引线键合系统设计理论与关键技术

论文摘要

本文以开发面向引线键合的高速、高精密定位平台为目标,系统深入的研究了三自由度高速、高精度定位平台的结构设计、动力学建模、高频超声换能器优化设计以及相应的匹配电路等关键技术,并研制了引线键合精密定位平台样机。设计了一种基于音圈电机直接驱动、新型弹性解耦的三自由度高速、高精度引线键合定位平台。利用虚拟样机技术建立了精密定位平台的刚—弹耦合模型,并利用定位平台的动态响应确定了最佳的弹簧刚度及预紧力,利用有限元方法对弹性铰链进行了优化设计。对引线键合精密定位平台的静、动态特性进行了实验研究,实验结果表明引线键合精密定位平台的动态性能良好,达到了封装平台的设计要求。设计了98kHz高频超声换能器。建立了系统的机电等效电路,根据一维弹性波理论推导出其纵向振动频率方程,确定了98kHz超声换能器的初始参数。依据系统的谐振特性进行优化设计,得到了其最佳结构参数。对系统的阻抗特性、轴向、径向振动传递特性进行了测试,实验结果表明具有良好的振动特性。基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)技术,设计了具有频率自动跟踪功能的超声换能器系统驱动电源。该电源具有放大、滤波、电路匹配及锁相频率跟踪等功能,通过超声换能器的振动传递特性实验,验证了驱动电源的有效性。对引线键合定位平台进行了相关实验,对平台进行了性能测试。结果表明,平台定位最大位移为50mm,最大速度可达到0.5m/s;最大加速度可达到7.5g;重复定位精度可达到±2μm,满足芯片封装等领域的极限高速、高精度需求。研究工作为引线键合精密定位平台的进一步研究奠定了基础,也为相关定位系统研究理论提供借鉴方法和实践经验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外引线键合精密定位系统的研究现状
• 1.2.1 驱动方式
• 1.2.2 运动机构形式
• 1.2.3 动力学建模及系统动态设计
• 1.3 国内外引线键合超声换能系统的研究现状
• 1.3.1 引线键合超声换能器驱动材料的选择
• 1.3.2 引线键合超声换能器的结构及能量传递特性
• 1.3.3 引线键合超声换能系统电路的匹配与控制
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 引线键合精密定位平台的设计研究
• 2.1 引言
• 2.2 引线键合精密定位平台总体结构设计
• 2.3 音圈电机的工作原理及选型
• 2.4 键合头结构系统设计分析
• 2.5 精密定位平台系统建模及设计分析
• 2.5.1 基于虚拟样机技术的弹性解耦机构动态设计
• 2.5.2 考虑铰链弹性时弹簧刚度及预紧力的设计匹配分析
• 2.5.3 弹性铰链的结构设计及有限元分析
• 2.6 精密定位平台控制系统的开发
• 2.6.1 控制系统的组成
• 2.6.2 基于LabView 的控制系统开发
• 2.7 精密定位平台的工作状况仿真分析
• 2.8 样机制作
• 2.9 本章小结
• 第三章 引线键合精密定位平台动力学建模及动态特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 X 轴向平台系统建模
• 3.2.1 X 轴向平台的位移响应
• 3.3 Y 轴向平台系统建模
• 3.3.1 Y 轴向平台的位移响应
• 3.4 引线键合精密定位平台动态特性分析
• 3.4.1 引线键合精密定位平台有限元模型的建立
• 3.4.2 引线键合精密定位平台的模态分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 引线键合高频超声换能器设计
• 4.1 引言
• 4.2 高频超声换能器的设计理论及方法
• 4.2.1 超声波振动现象分析
• 4.2.2 高频超声换能器的设计理论及方法
• 4.3 压电陶瓷材料及其纵振模式
• 4.3.1 压电陶瓷材料及其重要参数
• 4.3.2 压电陶瓷振子振动模式分析
• 4.4 高频超声换能器系统的优化设计
• 4.4.1 纵振换能器机电等效电路及其频率方程
• 4.4.2 高频超声换能器设计
• 4.4.3 高频超声换能器谐振特性分析
• 4.4.4 高频超声换能器实验测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 引线键合高频超声换能器驱动电源设计
• 5.1 引言
• 5.2 高频超声换能器驱动电源组成及匹配分析
• 5.2.1 高频超声换能器驱动电源匹配原理分析
• 5.2.2 高频超声换能器驱动电源匹配电路设计
• 5.2.3 高频超声换能器驱动电源其它电路设计
• 5.3 基于CPLD 技术的锁相环电路设计
• 5.3.1 锁相环电路原理分析
• 5.3.2 基于CPLD 技术的频率跟踪电路设计
• 5.4 高频超声换能器驱动电源的实验分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 引线键合精密定位平台实验研究与性能测试
• 6.1 引言
• 6.2 实验系统设计
• 6.2.1 定位平台性能与模态实验系统组成
• 6.2.2 高频超声换能系统振动传递特性实验系统组成
• 6.3 引线键合精密定位平台性能试验
• 6.4 引线键合精密定位平台模态试验
• 6.5 引线键合高频超声换能系统振动传递特性试验
• 6.6 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文与参加科研情况说明
• 致谢