宮文峰 張美玲 陳輝 王鑫

摘要：為掌握鍵合臂的模態(tài)特性對(duì)保障貼片機(jī)鍵合精度的影響，建立鍵合臂的模態(tài)特性綜合對(duì)比分析模型，以簡(jiǎn)化安裝工況下的鍵合臂為對(duì)象，通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法對(duì)比分析鍵合臂的約束模態(tài)特性。通過ANsYs有限元數(shù)值計(jì)算得到前6階振型特征，并以此為參考確定實(shí)驗(yàn)中激振點(diǎn)布置方案，然后聯(lián)合使用IlMs Test.Lab錘擊系統(tǒng)和POLYTEc激光測(cè)振儀等工具對(duì)鍵合臂進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)。通過模態(tài)參數(shù)特征識(shí)別和提取，經(jīng)一致性對(duì)比分析，得到鍵合臂準(zhǔn)確的模態(tài)參數(shù)和剛度分布情況。研究表明，鍵合臂的一階固有頻率為306H7，遠(yuǎn)高于外部激振源最高頻率，動(dòng)態(tài)特性滿足設(shè)計(jì)要求。研究結(jié)果為貼片機(jī)鍵合臂的結(jié)構(gòu)輕量化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及整機(jī)的防振、抑振等提供理論支撐和實(shí)驗(yàn)參考。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析;參數(shù)識(shí)別;特征提取;貼片機(jī);振動(dòng)測(cè)試

中圖分類號(hào)：TM934文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）04-0029-06

0引言

貼片機(jī)是LED后封裝產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，主要功能是將晶圓芯片快速的貼裝在引線框架或PCB板等載體上。鍵合臂是LED貼片機(jī)擺臂機(jī)構(gòu)中最重要的運(yùn)動(dòng)部件之一，在高頻高加速的擺動(dòng)運(yùn)行中，常因其剛度不足而產(chǎn)生殘余振動(dòng)，實(shí)驗(yàn)中通過用高倍CCD相機(jī)對(duì)貼片機(jī)擺臂機(jī)構(gòu)采集運(yùn)行動(dòng)態(tài)圖像發(fā)現(xiàn)，在鍵合臂末端處產(chǎn)生最大位移偏量;在鍵合臂周邊有多部驅(qū)動(dòng)電機(jī)，當(dāng)伺服電機(jī)或外部環(huán)境工作頻率高于鍵合臂的低階固有頻率時(shí)將會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，直接影響芯片的鍵合質(zhì)量和精度。為獲取LED貼片機(jī)擺臂機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能及剛度分布情況，防止因外部激擾而共振，有必要研究鍵合臂的模態(tài)特性。文中采用有限元理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法對(duì)國內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的LED貼片機(jī)某鍵合臂的模態(tài)特性進(jìn)行了研究。通過對(duì)結(jié)果進(jìn)行一致性比較，為擺臂機(jī)構(gòu)鍵合臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、防振抑振及故障診斷提供參考依據(jù)。

1LED貼片機(jī)擺臂系統(tǒng)

LED貼片機(jī)擺臂系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)1、偏心輪2、伺服電機(jī)3、壓輪4、平衡彈簧5、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)6、花鍵軸7、鍵合臂8和鍵合頭9等組成，如圖1所示。鍵合頭的運(yùn)動(dòng)由擺臂繞z軸作±90°的轉(zhuǎn)動(dòng)和鍵合臂的上下垂直運(yùn)動(dòng)合成，可完成芯片的拾取、傳送和貼裝等往復(fù)連續(xù)動(dòng)作。

鍵合臂是LED貼片機(jī)擺臂機(jī)構(gòu)中最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)部件，受空間布局和功能特征限定，鍵合臂的縱向尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在高頻高加速的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)行中，常因其結(jié)構(gòu)剛度不足，在慣性力作用下產(chǎn)生較大的彈性變形和殘余振動(dòng)，影響芯片鍵合精度。因此，在設(shè)計(jì)中要求鍵合臂部件應(yīng)具有良好的力學(xué)性能，達(dá)到質(zhì)量輕、剛度高、強(qiáng)度好及低階固有頻率遠(yuǎn)離外部設(shè)備激振頻率的綜合特性。

2研究方法

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有本質(zhì)屬性，模態(tài)特性分析是獲取結(jié)構(gòu)體的低階固有頻率、振型特征、結(jié)構(gòu)阻尼比等模態(tài)參數(shù)和性能的重要方法和途徑。在模態(tài)分析中，通?？刹捎美碚撚?jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)試的方法進(jìn)行。為提高準(zhǔn)確性，文中建立了鍵合臂的模態(tài)特性綜合對(duì)比分析模型，如圖2所示。該模型包含了理論計(jì)算模塊和實(shí)驗(yàn)測(cè)試模塊，理論計(jì)算模塊對(duì)應(yīng)模擬安裝工況的有約束狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試模塊對(duì)應(yīng)安裝工況下的狀態(tài)，通過理論模態(tài)和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)的對(duì)比分析，可以更準(zhǔn)確地揭示被測(cè)對(duì)象的模態(tài)特性、剛度分布情況和結(jié)構(gòu)特性。

本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行仿真數(shù)值計(jì)算得到前m階固有頻率和振型特征，然后根據(jù)仿真計(jì)算的振型特征得到每一階次節(jié)點(diǎn)（不振動(dòng)的點(diǎn)）分布情況，再綜合考慮以仿真振型特征為參考指導(dǎo)模態(tài)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而確定激振點(diǎn)的位置。本研究聯(lián)合使用錘擊系統(tǒng)和激光傳感器獲取簡(jiǎn)化安裝工況下的鍵合臂實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果作一致性對(duì)比分析，從而提高模態(tài)結(jié)果的可信度和準(zhǔn)確性。

3計(jì)算模態(tài)分析

3.1鍵合臂有限元建模

根據(jù)鍵合臂的實(shí)際結(jié)構(gòu)，先運(yùn)用Solidworks工具建立其三維模型，然后直接導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，建立有限元模型。由于鍵合臂屬于三維對(duì)稱不規(guī)則實(shí)體結(jié)構(gòu)，在劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)充分考慮網(wǎng)格數(shù)量及類型對(duì)計(jì)算結(jié)果精度的影響，保證計(jì)算效率和收斂性，采用Tetrahedrons劃分為10結(jié)點(diǎn)的四面體單元（sOLIDl87）。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖3所示，有限元網(wǎng)格數(shù)據(jù)如表1所示。圖中顯示了包含鍵合臂的整個(gè)擺臂機(jī)構(gòu)，由于本研究中經(jīng)CCD相機(jī)多次影像監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在擺臂機(jī)構(gòu)中，鍵合臂的振動(dòng)量最大，因此本文著重考察鍵合臂的模態(tài)特性，因而未對(duì)鍵合臂以外的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3.2計(jì)算模態(tài)結(jié)果與分析

通過ANSYS有限元數(shù)值計(jì)算，得到了鍵合臂在安裝工況下的模態(tài)特性。仿真計(jì)算中，擺臂機(jī)構(gòu)除鍵合臂和連接鋼片外，其余部件不參與計(jì)算。在ANSYS中應(yīng)用Frequency Finder模態(tài)求解器對(duì)鍵合臂模擬安裝工況下的約束模態(tài)進(jìn)行求解。有限元求解過程實(shí)質(zhì)上是將鍵合臂結(jié)構(gòu)體進(jìn)行離散化，得到有限個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)，在模態(tài)分析中通常考查無阻尼自由振動(dòng)，其動(dòng)力學(xué)方程可表示為。

在ANSYS仿真計(jì)算中，其邊界條件參數(shù)設(shè)置與模態(tài)實(shí)驗(yàn)相一致。仿真計(jì)算后可以得到n階次模態(tài)數(shù)據(jù)，理論上可以有無數(shù)個(gè)階次，實(shí)際上階次數(shù)與離散后有限元網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)數(shù)有關(guān)。在工程上最為關(guān)心低階次模態(tài)頻率和振型特征，本研究提取了鍵合臂在約束工況下的前6階模態(tài)數(shù)據(jù)，表2給出了前6階固有頻率值和相應(yīng)的振型特征描述，圖4給出了前4階振型圖。

鍵合臂前兩階和第5階振型均為上下方向的擺動(dòng)和彎曲變形，這與鍵合臂的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，建議增加鍵合臂內(nèi)腔的加固肋板數(shù)量;1階振型鍵合臂呈上下一次擺動(dòng)，主要因素在于鍵合臂與支座之間由薄鋼片連接，此處為擺臂機(jī)構(gòu)中剛度最為薄弱的環(huán)節(jié)，工作時(shí)極易因剛度不足導(dǎo)致芯片鍵合中產(chǎn)生“點(diǎn)頭”現(xiàn)象，建議增加鋼片厚度或此處改為一體式結(jié)構(gòu)。3階和4階振型表現(xiàn)為鍵合臂左右方向的變形，可通過改變幾何尺寸來提高剛度。由于鍵合臂l階固有頻率為319.6Hz，而驅(qū)動(dòng)擺臂機(jī)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0-3000r/min，對(duì)應(yīng)的激擾頻率0-50Hz，兩者頻帶相離較遠(yuǎn)，產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)較小，因此鍵合臂動(dòng)態(tài)特性良好。

4試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

4.1模態(tài)測(cè)試方法

鍵合臂屬輕質(zhì)量結(jié)構(gòu)件，經(jīng)多次試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的在鍵合臂上貼裝加速度傳感器會(huì)因其附加質(zhì)量導(dǎo)致所測(cè)試件的固有頻率存在一定的偏差量。為避免傳感器附加質(zhì)量對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，本模態(tài)實(shí)驗(yàn)采用了非接觸式激光測(cè)振儀作為拾振手段，聯(lián)合運(yùn)用最先進(jìn)的比利時(shí)LMS公司和德國POLYTEC公司的測(cè)試系統(tǒng)及其他器具配合進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)器材如圖5所示，主要測(cè)試設(shè)備包括：LMSTest.Lab錘擊測(cè)試系統(tǒng)、POLYTEC激光測(cè)振儀、帶力傳感器的力錘等，并按圖6搭建測(cè)試平臺(tái)。

本試驗(yàn)采用單點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)采集（SISO）的方法對(duì)鍵合臂某標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行了模態(tài)實(shí)驗(yàn)。測(cè)試時(shí)采用力錘作為激振工具，考慮到貼裝加速度傳感器會(huì)給鍵合臂帶人較大的附加質(zhì)量影響，因此采用激光測(cè)振儀作為非接觸式拾振工具;由于鍵合臂結(jié)構(gòu)較為薄弱，考慮到錘擊鍵合臂前端時(shí)會(huì)經(jīng)常產(chǎn)生信號(hào)過載影響測(cè)試結(jié)果，因此本試驗(yàn)根據(jù)實(shí)際情況采用了固定激振點(diǎn)移步拾振點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，并以仿真結(jié)果作為參考選定激振點(diǎn)和拾振點(diǎn)。根據(jù)仿真計(jì)算的前6階振型可以看出，鍵合臂中部振型較為活躍，較少的存在節(jié)點(diǎn)，結(jié)合多次重復(fù)性試驗(yàn)和預(yù)測(cè)試，最后本試驗(yàn)中選定的激振點(diǎn)位置為Pomtl2，拾振點(diǎn)位置為Pointl-32，以上激振點(diǎn)和拾振點(diǎn)分別從上下和前后兩個(gè)方向錘擊和拾振;在LMS Test.Lab-ImpactTesting界面上定義各測(cè)點(diǎn)位置，制作了鍵合臂框線圖如圖7所示。

本實(shí)驗(yàn)擬測(cè)取鍵合臂在安裝工況下的模態(tài)特性，著重考察鍵合臂的模態(tài)特性，由于鍵合臂在實(shí)際工作中與電機(jī)軸之間通過連接接頭裝配在一起，而連接接頭相對(duì)堅(jiān)固可靠，因此本實(shí)驗(yàn)拆除了鍵合臂上的附加配件，僅保留了鍵合臂必要的連接件，并將拆裝后的擺臂機(jī)構(gòu)的后支座用夾具緊固在試驗(yàn)架上進(jìn)行測(cè)試。采樣頻率的設(shè)置參考了ANSYS計(jì)算結(jié)果，根據(jù)香農(nóng)定理，取前6階最高固有頻率的2倍，即2600x2=5200Hz;為仿真信號(hào)衰減，添加適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)，對(duì)錘擊力信號(hào)添加Force-Exponential窗，對(duì)拾振信號(hào)添加指數(shù)窗，測(cè)試中采用5次平均處理。

4.2試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試結(jié)果

對(duì)鍵合臂進(jìn)行錘擊模態(tài)實(shí)驗(yàn)后，經(jīng)參數(shù)辨識(shí)、模態(tài)截?cái)嗪吞崛?，最終得到了鍵合臂的前6階固有頻率和相應(yīng)主振型。圖8為本模態(tài)實(shí)驗(yàn)經(jīng)集權(quán)平均后獲得的模態(tài)識(shí)別狀態(tài)圖，圖中紅色曲線為總的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線，模態(tài)識(shí)別狀態(tài)圖中的字母s表示極點(diǎn)穩(wěn)定;o表示極點(diǎn)不穩(wěn)定，從中提取較穩(wěn)定的頻率波峰。

本模態(tài)實(shí)驗(yàn)提取的鍵合臂的前6階模態(tài)數(shù)據(jù)如表3所示，給出了各階固有頻率值及對(duì)應(yīng)的阻尼比，可以看出一階固頻為306.37Hz，與仿真結(jié)果較為接近，且測(cè)試所得到的各階固有頻率所對(duì)應(yīng)的阻尼比均在1.2%以下，與實(shí)際較為吻合。圖9給出了前4階實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)振型圖，可以看出各階次振型特征和趨勢(shì)明顯，具有規(guī)律性，并且實(shí)驗(yàn)振型與仿真振型兩者相似性很高，低階次振型變動(dòng)趨勢(shì)基本吻合，由振型特征可以看出，本次模態(tài)實(shí)驗(yàn)效果良好，并且獲取了仿真中無法得到的阻尼參數(shù)。

4.3理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

本研究采用ANSYS有限元模態(tài)仿真計(jì)算與模態(tài)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法獲取了鍵合臂在簡(jiǎn)化安裝工況狀態(tài)下的模態(tài)特性，分別得到了鍵合臂的前6階固有頻率、阻尼比和振型。本次試驗(yàn)經(jīng)過較多的重復(fù)測(cè)試，較好的激起了鍵合臂的各階模態(tài)，表4給出了有限元計(jì)算的前6階固有頻率值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的頻率值數(shù)據(jù)。

根據(jù)本文所給出的模態(tài)特性綜合對(duì)比分析模型及研究方法，采用以仿真結(jié)果指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，再以實(shí)驗(yàn)結(jié)果來反向驗(yàn)證仿真有限元模型的正確性，并計(jì)算仿真值與實(shí)驗(yàn)值的誤差量式中：δi-計(jì)算值相對(duì)于實(shí)測(cè)值的誤差率;

ωic—計(jì)算固有頻率值，Hz;

ωit-測(cè)試固有頻率值，Hz。

經(jīng)仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比后可看出，兩者所得到的前6階固有頻率比較接近，最大誤差量在8.5%以內(nèi)，尤其是1階固有頻率誤差僅為4.31%，且測(cè)試所得到的各階固有頻率所對(duì)應(yīng)的阻尼比均在1.2%以下，與實(shí)際較為吻合，因此可以認(rèn)為本研究所得到的前6階固有頻率是可信的。對(duì)比圖4和圖9可以看出，兩者振型特征相似度很高，尤其前4階振型變動(dòng)趨勢(shì)基本一致。以上結(jié)果充分表明有限元仿真模型精度較好，其網(wǎng)格劃分方法及邊界條件處理基本正確，能較真實(shí)地逼近鍵合臂的實(shí)際動(dòng)態(tài)特性，可為后續(xù)的鍵合臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)、防振、抑振以及故障診斷等提供參考。

5結(jié)束語

為獲取某LED貼片機(jī)鍵合臂的模態(tài)特性及其影響因素，給出了模態(tài)特性綜合對(duì)比分析模型，采用了ANSYS有限元理論計(jì)算與模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的研究方法，得到了鍵合臂在簡(jiǎn)化安裝工況下的模態(tài)數(shù)據(jù)，通過對(duì)鍵合臂進(jìn)行有限元建模、仿真、試驗(yàn)、模態(tài)提取與辨識(shí)，得到的主要結(jié)論有：

1）通過對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，本研究的前6階固有頻率值比較接近，最大偏差量小于8.5%，一階固有頻率誤差僅為4.3%，前6階實(shí)測(cè)阻尼比在1.2%以內(nèi);前4階振型特征和變動(dòng)趨勢(shì)基本吻合，表明本研究的有限元仿真模型精度較好，其網(wǎng)格劃分方法及邊界條件處理基本正確，能較真實(shí)地逼近鍵合臂的實(shí)際動(dòng)態(tài)特性，可為后續(xù)的鍵合臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)、拓?fù)鋬?yōu)化提供參考，而不需再重復(fù)做振動(dòng)試驗(yàn)，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。

2）從固有頻率方面看，鍵合臂的一階固有頻率小于320Hz，而驅(qū)動(dòng)擺臂機(jī)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0-3000r/min，對(duì)應(yīng)的激擾頻率0-50Hz，兩者頻帶相離較遠(yuǎn)，說明鍵合臂與周邊激擾產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)較小。

3）從振型云圖和剛度分布方面看，鍵合臂的內(nèi)腔體的結(jié)構(gòu)較為薄弱，應(yīng)當(dāng)考慮增加鍵合臂內(nèi)腔側(cè)加固肋板的數(shù)量和壁厚;其次鍵合臂與支座的連接方式建議將薄鋼片連接改進(jìn)為直連一體式結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度;工程中建議盡量減小鍵合臂最前端的附加質(zhì)量，防止帶來較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性載荷。本研究結(jié)果為貼片機(jī)鍵合臂的防振、抑振以及故障診斷等提供了理論支撐和實(shí)驗(yàn)參考，研究方法具有普適性，可為同行解決類似問題提供參考。