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[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)、高精密自動控制技術(shù)、高精密機械設(shè)計技術(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)、計算機科學(xué)、傳感技術(shù)、材料學(xué)等[3-4]，是一個綜合性、技術(shù)含金量非常高的光、機、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)鍵部件必須在高動態(tài)工作狀況下，具備優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)[5]：①運動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)良好的動態(tài)特性；③降低部件的運動學(xué)和動力學(xué)中非線性的影響。根據(jù)對現(xiàn)有固晶設(shè)備進行的固晶臂振動與模態(tài)測試，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LED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

在SOLIDWORKS中建立固晶臂（材料為鎂鋁合金）的幾何模型，根據(jù)實際設(shè)計與制造過程出現(xiàn)的問題，進行不同的結(jié)構(gòu)改進，如表1。將幾何模型導(dǎo)入ABAQUS，進行材料屬性分析，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 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。在不同結(jié)構(gòu)的固晶臂比較時，對網(wǎng)格的影響情況進行相應(yīng)驗證，各個結(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2.2g的質(zhì)量點，以模擬螺栓和吸嘴的質(zhì)量。如圖3所示。

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

計算表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)計的幾何模型，采用2.2g的質(zhì)量點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，進行相應(yīng)仿真并對比其仿真結(jié)果，找出模態(tài)結(jié)果對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，前者對固有頻率的影響更大；螺栓孔處的約束對固有頻率的影響不大。

3 裝配剛度對固晶臂模態(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)量點模擬頭部的螺栓和吸嘴，使用ABAQUS中的彈簧模擬裝配剛度對固晶臂模態(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，固有頻率對支撐板處的剛度變化較敏感，而對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固晶臂必須在高動態(tài)工作狀況下，具備優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)?；谟邢拊治鲕浖嗀BQUS，對固晶臂不同結(jié)構(gòu)形式進行了仿真對比，得出優(yōu)化設(shè)計方案；同時針對不同約束情況與裝配剛度對固晶臂動態(tài)特性的影響進行分析，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，前者對固有頻率的影響更大，螺栓孔處的約束對固有頻率的影響不大。

（3）固有頻率對支撐板處的剛度變化較敏感，而對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）

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