超声换能器ANSYS建模及谐响应分析

　　换能系统作为超声引线键合和热超声倒装键合系统的重要组成部分,其超声振动特性直接影响系统的能量输出,由此影响芯片与基板之间的键合质量。换能系统综合电场、力场、声场等不同物理系统,其振动特性相当复杂,包含多种振动模态[1]。由此,研究与分析换能系统的振动特性,对换能系统的性能评判与设计依据具有重要意义。

　　热超声引线键合系统主要是由超声发生器、PZT换能器、变幅杆、劈刀等部分组成。超声发生器的电能量通过PZT换能器的逆压电效应转换为纵向机械振动,然后经过变幅杆的放大作用,再经过劈刀转化为与芯片平行的横向振动,由此劈刀尖端带动金线(或铝丝)与基板发生相互摩擦振动,从而将超声能量传递到键合界面。

　　1 超声换能器ANSYS建模

　　有限元法又叫做有限单元法,它实质上是一种数值计算方法,其首先将一些实际的结构划分为一系列的离散单元(这些单元是通过公共节点连接在一起的),然后对这些单元组合体进行分析。通常的结构有限单元分析过程可以概括为:通过各种标准元件的组合构造出任意复杂的离散结构分析模型,然后由相邻单元公共节点处的平衡条件,集成总体刚度方程,引入边界条件建立结构平衡方程并求得位移解。

　　1.1 换能系统尺寸参数

　　换能系统建模中要用到的换能杆各部分尺寸参数[2]设置如半截面图3所示。

　　图3各部件尺寸大小如表1。

　　换能系统中用到的各种材料特性参数、单元类型如表2。

　　1.2 ANSYS分析的建模过程

　　利用ANSYS10.0软件建立换能系统有限元模型,包括4片PZT压电陶瓷片、前后盖板、安装过渡部分、变幅杆及键合工具等部分。采用关键点生成面、网格划分面、旋转扫掠生成体单元等方法建立有限元模型,模型包含19716个单元及38905个节点。

　　2 谐响应分析

　　2.1 谐响应分析理论

　　谐响应分析用于确定线性结构在随时间以正弦规律变化的载荷作用下的稳态响应,从而得到结构部件的响应随频率变化的规律。周期载荷作用下的运动方程如下:

　　式中:

　　[C])阻尼矩阵; {F})简谐载荷的幅值向量;H)激振力的频率。

　　位移响应为:

　　式中:

　　{A}—位移幅值向量,与结构固有频率X和载荷频率H以及阻尼[C]有关;

　　φ—位移响应滞后激励载荷的相位角。

　　2.2 谐响应ANSYS命令流

　　谐响应分析是用于确定换能器在承受随时间按正弦规律变化的激励电压时的稳态响应,目的是计算出换能器的动力响应,得到位移对频率的幅频特性曲线及其它结果随频率变化的情况。对于谐响应分析,峰值响应发生在激励电压频率和固有频率相等时,只有当换能器的工作频率与其固有频率相等时,换能器的端面才能达到最大位移。本文采用完整的系统矩阵计算谐响应的分析方法,其谐响应ANSYS命令流为: