【摘 要】
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超声波增材制造（UAM）是一种层状复合/数控（Computer numerical control）制造工艺。较低的成型温度与独特的成型原理使超声波增材制造技术成为制造智能封装金属结构的优秀技术手段,拥有良好的应用前景。在对电子元件的封装研究中,二维的功能性封装为现在研究方向的主流,然而二维的封装形式比较依赖电路本身,难以获得由三维结构带来的功能性;并且更加紧凑的电子设计要求也更加依赖三维结构在结
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超声波增材制造（UAM）是一种层状复合/数控（Computer numerical control）制造工艺。较低的成型温度与独特的成型原理使超声波增材制造技术成为制造智能封装金属结构的优秀技术手段,拥有良好的应用前景。在对电子元件的封装研究中,二维的功能性封装为现在研究方向的主流,然而二维的封装形式比较依赖电路本身,难以获得由三维结构带来的功能性;并且更加紧凑的电子设计要求也更加依赖三维结构在结构上给设计提供便利性。本文从三维功能性结构出发,提出了一种能够增强感应灵敏度的封装结构设计思路及工艺方案;通过有限元仿真与理论计算方法完成结构设计,并通过实验对结合质量及结构功能性进行验证。具体研究内容如下:（1）使用LSDYNA冲击仿真,分析了10组不同韧性Ti层体积分数的Ti-Al3Ti叠层复合材料的载荷体速度衰减程度,得到Ti层体积分数40%为最佳力学性能的Ti-Al3Ti叠层复合材料,完成封装基体设计。（2）本文选择型号为BF120-3AA150的压阻式应变传感器为封装对象元件,基于该传感器的测试特性,提出一种基于超声波增材制造技术与金属基叠层复合材料的封装方案,该方案利用薄膜与空腔增强振动的特性,提高压阻式传感器的感应灵敏度。结合Ansys Model有限元仿真与薄板振动理论对振动薄膜的结构进行设计,使用固定变量的方法确定了薄膜的振型、形状、材料与尺寸规格:材料为纯铜,尺寸规格为20×0.1（直径×厚度mm）的圆形振动薄膜,仿真分析与理论计算的结果表明此规格的薄膜具有最佳的振动响应能力;完成封装结构构件设计,并绘制构件工程图与结构示意图。（3）按照封装结构设计的结果,进行了超声波固结工艺的研究,获得了低温、低功率的超声波异种金属固结工艺;以固结结合度（LWD）与焊接功率为实验结果进行正交实验与极差分析,并在上述实验结果的基础上进行了焊接压力递减的响应优化实验;对该工艺样品的固结界面进行微观表征分析,分析结果表明该固结工艺在保证材料损伤程度较低的前提下,获得了良好的界面结合质量。固结工艺为:焊接压力528.75 N,振幅23.6μm,焊接速度10 mm/s。（4）按照封装设计与超声波固结工艺实验的结果,完成封装结构样品的制备成型。使用DSO2C10示波器对传感器的信号进行提取,对施加了不同载荷等级的样品进行信号的读取及分析,分析结果表明该样品具备反馈不同大小载荷的能力;使用Ansys LSDYNA有限元仿真对该样品结构与常规开槽式结构进行冲击仿真,通过对比仿真结果得到了该样品结构的感应灵敏度比常规开槽式结构的灵敏度高出330%的结论。
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