塾 皇塑鱼—— 星 蚕 耋 錾团 １—３型压电复合材料设计分析 田志，陈良锋，田东光 （中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京１００１７６） 摘 要：１．３复合材料作为敏感元件已经被广为研究，但作为一种激励元件的研究极为有限。利 用有限元原理研究一种１—３型压电复合材料。这种材料中，ＰＺＴ．５Ｈ压电陶瓷作为单元支梁，聚合 物作为这种压电陶瓷周围的填充基体。通过改变ＰＺＴ．５Ｈ在这种材料中的体积比率，再经过谐响 应分析，可以得到一种具有最高的机电耦合特性的结构。为了简化有限元建模的复杂程度和缩短 计算时间，将这种ｌ一３型复合材料等价为单一相的材料，并加以验证 这种新型的１．３型压电复合 材料作为前沿技术可以用在半导体封装领域键合机的换能器上 关键词：聚合物；１．３型压电复合；有限元；换能器 中图分类号：ＴＮ３０４．９２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４．４５０７（２０１３）１２—０００６．０５ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ａ １－３ Ｍｏｄｅ Ｐｉｅｚｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ ＴＩＡＮ Ｚｈｉ，ＣＨＥＮ Ｌｉａｎｇｆｅｎｇ，ＴＩＡＮ Ｄｏｎｇｇｕａｎｇ （Ｔｈｅ ４５ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｂｅｉｊ ｉｎｇ １ ００ １ ７６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ １—３ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ａｓ ｓｅｎｓｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｒｅｐｏｒｔｅｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｒｅｐｏｒｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｓ ａｎ ａｃｔｕａｔｏｒ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｌｉｍｉｔｅｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ，１—３ ｍｏｄｅ ｐｉｅｚｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ （ＦＥＭ）．Ｔｏ ｃｏｍｐｏｓｅ ｔｈｅ １－３ ｍｏｄｅ ｐｉｅｚｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＰＺＴ一５Ｈ ｆｏｒ ｐｉｅｚｏｃｅｒａｍｉｃ ｐｉｌｌａｒｓ ａｎｄ ｐｏｌｙｍｅｒ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｓ ａ ｍａｔｒｉｘ．Ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ＰＺＴ一５Ｈ ｗａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｐｉｌｌａｒｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｓｐａｃｉｎｇ．Ｔｈｏｕｇｈ ｈａｒｍｏｎｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ（ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ），ｔｈｅ ｈｉ【ｇｈｅｓｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ｃａｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ＦＥＭ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ １－３ ｍｏｄｅ ｐｉｅｚｏｃｉｍｐｏｓｉｔｅ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｖａｌｉｄａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ ｈａｖｅ ａ ｇｏｏｄ ａｇｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ １—３ ｍｏｄｅ ｐｉｅｚｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｅ １—３ ｍｏｄｅ ｐｉｅｚｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｉｎｓｔａｌｌ ｉｎ ａ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｏｌｙｍｅｒ；１－３ ｍｏｄｅ Ｐｉｅｚｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｌ９世纪８０年代，居里兄弟发现石英晶体的 压电性以后，压电效应已经被』 一泛的应用在水声、 收稿Ｅｔ期：２０１３—０７—０２ 超卢、电卢等领域。压电陶瓷结构类型 ＡＢＯ 型 钙钛矿结构、钨青铜结构、铋层状结构和钛铁矿结 ⑥（总第２２６期）囫衄 ：月 电子工业毫用设备 封装材料与设备 构，应用较多的是钙钛矿结构，如ＢａＴｉＯ 、ＰｂＴｉＯ 、 Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ 一 ）Ｏ，。由于压电陶瓷材料Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３（ＰＺＴ） 具有较大的压电系数和机电耦合系数，被广泛用 作换能器的驱动材料。但是，这种材料也有其致命 的弱点，即密度大，特性阻抗很高，在水声、超声等 领域不能充分发挥其优点。此外，由于ＰＺＴ材料 的压电常数ｇ（＝（ｆ压电应变常数 介电常数）很 小，使得ＰＺＴ制作换能器的灵敏度很低。为了克 服以上缺点，１９７８年美国宾州大学的Ｒ．Ｅ．Ｎｅｗｎ． ｈａｍ等人提出了用压电材料与聚合物材料复合的 构想，对复合后的微观结果进行了研究，并使其得 到了迅速的发展 ］。 ＰＺＴ／聚合物两相复合材料，由于ＰＺＴ及聚合 物自身连通方式的不同，其微观结构共有十种连 通方式。其中１－３型ＰＺＴ／聚合物复合材料是研究 最广泛，实用化程度最高的一种。一维自连陶瓷相 置在三维自连的聚合物基阵中。这种材料相对于 单一整体的ＰＺＴ材料不仅具有低密度，更高的机 电耦合系数，还具有更低的声学阻抗和更高的灵 敏度，所以最早被广泛用在水下声学设备中。在医 学超声换能器上也是一个比较有前景的应用，如 医学超声成像。通过调整ＰＺＴ在１－３型复合材料 中的体积比率来得到一个所需的声学阻抗来匹配 人类的器官组织。此外Ｓ．Ｗ．Ｏｒ［ｓ］首先采用了１－３ 型压电复合材料圆环作为激励振子，使之被应用 在半导体封装设备键合机领域。 在压电复合材料中，ＰＺＴ结构的横截面通常 为圆形，方形，三角形３种。因为方形结构在压电 复合材料中最容易通过改变它的体积容积率，最 大范围的改变压电复合材料特性，从而被广泛研 究和采用。在这个研究中，我们研究的对象是一个 横截面方形的ＰＺＴ材料被镶嵌在聚合物中的压 电复合材料，其结构简图如图１所示。 １建立ＰＺＴ／ＰｏＬＹＭＥＲ压电复合材料模型 在这项分析中，我们采用ＰＺＴ一５Ｈ和Ｐｏｌｙｍｅｒ 一起的复合材料。Ｐｏｌｙｍｅｒ的材料特性见表１。一 个３Ｄ图形如图１被创建，复合材料的阻尼因子 ＝／３ｏＪ／２被假定与某一频率范围的频率成正比。这 图１横截面为方形的１－３型ＰＺＴ／Ｐｏｌｙｍｅｒ压电复合材料 表１聚合物ｌＰｏｌｙｍｅｒ）材料特性 个材料阻尼被定义为在数值分析中阻尼的影响。 这里通过变化ＰＺＴ．５Ｈ方柱的尺寸和间隔来 改变ＰＺＴ一５Ｈ材料所占的体积比，进而观察 ＰＺＴ．５Ｈ／Ｐｏｌｙｍｅｒ复合特性的变化规律。第一步，通 过商业有限元仿真软件ＡＮＳＹＳ，建立１０个１—３ 型ＰＺＴ／Ｐｏｌｙｍｅｒ压电复合材料模型，设定这个方 型盘的宽度为４０ ｍｍ，ＰＺＴ．５Ｈ方柱的数目保持不 变。第二步，改变ＰＺＴ ５Ｈ和Ｐｏｌｙｍｅｒ的宽度，使这 个模型的ＰＺＴ．５Ｈ体积比从１０％到１００％均匀变 化。第三步，Ｈａｒｍｏｎｉｃ分析，得到不同体积比率模 型的Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ与Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ频谱曲线。从频谱曲 线读取共振点频率和反共振点频率，然后通过方 程式（１），求厚度机电耦合系数。 ＝ ｐ删＋（１一Ｖｐｚｔ）ｐ ＝ ＋、／手务ｔａｎｃ手 式中： 是压电复合材料平均密度；Ｐｐｚｔ是 ＰＺＴ一５Ｈ材料的密度；Ｐｐ是Ｐｏｌｙｍｅｒ材料的密度； 是ＰＺＴ一５Ｈ在这个复合材料中的体积比率；，：是共 振频率， 是反共振频率； 是机电耦合因子。 从图２的分析结果来看，当ＰＺＴ．５Ｈ体积比率 是６０％时，这个压电复合材料具有最高的机电耦 合因子和较小的质量。确立ＰＺＴ．５Ｈ最佳体积比 率后，我们仍然假定这个压电复合材料盘的宽度 为４０ ｍｍ，厚度为３ ｍｍ。让ＰＺＴ．５Ｈ纵横比从 封装材料与设备 电子工业董用设蚤 － ．（ｓ．Ｚ＿）＼ 珏 ３ ３ ２ ２ ● ● ５ ｌ ０ １ ５ Ｏ ５ ０ × × ０ ０ Ｘ ｌ × ｌ × ｌ × ｌ ０ ０ Ｏ Ｏ 压电材料所占体积／０／０ （ａ）机电耦合因了与小同ＰＺＴ体积比率 ８×１０ ７×ｌ０ ６×１０ ｝５×１０ ０．０ ４×１０ 棚３×１Ｏ ２×１０３ ｌ×１０ ０ ２０ ４０ ６０ ８０ １００ 压电材料所占体积／％ （ｂ）机电耦合因ｆ ｊ不同ＰＺＴ体积比率 ０ ２０ ４０ ６０ ８０ ｌＯ０ 不同Ｊ土电材料所占体积／％ （ｃ）阻抗与不同ＰＺＴ一５Ｈ体积比率 图２机电耦合因子、密度、阻抗与ＰＺＴ一５Ｈ体积比率的关系曲线 ２７％到９５％，观察机电耦合因予的变化趋势。结果 见图３，这里我们设定纵横比为３３％。 Ⅱ 踺 压电材料纵横比 图３在ＰＺＴ一５Ｈ体积比率为６０％时，复合材料机电耦合 因子和纵横比的关系曲线 ２ ３Ｄ ＰＺＴ／ＰｏＬＹＭＥＲ压电复合材料等价 模型 ２．１材料特性的理论计算 １．３型压电复合材料经常 州存Ｔｏｎｐｉｌｚ、 Ｌａｎｇｅｖｉｎ等换能器中＿７＿。 有限无数值分析（ＦＥＡ） 中，商业仿真软件ＡＮＳＹＳ冈为其强大的求解功能 被广泛使用在换能器建模和分析。这里因为复合 材料的压电陶瓷数量和特性，ＡＮＳＹＳ求解过程中 需要较长的计算时间，并对计算机配置有较高的 要求。所以，为了节省资源，我们这里也将ｌ一３型 ＰＺＴ／Ｐｏｌｙｍｅｒ复合物材料的特性进行简化成为单 相材料特性，用于以后 限元分析换能器模型问 题。根据文献 ｌ ６＿，材料特性 ；’ 能用方程 （２），（４），（６）来设定： ３３＝ ［Ｃ３３ 一２（ＣＩ３ Ｃ。２ ） ／Ｃ（ ）】＋（１，，』）Ｃｌ （２） ｌ３＝［Ｃ１２Ｐ（Ｃ１１Ｅ＋Ｃ１２Ｉ＇：）＋ ｃ１３ （Ｃ１】 ＋Ｃｌ２ ］／（１ ｖ）／Ｃ（ｖ） （３） Ｕ３３ ［ｅ３３—２ｅ ３】（ｃ１３ Ｃｌ２ ＇）／ｃ（ ） （４） １＝ｅ３ｌ［卜（Ｃ－ ＋Ｃ，？）／ｃｏｏ （５） ３３ 【 ３３ ＋２ ２ ｃ（ ）］＋（１一ｖ）ｓ１ｌ （６） 式中：Ｃ 弹性 ０度系数； ＝柑时介电系数； ＝压电系数．上划线“一”和Ｊ 标“Ｐ”分别表示指 定这个材料特性属¨『压电复合材料或首Ｐｏｌｙｍｅｒ 相一卜标“Ｅ， ， ，Ｄ”表示常数值是刚常值电场值， 塾 ４结束语 鱼 蚕 参考文献： 出版社，２０１０． 垦 ３ 固＼ 塞 ２ × ０ × Ｏ ［１］ 李可为．集成电路芯片封装技术［Ｍ］．北京：电子工业 目前国内半导体封装行业蓬勃发展，封装技术 不断进步，封装设备也在不断更新换代。高效节能环 保越来越被企业所重视，所以研发新设备替代老设 — — —［２］ 叶１国电子学会电ｒ制造 －ｊ封装技术分会．电ｆ封装｜ｌ： 艺设备［Ｍ】．北京：化学Ｔ＿ｑｋ出版社，２０１２． Ｓ —址—址—Ｓ —喜 —喜ｌ上舢—址—址—Ｓ —址—Ｓ —Ｓ屯—址 备也是必然趋势。通过近两年的使用，节能型伺服泵 半导体封装压机越来越为市场认可，已渐渐取代了 作者简介： 张作军（１９７９一） ，汉，安徽省铜陵ｍ，工程师，土要 普通型封装压机，成为封装工艺最好的工艺设备。 —从事集成电路封装系统，ＬＥＤ封装没备没计、研发。 ．址— Ｌ—址．Ｓ屯．Ｓ屯．轧Ｌ．址 ．址．址．址．址．Ｓ止．址．Ｓ ． 业 ．Ｓ Ｓ —Ｓ — — —址—Ｓ —址— — — —址—址—址—址 —Ｓｔ （上接第９页） １００００ 等价特性进行计算，以简化在有限元模型中分析。 最后通过Ｈａｒｍｏｎｉｃ分析，验证了这个等价材料特 性能和实际１—３型压电复合材料特性得到比较好 的统一。下一步我们将把１．３犁ＰＺＴ／Ｐｏｌｙｍｅｒ压电 复合材料能做成环彤应用在超声换能器中，并在 半导体封装领域做进一步研究。 参考文献： ［１］ Ｒ＿Ｅ．Ｎｅｗｎｈａｍ．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ａｃｔｕａｔｏｒｓ．Ｐｒｏｃｅｅｄ— １０００ Ｃ： ＼ １００ ４００ ４５０ ５００ ５５０ ６００ ６５０ ７００ 频率／ｋＨｚ ｉｎｇｓ ｏｆＳＰＩＥ ｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｃ］．１ ９９６：３４７—３５２． ［２］ Ｊ．Ｇ．ＷａｎａｎｄＢ．ＱＴａｏ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｔｕｄｙｏｎａ ｌ一３ ａｎｉｓｏｔｒｉｐｙ ｐｉｅｚｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｅｎｓｏｒ［Ｃ］．５ｔｈ ＩＵＭＲＳ Ｉｎｔｅｍａｔｉｏａｎｌ Ｃｏｎ— （ａ）阻抗频谱曲线与ＴＥ模型 ７× ０ ｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｎｅｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ．２０００：５３３—５４２ ６× ０ ５× ０ ４× ０ ［３］ Ｋ．Ｈａｎ，Ｙ．Ｒｏｈ．Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ １—３ ｍｏｄｅ ｐｉｅｚｏ— ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｉｎ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｐ— ｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｉｔｓ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍａｔｒｉｘ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ， １９９９，７５：ｌ７６一ｌ８５． ［４］ Ｃ．Ｐ．Ｃｈｏｎｇ ｅｔ ａ１．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｈｙｂｒｉｄ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ（１—３ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ａｎｄ ｃｅｒａｍｉｃ）ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓａｎｄｗｉｃｈ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ １×ｌＯ ［Ｊ］，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，Ｂ９９：６－１０． １９．０ １９．５ ２０．０ ２０．５ ２１．０ 频率／ｋＨｚ （ｂ）阻抗频谱曲线与ＬＴＥ模型 图５ １—３型ＰＺＴ／Ｐｏｌｙｍｅｒ压电复合材料和等价特 ［５］ Ｓ．ｗ．Ｏｒ．Ｈｉｇｈ ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｏｒｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｂｏｎｄｉｎｇ ［Ｄ］，Ｐｈ．Ｄ．Ｔｈｅｓｉｓ，Ｔｈｅ Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉ— ｔｙ．２０００． 性材料模型的阻抗频谱曲线对照 ［６］Ｌ．Ｗ．Ｃｈａｎ，Ｊｏｓｅｐｈ Ｕｎｓｗｏｒｔｈ．Ｓｉｍｐｌｅ ｍｏｄｅｌ ｆ Ｈｅｌｅｎ ｏｒ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｊ．Ｃｅｒａｍｉｃ／Ｐｏｌｙｍｅｒ ｌ一３ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ３结论 ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ， １—３型ＰＺＴ／Ｐｏｌｙｍｅｒ压电复合材料作为一种 新型压电材料，相对于传统的压电陶瓷材料，具有 ｌ９８９，３６（４）． ［７］ Ｃ．Ｈ．Ｓｈｅｒｍａｎ ａｎｄ Ｊ．Ｌ．Ｂｕｔｌｅｒ．Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ａｎｄ Ａ￣ａｙｓ 较高的压电应变系数和厚度机电耦合系数、低的 — ｆｏｒ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｓｏｕｎｄ［Ｍ］，Ｎｅｗ Ｙｒｏｋ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００７． Ｌ— ．Ｓ ．址．址 — —Ｓ ．址．Ｓ ． Ｌ艇 —址—Ｓ屯—Ｓ ．Ｓ止．Ｓ ． ＾Ｌ儿 机械品质因数和声阻抗。本文通过改变ＰＺＴ材料 的体积比率和纵横比找到这种压电复合材料最高 的机电耦合系数。然后对１．３型压电复合材料的 作者简介： 田志（１９８０～），男，河南人， 工学硕十，脱从事半导体 封装设备的研发。 （总第２２６期）圜■囡困