超声发生器的设计与实现

论文摘要

热压超声焊接是半导体封装行业的关键技术,一个焊点的焊接通常在20毫秒左右完成,并且要求焊点具有较高的一致性。传统超声焊接设备只有单一的频率跟踪功能,超声振动幅度不稳定、响应时间长,无法满足半导体封装行业对超声振幅越来越高的要求。本文从压电式超声换能器(以下简称换能器)的等效电路模型出发,论证了当换能器工作在机械谐振频率时,换能器的振幅与驱动电流有效值成正比,比例系数与匹配电感的匹配程度有关,匹配程度越高,单位电流产生的振幅越大。据此,本文提出一种获得最优匹配电感的实验方法,实验结果验证了理论分析的正确性。另外,本文还通过对变压器等效电路的理论分析给出变压器原副边线圈等效电感的计算公式。这些工作为精确阻抗匹配提供理论和实践依据。由于换能器振幅与驱动电流的正比关系,为提高振幅稳定性和缩短振幅响应时间,本文在传统超声发生器频率闭环的基础上增加了电流闭环,并解决了频率闭环控制和电流闭环控制之间相互耦合的问题,改进的频率跟踪算法也杜绝了频率死锁现象的发生。与传统单一锁相环相比,基于该超声发生器的超声焊接系统的振动幅度在上升时间和稳定性上均有显著提高,实际焊线实验表明,驱动电流上升时间由4毫秒缩短到2毫秒。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 反馈模块研究现状
• 1.2.2 频率跟踪模块研究现状
• 1.2.3 阻抗匹配模块研究现状
• 1.2.4 功率放大模块研究现状
• 1.3 主要研究内容以及结构安排
• 第2章 阻抗匹配网络理论研究
• 2.1 变压器工作原理及理论研究
• 2.2 匹配电感的工作原理及理论研究
• 2.3 本章小结
• 第3章 系统硬件的设计与实现
• 3.1 微控制器模块
• 3.2 正弦波发生模块
• 3.3 功率放大模块
• 3.4 反馈模块
• 3.5 阻抗匹配模块
• 3.6 本章小结
• 第4章 系统软件的设计与实现
• 4.1 通信协议的设计
• 4.2 DSP软件的设计与实现
• 4.2.1 USG相关寄存器的定义
• 4.2.2 控制算法模块
• 4.2.3 串口驱动模块
• 4.2.4 ADC和DAC驱动模块
• 4.2.5 DDS驱动模块
• 4.2.6 软件定时器模块
• 4.2.7 DSP通信协议模块
• 4.2.8 数据采集模块
• 4.2.9 USG相关命令
• 4.3 上位机软件的设计与实现
• 4.3.1 串口驱动模块
• 4.3.2 软件定时器模块
• 4.3.3 通信协议模块
• 4.3.4 数据采集模块
• 4.3.5 绘图模块
• 4.3.6 参数设置模块
• 4.3.7 错误处理模块
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验结果以及讨论
• 5.1 最优匹配电感
• 5.1.1 实验设备
• 5.1.2 实验步骤和结果分析
• 5.2 PID参数整定
• 5.2.1 锁相环PID参数整定
• 5.2.2 电流环PID参数整定
• 5.3 实际焊线测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢