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문제 정의
- 또한, 혼의 형상이 진폭 균일도와 응력에 미치는 영향에 대한 정량적이고 체계적인 연구가 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 초음파 공구혼을 ANSYS를 이용하여 모드해석을 시행하여 와이어 본딩에 필요한 진동모드와 응력분포 및 변형을 분석하였고, 실험적으로 이를 검증하고 확인하였다. 그리고 유한요소해석기법을 이용하여 초음파 공구혼 설계에 공진설계기법을 적용하여 코니칼 공구혼을 설계하였다.
제안 방법
- Fig. 6에서 보는 바와 같이 길이방향 진동모드를 발생시키는 압전 엑츄에이터 모듈, 변위 증폭 및 진동전달의 역할을 하는 공구혼과 진동모드의 절점(Nodal point)에 위치하여 트랜스 듀서를 헤드에 장착시키는 역할을 하는 마운팅 플랜지, 그리고 실제 와이어를 본딩하는 부분인 캐필러리 등으로 구성된 와이어 본딩 장비를 제작하였다. 소형 와이어 본딩 장비에 초음파 코니칼 혼을 장착하여 PCB기판의 리드프레임과 와이어가 압착된 상태에서 초음파 진동을 부과함으로써 원활한 와이어 본딩이 이루어 질 수 있도록 고안하였다.
- 본 연구에서는 초음파 공구혼을 ANSYS를 이용하여 모드해석을 시행하여 와이어 본딩에 필요한 진동모드와 응력분포 및 변형을 분석하였고, 실험적으로 이를 검증하고 확인하였다. 그리고 유한요소해석기법을 이용하여 초음파 공구혼 설계에 공진설계기법을 적용하여 코니칼 공구혼을 설계하였다.
- 본 연구에서는 상용화된 초음파 와이어 본더에서 사용되는 초음파 진동 코니칼형 공구혼을 이론적인 접근방법으로 형상치수를 결정하고, 유한요소 프로그램인 Ansys를 사용하여 모드해석을 통하여 와이어 본딩에 필요한 진동특성을 밝혀내고, 제작된 와이어 본딩 장비를 이용하여 실험을 통하여 확인하였다. 진동모드 해석 결과 코니칼 공구혼의 캐필러리를 장착한 상태에서 다양한 공진 주파수와 모드형상을 발견하였다.
- 6에서 보는 바와 같이 길이방향 진동모드를 발생시키는 압전 엑츄에이터 모듈, 변위 증폭 및 진동전달의 역할을 하는 공구혼과 진동모드의 절점(Nodal point)에 위치하여 트랜스 듀서를 헤드에 장착시키는 역할을 하는 마운팅 플랜지, 그리고 실제 와이어를 본딩하는 부분인 캐필러리 등으로 구성된 와이어 본딩 장비를 제작하였다. 소형 와이어 본딩 장비에 초음파 코니칼 혼을 장착하여 PCB기판의 리드프레임과 와이어가 압착된 상태에서 초음파 진동을 부과함으로써 원활한 와이어 본딩이 이루어 질 수 있도록 고안하였다.
- 향후 지속적인 실험을 통하여 최적의 접합조건을 찾는 실험을 수행할 예정이다. 이처럼 본 연구에서 파동방정식을 통한 초음파 공구혼의 이론식을 바탕으로 공구혼의 형상치수를 결정하였고, 결정된 형상치수에 따라 초음파 공구혼을 제작하여 진동특성을 유한요소해석의 모드해석을 통하여 와이어 본딩에 적합한 진동모드를 예측하고 와이어 본딩 실험을 통하여 검증하였다.
- 실험에 사용된 초음파 발진기의 인가된 가진 주파수인 63 kHz가 유한요소해석을 통한 공진설계를 통하여 제작된 공구혼의 끝단에 장착된 캐필러리에서 와이어 본딩에 사용되는 길이방향 종진동 모드가 62,666 Hz에서 최대 변위량(진폭)이 4차 종진동 모드로 나타났다. 제작된 코니칼 공구혼을 통해 PCB기판위에 리드프레임에 골드와이어를 이용하여 와이어 본딩 실험을 실시하였다. 와이어 본딩 실험 결과 모재와 와이어의 접합이 양호하게 이루어 졌음을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용되는 공구혼 재질은 초음파 공진특성이 우수한 티타늄 합금인 Ti6A14V을 사용하였으며, 공구혼 출력단에 부착된 캐필러리(capillary)는 초경합금을 사용하여 초음파 진동의 전달 효율을 향상시켰다. 사용된 공구혼과 캐필러리의 주요 물성을 Table 2에 도시하였다.
- 본 연구에 사용된 압전 액츄에이터 공구혼은 코니칼형으로 Fig. 2에서 나타내고 있으며, 공구혼 입력단에는 압전 세라믹(PZT)을 적층시키고 볼트로 고정한 BLT (Bolt Langevin Transducer)를 사용하였다.
- 사용된 공구혼과 캐필러리의 주요 물성을 Table 2에 도시하였다. 본 연구에서 사용된 초음파 발진기의 기준주파수(f)는 63 kHz이며, 식 (1)을 통해 공구혼의 총길이는 125.2 mm 로 계산되었다. 한편 초음파발진기 및 가공물의 치수를 고려하여 입력단의 직경은 9.
데이터처리
- 이론적인 파동방정식을 통해 구한 공구혼 모델의 고유진동수를 판단하기 위해 설계된 코니칼혼을 Solidworks에서 모델링 한 후 해석은 상용 유한요소 해석 S/W인 ANSYS를 사용하여 모드해석(Modal analysis)을 수행하였다. Fig.
이론/모형
- 모드해석의 유효범위는 진동자의 가진주파수가 63 kHz를 고려하여 55~71 kHz로 설정하였다. 모드추출 방법은 Block Lanczos법을 사용하여 모드차수는 10개로 와이이 본딩에 사용되는 종진동모드만을 추출 할 수 있도록 하였다. 본 연구에서 선정된 코니칼혼의 출력단에 캐필러리 장착유무에 따라 변하는 진동모드 해석을 비교 분석하여 실제 와이어 본딩에 사용되는 진동모드의 특성을 확인 할 수 있었다.
- 2에 모드 해석을 수행하기 위한 코니칼형 공구혼의 해석모델을 도시하였고, 와이어 본딩에 적합한 출력단에서 진폭의 균일도와 증폭도가 일정하도록 하였다. 유한요소 모델은 해석의 신뢰도를 높이기 위해 3차원 사면체 요소(Tetrahedron element)를 사용하였으며, 총요소의 개수는 11,594개이다. 경계조건은 공구혼은 진동자 및 증폭장치(Booster)와 체결되어 있으나 체결된 부위에서 변위량(진폭)이 동일한 점을 고려하였으며, 와이어 본딩에 사용되는 종진동 모드를 고려하여 Fig.
성능/효과
- 본딩이 일어나는 캐필러리 끝단에서 최대 변위량(진폭)이 발생하는 것으로, 가진주파수 63 kHz에 대하여 캐필러리가 장착된 코니칼 공구혼의 와이어 본딩에 적합함을 해석결과를 통해 알 수 있었다. 해석결과 종진동 일때의 고유진동수 값은 62,666 Hz로서 기존 설계 목표인 63 kHz와는 334 Hz 차이를 Table 4를 통하여 확인할 수 있다.
- 진동모드 해석 결과 코니칼 공구혼의 캐필러리를 장착한 상태에서 다양한 공진 주파수와 모드형상을 발견하였다. 실험에 사용된 초음파 발진기의 인가된 가진 주파수인 63 kHz가 유한요소해석을 통한 공진설계를 통하여 제작된 공구혼의 끝단에 장착된 캐필러리에서 와이어 본딩에 사용되는 길이방향 종진동 모드가 62,666 Hz에서 최대 변위량(진폭)이 4차 종진동 모드로 나타났다. 제작된 코니칼 공구혼을 통해 PCB기판위에 리드프레임에 골드와이어를 이용하여 와이어 본딩 실험을 실시하였다.
- 제작된 코니칼 공구혼을 통해 PCB기판위에 리드프레임에 골드와이어를 이용하여 와이어 본딩 실험을 실시하였다. 와이어 본딩 실험 결과 모재와 와이어의 접합이 양호하게 이루어 졌음을 알 수 있었다. 향후 다양한 형태의 공구혼 형상설계에 적용 할 수 있으며, 나아가서는 와이어 본딩 공정의 최적화를 통화여 기존 와이어 본딩 공정기술을 한층 발전시킬 수 있을 것으로 전망된다.
- 본 연구에서는 상용화된 초음파 와이어 본더에서 사용되는 초음파 진동 코니칼형 공구혼을 이론적인 접근방법으로 형상치수를 결정하고, 유한요소 프로그램인 Ansys를 사용하여 모드해석을 통하여 와이어 본딩에 필요한 진동특성을 밝혀내고, 제작된 와이어 본딩 장비를 이용하여 실험을 통하여 확인하였다. 진동모드 해석 결과 코니칼 공구혼의 캐필러리를 장착한 상태에서 다양한 공진 주파수와 모드형상을 발견하였다. 실험에 사용된 초음파 발진기의 인가된 가진 주파수인 63 kHz가 유한요소해석을 통한 공진설계를 통하여 제작된 공구혼의 끝단에 장착된 캐필러리에서 와이어 본딩에 사용되는 길이방향 종진동 모드가 62,666 Hz에서 최대 변위량(진폭)이 4차 종진동 모드로 나타났다.
후속연구
- 와이어 본딩 실험 결과 모재와 와이어의 접합이 양호하게 이루어 졌음을 알 수 있었다. 향후 다양한 형태의 공구혼 형상설계에 적용 할 수 있으며, 나아가서는 와이어 본딩 공정의 최적화를 통화여 기존 와이어 본딩 공정기술을 한층 발전시킬 수 있을 것으로 전망된다.
- 특히 와이어 본딩 공정이 초음파의 미세종진동에 의한 공구혼 표면과 모재와의 경계면에 마찰열과 캐필러리의 압력을 가하여 와이어 본딩 시험을 수행한 결과 아래 그림처럼 모재와 와이어의 접합이 양호하게 이루어 졌음을 알 수 있다. 향후 지속적인 실험을 통하여 최적의 접합조건을 찾는 실험을 수행할 예정이다. 이처럼 본 연구에서 파동방정식을 통한 초음파 공구혼의 이론식을 바탕으로 공구혼의 형상치수를 결정하였고, 결정된 형상치수에 따라 초음파 공구혼을 제작하여 진동특성을 유한요소해석의 모드해석을 통하여 와이어 본딩에 적합한 진동모드를 예측하고 와이어 본딩 실험을 통하여 검증하였다.
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