超声换能系统电特性实验研究

　　0 引言

　　引线键合作为一项较为成熟的封装技术已经广泛地应用在电子封装领域,由于其工艺实现简单,成本低廉,适用于多种封装形式,目前90%以上的芯片使用引线键合[1-2]。超声换能系统作为引线键合设备的核心部件,其工作状况直接影响着键合质量,因而对其工作特性的把握显得尤为重要。超声换能系统基本的工作原理是首先将超声发生器产生的高频电信号转换成高频振动,经过变幅杆将高频振动传递到劈刀,引起劈刀振动,同时金属丝在劈刀振动的带动下与基板摩擦,表面氧化层被破坏,暴露出洁净的金属表面,在压力的作用下超声能量被金属丝吸收并实现与基板相互连接。可见,换能系统的工作源于电信号驱动并最终由劈刀完成能量向键和界面的传递。本文围绕换能系统电信号特性和劈刀安装长度展开,通过实验考察了不同劈刀安装长度对换能系统电压、电流及功率的影响,并通过小波分析方法展现了电流信号在时频域内变化的细节情况,为深入理解换能系统电学特性提供了可靠依据和新的途径。

　　1 实验

　　实验使用深圳微讯公司生产的U3000型粗铝丝引线键合机,工作频率约60kHz,键合时间为10~500ms,可提供的键合压力为30~1200g;铝丝直径300μm;劈刀为LW300楔形劈刀,全长25mm;基板为表面镀银铝板,尺寸为20mmx50mmx0.3mm。设置引线键合机参数:时间2.3格(约120~130ms),功率6.7格(约1W),压力210格(约7N),其他参数为默认值。为避免改变劈刀安装长度时由紧固螺钉松紧度引起的干扰,劈刀安装时通过施加预紧力矩来控制紧固螺钉的松紧度,预紧力矩均为(35mmx12N)420(N.mm)。

　　实验中超声发生电路接入一个98的采样电阻R (阻值很小不会影响到原电路信号),采集其两端的电压信号U1,计算获得换能系统电流I(I=U1/R), U为换能系统电压信号。实验示意图如图1。

　　调整劈刀安装长度分别为9、11、13、15、17、19mm,各进行引线键合100次。实验中,电信号数据采集由PSV-400-M2激光测速仪采集卡及虚拟仪器专用软件Labview完成,对键合全过程进行记录分别得到不同劈刀安装长度下电流、电压信号各100组。

　　2 实验数据处理

　　2.1 电压、电流信号初步统计

　　图2、3给出了一组键合过程中超声换能系统典型电压、电流信号。

　　每个劈刀安装长度(d)下获得电流、电压信号100组,对每组电压、电流、功率信号求均方根(图4、5、6),对这组信号均方根求均值(式1、2、3)。

　　式中:x为信号序列的长度;n为采集样点的个数。

　　由图4、5、6可以看出,电压信号作为换能系统输入信号,比较稳定,没有大范围波动;电流、功率作为系统响应有明显变化,均在劈刀安装长度变化范围内先减小后增大。可见,劈刀安装长度由短到长变化时,系统阻抗变化总的趋势是先增大后减小的,劈刀安装长度对换能系统功率加载有明显影响,实验显示为使功率加载充分,应避开15mm左右的安装长度。同时,电流信号变化趋势可以直接反映出换能系统功率加载情况,以下对实验中电流信号做进一步分析。