晶圆键合压头超声波发生器频率追踪电路及追踪方法与流程

1.本发明涉及半导体键合技术领域，尤其涉及一种晶圆键合压头的超声波发生器自动频率追踪方法。


背景技术：

2.目前，市面上利用超声波原理进行晶圆键合操作，所采用的超声波发生器电路绝大部份分为两种：
3.第一种是上世纪80年代使用的自激式振荡电路。这种电路主要有如下不足：1、每次更换超声波晶圆键合压头要重新调整机器的工作频率(因为每个制作好后的压头频率都会有偏差，为达到压头谐振频率，需要人工手动调节超声波发生器的工作频率)，使用操作不便；2、振幅功率小，稳定性差，故障率高，维修率高；(因自激式振荡电路没有脉宽调节，功率与振幅不能自动补偿)；3、电能转换效率低，功率因素低，发热大。
4.第二种是基于相位方法的频率追踪电路。这种电路较自激式振荡电路有所改进，可在工作中自动调节工作频率，补偿压头制造误差和温升引起的参数漂移带来的频率变化。同时也有缺点。1、由于采用电压和电流相位进行频率跟踪，当反馈电路受到干扰时，相位会发生跳变，从而导致其频率跟踪不稳定；2、反馈电路元模块动态特性的温漂和时漂会严重影响频率追踪的精度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种晶圆键合压头的超声波发生器自动频率追踪方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.第一方面，本发明提供一种晶圆键合压头超声波发生器频率追踪电路，包括超声波反馈回路和频率追踪电路；
7.所述超声波反馈回路包括：
8.高频交流不平衡电桥和变压器，所述变压器输出同相端与电感l的一端连接，电感l的另一端与交流不平衡电桥的一端连接，高频交流不平衡电桥的另一端与变压器的反相端连接，所述交流不平衡电桥包括参比桥臂和测量桥臂,所述参比桥臂和测量桥臂并联；
9.高频脉冲互感器ct1、高频脉冲互感器ct2、高频脉冲互感器ct3；
10.其中，所述参比桥臂和测量桥臂的中点定义为a端和b端；所述高频交流不平衡电桥一端和另一端分别定义为v端和g端；所述高频脉冲互感器ct1、高频脉冲互感器ct2、高频脉冲互感器ct3输入同相端和输入反相端作为反馈电路测量点；所述高频脉冲互感器ct1、高频脉冲互感器ct2、高频脉冲互感器ct3输出同相端作为取样信号v
ab
、v
a
和v
b
；所述高频脉冲互感器ct1、高频脉冲互感器ct2、高频脉冲互感器ct3输出反相端com为这三个信号的公共端；
11.所述频率追踪电路包括：依次电连接的运算放大器、模数转换模块、数字信号处理器、与门芯片、全桥式功率放大器驱动器、全桥式功率放大器、高频变压器、换能器；取样信
号v
ab
、v
a
和v
b
与各自的运算放大器opa的输入端连接，所述运算放大器的输出端连接到模数转换模块adc的输入端，模数转换模块adc的输出端通过数字总线与数字信号处理器dsp连接。dsp的脉冲输出连接至igbt驱动，igbt驱动输出端与igbt的门极连接。
12.所述参比桥臂包括电容c
ru
和电容c
rd
，电容c
ru
的一端与电容c
rd
的一端连接，测量桥臂包括电容c
cd
和换能器，电容c
cd
的一端和换能器pzt的一端连接。
13.所述电容c
ru
、电容c
rd、
电容c
cd
和换能器要求符合以下公式：
[0014][0015][0016]
换能器pzt的静态电容为c0,当满足式1时，在换能器谐振状态时，vab和vb有恒定的比例关系，比例为式2所示；va信号在换能器谐振时电压较小，可用此信号作为谐振状态的粗略估算。
[0017]
还包括
[0018]
第一分压电路，设置在反馈电路测量点和高频脉冲互感器ct1之间，其包括：串联的两个电阻r1、r2和所述高频脉冲互感器ct1，电阻r1、r2的连接处与所述高频脉冲互感器ct1输入同相端连接，电阻r2的另一端与所述高频脉冲互感器ct1输入反相端连接；
[0019]
第一采样电路,与所述高频脉冲互感器ct1输出同相端和反相端形成一回路，其包括：串联的二极管d1和电容c1，二极管d1的阳极与所述高频脉冲互感器ct1输出同相端连接,二极管d1的阴极与电容c1一端连接，电容c1另一端所述高频脉冲互感器ct1输出反相端连接；
[0020]
第二分压电路，设置在反馈电路测量点和高频脉冲互感器ct2之间，其包括：串联的两个电阻r3、r4和所述高频脉冲互感器ct2，所述高频脉冲互感器ct2输入同相端与电阻r3、r4的连接处连接，所述高频脉冲互感器ct2输入反相端与电阻r4的另一端连接；
[0021]
第二采样电路，与所述高频脉冲互感器ct2输出同相端和反相端形成一回路，其包括：串联的二极管d2和电容c2，二极管d2的阳极与所述高频脉冲互感器ct2输出同相端连接,二极管d2的阴极与电容c2一端连接，电容c2另一端所述高频脉冲互感器ct2输出反相端连接；
[0022]
第三分压电路，设置在反馈电路测量点和高频脉冲互感器ct3之间，其包括：串联的两个电阻r5、r6和所述高频脉冲互感器ct3，所述高频脉冲互感器ct3输入同相端与电阻r5、r6的连接处连接，所述高频脉冲互感器ct3输入反相端与电阻r6的另一端连接；
[0023]
第三采样电路，与所述高频脉冲互感器ct3输出同相端和反相端形成一回路，其包括：串联的二极管d3和电容c3，二极管d3的阳极与所述高频脉冲互感器ct3输出同相端连接,二极管d3的阴极与电容c3一端连接，电容c3另一端与所述高频脉冲互感器ct3输出反相端连接。
[0024]
第二方面，本发明还提供一种使用上述的晶圆键合压头超声波发生器频率追踪电路的追踪方法，包括
[0025]
取样信号vab、va和vb通过各自的运算放大器opa调理至模数转换模块adc模块要
求的输入范围；
[0026]
数字信号处理器dsp通过数字总线获得所述取样信号vab、va和vb的转换值，通过算法计算出驱动信号的频率、相位以及占空比；
[0027]
通过igbt驱动芯片控制igbt桥式电路输出所需的交流电压；
[0028]
所述交流电压通过变压器和电感电路后驱动换能器。
[0029]
与现有技术相比，本发明所述的晶圆键合压头超声波发生器频率追踪方法，具有如下有益效果：
[0030]
自动频率追踪电路晶圆压头的的工作频率，避免了每次更换压头要重新调整机器的工作频率的麻烦，电路自动补偿功率与振幅，精度高、功率稳定，使用方便，而且故障率低，维护成本大幅减少，使用寿命更长。
附图说明
[0031]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0032]
图1为本发明提供的晶圆键合压头超声波发生器频率追踪电路示意图。
[0033]
图2为图1中的频率追踪电路示意图。
[0034]
图3为反馈电压数模转换值随频率变化的关系曲线。
[0035]
图4为本发明提供的晶圆键合压头超声波发生器频率追踪电路方法流程图。
具体实施方式
[0036]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0037]
如图1
‑
2，本发明提供一种晶圆键合压头超声波发生器频率追踪电路，包括超声波反馈回路和频率追踪电路；
[0038]
所述超声波反馈回路包括：
[0039]
高频交流不平衡电桥和变压器，所述变压器输出同相端与电感l的一端连接，电感l的另一端与交流不平衡电桥的一端连接，高频交流不平衡电桥的另一端与变压器的反相端连接，所述交流不平衡电桥包括参比桥臂和测量桥臂,所述参比桥臂和测量桥臂并联；
[0040]
高频脉冲互感器ct1、高频脉冲互感器ct2、高频脉冲互感器ct3；
[0041]
其中，所述参比桥臂和测量桥臂的中点定义为a端和b端；所述高频交流不平衡电桥一端和另一端分别定义为v端和g端；所述高频脉冲互感器ct1、高频脉冲互感器ct2、高频脉冲互感器ct3输入同相端和输入反相端作为反馈电路测量点；所述高频脉冲互感器ct1、高频脉冲互感器ct2、高频脉冲互感器ct3输出同相端作为取样信号v
ab
、v
a
和v
b
；所述高频脉冲互感器ct1、高频脉冲互感器ct2、高频脉冲互感器ct3输出反相端com为这三个信号的公共端；
[0042]
所述频率追踪电路包括：依次电连接的运算放大器、模数转换模块、数字信号处理
器、与门芯片、全桥式功率放大器驱动器、全桥式功率放大器、高频变压器、换能器；取样信号v
ab
、v
a
和v
b
与各自的运算放大器opa的输入端连接，所述运算放大器的输出端连接到模数转换模块adc的输入端，模数转换模块adc的输出端通过数字总线与数字信号处理器dsp(或者mcu)连接。dsp(或者mcu)的脉冲输出连接至igbt驱动，igbt驱动输出端与igbt的门极连接。
[0043]
所述参比桥臂包括电容c
ru
和电容c
rd
，电容c
ru
的一端与电容c
rd
的一端连接，测量桥臂包括电容c
cd
和换能器，电容c
cd
的一端和换能器pzt的一端连接。
[0044]
高频电源vac从初级n1输入变压器，n2输出经过变压的高频交流电并通过电感滤波得到比较平滑高频交流电。高频交流电两端分别定义为v端和g端。c
ru
和c
rd
组成交流不平衡桥的参比桥臂，换能器pzt和c
cd
组成测量桥臂。参比桥臂和测量桥臂的中点定义为a端和b端。
[0045]
还包括第一分压电路，设置在反馈电路测量点和高频脉冲互感器ct1之间，其包括：串联的两个电阻r1、r2和所述高频脉冲互感器ct1，电阻r1、r2的连接处与所述高频脉冲互感器ct1输入同相端连接，电阻r2的另一端与所述高频脉冲互感器ct1输入反相端连接；
[0046]
第一采样电路,与所述高频脉冲互感器ct1输出同相端和反相端形成一回路，其包括：串联的二极管d1和电容c1，二极管d1的阳极与所述高频脉冲互感器ct1输出同相端连接,二极管d1的阴极与电容c1一端连接，电容c1另一端所述高频脉冲互感器ct1输出反相端连接；
[0047]
第二分压电路，设置在反馈电路测量点和高频脉冲互感器ct2之间，其包括：串联的两个电阻r3、r4和所述高频脉冲互感器ct2，所述高频脉冲互感器ct2输入同相端与电阻r3、r4的连接处连接，所述高频脉冲互感器ct2输入反相端与电阻r4的另一端连接；
[0048]
第二采样电路，与所述高频脉冲互感器ct2输出同相端和反相端形成一回路，其包括：串联的二极管d2和电容c2，二极管d2的阳极与所述高频脉冲互感器ct2输出同相端连接,二极管d2的阴极与电容c2一端连接，电容c2另一端所述高频脉冲互感器ct2输出反相端连接；
[0049]
第三分压电路，设置在反馈电路测量点和高频脉冲互感器ct3之间，其包括：串联的两个电阻r5、r6和所述高频脉冲互感器ct3，所述高频脉冲互感器ct3输入同相端与电阻r5、r6的连接处连接，所述高频脉冲互感器ct3输入反相端与电阻r6的另一端连接；
[0050]
第三采样电路，与所述高频脉冲互感器ct3输出同相端和反相端形成一回路，其包括：串联的二极管d3和电容c3，二极管d3的阳极与所述高频脉冲互感器ct3输出同相端连接,二极管d3的阴极与电容c3一端连接，电容c3另一端与所述高频脉冲互感器ct3输出反相端连接。
[0051]
串联的两个电阻和高频脉冲互感器ct组成分压电路。分压电压经过高频脉冲互感器ct隔离后经过二极管整流和电容滤波后得到幅值随采样交流电压有效值变化的平滑直流电。该电路称为采样电路。本专利使用三个拓扑结构相同的采样电路。可以通过调节串联的电阻阻值和频脉冲互感器ct的变比实现采样幅值的调节。
[0052]
频率追踪电路包括：运算放大器、模数转换模块、数字信号处理器、与门芯片、全桥式功率放大器驱动器、全桥式功率放大器、高频变压器、换能器。
[0053]
采样电压经过运算放大器调节至适合模数转换模块的电压幅值。模数转换模块将
电压转换成数字量。数字信号处理器dsp通过比较v
ab
和v
b
的电压大小确定增加或者降低控制信号的频率。控制信号经过igbt驱动放大后驱动igbt全桥。igbt全桥将直流电调制成高频交流电vac。
[0054]
c
ru
和c
rd
分别为交流不平衡桥的参比桥臂的上桥和下桥电容，c
cd
和换能器pzt的静态电容c0组成测量桥臂的上桥和下桥电容，c
cd
同时作为换能器pzt的匹配电容。
[0055]
a、b和g为反馈电路测量点。测量点的信号分别经过ct1、ct2和ct3变压器隔离和取样获得v
ab
、v
a
和v
b
信号，com为这三个信号的公共端。
[0056]
所述电容c
ru
、电容c
rd、
电容c
cd
和换能器要求符合以下公式：
[0057][0058][0059]
换能器pzt的静态电容为c0,当满足式1时，在换能器谐振状态时，vab和vb有恒定的比例关系，比例为式2所示。va信号在换能器谐振时电压较小，可用此信号作为谐振状态的粗略估算。
[0060]
频率追踪方法：
[0061]
vab、va和vb通过各自的运算放大器opa调理至adc模块要求的输入范围。dsp(或者mcu)通过数字总线获得vab、va和vb的转换值，通过算法计算出驱动信号的频率、相位以及占空比，通过igbt驱动芯片控制igbt桥式电路输出所需的交流电压。该交流电压通过变压器和电感等电路后驱动换能器。
[0062]
图3为反馈电压数模转换值随频率变化的关系曲线(以20khz换能器为例)。换能器谐振点为19824hz在整个频率范围内，vab随频率增加而上升，va在谐振点附近变化较为平坦，vb随频率增加而下降。首先，数字信号处理器输出最高频率，该频率比谐振频率高100
‑
200hz；此时，va信号大于程序设定的阈值，该阈值在本例中为500。数字信号处理器将不断降低频率，直至va小于阈值。当小于阈值后，处理器通过比较vab和vb的值确定频率增加或者降低，若vab大于vb就降低频率，反之增加频率。通过程序的调节，电路将运行在谐振点19824hz附近。受外部负载影响而偏离谐振点过多且va大于阈值时，电路停止工作并发出保护信号。
[0063]
如图4所示，本发明还提供一种使用上述的晶圆键合压头超声波发生器频率追踪电路的追踪方法，包括
[0064]
s1、取样信号vab、va和vb通过各自的运算放大器opa调理至模数转换模块adc模块要求的输入范围；
[0065]
s2、数字信号处理器dsp(或者mcu)通过数字总线获得所述取样信号vab、va和vb的转换值，通过算法计算出驱动信号的频率、相位以及占空比；
[0066]
s3、通过igbt驱动芯片控制igbt桥式电路输出所需的交流电压；
[0067]
s4、所述交流电压通过变压器和电感电路后驱动换能器。
[0068]
应该注意的是所述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，
不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
[0069]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。