热超声键合换能系统接触界面非线性振动研究

为了减小热超声键合换能系统的振动稳定性、提高键合强度,从超声波在热超声键合换能系统中的传播出发,建立了超声波在接触界面处传播的微观模型.研究表明,当静应力较小时,输出的超声波不完整,材料内部质点的有效振动较小;当静应力逐渐增大时,材料进入弹性变形阶段,输出的超声波波形与输入的超声波的波形一致,材料内部质点的有效振动最大;当静应力太大时,材料进入塑性变形区域,材料内部质点的有效振动减小.通过在芯片倒装键合实验台上实验,测量在不同压电陶瓷片预紧力下,变幅杆的振动速度和芯片的键合强度,证明了所提出模型的正确性.     

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.     

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.     

直接键合微腔结构的光谱特性

采用直接键合方法制备了法布里-珀罗共振微腔结构,并用传输矩阵方法对其反射光谱进行了理论模拟.通过构造键合界面两侧多层薄膜材料的光学厚度呈现指数规律变化的模型,分析了键合效应对微腔结构光学特性的影响.结果表明:在较低退火温度下(如580℃)进行直接键合有利于高光学性能微腔结构的制备,而提高退火温度则需要在键合结构中加入缺陷阻挡层以提高键合质量.     

直接键合微腔结构的光谱特性

采用直接键合方法制备了法布里-珀罗共振微腔结构,并用传输矩阵方法对其反射光谱进行了理论模拟.通过构造键合界面两侧多层薄膜材料的光学厚度呈现指数规律变化的模型,分析了键合效应对微腔结构光学特性的影响.结果表明:在较低退火温度下(如580℃)进行直接键合有利于高光学性能微腔结构的制备,而提高退火温度则需要在键合结构中加入缺陷阻挡层以提高键合质量.     

直接键合微腔结构的光谱特性

采用直接键合方法制备了法布里-珀罗共振微腔结构，并用传输矩阵方法对其反射光谱进行了理论模拟. 通过构造键合界面两侧多层薄膜材料的光学厚度呈现指数规律变化的模型，分析了键合效应对微腔结构光学特性的影响. 结果表明：在较低退火温度下(如580℃)进行直接键合有利于高光学性能微腔结构的制备，而提高退火温度则需要在键合结构中加入缺陷阻挡层以提高键合质量.     

夹持环对换能系统振动模态影响的有限元分析

换能系统是热超声引线键合装备的核心部分,夹持环对系统起安装支撑的作用,其安装方式直接影响换能系统的能量传递与振动模态。利用有限元法分析了夹持环对换能系统振动模态的影响,结果表明,对夹持环未施加约束、施加z向约束时换能系统的夹持环会出现振动现象,而施加x向约束时,工作频率下的主振型完全不符合要求;改变夹持环的安装位置,对换能系统的节点位置及谐振频率都有一定的影响,实验测得在全约束情况下,换能系统的节点位置为58 mm,与分析结果一致;换能系统在工作频率附近包含有其他的振动模态,在键合过程中易被激发出来,由此消耗超声能量而降低芯片的键合质量,这些振动模态必须得到抑制。     

引线键合的动力相图和等效受载模型

 使用常规、微观电镜、动力相图和统计时频分析等方法,进行了引线键合机理的实验研究.通过对换能系统和劈刀振速的高频分量、键合压力的测试,以及键合界面微观结构的观察,建立了键合区域宏观受载等效模型,和对键合机理的框架认识.可作为键合过程优化的指导,和键合动力学建模的依据.     

超声波在换能器接触界面传播的特性研究

在研究超声换能系统的过程中发现,系统存在非线性特性.引起超声波非线性的主要因素是换能器子结构接触界面上传递的不连续造成的.该文对超声波在超声键合换能器中的传播为研究对象,建立了超声波在单一均质材料和两种材料接触界面传递的一维数学模型,并采用机械动力学软件进行了仿真,推导出界面预紧力和超声波传播的关系,并试验测试了超声换能器在不同预紧力条件下,换能器换能杆末端振动速度和键合强度的变化规律.为超声键合换能器系统的设计、安装和维护提供了可靠依据.