基于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理的超聲波發(fā)生器研究

梁杰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

在電子行業(yè)中，封裝形式已逐漸發(fā)展為SIP(System In a Package，系統(tǒng)級封裝)封裝或子系統(tǒng)級封裝，零級與一級封裝的界限逐漸被模糊化，對半導(dǎo)體后封裝工藝及其設(shè)備的性能提出了更高的要求。超聲引線鍵合在微電子封裝芯片間互聯(lián)、芯片與外引腳互聯(lián)有著廣泛應(yīng)用，如功率器件、微波器件、光電器件等的集成電路封裝[1]。微系統(tǒng)技術(shù)不斷發(fā)展，除傳統(tǒng)的熱超聲引線鍵合外，針對多點(diǎn)芯片的熱超聲倒裝鍵合設(shè)備也將廣泛應(yīng)用。超聲發(fā)生器在鍵合過程中擔(dān)負(fù)著實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生超聲振動(dòng)，傳遞超聲能量的重任，是超聲引線鍵合機(jī)的核心部件[2]，如圖1所示。它的智能化改進(jìn)和性能提升會(huì)直接推動(dòng)包括超聲鍵合、超聲清洗、超聲探傷等多領(lǐng)域?qū)Ｓ迷O(shè)備的技術(shù)發(fā)展。

1　鍵合過程和影響因素

超聲引線鍵合的連接本質(zhì)是壓力使得引線發(fā)生塑性流動(dòng)導(dǎo)致界面處的元素之間發(fā)生原子擴(kuò)散。超聲波一方面使金屬引線軟化，增強(qiáng)引線塑性流動(dòng)的能力，另一方面超聲波使引線內(nèi)部產(chǎn)生大量缺陷，成為快速擴(kuò)散通道，加速了擴(kuò)散的進(jìn)行[1]。超聲引線鍵合大致可分為如下幾個(gè)階段：

（1）劈刀下降使得引線下表面接觸到焊盤后，在劈刀壓力的作用下產(chǎn)生初步的受壓變形。

（2）超聲發(fā)生電路產(chǎn)生一個(gè)60 kHz的正弦信號驅(qū)動(dòng)換能器，利用反壓電效應(yīng)使得電信號轉(zhuǎn)換為高頻的機(jī)械振動(dòng)，再由變幅桿放大振動(dòng)幅度后傳輸?shù)叫枰I合的工作界面上。在鍵合過程中表現(xiàn)為劈刀和引線相對于靜止被鍵合面的機(jī)械摩擦作用。同時(shí)，引線吸收一部分超聲功率使得自身塑性流動(dòng)能力增強(qiáng)。引線和焊盤接觸面處的氧化膜層在摩擦力的作用下被沖破，接觸面受摩擦生熱影響溫度持續(xù)增高，引線塑性變形增強(qiáng)產(chǎn)生更大面積的焊接，焊接強(qiáng)度在元素之間的擴(kuò)散作用下不斷增強(qiáng)。

（3）鍵合點(diǎn)形成后經(jīng)歷回火階段，消除殘留應(yīng)力防止變形和開裂，穩(wěn)定鍵合點(diǎn)的組織與尺寸。這樣就完成了一次鍵合過程。

完成鍵合過程的核心階段在超聲源產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)和功率傳遞下主導(dǎo)完成。超聲的傳輸效率和控制不僅決定了最終的鍵合質(zhì)量，在很大程度上也決定了鍵合的速度和整機(jī)設(shè)備的焊接效率。確保超聲源、換能系統(tǒng)、劈刀和鍵合面之間的有效接觸和功率匹配是提高鍵合質(zhì)量和速度的前提[3，4]。然而，在實(shí)際的鍵合過程中，引線、劈刀、芯片焊盤和基板所組成的界面工況是一個(gè)不斷改變的動(dòng)態(tài)過程[5]。劈刀、引線和焊盤之間的阻尼及鍵合面微觀特性受多種因素而動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致系統(tǒng)共振頻率，振動(dòng)浮動(dòng)和相位的隨之而變。反映在劈刀振動(dòng)上表現(xiàn)為機(jī)械振動(dòng)頻率的變化；反映在電路系統(tǒng)上表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)信號頻率的變化[5]。如果超聲波發(fā)生器的頻率不變，在加載換能器后，與換能器諧振頻率不一致，就會(huì)產(chǎn)生失諧，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生停振[6]。因此，超聲波發(fā)生器應(yīng)該具備探測這種系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的能力，并在一定程度上實(shí)時(shí)補(bǔ)償其帶來的一系列不良影響。以改善超聲鍵合系統(tǒng)的穩(wěn)定性和傳輸效率，從而保證鍵合工藝的質(zhì)量和效率。

2　硬件電路實(shí)現(xiàn)

FPGA是基于查找表結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列，其應(yīng)用涵蓋了邏輯應(yīng)用、數(shù)字信號處理以及嵌入式三大應(yīng)用領(lǐng)域。選擇Xilinx公司Virtex6系列FPGA作為超聲波發(fā)生器的核心部分。如圖2所示，主要完成三個(gè)部分的工作：（1）測試部分，作為外設(shè)控制核心，應(yīng)用Verilog語言分別實(shí)現(xiàn)各外設(shè)芯片的控制核，控制外設(shè)AD芯片，DA芯片，SDRAM和USB協(xié)議芯片有序協(xié)同工作，完成四路參考信號的獲取和存儲(chǔ)。（2）超聲波發(fā)生，實(shí)現(xiàn)基于DDS（直接數(shù)字頻率合成）原理的超聲波波形發(fā)生電路。（3）數(shù)字信號處理，利用FPGA的并行高速處理能力結(jié)合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法完成超聲波信號輸出的最佳參數(shù)尋優(yōu)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

2.1　測試部分的電路實(shí)現(xiàn)

測試部分采集鍵合設(shè)備鍵合過程中的4個(gè)變化量作為數(shù)據(jù)信號處理的參考信號來源。兩個(gè)物理量：劈刀壓力、劈刀振動(dòng)頻率；兩個(gè)電信號：換能器輸入端的電壓和電流信號。劈刀壓力和振動(dòng)頻率經(jīng)過ICP壓電傳感器和振動(dòng)傳感器（諧振頻率在500 kHz以上，響應(yīng)時(shí)間小于1 μs，非線性小于1%FS）后由物理信號轉(zhuǎn)化為電信號。四路電信號經(jīng)過模擬調(diào)理電路的信號調(diào)理后成為幅度合適并保留有效特征值的參考信號。參考信號經(jīng)過A/D芯片采集后成為FPGA可處理的數(shù)字信號循環(huán)寫入SDRAM中4個(gè)不同的區(qū)塊地址中，選擇劈刀設(shè)定壓力的50%作為系統(tǒng)的觸發(fā)信號。通過負(fù)延時(shí)字長度的適當(dāng)設(shè)定，在系統(tǒng)被觸發(fā)后可以完全的保存四路參考信號的動(dòng)態(tài)曲線，后續(xù)經(jīng)過信號調(diào)理后輸入到FPGA信號處理部分，如圖3所示。

圖2　超聲波發(fā)生器原理框圖

圖3　信號調(diào)理電路原理圖（單路）

測試部分的電路設(shè)計(jì)分為模擬信號調(diào)理電路和數(shù)字采集存儲(chǔ)電路。模擬信號調(diào)理電路主要完成傳感器和系統(tǒng)的電源管理、四路模擬信號與后續(xù)數(shù)字采集電路的適配；數(shù)字采集存儲(chǔ)電路主要完成A/D芯片的時(shí)序控制（如圖4所示），SDRAM芯片的讀寫時(shí)序控制（如圖5所示），共同完成四路測試信號的數(shù)字化采集和存儲(chǔ)。同時(shí)數(shù)據(jù)可通過USB口輸出到上位機(jī)，可通過上位機(jī)軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的觀測和分析。

2.2　超聲波發(fā)生電路的電路實(shí)現(xiàn)

超聲發(fā)生部分采用DDS（直接數(shù)字頻率合成器）原理實(shí)現(xiàn)頻率波形的發(fā)生，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了頻率控制模塊和功率控制模塊動(dòng)態(tài)控制波形輸出以維持系統(tǒng)的諧振狀態(tài)。測試部分得到的工況參考信號經(jīng)過粒子群尋優(yōu)算法處理后生成控制參數(shù)分別傳遞給頻率控制模塊和功率控制模塊實(shí)現(xiàn)測控反饋系統(tǒng)來保證系統(tǒng)輸出曲線與負(fù)載系統(tǒng)的自匹配。

如圖6所示，F(xiàn)CLK代表驅(qū)動(dòng)DDS的時(shí)鐘頻率，K為頻率控制字，N位相位累加器由一個(gè)累加器和一個(gè)N位的地址寄存器組成，ROM中存儲(chǔ)2N個(gè)輸出電平值代表一個(gè)周期內(nèi)對正弦信號的2N個(gè)離散抽樣值。FCLK驅(qū)動(dòng)累加器以頻率控制字K為單位進(jìn)行累加，累加結(jié)果即為ROM sinθ查詢表的地址，通過查找表地址輸出對應(yīng)寄存器中的值作為輸出電平在FCLK的不斷驅(qū)動(dòng)下輸出離散波形。累加器加滿溢出的時(shí)刻對應(yīng)輸出波形的一個(gè)周期。通過調(diào)整頻率控制字K的長度即可調(diào)節(jié)DDS頻率合成器的輸出波形頻率。頻率輸出公式即：foutput=K·FCLK/2N，其中FCLK/2N項(xiàng)即為輸出頻率的分辨率。仿真的波形輸出如圖7所示。

圖4　AD芯片控制流程圖

圖5　SDRAM芯片控制流程圖

圖6　DDS頻率合成原理圖

圖7　DDS仿真輸出波形圖

3　動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理及實(shí)現(xiàn)

常見的動(dòng)態(tài)誤差修正方法有數(shù)值微分法、疊加積分法、頻率域修正法和反卷積法等。目前研究的熱點(diǎn)集中在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)上，即采取增加補(bǔ)償環(huán)節(jié)的辦法對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差進(jìn)行修正。所謂動(dòng)態(tài)補(bǔ)償即針對動(dòng)態(tài)誤差的非線性補(bǔ)償。動(dòng)態(tài)誤差修正技術(shù)的目的都是為了提高控制精度，減小動(dòng)態(tài)誤差。運(yùn)用改進(jìn)PSO算法可得到的最優(yōu)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系數(shù)按照分布式算法的思想轉(zhuǎn)換成ROM查找表操作，避免了乘法運(yùn)算，查找表后的數(shù)據(jù)只需做簡單的加法運(yùn)算就可得到補(bǔ)償結(jié)果，大大提高了運(yùn)算速度，該方法為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償在線實(shí)時(shí)測量補(bǔ)償中的應(yīng)用提供了一條有效途徑[7]。

3.1　建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的一種方法是對測試系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立全面描述測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，這種方法屬于系統(tǒng)辨識法。許多系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性均可以近似的用低階系統(tǒng)來描述，其參數(shù)的物理意義便見明確，建模方法比較簡單實(shí)用。

為了獲取其動(dòng)態(tài)特性，研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。以低階系統(tǒng)的頻率域建模方法建模：

許多系統(tǒng)可以近似用低階傳遞函數(shù)描述，典型的二階系統(tǒng)傳函為：

ξ為阻尼比，wn=1/T為系統(tǒng)固有頻率

通過實(shí)測多個(gè)鍵合過程中四路信號的變化曲線，將得到的曲線樣本進(jìn)行頻域變換來得到幅頻相應(yīng)曲線。在有峰值的幅頻特性曲線上有5個(gè)較重要的特征點(diǎn)：峰值、諧振頻率、幅值誤差在百分之十內(nèi)的工作頻帶、幅度誤差在百分之五的工作頻帶、通頻帶。得到這些特征點(diǎn)后便可利用峰值與阻尼比的關(guān)系求出阻尼比；再用諧振頻率與阻尼比求出固有頻率；用通頻帶可以檢查回歸效果。至此用來描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型就建立了。當(dāng)然眾多更優(yōu)的方法會(huì)得到更加準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這里不做重點(diǎn)研究。

3.2　動(dòng)態(tài)誤差的補(bǔ)償

補(bǔ)償?shù)幕舅悸穼?shí)質(zhì)上就是：希望補(bǔ)償模型與實(shí)測模型的級聯(lián)系統(tǒng)輸出與理論上的設(shè)計(jì)頻率和功率信號具有最小的動(dòng)態(tài)識差。在補(bǔ)償時(shí)這一目的是通過尋求最佳的模型系數(shù)來達(dá)到的。因此可將這個(gè)問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)多變量的優(yōu)化問題。在圖8所示的框圖中，鍵合過程對應(yīng)的系統(tǒng)誤差曲線模型經(jīng)過級聯(lián)逆模型后得到信號經(jīng)過尋優(yōu)算法得到在某參數(shù)下的輸出曲線與設(shè)計(jì)值最佳逼近。則我們認(rèn)為此逆模型即為滿足該目標(biāo)的最佳動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型。

圖8　逆模型補(bǔ)償原理表述圖

根據(jù)上述思路，容易建立以下目標(biāo)函數(shù)：

ΔT為采樣間隔

k為采樣點(diǎn)數(shù)

逆模型的傳遞函數(shù)為：

可令 x=(k，c1，c2，...，cn，d1，d2，...，dn)T則模型的設(shè)計(jì)可描述為求取系數(shù)列向量x，使得Σ偏差→0或某設(shè)定值Min

由于目標(biāo)函數(shù)F與系數(shù)向量x之間沒有明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，擬采用一種多變量優(yōu)化的直接方法一單純形法：根據(jù)問題的維數(shù)n選取由n+1個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成。求出這些頂點(diǎn)處的目標(biāo)函數(shù)值并加以比較。確定它們當(dāng)中有最大值的點(diǎn)及函數(shù)值的下降方向，再設(shè)法找到一個(gè)新的比較好的點(diǎn)替換那個(gè)有最大值的點(diǎn)，從而構(gòu)成新的單純形。隨著這種取代過程的不斷進(jìn)行，新的單純形將向著極小點(diǎn)收縮。這樣經(jīng)過若干次選代，即可得到滿足收斂準(zhǔn)則的近似解。利用FPGA的并行處理優(yōu)勢，將乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)換成加法以及移位運(yùn)算，能夠高速完成大量的乘法運(yùn)算，極大地提高了芯片的使用效率。事先構(gòu)造一個(gè)查找表，該表存儲(chǔ)著輸入信號二進(jìn)制表示的每一位所有可能的邏輯值與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系數(shù)與運(yùn)算的結(jié)果，那么就可以通過各個(gè)輸入變量相應(yīng)位的組合值來對該表進(jìn)行查找，從而在擺脫乘法運(yùn)算的條件下得到計(jì)算結(jié)果，如圖9所示。在進(jìn)行FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，設(shè)置一定深度的ROM儲(chǔ)存該查找表結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

動(dòng)態(tài)補(bǔ)償完成對上一個(gè)數(shù)據(jù)的修正，在FPGA的控制下DA轉(zhuǎn)換芯片將處理結(jié)果恢復(fù)為模擬信號。最后通過功放電路和匹配電路將模擬信號處理后輸出到換能器，構(gòu)成一套具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償參數(shù)功能的超聲波發(fā)生系統(tǒng)。

圖9　動(dòng)態(tài)補(bǔ)償并行結(jié)構(gòu)圖

圖10　FPGA頂層原理圖

4　結(jié)束語

本文在對超聲鍵合的工藝過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理的超聲波發(fā)生器設(shè)計(jì)。具體分章節(jié)對系統(tǒng)的模擬信號調(diào)理電路、數(shù)字信號采集存儲(chǔ)電路、超聲波信號發(fā)生電路和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法以及其FPGA實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行了敘述。超聲波發(fā)生系統(tǒng)通過感知（測試）鍵合工藝過程中實(shí)際非理想狀態(tài)下工況對超聲發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生影響的相關(guān)參考變量，再經(jīng)過對其逆模型（補(bǔ)償模型）的建模和最優(yōu)補(bǔ)償參數(shù)的尋優(yōu)，最終實(shí)現(xiàn)超聲系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償影響超聲系統(tǒng)穩(wěn)定輸出的不良影響。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提高了超聲發(fā)生系統(tǒng)的自適應(yīng)和自穩(wěn)定能力。在全自動(dòng)鍵合機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，由于前道貼片工序帶來的不一致性，表面微觀狀態(tài)的差異性導(dǎo)致的復(fù)雜工況變化更加使得設(shè)備需要具備這種自動(dòng)調(diào)節(jié)能力。在全自動(dòng)超聲設(shè)備的應(yīng)用中，具備動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能力的超生發(fā)生器會(huì)體現(xiàn)出更重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]計(jì)紅軍.超聲楔焊鍵合物理工程及其規(guī)律研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005．

[2]馬生生，孫麗娜，井文麗.熱聲焊機(jī)超聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2011，40(5)：48-51.

[3]謝敬華，李小平，范良志，國蓉.提高引線鍵合機(jī)超聲系統(tǒng)性能的若干因素的分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，(3)：65-67.

[4]韓為民.鍵合機(jī)中超聲波的基本控制原理及方法[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2003，32(5)：21-26.

[5]王富亮，劉少華.超聲引線鍵合過程的信號采集與分析系統(tǒng)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，(6)：142-147．

[6]杜曉明.基于FPGA的自適應(yīng)大功率超聲信號源的設(shè)計(jì)[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2009．

[7]吳健，張志杰，王文廉.傳感器動(dòng)態(tài)誤差高速并行修正方法及其FPGA實(shí)現(xiàn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25(1)：67-69.

[8]Sascha Eichstadt，Alfred Link，Clemens Elster.Dynamic Uncertainty for Compensated Second-Order Systems[J].Sensors，2010，10(8)：7621-7631.

[9]陳貴敏，賈建援，韓琪.粒子群優(yōu)化算法的慣性權(quán)值遞減策略研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40(1)：53-56.

[10]Sheng Chen，Bing L.Luk.Digital IIR filter design using particle swarm optimization.Int.J.Modelling[J].Identification and control，2010，9(7)：327-335.