并联复合式超声波能量传输机构研究与设计.docx

摘要在光电子、微电子、微机电系统等先进制造技术封装领域广泛的应用的超声波技术。它可以提高键合强度、降低键合加热温度、减少热变形产生的残余应力并且能够有效清除键合表面氧化层。并联复合式超声波能量传输机构在微电子封装上的应用使得键合的效率和强度大大提高。其主要原因是在传输机构中采用新型并联复合式变幅杆，与普通变幅杆相比他能够有效提高其输出的振幅，在输出频率不改变的情况下，使得超声波的平均密度大大提升从而提高能量的转换效率、提高键合界面的性能。本论文主要是对并联复合式超声波能量传输机构的机构进行分析以及对其设计进行优化和深入研究。首先对超声波能量传输针对键合设备对超声波系统的波能量传输机构关键部件（换能器、变幅杆）进行机理分析，包括：压电超声换能器的分类、谐振特性及机电等效电路分析；基于变幅杆四端网络传输矩阵设计理论，推导单段任意截面形状超声变幅杆的传输矩阵以及多个声学参量的表达式，并进行不同截面形状变幅杆放大倍数与面积系数关系的比较。然后对并联复合式超声波能量传输特性分析对复合振动超声变幅杆结构进行分析及软梁结构来减轻并联机构耦合效应的方法。基于半波长设计思想和力电类比方法，对叠堆式压电换能器机电等效电路进行推导分析，同时，利用四端网络设计方法对变截面多段超声变幅杆建模，得到传输矩阵系数以及负载特性分析。最后根据并联复合式超声波能量传输机构设计对压电换能器进行具体结构尺寸设计国内外成型产品进行了阻抗分析和振动根据半波长设计理论研究，利用楔块自锁原理，对压电陶瓷进行有效预紧。在考虑了负载效应后，求解矩形截面多段超声变幅杆的传输矩阵系数，通过杆长比和放大倍数的关系，对变幅杆的杆长进行了优化设计，采用减弱横向偏转刚度的夹持梁对变幅杆进行夹持，减轻并联结构的耦合效应。关键词：变幅杆，引线键合，复合运动，键合效率AbstractUltrasonic technology has been widely used in the advanced manufacture field such as Micro-Electronics, Photo-ElectronicsandMicro-Electromechanical Systems. It can effectively clear the surface impurities such as the oxide, lower the heating temperature while bonding, reducing the residual stress for the thermal deformation, and improved the bonding strengthen.The composite ultrasonic energy transmission mechanism, which takes advantage of a new composite ultrasonic horn with parallel structure, can effectively produce greater vibration amplitude. This can increase the average density of ultrasonic energy with the vibration frequency unchanged. Meanwhile, different vibration loci distributions are obtained by means of adjust the vibration parameters so that atom proliferation and atomic lattice dislocations happen in larger area, forming uniform bonding between atoms. Therefore, this reduces bonding time and improves bonding efficiency and strength. The structure and design method of the composite ultrasonic energy transmission mechanism with parallel structure are deeply analyzed in this project.First, the principles and formulations of the ultrasonic horn and the piezoelectric ultrasonic transducer, w