基于ABAQUS的LED固晶臂優(yōu)化研究

趙振宇，肖永山， 黃世昌， 王曉麗，張澤熙

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣東 深圳 518172）

LED技術(shù)在光領(lǐng)域?qū)⒏淖兪澜?，?1世紀(jì)LED照明將成為最具發(fā)展前景的高科技技術(shù)，特別是以發(fā)展高亮度LED為核心的半導(dǎo)體照明技術(shù)將成為全球產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)[1-2]。

LED引線鍵合設(shè)備涉及許多不同領(lǐng)域的科學(xué)和技術(shù)，如系統(tǒng)集成技術(shù)、微電子技術(shù)、精密光學(xué)、高精密自動(dòng)控制技術(shù)、高精密機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、顯微視覺技術(shù)、微力混合控制技術(shù)、熱壓超聲控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感技術(shù)、材料學(xué)等[3-4]，是一個(gè)綜合性、技術(shù)含金量非常高的光、機(jī)、電一體化設(shè)備。

LED固晶設(shè)備作為高速、高精度系統(tǒng)，其關(guān)鍵部件必須在高動(dòng)態(tài)工作狀況下，具備優(yōu)良的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)[5]：①運(yùn)動(dòng)部件具有低的慣量特性；②部件具有高的剛度，以保證系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)特性；③降低部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)中非線性的影響。根據(jù)對(duì)現(xiàn)有固晶設(shè)備進(jìn)行的固晶臂振動(dòng)與模態(tài)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在不同約束情況下，其固有頻率變化較大，而且振型發(fā)生了扭曲，這是希望避免的情形。這些方面限制了引線鍵合設(shè)備的精度、速度和加速度的進(jìn)一步提高。

本文通過改變固晶臂幾何結(jié)構(gòu)，得出LED固晶臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；基于有限元分析方法，比較在不同的約束情況和裝配剛度情況下固晶臂的固有特性，為L(zhǎng)ED固晶設(shè)備的精度與速度提高奠定基礎(chǔ)。

1 固晶臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在SOLIDWORKS中建立固晶臂（材料為鎂鋁合金）的幾何模型，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)與制造過程出現(xiàn)的問題，進(jìn)行不同的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，如表1。將幾何模型導(dǎo)入ABAQUS，進(jìn)行材料屬性分析，如表2所示。

表1 LED固晶臂不同結(jié)構(gòu)Tab.1 Different structures of LED die-bonding arm

序號(hào) 幾何改變情況 示意圖6 增加螺栓孔支撐部厚度7 改變螺栓孔支撐部厚度

固晶臂有較多的孔和槽結(jié)構(gòu)，難以劃分六面體網(wǎng)格，劃分所用的總體尺寸統(tǒng)一設(shè)定為2，其他網(wǎng)格設(shè)定均保持為默認(rèn)。在不同結(jié)構(gòu)的固晶臂比較時(shí)，對(duì)網(wǎng)格的影響情況進(jìn)行相應(yīng)驗(yàn)證，各個(gè)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格總數(shù)的差別在5%之內(nèi)。

表2 AZ31B-F材料屬性Tab.2 AZ31B-F material properties

分析中采用統(tǒng)一約束，原始約束情況和ABAQUS中施加的約束如圖1和圖2。

圖1 約束區(qū)域局部示意圖Fig.1 Partial schematic view of constraint regions

圖2 ABAQUS中施加的約束Fig.2 Constraints imposed in ABAQUS

所有模型均在臂頭部施加一個(gè)2.2g的質(zhì)量點(diǎn)，以模擬螺栓和吸嘴的質(zhì)量。如圖3所示。

圖 3 質(zhì)量點(diǎn)模型Fig.3 Quality point model

計(jì)算表1中的所有情況的前3階模態(tài)，結(jié)果在表3中列出。

由表3可得出，固晶臂的臂身挖槽形式和大小方向，對(duì)固晶臂的模態(tài)影響不大；改變螺栓孔支撐區(qū)域的厚度，可以顯著提高固晶臂的固有頻率，且厚度與固有頻率成正比。

表3 不同模型的前三階固有頻率Tab.3 First three natural frequencies of different models

2 固晶臂不同約束的仿真分析

基于原始設(shè)計(jì)的幾何模型，采用2.2g的質(zhì)量點(diǎn)加到臂頭部模擬螺栓和吸嘴的質(zhì)量。通過改變固晶臂尾部的約束位置，進(jìn)行相應(yīng)仿真并對(duì)比其仿真結(jié)果，找出模態(tài)結(jié)果對(duì)不同位置約束的敏感性。

約束的不同位置及示意圖見表4。

計(jì)算這三種情況下的前三階固有頻率，列入表5。

表4 不同約束位置列表Tab.4 Location of different constraints

表5 前三階固有頻率比較表Tab.5 First three natural frequency comparison

從表5中可以得出，支撐板位置與螺栓位置相比，前者對(duì)固有頻率的影響更大；螺栓孔處的約束對(duì)固有頻率的影響不大。

3 裝配剛度對(duì)固晶臂模態(tài)的影響

在固晶臂的支撐板安裝螺栓位置，采用2.2g的質(zhì)量點(diǎn)模擬頭部的螺栓和吸嘴，使用ABAQUS中的彈簧模擬裝配剛度對(duì)固晶臂模態(tài)的影響情況，如圖4所示。

圖4 彈簧位置示意圖Fig.4 Spring positions before changing

分別設(shè)螺栓剛度從0.8N/mm到8000N/mm變化，模擬不同的安裝剛度對(duì)模態(tài)的影響，列出各種剛度下前三階固有頻率如表6所示。

將彈簧的位置移到螺栓孔處（見圖5），而將支撐板所在的位置設(shè)置為固定約束，重新計(jì)算，得到表7。

圖5 改變彈簧位置Fig.5 Spring positions after changing

表6 前三階固有頻率Tab.6 First three natural frequencies

表7 前三階固有頻率Tab.7 First three natural frequencies

從表7中可得出，固有頻率對(duì)支撐板處的剛度變化較敏感，而對(duì)螺栓孔處的剛度變化不敏感。

4 結(jié)論

LED固晶設(shè)備作為高速、高精度系統(tǒng)，其關(guān)鍵部件LED固晶臂必須在高動(dòng)態(tài)工作狀況下，具備優(yōu)良的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)?；谟邢拊治鲕浖嗀BQUS，對(duì)固晶臂不同結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了仿真對(duì)比，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；同時(shí)針對(duì)不同約束情況與裝配剛度對(duì)固晶臂動(dòng)態(tài)特性的影響進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）固晶臂的臂身挖槽形式和大小方向?qū)叹П鄣哪B(tài)影響不大；改變螺栓孔支撐區(qū)域的厚度，可以顯著提高固晶臂的固有頻率，且厚度與固有頻率成正比。

（2）支撐板位置與螺栓位置相比，前者對(duì)固有頻率的影響更大，螺栓孔處的約束對(duì)固有頻率的影響不大。

（3）固有頻率對(duì)支撐板處的剛度變化較敏感，而對(duì)螺栓孔處的剛度變化不敏感。

（4）后期的固晶臂結(jié)構(gòu)可通過加厚支撐板，或者加強(qiáng)支撐板處的螺栓連接來改變支撐板處的剛度；同樣可適當(dāng)加厚螺栓孔支撐區(qū)域的厚度來提高固有頻率。

（References）

[1]王勃華.關(guān)于發(fā)展我國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備制造業(yè)的思考[J].集成電路應(yīng)用.2003, Vol.8:1-5.WANG Bohua. Reflections on development of China's semiconductor equipment manufacturing[J]. Applica-tions of IC. 2003, (8): 1-5. (in Chinese)

[2]柏德葳. 全球LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)[J]. 電子測(cè)試. 2007,Vol.08:5-7.BO Dewei. Global LED industry developments[J]. Electronic Test. 2007, (8): 5-7. (in Chinese)

[3]王延風(fēng), 何惠陽. 全自動(dòng)金絲球焊機(jī)的CAD/CAE設(shè)計(jì)研究[J]. 光學(xué)精密工程. 2002, Vol.10 (5):466-470.WANG Yanfeng, HE Huiyang. Design of fully automatic gold wire bonder with CAD/CAE[J]. Optics and Precision Engineering. 2002, 10 (5): 466-470. (in Chinese)

[4]王石剛，梁慶華.先進(jìn)IC封裝工藝設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)[J].集成電路應(yīng)用.2003, Vol.8:11-14.WANG Shigang, LIANG Qinghua. Advanced IC packaging process equipment and key technologies[J]. Applications of IC. 2003, 8:11-14. (in Chinese)

[5]韓為民.鍵合機(jī)三維工作臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備.2003, Vol.103 (6):78-82.HAN Weiming. Design of control system for an XYZ table used in wire bonders[J]. Equipment for Electronic Products Manufacturing. 2003, Vol.103 (6):78-82. (in Chinese)