僅決定了最終的鍵合質量，在很大程度上也決定了鍵合的速度和整機設備的焊接效率。確保超聲源、換能系統、劈刀和鍵合面之間的有效接觸和功率匹配是提高鍵合質量和速度的前提[3，4]。然而，在實際的鍵合過程中，引線、劈刀、芯片焊盤和基板所組成的界面工況是一個不斷改變的動態過程[5]。劈刀、引線和焊盤之間的阻尼及鍵合面微觀特性受多種因素而動態變化，導致系統共振頻率，振動浮動和相位的隨之而變。反映在劈刀振動上表現為機械振動頻率的變化；反映在電路系統上表現為驅動信號頻率的變化[5]。如果超聲波發生器的頻率不變，在加載換能器后，與換能器諧振頻率不一致，就會產生失諧，嚴重時甚至會發生停振[6]。因此，超聲波發生器應該具備探測這種系統動態變化的能力，并在一定程度上實時補償其帶來的一系列不良影響。以改善超聲鍵合系統的穩定性和傳輸效率，從而保證鍵合工藝的質量和效率。

2　硬件電路實現

FPGA是基于查找表結構的現場可編輯邏輯門陣列，其應用涵蓋了邏輯應用、數字信號處理以及嵌入式三大應用領域。選擇Xilinx公司Virtex6系列FPGA作為超聲波發生器的核心部分。如圖2所示，主要完成三個部分的工作：（1）測試部分，作為外設控制核心，應用Verilog語言分別實現各外設芯片的控制核，控制外設AD芯片，DA芯片，SDRAM和USB協議芯片有序協同工作，完成四路參考信號的獲取和存儲。（2）超聲波發生，實現基于DDS（直接數字頻率合成）原理的超聲波波形發生電路。（3）數字信號處理，利用FPGA的并行高速處理能力結合動態補償算法完成超聲波信號輸出的最佳參數尋優和動態補償。

2.1　測試部分的電路實現

測試部分采集鍵合設備鍵合過程中的4個變化量作為數據信號處理的參考信號來源。兩個物理量：劈刀壓力、劈刀振動頻率；兩個電信號：換能器輸入端的電壓和電流信號。劈刀壓力和振動頻率經過ICP壓電傳感器和振動傳感器（諧振頻率在500 kHz以上，響應時間小于1 μs，非線性小于1%FS）后由物理信號轉化為電信號。四路電信號經過模擬調理電路的信號調理后成為幅度合適并保留有效特征值的參考信號。參考信號經過A/D芯片采集后成為FPGA可處理的數字信號循環寫入SDRAM中4個不同的區塊地址中，選擇劈刀設定壓力的50%作為系統的觸發信號。通過負延時字長度的適當設定，在系統被觸發后可以完全的保存四路參考信號的動態曲線，后續經過信號調理后輸入到FPGA信號處理部分，如圖3所示。

圖2　超聲波發生器原理框圖

圖3　信號調理電路原理圖（單路）

測試部分的電路設計分為模擬信號調理電路和數字采集存儲電路。模擬信號調理電路主要完成傳感器和系統的電源管理、四路模擬信號與后續數字采集電路的適配；數字采集存儲電路主要完成A/D芯片的時序控制（如圖4所示），SDRAM芯片的讀寫時序控制（如圖5所示），共同完成四路測試信號的數字化采集和存儲。同時數據可通過USB口輸出到上位機，可通過上位機軟件對測試數據進行直觀的觀測和分析。

2.2　超聲波發生電路的電路實現

超聲發生部分采用DDS（直接數字頻率合成器）原理實現頻率波形的發生，并設計實現了頻率控制模塊和功率控制模塊動態控制波形輸出以維持系統的諧振狀態。測試部分得到的工況參考信號經過粒子群尋優算法處理后生成控制參數分別傳遞給頻率控制模塊和功率控制模塊實現測控反饋系統來保證系統輸出曲線與負載系統的自匹配。

如圖6所示，FCLK代表驅動DDS的時鐘頻率，K為頻率控制字，N位相位累加器由一個累加器和一個N位的地址寄存器組成，ROM中存儲2N個輸出電平值代表一個周期內對正弦信號的2N個離散抽樣值。FCLK驅動累加器以頻率控制字K為單位進行累加，累加結果即為ROM sinθ查詢表的地址，通過查找表地址輸出對應寄存器中的值作為輸出電平在FCLK的不斷驅動下輸出離散波形。累加器加滿溢出的時刻對應輸出波形的一個周期。通過調整頻率控制字K的長度即可調節DDS頻率合成器的輸出波形頻率。頻率輸出公式即：foutput=K·FCLK/2N，其中FCLK/2N項即為輸出頻率的分辨率。仿真的波形輸出如圖7所示。

圖4　AD芯片控制流程圖

圖5　SDRAM芯片控制流程圖

圖6　DDS頻率合成原理圖

圖7　DDS仿真輸出波形圖

3　動態補償原理及實現

常見的動態誤差修正方法有數值微分法、疊加積分法、頻率域修正法和反卷積法等。目前研究的熱點集中在動態補償技術上，即采取增加補償環節的辦法對系統的動態偏差進行修正。所謂動態補償即針對動態誤差的非線性補償。動態誤差修正技術的目的都是為了提高控制精度，減小動態誤差。運用改進PSO算法可得到的最優動態補償系數按照分布式算法的思想轉換成ROM查找表操作，避免了乘法運算，查找表后的數據只需做簡單的加法運算就可得到補償結果，大大提高了運算速度，該方法為動態補償在線實時測量補償中的應用提供了一條有效途徑[7]。

3.1　建立系統的數學模型

研究系統動態性能的一種方法是對測試系統進行動態校準，根據測試結果進行數據處理，建立全面描述測試系統的動態數學模型，這種方法屬于系統辨識法。許多系統的動態特性均可以近似的用低階系統來描述，其參數的物理意義便見明確，建模方法比較簡單實用。

為了獲取其動態特性，研究其運動規律。以低階系統的頻率域建模方法建模：

許多系統可以近似用低階傳遞函數描述，典型的二階系統傳函為：

ξ為阻尼比，wn=1/T為系統固有頻率

通過實測多個鍵合過程中四路信號的變化曲線，將得到的曲線樣本進行頻域變換來得到幅頻相應曲線。在有峰值的幅頻特性曲線上有5個較重要的特征點：峰值、諧振頻率、幅值誤差在百分之十內的工作頻帶、幅度誤差在百分之五的工作頻帶、通頻帶。得到這些特征點后便可利用峰值與阻尼比的關系求出阻尼比；再用諧振頻率與阻尼比求出固有頻率；用通頻帶可以檢查回歸效果。至此用來描述系統的數學模型就建立了。當然眾多更優的方法會得到更加準確的數學模型，這里不做重點研究。

3.2　動態誤差的補償

補償的基本思路實質上就是：希望補償模型與實測模型的級聯系統輸出與理論上的設計頻率和功率信號具有最小的動態識差。在補償時這一目的是通過尋求最佳的模型系數來達到的。因此可將這個問題轉化為一個多變量的優化問題。在圖8所示的框圖中，鍵合過程對應的系統誤差曲線模型經過級聯逆模型后得到信號經過尋優算法得到在某參數下的輸出曲線與設計值最佳逼近。則我們認為此逆模型即為滿足該目標的最佳動態補償模型。

圖8　逆模型補償原理表述圖

根據上述思路，容易建立以下目標函數：

ΔT為采樣間隔

k為采樣點數

逆模型的傳遞函數為：

可令 x=(k，c1，c2，...，cn，d1，d2，...，dn)T則模型的設計可描述為求取系數列向量x，使得Σ偏差→0或某設定值Min

由于目標函數F與系數向量x之間沒有明確的數學表達式，擬采用一種多變量優化的直接方法一單純形法：根據問題的維數n選取由n+1個頂點構成。求出這些頂點處的目標函數值并加以比較。確定它們當中有最大值的點及函數值的下降方向，再設法找到一個新的比較好的點替換那個有最大值的點，從而構成新的單純形。隨著這種取代過程的不斷進行，新的單純形將向著極小點收縮。這樣經過若干次選代，即可得到滿足收斂準則的近似解。利用FPGA的并行處理優勢，將乘法運算轉換成加法以及移位運算，能夠高速完成大量的乘法運算，極大地提高了芯片的使用效率。事先構造一個查找表，該表存儲著輸入信號二進制表示的每一位所有可能的邏輯值與動態補償系數與運算的結果，那么就可以通過各個輸入變量相應位的組合值來對該表進行查找，從而在擺脫乘法運算的條件下得到計算結果，如圖9所示。在進行FPGA實現時，設置一定深度的ROM儲存該查找表結構，如圖10所示。

動態補償完成對上一個數據的修正，在FPGA的控制下DA轉換芯片將處理結果恢復為模擬信號。最后通過功放電路和匹配電路將模擬信號處理后輸出到換能器，構成一套具有動態補償參數功能的超聲波發生系統。

圖9　動態補償并行結構圖

圖10　FPGA頂層原理圖

4　結束語

本文在對超聲鍵合的工藝過程進行分析的基礎上，提出了一種基于動態補償原理的超聲波發生器設計。具體分章節對系統的模擬信號調理電路、數字信號采集存儲電路、超聲波信號發生電路和動態補償算法以及其FPGA實現等方面進行了敘述。超聲波發生系統通過感知（測試）鍵合工藝過程中實際非理想狀態下工況對超聲發生系統產生影響的相關參考變量，再經過對其逆模型（補償模型）的建模和最優補償參數的尋優，最終實現超聲系統自動補償影響超聲系統穩定輸出的不良影響。該系統的實現提高了超聲發生系統的自適應和自穩定能力。在全自動鍵合機的實際應用中，由于前道貼片工序帶來的不一致性，表面微觀狀態的差異性導致的復雜工況變化更加使得設備需要具備這種自動調節能力。在全自動超聲設備的應用中，具備動態補償能力的超生發生器會體現出更重要的作用。

參考文獻：

[1]計紅軍.超聲楔焊鍵合物理工程及其規律研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2005．

[2]馬生生，孫麗娜，井文麗.熱聲焊機超聲系統的設計和優化[J].電子工業專用設備，2011，40(5)：48-51.

[3]謝敬華，李小平，范良志，國蓉.提高引線鍵合機超聲系統性能的若干因素的分析[J].現代電子技術，2003，(3)：65-67.

[4]韓為民.鍵合機中超聲波的基本控制原理及方法[J].電子工業專用設備，2003，32(5)：21-26.

[5]王富亮，劉少華.超聲引線鍵合過程的信號采集與分析系統[J].中南大學學報，2010，(6)：142-147．

[6]杜曉明.基于FPGA的自適應大功率超聲信號源的設計[D].鎮江：江蘇科技大學，2009．

[7]吳健，張志杰，王文廉.傳感器動態誤差高速并行修正方法及其FPGA實現[J].傳感技術學報，2012，25(1)：67-69.

[8]Sascha Eichstadt，Alfred Link，Clemens Elster.Dynamic Uncertainty for Compensated Second-Order Systems[J].Sensors，2010，10(8)：7621-7631.

[9]陳貴敏，賈建援，韓琪.粒子群優化算法的慣性權值遞減策略研究[J].西安交通大學學報，2006，40(1)：53-56.

[10]Sheng Chen，Bing L.Luk.Digital IIR filter design using particle swarm optimization.Int.J.Modelling[J].Identification and control，2010，9(7)：327-335.