超声传导及其在材料加工中的应用

超声是指振动频率超过12kHz的声波，因此不能被人类的耳朵感知。超声在工业中有很多用途，如医疗成像、超声清洗等。在现代丝球焊技术中，超声振动是一个非常重要的因素。

引线键合技术中所使用的超声系统包括：电力供应系统、控制系统、压电超声转换器、变幅杆以及用来夹持键合工具的线夹系统。在电压作用下压电材料会产生力的作用。因此，当超声产生器对压电陶瓷材料输入一个交流电流时，扩展-收缩堆栈压电陶瓷就会产生一列纵向的超声波。超声波将沿着变幅杆向前传播，如图8.4所示。经过变幅杆的传导，超声振动将传送到劈刀上，并使劈刀横向振动。经过对变幅杆的优化设计，在变幅杆末端将产生最大超声振幅。所采用的交流电压的频率应与变幅杆的纵向力学响应相匹配。典型的丝球焊机所采用的超声频率为60～140kHz范围内的一个固定频率。根据超声频率和劈刀几何结构的不同，超声在劈刀内部传播时可能存在振动节点。对于超声键合工艺来讲，劈刀尖端超声振动的切向位移才是至关重要的影响因素。

采用激光干涉仪或者电容式传声器可对劈刀的振幅大小进行直接测量^[6]。无论键合压力是否存在，劈刀振幅都与超声发生器的功率参数成线性关系。控制超声发生器功率的参数有电功率、电流或施加在压电陶瓷上的电压。由于劈刀振幅与电流间存在线性关系，因此现代超声发生器一般采用电流控制方法。在一组相同的键合机中，可以观察到电流控制方法对阻抗的补偿作用，这种补偿使键合参数在不同的键合机之间具有更好的可移植性。

增加超声功率会提高焊点的键合强度^[7]，但超声功率过大也会导致焊点变形过量。在现代丝球键合技术中，超声提供了非常重要的键合机制，其中一种为“振荡切向移动”，另外一种是“超声软化作用”。但它们属于超声振动的副产品，它们的出现对焊点形成过程没有决定性作用。而第三种“超声增强互扩散作用”在异种材料的键合时能被观察^[8]。(www.xing528.com)

超声丝球键合过程中，劈刀振动切向位移所引起的金属线与焊盘间的滑动摩擦是形成焊点的必要条件。摩擦有利于键合表面的净化和表面粗糙度的改善，以便金属/金属间实现更紧密的接触和键合。

在超声作用下，材料的屈服点明显下降，这种效应被定义为“超声软化”^[9]。该效应与加热后材料屈服点下降的现象类似，但超声软化效应可在比热能低得多的能量输入下出现。超声作用时，只会在影响材料变形的位置上（如位错和空洞等）出现超声能量衰减^[10]，而热能却要平均分布到整个材料中，因此，超声软化效应更高效。超声频率在20～1000kHz范围内都会出现超声软化效应。当超声撤销后，材料内部不会出现残余软化效应。一般来说，超声功率越大，超声软化效应越明显。但超声功率过大会引起材料加工硬化^[10]，即使超声作用撤销，材料也将被永久性硬化。

与上述现象相反，当对Al材料施加高能超声时，材料将出现永久性软化效应^[11]。在靠近焊点界面区域的Al线将出现重结晶现象，经检测发现，重结晶组织的显微硬度有所下降，其形成的原因可能为滑动生热并导致Al线出现回火。