引线键合变频式超声波发生器的研究与设计

论文摘要

本论文研究与设计的是面向芯片键合封装领域的变频式超声波发生器,其可以在广频域内驱动不同的金丝球引线键合换能器,智能搜索换能器最佳工作频率并动态锁相实现换能器的最优功率输出。其中,所进行的工作及成果如下:(1)通过对换能器等效电路模型及导纳圆进行的分析、仿真及实验,得出换能器各谐振模态下的电学特点及其锁相特征,为变频式超声波发生器的信号采集方案及锁相算法提供明确的理论依据。(2)对基于它激模式的变频式超声波发生器进行了整体设计,并对微控制器系统、DDS信号生成系统、滤波系统、功率放大系统、信号采集系统、信号调理反馈系统、人机交互系统、电源系统进行了研究、方案比较与详细电路设计。(3)为了得到快速切换、低失真、高稳定、宽频谱的信号源,系统引入了通信领域的DDS技术。采用高速AVR单片机控制DDS,系统具备灵活、快速的变频效果。辅以具有防三极管热击穿功能的高保真AB类功率放大电路及精密设计的滤波器,超声波发生器具备优异的正弦信号输出。同时,基于真有效值的频率跟踪电路,引入射频领域的真功率检测芯片,其具备快速、准确地将复杂的换能器电流信号以线性及分贝形式的直流电压值反馈给单片机的能力。单片机通过判断模数转换后的数字量最大值及最小值,分别实现换能器串联、并联谐振的频率跟踪。加设电压、电流相位检测电路,进一步强化锁相能力。最后,为系统提供了完善的人机交互界面、USB通信及信号幅值、工载时间的数控方案。(4)实验表明,变频式超声波发生器具有广频域驱动、多谐振模态锁频、数字式控制、快速锁相及阻抗分析等优秀性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超声波金属键合
• 1.1.1 超声波金属键合简介
• 1.1.2 微电子封装领域的超声波金属键合
• 1.2 超声换能器简介
• 1.3 超声波发生器
• 1.3.1 超声波发生器的研究现状
• 1.3.2 常见超声波发生器频率自动跟踪控制方式
• 1.4 课题来源与研究意义
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究意义
• 第二章 超声换能器振动特性的研究
• 2.1 超声换能器的结构
• 2.2 超声换能器的等效电路模型及其导纳圆
• 2.2.1 超声换能器的等效电路模型
• 2.2.2 超声换能器的导纳圆
• 2.3 超声换能器的锁相理论研究
• 2.3.1 超声换能器的串联谐振研究
• 2.3.2 超声换能器的并联谐振研究
• 2.4 换能器谐振反馈参数的选择
• 2.5 本章小结
• 第三章 变频式超声波发生器的整体设计与方案比较
• 3.1 变频式超声波发生器的概念及其意义
• 3.2 变频式超声波发生器的设计要求及其整体原理
• 3.2.1 变频式超声波发生器的设计要求
• 3.2.2 变频式超声波发生器的整体原理
• 3.3 变频式超声波发生器的方案研究与比较
• 3.3.1 微控制器的比较与选择
• 3.3.2 信号发生电路的方案研究及DDS综述
• 3.3.3 滤波器的研究及类型选择
• 3.3.4 功率放大器的方案比较及其额定功率选择
• 3.3.5 换能器采样电路的方案比较
• 3.3.6 频率跟踪电路的检测方案研究
• 3.3.7 模数转换器的简介与选择
• 3.3.8 人机交互的方案比较与选择
• 3.3.9 上位机通信的方案选择及其简介
• 3.3.10 供电电源的方案比较及芯片选择
• 3.3.11 工作加载时间的数字控制方案
• 3.4 本章小结
• 第四章 变频式超声波发生器的研究与设计
• 4.1 Atmega64的稳定性因素分析及其设计
• 4.1.1 Atmega64的稳定性因素分析
• 4.1.2 Atmega64的稳定性设计
• 4.2 AD9835的信号研究及其电路连接
• 4.2.1 AD9835的信号研究
• 4.2.2 AD9835的电路连接
• 4.3 DDS的滤波器研究与设计
• 4.3.1 DDS的低通滤波器研究与设计
• 4.3.2 DDS的高通滤波器研究与设计
• 4.4 功率放大电路的研究及其设计
• 4.4.1 功率放大电路设计的一般规律
• 4.4.2 功率放大器的供电电压选择
• 4.4.3 电压放大级的研究与设计
• 4.4.4 防止热击穿的偏置电路研究与设计
• 4.4.5 电流放大级的研究与设计
• 4.4.8 其余部分的协调设计
• 4.5 信号采样电路的研究与设计
• 4.6 频率跟踪电路的研究与设计
• 4.6.1 真有效值检测电路的研究与设计
• 4.6.2 相位差检测电路的研究与设计
• 4.6.3 频率跟踪电路的谐振锁相算法
• 4.7 模数转换的研究、编程及电路连接
• 4.7.1 Atmega64模数转换的研究与编程
• 4.7.2 MAX1282的电路连接
• 4.8 人机交互的研究与编程
• 4.8.1 Atmega64输入平台的研究及其算法
• 4.8.2 Atmega64输出显示的研究与设计
• 4.9 上位机通信的电路连接
• 4.10 供电电源的设计与分析
• 4.11 信号振幅与工作加载时间的数控研究与设计
• 4.11.1 信号振幅的数控研究与设计
• 4.11.2 工作加载时间的数控编程
• 4.12 本章小结
• 第五章 系统调试及实验结果
• 5.1 开发调试过程中的问题及其改进
• 5.1.1 晶振与DDS波形的关系
• 5.1.2 高通滤波器的隔直问题
• 5.1.3 功率放大器的短路问题
• 5.1.4 电压比较器的输出失常
• 5.1.5 真有效值检测芯片测量不准的问题
• 5.1.6 其他问题总汇
• 5.2 实验结果
• 5.2.1 换能器串联谐振相关的波形及FFT
• 5.2.2 键合效果
• 5.2.3 换能器的振幅曲线
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结及展望
• 6.1 总结
• 6.1.1 变频式超声波发生器的锁相依据研究
• 6.1.2 变频式超声波发生器的电路设计
• 6.1.3 变频式超声波发生器的创新点
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果
• 附录 （变频式超声波发生器的总图）