[发明专利]高频超声倒装键合换能系统的制造方法

摘要

一种高频超声倒装键合换能系统的制造方法，本发明选择1－3新型复合的高性能压电陶瓷材料，选择钛合金材料为传能部件；用一维弹波传递理论对换能系统压电陶瓷部分与传能部分独立设计，然后对换能系统进行验证，获得换能系统的频率分布、振动模态、以及相应的振型；再进行加工与装配和性能检测。采用本发明高频超声倒装键合换能系统，能缩短键合时间，提高生产效率；增加了键合强度，从原低频键合的15gf/bump上升到25gf/bump；减少键合点的孔洞、空穴等键合缺陷。

主权项

1.一种高频超声倒装键合换能系统的制造方法，其特征在于包括以下过程：(1)系统材料及结构尺寸选择与设计选择具有高数量级的厚度机电耦合系数，低数量级的介电常数，低数量级的径向机电耦合系数的1-3新型复合的高性能压电陶瓷材料，选择具有低能量耗散的钛合金材料作为传能部件；用一维弹波传递理论对系统进行设计，将换能系统分成压电陶瓷部分与传能部分独立两部分，分别设计如下：(a)压电陶瓷、前后盖板的设计对于1/2波长的压电陶瓷部分，设计公式为：$k_s\frac{l_s}{2}+{\tan }^{-1}\left(\frac{Z_b^c}{Z_s^c}\tan k_b{l}_b\right)=\frac{\pi }{2}$ $k_s\frac{l_s}{2}+{\tan }^{-1}\left(\frac{Z_f^c}{Z_s^c}\tan k_f{l}_f\right)=\frac{\pi }{2}$ 式中ks为超声波在压电晶片中的波数；Zb c、Zf c及Zs c为超声波在前后盖板及压电晶片的声阻抗；(b)换能杆部分的设计根据自行推导的换能杆部分设计频率方程设计出换能杆部分的各级尺寸：$\tan {\mathrm{kl}}_1=-\frac{\sin {\mathrm{kl}}_1(\cos k^{\prime }{l}_2-{\delta }_1\sin k^{\prime }{l}_2)-\cos {\mathrm{kl}}_3({\delta }_2-\cos k^{\prime }{l}_2-{\delta }_3\sin k^{\prime }{l}_2)}{\cos {\mathrm{kl}}_3(\cos k^{\prime }{l}_2+{\delta }_4\sin k^{\prime }{l}_2)-\frac{k}{k^{\prime }}\sin {\mathrm{kl}}_3\sin k^{\prime }{l}_2}$ 其中，k′与k为换能杆与安装部分的波数；δ1，δ2，δ3及δ4为系统杆件的比例常量；l为设计结构的各级长度；(2)基于有限单元法的换能系统验证利用大型有限元分析软件ANSYS对由一维弹性波理论建立的换能系统进行验证，获得换能系统的频率分布、振动模态、以及相应的振型；(3)换能系统加工与装配按各部件的结构尺寸，对换能系统各部分进行加工，利用指针测力计装配，操作过程中遵循：(a) 压电陶瓷的电极片足够薄，要求为50um；(b) 前后盖板与压电陶瓷片的粗糙度为0.4，换能杆表面的粗糙度为0.8；(c) 装配时压电陶瓷片与换能杆的同轴度达到0.04，；(4)换能系统性能检测利用阻抗分析仪测试换能系统的导纳特性，检测系统运动的谐振频率；利用激光多谱勒测振仪测试换能系统末端的位移振幅及振动模态，以检测系统的位移输出，利用U3000型键合机测试换能器的键合点的外形貌与键合强度。