超声功率对引线键合强度的影响

采集键合试验的PZT驱动功率及对应键合点的剪切测试力数据,作为超声功率和引线键合强度的表征.试验中的键合力、温度和时间分别设置为4.7 N、室温和100 ms.在这种典型的工业工艺键合参数下,通过改变超声功率比(设定超声功率与最大可调功率之比)来改变超声功率,研究了超声功率对引线键合强度的影响规律.试验中超声功率比在15%～100%之间做了20种设置,共进行了20组1 000次键合试验.结果表明:超声功率小于3.5 W时,键合强度受超声功率的影响规律明显,即当超声功率小于1.0 W时,增加超声功率将增加键合强度,并减少剪切测试力为0的情况;大于1.6 W后则反之;而在1.0～1.6 W之间则可获得稳定可靠的键合强度,也就是在上述试验条件下的键合窗口;超声功率超过3.5 W后,规律不明显.此外,超声功率除受超声功率比这一可控因素影响外,还受基板质量不均匀、劈刀与铝丝间约束不确定等随机因素影响,超声引线键合是一个敏感的过程.     

换能器驱动信号与引线键合强度的关系

设计超声引线键合机换能器驱动信号采集系统,获得超声粗铝丝楔键合过程中换能器系统的驱动电流、电压信号,计算换能器系统的输入功率和输出阻抗信号.进行了1 000次不同超声功率条件下的键合试验,获得换能器系统驱动信号和键合强度值.根据试验结果的统计规律,研究换能器系统的输入功率和输出阻抗的时域特征规律,平均值和与键合强度的关系,以及不同阶段的平均值与键合强度的关系.研究结果表明,换能器系统平均输入功率与键合强度间的关系明显,呈开口向下的抛物线形式;键合过程的P1和P2阶段是影响键合强度的主要阶段,具有同样重要的作用,P3阶段虽然不影响键合强度,但其平均功率在一定程度上反映了键合是否成功;换能器系统的输出阻抗与键合强度间的关系不明显,不适合于表达键合强度.     

压力约束模式下热超声倒装键合的试验

在采用压力约束模式夹持倒装芯片的条件下，实现了热超声倒装键合。通过观测键合过程中的输入超声功率、工具末端和芯片的振幅变化情况，研究了压力约束模式下不同键合参数对键合过程和键合强度的影响规律。试验结果表明：在这种约束模式下，键合力和功率对键合强度具有重要的影响；键合力对金凸点的变形是决定性的；键合强度与输入的超声能量总量有关，过小和过大的超声能量都不能形成好的键合强度，高强度的键合并不需要大的超声功率输入，键合过程中能量主要耗散于工具／芯片间相对运动导致的摩擦做功，并造成了芯片和工具的磨损。     

热超声引线键合换能系统振动特性仿真研究

在建立热超声引线键合换能系统各子部分运动方程的基础上，利用有限元方法建立空载情况下换能系统的振动特性仿真模型，并采用正弦扫频方法验证仿真模型。结果表明：换能系统以第2阶变幅杆轴向振动与劈刀径向振动的模态作为其工作状态下的主振型；换能系统工作频率附近包含多种振动模态，键合过程极易被激发而表现出多模态性，由此会消耗部分超声能量且对芯片键合界面造成负面影响，这些振动模态必须得到抑制；仿真计算与试验结果相吻合，其中工作频率的相对误差只有1．2％。     

键合力对超声键合换能系统振动影响的时频分析

在超声引线键合过程中，键舍力是影响键舍强度的重要因素之一。通过实验研究了键舍强度与键舍力之间的关系。在不同键舍力情况下，通过小波分解的方式对速度信号进行分析，得出在键合力不同的情况下键舍机超声速度信号的时频特性。分析发现，只有在键合力适中的情况下，键舍强度才能达到最大，速度信号中的不稳定成分主要来自于劈刀与基板的接触表面，随着键合力的升高，速度信号逐渐稳定，阶跃信号即不稳定成分逐渐减小，有效地提高了信号能量的传递比率。     

热超声倒装键合振动传递与键合强度形成研究

采用多普勒激光振动测量系统，获得了热超声倒装键合过程中工具末端及芯片的振动速度曲线。通过比较分析两条曲线，揭示了热超声倒装键合强度的生成过程：在键合初始阶段，键合界面的相对运动主要发生在芯片金凸点与基板焊盘表面之间，并使其接触表面氧化层和污染层被破坏，裸露出新鲜原子，为金凸点与焊盘间的原子扩散并最终形成键合强度提供条件；随着键合的进行，芯片振动速度开始下降，而工具末端振动速度继续增大（即出现速度分离现象），工具末端和芯片间产生明显相对运动，表明键合强度已产生，芯片金凸点／基板焊盘间的结合力超过工具末端／芯片间的摩擦力；速度分离后芯片与工具末端的振动速度和位移曲线表明了超声振动能量部分耗散在芯片／工具的摩擦上。     

射频器件超细引线键合工艺及性能研究

作为有源相控阵雷达的关键组成部分,T/R （Transmitter and receiver）组件的尺寸与性能决定着装备的重量和功能。引线键合是T/R组件中常用的互连技术之一,随着组件集成度的提高势必也要开发相应的高密度引线键合技术,这使得键合线的尺寸越来越小,而超细的引线会使焊点力学性能降低,造成可靠性下降等问题。采用超声热压楔形键合的方法实现了的超细金丝与金焊盘的连接,并对工艺进行优化。结果表明,随键合压力、键合时间和超声功率的增大,键合后引线形变量逐渐增大,而键合后金丝的拉力先增加后减小,且工艺参数对金带形变量的影响小于金丝;由于第二焊点作用力过大会导致引线形变量较大、最大拉力小于第一焊点,需增加题焊点数量;最后,通过正交试验方法获得了金线和金带的最佳键合工艺参数,实现了超细尺寸引线的键合,对T/R组件的小型化具有重要意义。     

热超声键合中温度对换能系统驱动的研究

在热超声引线键合过程中,超声功率设置和键合温度是影响键合质量和换能系统行为的重要因素。通过实验采集不同超声功率设置和不同键合温度下键合过程中换能系统两端的驱动电流和电压信号。计算得到换能系统两端实际加载功率。分析不同功率设置下键合温度对换能系统驱动的影响规律。解释功率设置和温度导致系统驱动改变的可能原因。结果表明:不同的功率设置下,温度对换能系统驱动影响存在不同规律。较小功率设置下,温度对驱动影响较大。功率设置越大,温度对驱动影响逐步变小。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。     

引线键合劈刀超声振动信号的时频分析

采用激光Doppler非接触测试方法，提取芯片封装引线键合工艺的关键部件——劈刀末端的超声振动信号。利用时频联合分析方法将劈刀末端振动信号拓展到时频域分析。结果表明，相比于单纯的时域或频域分析，时频联合分析更清楚地描述键合过程劈刀末端振动在时频域的动态变化特性，包括谐波成分、频率漂移、能量变化等丰富的信息，有助于深入理解键合点的形成过程。而且，时频分析可作为键合成功或失败的一种识别方法。     

不同功率超声辅助电火花放电制备Cu-Ni合金粉体的微观结构和粒径分布

以铜、镍金属为正负电极，采用超声辅助电火花放电(EDM)法合成Cu-Ni合金粉体，研究了超声功率(0,500,1 000,1 500 W)对合金粉体晶体结构、微观形貌和粒径分布的影响。结果表明：不同功率超声辅助EDM合成的Cu-Ni合金粉体的物相均主要由Cu_0.81Ni_0.19、Ni、CuO、NiO和Fe₂O₃组成，主晶相Cu_0.81Ni_0.19为面心立方结构；随着超声功率的增加，Cu_0.81Ni_0.19相的衍射峰强度增大，半高宽变窄，粉体结晶性变好。引入超声辅助合成的Cu-Ni合金粉体中出现较大尺寸不规则颗粒，但球形颗粒的尺寸减小，粉体粒径分布范围变宽；随着超声功率的增大，平均粒径D₅₀减小。     

基于自感知压电换能器的键合质量检测方法研究

将换能器耦合电信号作为识别键合质量的信息载体,研究了耦合信号的特征提取、模式识别方法及实际应用。提出了一种换能器耦合信号细化特征提取方法,该方法以三个关键键合过程即去除氧化膜、键合点塑性变形、应力扩散为依据,将瞬态耦合信号分段进行特征提取。采用主分量分析技术对提取的特征进行选择,通过BP神经网络对键合缺陷特征进行分析,有效地识别了无引线键合缺陷,预测了键合点剪切力。     

热声键合界面的微观结构特性

设计一系列的键合实验，通过扫描电镜SEM和EDS能谱测试分析热声键合界面的微观结构特性及变化规律，结果表明，热声键合界面的形状像一个中央未结合的椭圆环，键合强度取决于皱脊椭圆环结构；当作用力和功率保持不变，随着时间增加，键合区向中央延伸，当作用力和时间保持不变，随着功率的增加，焊接区里皱脊面扩大。EDS能谱测试Au—Al、Au—Ag界面的微观组织成分，证实了Au—Ag扩散偶的Kirkendall扩散效应及Au—Al键合界面可能形成金属间化合物。     

电子封装中超声波线焊的三维/二维非线性有限元分析

用三维和二维的有限元方法对超声波线焊进行了模拟，其间考虑了材料非线性、几何非线性和接触边界非线性的影响。实验显示，金线和焊接平台的接触界面为长椭圆形状，其中焊接部位发生在接触界面的周边。有限元模拟的结果显示，最大的接触压力以及由此导致的最大摩擦能密度也发生在接触界面的周边，从而解释了实验现象。分析了各工作参数对超声波线焊产生的影响。结果表明，并不是压碳按压力越高，接触压力就越大，这意味着提高压碳按压力不一定能提高焊接的可能性，有限元分析有助于确定合适的压碳按压力。     

超声波键合熔接结构及压力自平衡夹具

聚合物微流控芯片对键合精度、键合强度及键合效率要求高。为了避免超声波键合中微通道被堵塞,解决键合过程中由调平精度和高频振动引起的键合强度低、键合压力分布不均的问题,设计了一种基于超声波键合的熔接结构和压力自平衡夹具。首先,利用感压胶片对压力自平衡夹具和不带自平衡功能的夹具的压力分布进行测量,并定义了压力分布系数进行量化。其次,利用两种夹具分别对设计芯片进行超声键合,并利用工具显微镜对焊线和微通道截面进行观测。最后,对两组芯片进行键合强度测试和密封性测试。实验结果表明:所设计的熔接接头结构对微通道的控制精度可达2.0μm。压力自平衡夹具结构简单可靠,可提高压力均匀性35.20%~43.18%,并使得焊线均匀一致,同时可提高键合强度15.3%~45.1%,并保证密封性。该熔接结构和压力自平衡夹具可满足聚合物微流控芯片的控制精度、键合强度、压力均匀性及其密封性的要求。     

聚合物微器件压力自适应超声波精密联接

将超声波联接技术应用于聚合物微器件的联接,搭建了超声波精密联接系统。为了保证微器件在精密联接中的形状精度,选用工作频率为60 kHz的超声换能器及驱动电源为微器件提供高频、低振幅的超声波振动;以高细分步进电机驱动直线导轨控制超声波工具头的纵向移动,精确控制超声波工具头的位置,并结合力传感器实现了超声波联接过程中聚合物材料力学性能的实时检测。针对联接表面特性差异引起的联接质量不一致问题,提出了基于材料力学性能反馈的压力自适应联接方法,可以对不同零件提供自适应的超声波能量。应用该系统对PMMA材料微器件进行了联接实验,实验结果表明,该方法大幅提高了超声波联接的稳定性,实现了聚合物微器件的超声波精密联接。     

超声波线焊的两维非接触有限元分析

在超声波线焊中,虽然金线和焊接平台间的接触界面较大,但实验显示,焊接部位只发生在接触截面的周边,这是一种特别的焊接界面形态和超声波线焊的机理。本文采用弹塑性、大变形的非线性有限元方法,模拟了超声波线焊的过程,分析了接触界面的接触压强分布,发现不均匀的接触压强分布是导致这种焊点形态的主要原因。这种不均匀的焊点形态也将影响对压碶按压力作用的理解,过高的压碶按压力并不一定有助于超声波线焊。     

超声波处理乳化液在金属切削中的试验研究

为了研究超声波处理对乳化液冷却润滑性能的影响,设计了用于切削试验的乳化液超声波处理系统,并在干切、未采用超声波处理乳化液和采用超声波处理乳化液三种条件下,采用YT15刀具车削45钢进行了对比试验。结果表明：使用超声波处理乳化液时,切削力可比干切和未采用超声波处理乳化液时分别减小10%~15%和5%~10%;变形系数也减小了,切屑形貌得到改善。通过测量液体粒度可知,超声波处理使乳化液的分子团粒径减小,乳化液进入切削区毛细管的可能性增大,说明超声波处理能够提高乳化液的冷却润滑作用效果,也可理解为间接地减少了乳化液的用量,有利于节能减排。