高频超声压电换能器系统动力学行为特性及控制技术研究

发布时间：2020-10-21 03:31

　　 压电超声换能器是高频热超声引线键合系统中的关键组成之一,其动力学行为特性对键合连接可靠性与质量有着显著影响,因此换能器动力学行为特性与控制技术的研究具有重要学术和应用价值,本文以调节高频超声压电换能器电气与动力学行为特性、提高键合效率和质量为目的,系统研究了换能器激振声源系统、换能器电学特性及动力行为特性的影响因素及规律、换能器动态响应特性及最优装配预紧力控制、换能器动态阻抗相位检测方法,获得成果如下:(1)基于DDS直接数字频率合成技术并结合高性能STM32单片机、阻抗相位检测电路、电流真有效值检测电路、功率放大器研制了高频超声换能器激振声源仪器;基于LabVIEW虚拟仪器技术开发了高频换能器多传感信息数据采集系统;搭建了面向热超声引线键合高频压电换能系统多传感信息采集平台实现换能器电流、振幅、阻抗相位等重要信息的实时监测以及大量数据的采集与存储,该平台在本课题研究过程中承担了换能器所有的实验以及测试工作。(2)建立了压电超声换能器谐振频率附近等效电路导纳模型,归纳出基于阻抗相位反馈技术的换能器调谐理论依据,考察了换能器装配预紧力对换能器电学特性的影响规律。(3)基于压电换能器等效电路模型建立了换能器动态响应的数学模型,通过实验与模型仿真对比验证了数学模型的准确性,得到影响换能器动态响应特性的三大关键因素:装配预紧力、激励信号强度及频率。提出利用系统响应性能评价指标中的超调量以及调节时间并结合大量细致的实验来研究分析三大关键因素对换能器动态响应特性的影响规律。(4)提出一种基于RBF神经网络算法的换能器动态响应特性控制方法,从而达到调节换能器谐振特性的目的;建立了一种基于随机森林算法的换能器最优装配预紧力控制新方法,提高了换能器的能量利用效率;提出一种新的基于希尔伯特变换的换能器动态阻抗相位检测方法,进行了前期基础性理论验证研究,并提出利用信号过零点搜索提高希尔伯特变换计算阻抗相位差的精度,将希尔伯特变换计算的阻抗相位差与相位检测芯片的检测结果进行对比,验证了希尔伯特变换计算阻抗相位差的可行性和准确性。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB552
【部分图文】：

微连接技术是微电子封装的核心环节，其目的是使集成电路芯片上的焊盘与??引线框架或基板焊盘形成可靠的电气连接，保证芯片输入、输出信息畅通。目前??主流的微连接技术有引线键合、载带自动焊、倒装封装等［３］。图１－１所示为几种??代表性的微连接技术，其中引线键合技术是１Ｃ芯片微连接领域应用最为广泛的??技术ｗ＿［８］。??ＷｂＳＳＪｍ?ｉｉＶｍｉｌ??（ａ）引线键合?（ｂ）载带自动焊?（ｃ）倒装封装??图１－１各微连接技术示意图??引线键合技术是指利用热、力、超声能量耦合作用，将芯片的基板焊盘与外??接引线焊盘进行电气互连的工艺技术。如图１－２所示为热超声引线键合流程图，??首先金属丝穿过劈刀小孔并在高压电火花作用下端部熔成球状；随着劈刀的下??降，金属球在一定压力作用下与焊盘接触，在超声振动、键合压力以及加热热量??的共同作用下使得金属球与焊盘接触面产生塑性变形，从而形成第一焊点；接着??劈刀上升并向着引线框焊盘方向移动；最后在在热量、压力以及超声能量耦合作??１??

?天津工业大学硕士学位论文???程中温度的动态变化情况；采用ＮＩ公司高性能数据采集模块ＵＳＢ－６３６６并基于??ＬａｂＶＩＥＷ虚拟仪器技术平台构建换能器多传感信息数据采集系统，完成换能器??工作过程中振幅、振幅、电流、电压等重要信息的大量数据采集与存储。??

—售??图２－１高频超声压电换能器多传感信息同步采集平台??２．３自主研制的柔性夹持结构高频超声换能器??热超声键合工艺中广泛采用的Ｓａｎｄｗｉｃｈ结构压电超声换能器通常由压电陶??瓷晶堆、机械变幅杆、后盖板组成夹心式结构，压电陶瓷晶片在功率超声信号的??驱动下产生机械振动，利用机械变幅杆将机械振动放大产生精密制造所需的机械??能。目前市场上应用最为广泛的商用级别引线键合换能器其谐振频率为１００ｋＨｚ，??研究表明，当使用高频超声能量时，不仅能降低键合温度，而且键合接触面形成??所需的时间也显著减小，并且高频压电换器由于涉及从微观到宏观许多时空尺度??上的运动，将会出现许多新的复杂动力学行为特性，因此本文将对自主研制的??１１０ｋＨｚ柔性夹持高频超声换能器展开研究，如图２－２所示，其中图２－２（ａ）所示为??肋环柔性夹持高频超声压电换能器
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本文编号：2849575