熱聲焊機超聲系統的設計和優化

馬生生，孫麗娜，井文麗

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024)

微波集成組件的制造過程中，大量使用微波混合組裝技術，絲焊(Wire Bonding)技術是微波混合組裝技術最為關鍵的工藝技術之一。絲焊的質量、可靠性直接決定了微波集成組件的性能和壽命。熱聲焊機是實現絲焊的關鍵設備，而超聲系統在熱聲焊機中擔負著實現電聲轉換，產生超聲振動，傳遞超聲能量的重任，是熱聲焊機的核心部件。超聲系統性能的優劣直接影響著鍵合質量和鍵合速度，如圖1所示，熱聲焊機的超聲系統由超聲波發生器、換能器（包括壓電陶瓷換能器和變幅桿）以及鍵合工具（劈刀）組成。

1 超聲波發生器

超聲波發生器是向換能器提供超聲頻電能的一種裝置，由振蕩器、放大器和匹配電路組成。振蕩器產生一定頻率的電信號，用以推動放大器，考慮到頻帶調節范圍的問題，一般采用他激式振蕩器。放大器將振蕩信號放大至所需電平，目前大多采用晶體三極管或場效應管。匹配網絡主要是用來改善電發生器與換能器之間的耦合程度，以便使電發生器輸出的功率高效率地傳輸給換能器。

圖1 熱聲焊機的超聲系統結構圖

本設計選用了美國UTHE公司的10G－SH超聲波發生器，其工作頻率為63 kHz，最大超聲功率可達到5W，超聲的時間為0.1～1.0 s。圖2所示為電能發生器電路原理框圖。

圖2 超聲波發生器電路框圖

2 壓電陶瓷換能器的設計

熱聲金絲鍵合機的壓電陶瓷換能器采用一種在壓電陶瓷圓片的兩端面夾以金屬塊而組成的夾心式換能器，或稱為復合式換能器，又稱朗之萬換能器，由前后金屬蓋板、壓電陶瓷堆、預應力螺桿、電極片和絕緣管組成。圖3為復合式換能器結構示意圖。

圖3 復合式換能器結構示意圖

這種結構的優點在于既利用了壓電陶瓷振子的縱向效應，又得到了較低的共振頻率。壓電陶瓷圓片的極化方向與振子的厚度方向一致，壓電陶瓷晶堆由若干片壓電陶瓷環片采用機械串聯而電路并聯的方式連接，相鄰兩晶片的極化方向相反，使得各晶片的縱向振動同相疊加。以保證壓電陶瓷晶堆能夠協調一致地振動。晶片的數量一般為偶數，以便換能器的前后蓋板與同一極性的電極相連。

壓電晶片材料應是機械及介電損耗較低而壓電常數和機電轉換系數較高，一般選用PZT-4和PZT-8等發射型大功率材料，以實現高效率的能量轉換。壓電陶瓷環片間及壓電片與金屬蓋板之間通常用彈性及導電良好的銅片隔開并作為電極。由于壓電體的抗張強度差，所以常常通過金屬塊及夾緊螺桿給壓電體施加預壓力，使壓電體在強烈的振動時也始終處于壓縮狀態，避免壓電體的破裂。螺桿用高強度的螺栓鋼制成。前后金屬蓋板一般采用鋼、銅、硬鋁或鈦合金材料，通過改變金屬塊的厚度或形狀可獲得不同的工作頻率和聲強。壓電陶瓷的運動狀態由壓電方程[30]描述。本文中的壓電振子處于第二類邊界條件，即：機械夾持和電學短路。其壓電方程為e型：

式中：T-應力矢量；

c-彈性矩陣；

D-電通密度矢量；

E-壓電矩陣；

S-應變矢量；

ε-介電常數矩陣；

E-電場強度矢量。

3 變幅桿的設計

超聲變幅桿是超聲系統的重要組成部件，它被用來將換能器傳來的由電能轉換成的機械能傳遞給被加工工件，變幅桿的作用是放大換能器所獲得的超聲振動振幅，是超聲換能器的重要關聯器件。特別在高強度超聲設備的振動系統中作用尤為重要。變幅桿有以下4方面作用：（1）放大位移振幅（或振速），或者把能量集中在較小的面積上，即聚能作用。超聲換能器輻射面的位移振幅在20khz時只有幾微米。而在高強度超聲應用中，如超聲加工、超聲焊接、超產搪錫、粉碎細胞、超聲金屬成形應用中，振動位移幅度需要幾十甚至幾百微米量級。因此，必須在換能器的端面聯接超聲變幅桿，把機械振動幅度加以放大。（2）變幅桿在檢測超聲中可以作為機械阻抗變換器，使換能器與聲負載更好地匹配耦合，更有效地在換能器與聲負載之間傳遞和交換聲能。（3）變幅桿也是為了用來固定整個機械系統（在波節處固體）以盡可能地減少機械能量的損耗。（4）變幅桿使換能器和工作媒質之間獲得熱學和化學上的隔。

如果把壓電換能器看作振動的推動級的話，變幅桿就是振幅的放大級。用于制造變幅桿的材料應有高的抗疲勞強度和小的振動損耗。一般有45號鋼、30CrMnsi低合金鋼、高速鋼以及鈦合金等。在功率超聲的應用中，變幅桿可分為縱向振動、彎曲振動、扭轉振動變幅桿。

常見的縱向振動單一超聲變幅桿按其母線的形狀分為：圓柱形、階梯形、圓錐形、以及指數形等等，見圖4。圓柱形變幅桿不能放大Df端面的振動幅值；階梯形的變幅桿放大系數最大，而且加工方便，但其共振范圍小，并且由于直徑大小的突然變化引起極大的應力集中，從而使得變幅桿的工作應力大增，導致變幅桿疲勞斷裂，設計階梯變幅桿時應該把直徑變化設計在整個長度的中間處，那里的軸向振幅為0，也即節面；指數形變幅桿的放大系數小、機械強度大、然而指數形變幅桿由于外形的特殊性，必須用NC機床加工，所以它的應用也受到了一定程度的限制；圓錐形變幅桿有較寬的共振頻率范圍，但放大系數最小。

圖4 不同形狀的變幅桿示意圖

熱聲金絲鍵合中變幅桿與換能器相連接，傳遞超聲波機器振動能至劈刀，且具有改變超聲波振幅和頻率的功能。設計變幅桿時，為了和換能器匹配，它最上端的尺寸決定于換能器壓電陶瓷堆尺寸，最下端的尺寸決定于加工工具頭的尺寸，用于把變幅桿固定于換能器的附件直徑不能大于變幅桿的直徑，否則變幅桿的振動振幅將會衰減。熱聲金絲鍵合機換能器的設計選用了壓電陶瓷換能器和圓錐形變幅桿，如圖5。

圖5 熱聲金絲鍵合機換能器示意圖

4 換能器的優化

（1）諧振頻率諧振頻率在工藝上有兩方面的含意，即諧振頻率的數值和諧振頻率的精度。根據需要的頻率數值來設計壓電換能器和聚能器；同時，由于聲負載阻抗的變化，將會帶來換能器諧振頻率的變化，故又要使換能器工作在一定的頻率范圍，該問題已通過前面介紹的頻率自動跟蹤解決；

（2）振幅根據工藝要求，合理設計聚能器，使振幅放大到工藝要求；

（3）振動模式適當選擇壓電晶片和聚能器的外形尺寸，使其遠離徑向振動模式的諧振頻率，從而消除或抑制寄生的徑向振動；

（4）換能器的安裝所有的聚能器都存在著一個波截面，在波節面處可用其他裝置運用適當的力矩對整個換能器進行固定，從而減小振動能量的損耗。所用的力矩不可過大，否則會導致聚能器截面的變形，從而降低整個超聲系統的性能。

[1]林書玉.超聲換能器的原理及設計[M].北京：科學出版社，2004.

[2]陳桂生.超聲換能器設計[M].北京：海洋出版社，1984.