超声换能器的设计与动态特性仿真

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1、超声换能器的设计与动态特性仿真超声换能器的设计与动态特性仿真DesignandDynamicCharacteristicsSimulationofUltrasonicTransducers卢正达①LUZheng-da；黄敏②HUANGMin（①同济大学，上海200092；②纳恩汽车，上海201612）（①TongjiUniversity，Shanghai200092，China；②NaenAuto，Shanghai201612，China）摘要：微电子封装已成为当今微电子制造中影响生产效率和器件性能的关键技术。超声键合是最为重要的芯片封装方法与技术，目前企业生产的90%

2、以上芯片是采用超声键合法进行封装。超声波换能器是在微电子制造超声键合工艺中的一个重要部件，超声换能器的设计与动态特性分析是非常重要的。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。通过本文对超声换能器的研究、分析与设计，对于获得理想的超声波换能器具有很强的指导意义。Abstract:Microelectronicpackagingisthekeytechnologyanceofthedeviceinthemanufactureofthemicroelectronic.Thermosonicostimportantmethodandtechnolo

3、gyofthechippackaging.90percentsofchipsarebondedosonicbonding.Theultrasonictransducerplaysanimportantroleinultrasoniciccharacteristicsoftheultrasonictransducer.Itsintrinsicfrequencyshouldbeequaltoentofmaximumamplitude.Allaboveresearchcontexts,methodsandconclusionsentanalysis；modalanalysis

4、中图分类号：TB552文献标识码：A：1006-4311（2015）20-0186-041绪论超声键合技术以其简单的制作工艺、高效率的运行水准和无铅绿色的优点，在近几年的发展中逐渐成为集成电路第一级封装的主流技术。这项技术是通过超声能量、压力能量及热量多物理能场的相互耦合，促成芯片凸点与基板的瞬态微互连。超声能传播是一个能量产生、转换、耗散与吸收的过程。其传播效率、系统振动模态以及封装器件的质量主要取决于超声换能系统的研发水平和动力学特性。因此，研究与分析超声换能系统的动态特性，有助于准确把握换能系统的功能特性，并且能够为进一步优化系统结构设计提供重要的参考依据。2超声

5、换能系统的系统设计超声波换能系统主要由超声发生器、压电换能器、变幅杆和劈刀四个部分组成，其结构设计详见图1。超声波换能系统各部分功能特点如下文所述。超声发生器一般由波形发生模块、功放模块、阻抗匹配模块、以及锁相环模块组成，其主要功能是将工频电信号转换成压电换能器所需的高频电信号。压电换能器主要由若干压电陶瓷片、前盖板、后盖板和预紧螺栓构成。高频电信号通过压电换能器的压电效应被转换成同频率的机械振动。由此可见，压电换能器就是一个把电能量转换层超声波能量的转换器。变幅杆是将超声发生器能量转换为键合工具的振动。在运行期间，加载超声后的变幅杆可能发生俯仰振动、轴向振动以及水平振

6、动，换能杆末端因此也将产生浮躁的振动。为了掌握更为全面的超声波换能系统的设计理念及功能特点，需要对变幅杆实际振动情况加强研究。3超声波换能系统的结构设计与有限元仿真3.1超声波换能系统的结构设计法兰型超声换能器尺寸参数是后面所设计的两款新型换能器的重要参考。它全长81.7mm，变幅杆3部分尺寸长分别为34mm、21mm、7mm。底部设计了一个深9mm的#10-32的螺纹孔，用于安装超声电机；顶部开了个直径为1.1mm的#0-80螺纹孔，则是便于安装劈刀。夹持法兰上开了两个直径为3.3mm的圆孔用于固定。换能器对变幅杆粗糙度要求很高，要求做镜面抛光。其3D效果如图2。3.

7、2新型的法兰型超声换能器图2所示的法兰型超声波换能器已被人申请专利，故本文将变幅杆截面形状改成对称的正方形。此款超声波换能器除了变幅杆外尺寸参数与原有的法兰型换能器尺寸参数相同。变幅杆取原换能器圆形变幅杆做内接正方形，即为边长4.8mm的正方形，并作镜面抛光，成为一种新型的法兰型换能器。首先，对这种新型的法兰型换能系统中用到的各种材料进行设定。本文选用不锈钢作为换能器的材料。其材料力学特征如表1所示。然后，在原有的法兰型换能器的基础上，设计出新型的法兰型换能器的具体参数。其参数如图3-图7所示。3D图如图8所示。3.3ANSYS仿真分析①