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표제지
국문초록
목차
제1장 서론 13
1.1. 연구배경 13
1.2. 연구목적 및 내용 15
제2장 초음파 트랜스듀서 해석 및 실험 17
2.1. 트랜스듀서의 유한요소 해석 18
2.2. 트랜스듀서의 실험 26
2.2.1. 레이저진동계를 이용한 변위 측정 27
2.2.2. 임피던스 측정기를 이용한 전기적 특성 측정 30
제3장 동적 문제의 다중목적함수 위상최적화 36
3.1. 동적 문제에 관한 위상최적화 39
3.2. 위상최적화 정식화 40
3.2.1. 설계 변수와 보간함수 40
3.2.2. 목적함수와 민감도 해석 43
3.2.3. 설계변수 갱신 47
3.2.4. 최적화 과정의 모드 추적 49
3.2.5. COMSOL 과 MATLAB을 연동한 알고리즘 53
3.3. 다중 목적함수를 이용한 위상최적화 59
3.3.1. Physical Programming 의 정식화 61
3.3.2. Physical Programming 의 위상최적화 적용 65
3.3.3. 위상최적화 결과 비교 67
제4장 초음파 트랜스듀서의 위상최적화 적용 및 검증 74
4.1. 초음파 트랜스듀서의 위상최적화 적용 74
4.1.1. 위상최적화 적용 및 결과 74
4.1.2. 최적화 모델의 유한요소 해석 91
제5장 결론 93
참고문헌 95
부록 102
Abstract 112
Table 2.1. Details of commercial transducer 23
Table 2.2. Result of FEM analysis 25
Table 2.3. Measurement frequency and displacement 28
Table 2.4. Result of impedance test 33
Table 2.5. Measured data (a)at start, (b)at last 35
Table 3.1. Variables for topology optimization function 44
Table 3.2. Table of MAC value for each mode 51
Table 3.3. Necessary property of each class function 63
Table 3.4. Region of case 1 69
Table 3.5. Region of case 2 69
Table 3.6. Region of case 3 69
Table 4.1. Region of class function for transducer 86
Table 4.2. Region of class function for transducer 2 88
Fig 1.1. Types of transducer (a) Insertion type, (b) Horn type 14
Fig 2.1. Domain of FEM analysis 19
Fig 2.2. Experiment setup 26
Fig 2.3. Measurement spot (a) End spot of body, (b) Capillary 28
Fig 2.4. Impedance analyzer (a) Appearance, (b) Port, (c) Circuit 31
Fig 2.5. Bonding Profile 31
Fig 2.6. Bond monitoring system 32
Fig 2.7. Flow diagram of impedance analyzer 32
Fig 2.8. Profile of reliability test 34
Fig 2.9. Measured impedance every 3 minutes for 72hours 34
Fig 3.1. Design variable as a pseudo density 40
Fig 3.2. Value of Interpolation functions 42
Fig 3.3. Example model for MAC 49
Fig 3.4. Mode shape of example model 50
Fig 3.5. method to determine weight vector 52
Fig 3.6. Implementation of topology optimization 54
Fig 3.7. Result of Optimization and frequency history in (a) first mode, (b) second mode, (c) third mode 56
Fig 3.8. Reference model for amplitude maximization 58
Fig 3.9. Result of amplitude maximization 58
Fig 3.10. Value of objective function during iteration 58
Fig 3.11. Kinds of class function 62
Fig 3.12. Regions of soft type class function 63
Fig 3.13. Result of case 1 70
Fig 3.14. Amplitude of case 1 during optimization iteration 70
Fig 3.15. Eigenfrequencyof case 1 during optimization iteration 70
Fig 3.16. Result of case 2 71
Fig 3.17. Amplitude of case 2 during optimization iteration 71
Fig 3.18. Eigenfrequency of case 2 during optimization iteration 71
Fig 3.19. Result of case 3 72
Fig 3.20. Amplitude of case 3 during optimization iteration 72
Fig 3.21. Eigenfrequency of case 3 during optimization iteration 72
Fig 3.22. Initial model (a) displacement field, (b) mode shape 73
Fig 3.23. Optimized model (a) displacement field, (b) mode shape 73
Fig 4.1. Ultrasonic transducer (UNIBODY) 74
Fig 4.2. Design domain of ultrasonic transducer for K&S 1488P 75
Fig 4.3. Optimization of shifting eigenfrequency using SIMP interpolation function (a) Optimized shape, (b) Eigenfrequency 76
Fig 4.4. Optimization of shifting eigenfrequency using RAMP interpolation function (a) Optimized shape, (b) Eigenfrequency 77
Fig 4.5. Optimization of maximization amplitude using SIMP interpolation function (a) Optimized shape, (b) Amplitude 78
Fig 4.6. Optimization of maximization amplitude using SIMP interpolation function (a) Optimized shape, (b) Amplitude 79
Fig 4.7. Ultrasonic transducer for K&S MAXUM 80
Fig 4.8. Design domain of ultrasonic transducer for K&S MAXUM 81
Fig 4.9. Optimization of shifting eigenfrequency using SIMP interpolation function (a) Optimized shape, (b) Frequency 82
Fig 4.10. Optimization of shifting eigenfrequency using RAMP interpolation function (a) Optimized shape, (b) Frequency 83
Fig 4.11. Optimization of maximization amplitude using SIMP interpolation function (a) Optimized shape, (b) Amplitude 84
Fig 4.12. Optimization of maximization amplitude using RAMP interpolation function (a) Optimized shape, (b) Amplitude 85
Fig 4.13. Result of physical programming (a) Optimized shape, (b) Frequency (c) Amplitude 87
Fig 4.14. Result of physical programming (a) Optimized shape, (b) Frequency (c) Amplitude 89
Fig 4.15. Result of optimization, (a) Initial model, (b) Optimized model 91
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본 논문은 와이어본딩용 초음파 트랜스듀서를 설계하기 위한 위상최적화 방법에 대해서 기술 하였다. 와이어본딩용 초음파 트랜스듀서는 와이어본딩에서 접합부에 진동에너지를 전달하는 와이어본더의 핵심 부품이다. 초음파 트랜스듀서를 설계할 시 중요한 조건은 길이 방향 모드의 고유진동수가 와이어 본더의 가진 주파수와 일치하는 것과 접합부에 충분한 진동에너지를 전달하기 위한 진동 변위이다. 본 연구에서는 이 두 가지 설계 요건을 충족하기 위해 다중 목적함수 위상최적화를 적용한 트랜스듀서의 설계방법을 제시하였다.
위상최적화는 상용 유한요소 해석프로그램인 COMSOL 과 수치해석 프로그램인 MATLAB 을 연동하여 적용하였다. 위상최적화 알고리즘으로 보간 함수 중 SIMP법 과 RAMP 법을 비교 적용하였으며, 위상최적화 과정 중 원하는 모드를 선택하기 위해서 설계변수를 가중치로 이용하는 WMAC 을 이용하였다. 또한 두 개의 목적함수를 동시에 만족하는 형상을 찾기 위하여 Physical programming을 이용하여 다중 목적함수 위상최적화를 적용하였다.
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