隆志力 韩 雷 祝孟鹏 张亮亮

1.哈尔滨工业大学深圳研究生院，深圳，518055 2.中南大学，长沙，410083 3.东莞华中科技大学制造工程研究院，东莞，523808

0 引言

超声换能器是应用压电陶瓷材料具有的压电效应，将电能量转化为高频率超声波能量的一种智能装置。目前，超声换能器已经广泛应用于国民生产的各个领域，如工业焊接、水声、环保、医疗等，成为工程装备中重要的核心执行机构［1－2］。

在当前我国日趋被重视的半导体工艺与设备中，芯片键合换能器是被公认的超声键合装备的关键部件之一［3－5］，其主要作用是为细微金属引线（如金线、铝线、铜线）与基板相互连接提供必需的超声能量，实现半导体器件IC或LED芯片的信号传递。虽然在结构组成上，键合换能器与其他工业领域的压电换能器类似，但其工作的对象与条件更为苛刻，表现为：金属引线的直径为12.5～25.0μm，环境温度约200℃，换能器运动加速度高达约20g，且通常情况下换能器保持24h连续工作。因此，这些特殊的键合条件与因素对超声换能器的能量稳定性与精确控制都提出了很高的要求。

当前对超声换能器的研究大多集中于设计方法与过程，包括有限元、等效电路方法、传递矩阵方法等［6－8］。国内外对换能器性能优化的研究鲜有报道。事实上，基于以上方法设计的换能器在频率与振动模态上经常存在诸多问题，如频率漂移、模态混叠、模态畸变、阻抗过高等［9－10］。因此，优化超声换能器性能对提高其自身的能量传递效率具有重要意义。……