超声换能器ANSYS建模及谐响应分析.zip

第9卷　第10期　2009年5月167121819(2009)1022728204　科　学　技　术　与　工　程ScienceTechnologyandEngineering　Vol19　No110　May2009Ζ　2009　Sci1Tech1Engng1超声换能器ANSYS建模及谐响应分析刘　炜1,2　吴运新13(中南大学机电工程学院1,长沙410083;湖南铁路科技职业技术学院,株州412000)摘　要　超声换能器是超声键合装备的一个重要组成部分,芯片的键合质量与超声换能器的响应有着非常密切的关系。通过有限元分析软件ANSYS进行建模,获得换能系统谐响应曲线,并利用多普勒测速仪验证有限元分析的结果。关键词　PZT换能器　　ANSYS　　有限元　　谐响应　　多普勒测速仪中图法分类号　TB552;　　　　文献标志码　A2009年2月9日收到国家自然科学基金(50390064)、博士点基金(20060533068)资助第一作者简介:刘　炜(1972—)男,汉族,湖南攸县人,机电工程硕士生,讲师,研究方向:机电一体化技术。3通信作者简介:吴运新(1963—),男,教授,博士生导师,研究方向:机械设计。E2mail:wugunxin@mail.csu.edu.cn。　　换能系统作为超声引线键合和热超声倒装键合系统的重要组成部分,其超声振动特性直接影响系统的能量输出,由此影响芯片与基板之间的键合质量。换能系统综合电场、力场、声场等不同物理系统,其振动特性相当复杂,包含多种振动模态[1]。由此,研究与分析换能系统的振动特性,对换能系统的性能评判与设计依据具有重要意义。图1　换能器系统的组件图热超声引线键合系统主要是由超声发生器、PZT换能器、变幅杆、劈刀等部分组成。超声发生器的电能量通过PZT换能器的逆压电效应转换为纵向机械振动,然后经过变幅杆的放大作用,再经过劈刀转化为与芯片平行的横向振动,由此劈刀尖端带动金线(或铝丝)与基板发生相互摩擦振动,从而将超声能量传递到键合界面。图2　换能器系统的组成1　超声换能器ANSYS建模有限元法又叫做有限单元法,它实质上是一种数值计算方法,其首先将一些实际的结构划分为一系列的离散单元(这些单元是通过公共节点连接在一起的),然后对这些单元组合体进行分析。通常的结构有限单元分析过程可以概括为:通过各种标准元件的组合构造出任意复杂的离散结构分析模型,然后由相邻单元公共节点处的平衡条件,集成总体刚度方程,引入边界条件建立结构平衡方程并 求得位移解。1.1　换能系统尺寸参数换能系统建模中要用到的换能杆各部分尺寸参数[2]设置如半截面图3所示。图3　换能系统截面图图3各部件尺寸大小如表1。表1　换能系统尺寸×10-3m名称尺寸值名称尺寸值d_bsteel5.1d_capi7.0d_pzt14.28r_bsteel6.72d_fsteel5.1r_insteel3.2d_mount40.47ri_pzt4.0d_taper43.9r_mount5.33r_dtaper2.0　　换能系统中用到的各种材料特性参数、单元类型如表2。表2　材料参数序号组成部分材料单元类型密度ρ/(kg.m-3)弹性模量E/GPa泊松比1预紧螺栓、前后盖板、变幅杆不锈钢Solid4579302260.282压电陶瓷片PZT-4Solid577003键合工具Al2O3Solid4540003930.271.2　ANSYS分析的建模过程利用ANSYS10.0软件建立换能系统有限元模型,包括4片PZT压电陶瓷片、前后盖板、安装过渡部分、变幅杆及键合工具等部分。采用关键点生成面、网格划分面、旋转扫掠生成体单元等方法建立有限元模型,模型包含19716个单元及38905个节点。2　谐响应分析2.1　谐响应分析理论谐响应分析用于确定线性结构在随时间以正弦规律变化的载荷作用下的稳态响应,从而得到结构部件的响应随频率变化的规律。周期载荷作用下的运动方程如下:S[M]X..+[C]X.+[K]{X}={F}sinθt。式中:[C]—阻尼矩阵;{F}—简谐载荷的幅值向量;θ—激振力的频率。位移响应为:X=Asin(θt+φ)。式中:{A}—位移幅值向量,与结构固有频率ω和载荷频率θ以及阻尼[C]有关;φ—位移响应滞后激励载荷的相位角。2.2　谐响应ANSYS命令流谐响应分析是用于确定换能器在承受随时间按正弦规律变化的激励电压时的稳态响应,目的是计算出换能器的动力响应,得到位移对频率的幅频特性曲线及其它结果随频率变化的情况。对于谐响应分析,峰值响应发生在激励电压频率和固有频率相等时,只有当换能器的工作频率与其固有频率相等时,换能器的端面才能达到最大位移。本文采用完整的系统矩阵计算谐响应的分析方法,其谐响应ANSYS命令流为:927210期刘　炜,等:超声换能器ANSYS建模及谐响应分析　 /SoluAntype,harm　　　　!设置分析类型为谐响应分析Hropt,full　　　　!谐响应分析方式为完全法Alph,5　　　　!定义质量矩阵乘数Harfrq,50000,65000　　　　!设置范围为50-65KNsubst,15　　　　!设置载荷子步数为15KBC,1　　　　!设置载荷加载方式为逐步加载!设置PZT电压D,nel1,VOLT,0.0D,nel2,VOLT,10.0D,nel3,VOLT,0.0D,nel4,VOLT,10.0D,nel5,VOLT,0.0ALLSsolvfinish/post26!结果后处理程序nsel,s,loc,x,d_bsteel+d_pzt+d_fsteel+d_mount+d_tapernsel,r,loc,z,0nsel,r,loc,y,03GET,tip,NODE,,NUM,MINnsol,2,tip,u,z,tip_uznsel,allwpcsysplvar,2　　　　!图形显示输出结果prvar,2finish/post1set,1,1pldisp,1　　　　!显示结构位移量finish2.3　分析结果工具端面的振幅是超声加工所关心的一个问题,在ANSYS后处理程序POST26中,定义一个变量代表工具端面节点(变幅杆端面圆心处)的纵向(X方向)位移自由度,绘出其随频率变化的关系曲线下图所示。　　由图6可见,在频率为56kHz附近,整个超声换能系统达到谐振状态,其振动的位移为1.127×10-6m。图6　换能系统谐响应曲线3　结论通过有限元分析软件ANSYS进行换能器建模,并进行换能系统的响应分析,获得系统谐响应曲线。可以发现换能系统在56kHz时达到了谐振状态,振幅为1.127μm。这一结果经过PSV-400-M2高频型扫描式多普勒测速仪测试得到验证[3]。这有益于了解超声键合工艺流程,在理解换能系统的工作方式和优化设计方面也有很大的作用。参　考　文　献1　万德安,刘春节.超声变幅杆的模态分析.机械与电子,2004;(4):10—112　隆志力,吴运新,韩　雷,等.热超声引线键合换能系统振动特性仿真研究.中国机械工程,2006;17(15):1613—161733　王福亮,韩　雷,钟　掘.超声引线键合PZT驱动信号采集分析系统.焊接学报,2006;27(1):1—50372科　学　技　术　与　工　程9卷 ModelingofUltrasonicTransducerthroughSoftwareANSYSandtheSystemHarmonyResponseLIUWei1,2,WUYunxin13(SchoolofMechanicalandElectronicalEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,P.R.China;SchoolofProfessionandTechnologyofHunanScienceandTechnology,Zhuzhou412000,P.R.China)[Abstract]　Theultrasonictransducerisoneimportantpartsoftheultrasonicbondingequipment,thechipbond2ingqualityandtheultrasonictransducerresponsehavetheextremelycloserelationship.ThemodellingiscarriedthroughfiniteelementanalysissoftwareANSYS,andobtainedthesystemharmonyresponse,andusedDopplerve2lometermeasurementvalidatestheresultoffiniteelementanalysis.[Keywords]　PZT　　transducerANSYSsimulation　　finityelementDopplervibrometermeasurement(上接第2723页)3　WookLeejong,ChaejeongSeok,KimchangSeop.Quinazolinderiva2tives.US:5686458,19972112114　SorberaLA,CastanerJ,MartinL,etal.Revaprazanhydrochloride.DrugsoftheFuture,2004;29(5):455—4595　HongYW,LeeYN,KimHB.Processforpreparationofpyrimidinederivatives.US:5990311,19992112236　BreenGF,ForthMA,PopkinME.Processforpreparing12methyl21,2,3,42tetrahydroisoquinolineorasaltthereof.WO:0288088,20022112077　KozikowskiAP,PangYP,ShumP,etal.Synthesis,molecularmodeling,22DNMR,andbiologicalevaluationofILVmimicsaspo2tentialmodulatorsofproteinkinaseC.JournaloftheAmericanChemi2calSociety,1993;115(10):3957—3965One2stepSynthesisof12methyl21,2,3,42tetrahydroisoquinolineCHENXiao2fang,CHENJian2jun(TaizhouTechnicalCollege,Taizhou318000,P1R1China)[Abstract]　Toimprovethesyntheticprocedureof12methyl21,2,3,42tetrahydroisoquinolinestartingfromα2meth2ylbenzylaminewassynthesizedbyonestep1Itisresultsedthattheyieldwas72.2%1Itisconclusedthattherouteofsynthesisisshort,thereactionconditionismoderateandthestartingmaterialisverycheaptoget1Soitissuitableforindustrializedproduction.[Keywords]　12methyl21,2,3,42tetrahydroisoquinoline,　　synthesis　　onestep137210期刘　炜,等:超声换能器ANSYS建模及谐响应分析