热超声倒装键合换能系统 多模态振动与有限元分析

研究了热超声倒装键合设备的核心执行机构——换能系统的动力学特性.利用激光多谱勒测振仪测试系统末端各方向的振动速度,发现系统以轴向振动为主,但受到其他非轴向振动的干扰.非轴向振动对芯片造成芯片倾斜、键合强度降低等负面影响.采用有限元方法对换能系统建模,仿真计算发现换能系统振动是各方向振动的耦合结果,且工作模态附近存在多种干扰模态.最后分析了系统多模态产生的根源并提出抑制方法.     

热超声键合换能系统设计及性能分析

在热超声键合系统中,超声换能系统是键合装备的核心部分。基于等效电路法和解析法设计换能系统,获得换能系统的基本结构尺寸;基于有限元方法建立系统的仿真模型,获得系统的振动模态特性;采用阻抗分析仪与Doppler测振仪对系统进行性能分析。实验表明,实测频率与设计频率吻合,换能系统阻抗为12.7Ω,振动位移达到3.725μm,满足超声芯片封装的工艺要求。     

劈刀和肋环夹持工况对超声键合换能系统电学特性的影响

通过实验分析了肋环夹持松紧度和劈刀存在两个因素对超声键合换能系统电学导纳特性的影响规律。对换能系统在悬挂有无劈刀和夹持8个松紧度等各个情况下进行谐振频率附近的导纳圆测量,确定换能系统等效电路各特征参数的变化情况。由实验结果的分析可知,劈刀的附加质量以及肋环松紧程度对换能系统谐振频率的影响不大,但劈刀的存在改变了换能系统的能量分布和耗散,是影响换能系统各特征参量的主要因素之一。这些结论有助于超声键合换能系统的优化。     

欠键合/过键合与功率设置及温度关系的研究

在热超声引线键合过程中,低功率设置和低温下容易导致欠键合,高功率设置和高温下则容易出现过键合。通过实验采集了不同超声功率设置、不同温度下大量键合过程中换能杆末端轴向的速度信号、换能杆两端驱动电压和电流信号,并测量其键合强度,计算得到不同温度下换能杆的振幅。分析了超声功率和键合温度对振幅的影响规律,解释了功率设置和键合温度导致欠键合和过键合的可能原因,建立了功率设置和温度对换能杆振幅影响的模型。这些实验数据和结果有助于进一步研究键合过程中参数间的相互影响规律。     

热声焊机变幅杆固有频率模态分析

纵向振动单一超声变幅杆是热声焊机换能器中的关键零件,其作用是放大换能器所获得的超声振动振幅.为了得到最大的振动幅值,变幅杆固有频率应和超声波发生器的工作频率相同.运用ANSYS有限元分析软件进行了不同材料下的变幅杆固有频率的模态分析,验证了1Crl8Ni9Ti不锈钢的变幅杆的纵振固有频率与工作频率相一致,给出了纵振模拟图和位移图,并对模态分析结果进行了研究,以了解在给定的频率范围内各种模态形式,通过采取一定方式抑制接近工作频率的影响键合质量的非工作模态产生.     

热超声倒装键合过程中的非线性动力学行为

在作为微器件电气互连主要手段的热超声键合工艺中,微细键合区域内金属变形/变性/互连所需的能量,来自于超声波功率源通过换能系统所施加的微幅压剪动载.对热超声倒装键合过程的研究说明,PZT换能系统在热超声倒装键合工艺过程中的非线性动力学行为,如换能系统启动后的初值敏感性和不确定性,键合工具与换能杆之间的不稳定动力耦合,倒装芯片运动的奇异相轨线等,是深入研究键合机理以及提高工艺可靠性的重要关键.     

热超声倒装键合过程中的非线性动力学行为

在作为微器件电气互连主要手段的热超声键合工艺中,微细键合区域内金属变形/变性/互连所需的能量,来自于超声波功率源通过换能系统所施加的微幅压剪动载.对热超声倒装键合过程的研究说明,PZT换能系统在热超声倒装键合工艺过程中的非线性动力学行为,如换能系统启动后的初值敏感性和不确定性,键合工具与换能杆之间的不稳定动力耦合,倒装芯片运动的奇异相轨线等,是深入研究键合机理以及提高工艺可靠性的重要关键.     

基于有限元模型的超声切割刀优化设计

超声切割刀在材料加工领域中有广泛的应用前景,可用于切割各种复合材料等硬脆材料。该文利用ANSYS有限元分析软件建立超声切割刀的有限元模型,对其进行模态分析和谐响应分析。仿真结果显示,超声切割刀在40 kHz频率附近存在轴向纵振模态,其振动节点位于安装环和压电陶瓷中心线上,符合设计要求。基于有限元模型研制超声波切割刀,通过阻抗分析仪与激光多谱勒测振仪对换能器的固有频率与响应进行测试,获得的超声切割刀阻抗曲线平滑,谐振频率为40.261 kHz,设计误差为0.83%,最大振幅达到14.52 μm,结果与有限元计算相互吻合。     

基于有限元模型的超声切割刀优化设计

超声切割刀在材料加工领域中有广泛的应用前景,可用于切割各种复合材料等硬脆材料。该文利用ANSYS有限元分析软件建立超声切割刀的有限元模型,对其进行模态分析和谐响应分析。仿真结果显示,超声切割刀在40kHz频率附近存在轴向纵振模态,其振动节点位于安装环和压电陶瓷中心线上,符合设计要求。基于有限元模型研制超声波切割刀,通过阻抗分析仪与激光多谱勒测振仪对换能器的固有频率与响应进行测试,获得的超声切割刀阻抗曲线平滑,谐振频率为40.261kHz,设计误差为0.83%,最大振幅达到14.52μm,结果与有限元计算相互吻合。     

超声轴承用压电换能器结构设计与有限元分析

提出了一种超声轴承用新型径向挤压式压电换能器,对换能器的机电特性进行了有限元分析。明确了有限元建模方法,从模态分析角度分析压电换能器的谐振频率和径向最大振幅,依据模态分析结果对压电换能器的幅频特性进行谐响应分析,采用正交试验法对换能器结构进行优化设计,制作最佳结构压电换能器样机,并进行工作频率测试。实验结果表明,换能器径向振动谐振频率的有限元计算值与实验结果具有良好的一致性,证明了有限元计算的正确性,为超声轴承用压电换能器的设计研究提供重要价值。     

Dynamics of Ultrasonic Transducer System for Thermosonic Flip Chip Bonding

Thermosonic flip chip bonding is used in certain fine pitch IC packaging for its unique features. By using this bonding process in this paper, 1 mm$, times ,$1 mm chip with 8 gold bumps has been bonded onto a silver-coated substrate. Dynamical properties of transducer system, which is the key component for providing the ultrasonic energy, have been investigated using finite element model (FEM) and measurement using impedance analyzer and laser doppler vibrometer (LDV). The simulation results show that the ultrasonic transducer vibrates by coupling with all excited modes, therefore resulting in complicated motions during bonding. The third axial mode, which includes 1.5 wavelengths and 3 nodes, is the dominant working vibration. However, this axial mode is severely disturbed by undesirable non-axial modes such as flexural modes. There are some other unwanted parasitic modes close to dominant mode. Measured velocities of the transducer horn show that the system vibrates under several modes simultaneously. The impedance measurements reveal additional frequencies overlapping the working frequency. All non-axial modes of the ultrasonic transducer disturb the bonding process and degrade the bonding quality. A subtle control is needed to obtain unique axial mode and stable vibration for high bonding quality.      

多向复合超声换能器有限元分析与试验

超声换能器是微电子封装技术的核心执行元件,为解决传统一维纵振超声换能器键合效率低、键合面不均匀及键合点不牢靠等问题,采用ANSYS仿真软件建立换能器有限元模型进行模态分析及谐响应分析,设计了一种可同时实现轴向纵振、水平弯振及竖直俯仰振动的40 kHz多向复合夹心压电式超声换能器。其中,压电部分由整圆环和可单独激励的1/4圆环陶瓷片组成。利用阻抗分析仪实物测试,得到换能器纵振、弯振及俯仰振动的阻抗 频率特性曲线。结果表明,测试值与仿真值基本一致,且结构性能参数均符合键合要求,验证了该结构的合理性。     

键合工具对超声换能器系统谐振频率的影响

建立了超声引线键合机换能器系统振动分析有限元模型,利用ANSYS软件分析了换能器系统与键合工具组成的纵-弯复合振动系统的振动特性。计算结果表明,键合工具的弯曲振动与换能器系统纵向振动存在耦合关系,劈刀长度增加50%将使换能器系统谐振频率下降5.6%;实验中测试了换能器系统的阻抗与导纳特性,发现当劈刀长度为16 mm时系统的阻抗匹配较为理想;换能器系统的谐振频率的实测值与有限元分析结果一致,最大误差为3.51%。     

Finite element modeling and modal analysis of the human spine vibration configuration

This study was designed to investigate the modal characteristics of the human spine. A 3-D finite element model of the spine T12-Pelvis segment was used to extract resonant frequencies and modal modes of the human spine. By finite element modal analysis and harmonic response analysis, several lower vibration modes in the flexion-extension, lateral bending, and vertical directions were obtained and its vibration configurations were shown in this paper. The results indicate that the lowest resonant frequency of the model is in the flexion-extension direction. The second-order resonant frequency is in the lateral bending direction and the third-order resonant frequency of the T12-Pelvis model is in the vertical direction. The results also show that lumbar spinal vertebrae conduct the rotation action during whole body vibration (WBV). The vibration configurations of the lumbar spine can explore the motion mechanism of different lumbar components under WBV and make us to understand the vibration-induced spine diseases. The findings in this study will be helpful to understand WBV-related injury of the spine in clinics and the ergonomics design and development of mechanical production to protect human spine safety.     

二自由度快速控制反射镜系统固有频率优化设计

在二自由度快速控制反射镜系统设计中,为提高系统的控制带宽,应尽量降低工作方向上的低阶固有频率,提高非工作方向上的高阶固有频率。该课题以某深切口柔性铰链快反镜系统作为研究对象,首先对系统前四阶固有频率的振型运动方向进行了分析,并针对传统刚度计算方法不适用于第三阶振型方向的问题,重新推导了第三阶振型方向上的刚度计算公式;其次,利用能量法和卡式第二定理对深切口柔性铰链上的工作刚度进行了推导,并进行了非线性拟合化简,得出的简化计算公式计算结果与有限元仿真结果误差不超过8.9%,证明了推导的铰链工作刚度理论公式的准确性;然后,将第三阶振型方向刚度计算公式和柔性铰链刚度计算公式代入固有频率计算公式,并进行有限元验证,结果表明理论公式计算结果与有限元仿真结果误差不超过1.7%,证明了新的三阶振型方向上的刚度计算公式的准确性。最后利用遗传算法,对系统前四阶固有频率进行了多目标优化设计,到达设计要求,所求出的优化结构较初始结构有明显优化,工作方向刚度减小19.04%,非工作方向刚度提高297.83%和77.09%。此外还对其进行了有限元仿真验证,结果证明一、二阶固有频率减小8.08%、5.40%,三、四阶固有频率提高了112.59%、16.80%。证明优化结构较初始结构有较大提高,能有效提高系统控制带宽。     

中红外固体激光器的振动可靠性

基于ANSYS建立了中红外固体激光器的有限元仿真计算模型，通过模态分析获取了固体激光器的各阶固有频率、振型等模态参数。结合非接触测振技术搭建了振动模态试验平台，通过试验与仿真对比，验证了模态仿真模型的可靠性。然后，在模态仿真的基础上，通过谐响应分析，重点研究了激光器光学晶体组件在车载正弦扫频振动下的振动特性，获得了等效应力、总机械应变以及位移与激振频率的关系。最后，分析了影响激光器振动可靠性的关键位置，为改进设计提供了有益的参考。结果表明，2 000 Hz以内，底面固定约束的中红外固体激光器共有4阶固有频率与振型，试验与模态仿真得到的振型描述一致，且固有频率误差小于8%，车载扫频振动条件下, 最大总机械应变和等效应力均出现在扩束器的输入镜边缘，沿光学晶体组件轴向的位移最大，其值约为0.14 mm。     

基于ANSYS的压电陶瓷晶片PZT仿真分析

电力支柱瓷绝缘子超声波检测对预防和检测绝缘子裂纹和断裂起到重要作用,换能器是超声波检测的基础元件,而换能器的核心部件是压电陶瓷晶片,其性能直接影响到检测结果。该文研究针对有限元法和传统解析法在压电陶瓷晶片特性分析中的不足,采用ANSYS有限元分析软件对压电陶瓷锆钛酸铝(PZT)晶片进行特性分析,基于ANSYS的电-结构耦合场模型,对超声波换能器的矩形压电晶片进行静态、模态、谐响应和瞬态分析。通过模态分析和谐响应分析可得到晶片的一阶纵向振动和二阶弯曲振动的固有频率、振型及频率位移响应及影响因素等信息,研究结果对提高超声辐射功率及超声换能器的性能有一定的理论指导和工程应用价值。     

CMP系统真空供给系统设计

研制了一套化学机械抛光机(CMP)专用的真空供给系统,主要由水环式真空泵、真空泵箱体、真空储气罐和水箱(汽水分离器)组成及控制模块组成。设计了水箱供水控制模块、水箱温度自动控制模块,通过控制水箱水温进而控制真空泵工作液的温度,保证真空度要求,同时也达到节约用水、降低能耗的要求。采用有限元分析软件ANSYS Workbench对真空供给系统机架进行了模态分析,研究机架的振型、固有频率,从而在结构设计上避免共振。