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TWI387500B - 超音波換能器 - Google Patents

超音波換能器 Download PDF

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TWI387500B
TWI387500B TW097110657A TW97110657A TWI387500B TW I387500 B TWI387500 B TW I387500B TW 097110657 A TW097110657 A TW 097110657A TW 97110657 A TW97110657 A TW 97110657A TW I387500 B TWI387500 B TW I387500B
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TW
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ultrasonic
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ultrasonic transducer
transducer
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TW097110657A
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TW200843887A (en
Inventor
Thuerlemann Silvan
Von Arx Martin
Original Assignee
Oerlikon Assembly Equipment Ag Steinhausen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Oerlikon Assembly Equipment Ag Steinhausen filed Critical Oerlikon Assembly Equipment Ag Steinhausen
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Description

超音波換能器
本發明係關於一種超音波換能器。
此種型式之超音波換能器係被使用在習知的球形打線接合機。打線接合機係一種用以將半導體晶片放置在基板上之後打線接合之機器。球形打線接合機係一種打線接合機，其中導線係透過毛細管中的縱向孔洞導引，然後藉由毛細管固定到連接點，然而在已知的楔形打線接合機之情形下，毛細管被一種也是習知的超音焊極(sonotrode)之特殊的楔形工具所取代。超音波換能器包含焊頭(horn)和用以在焊頭中激勵超音波振盪之壓電驅動件。將毛細管夾到焊頭的頂端。在製造半導體晶片的連接點和基板的連接點之間的導線連接期間，自毛細管突出的導線端開始熔化形成球形。接著，藉由壓力和超音波將導線球(專家簡稱為球)附着到半導體晶片的連接點。此牽涉到要擠壓導線球。此過程稱為球形接合。然後拉出需要長度之導線，形成彎曲導線並接合到基板的連接點。過程的後半部稱為楔形接合。一旦導線附着到基板的連接點，就扯斷導線且下一次的接合循環方能開始。在球形接合和楔形接合時，超音波被應用到壓電驅動件之焊頭上。
例如，超音波換能器可以從美國專利US 5603445、US 5595328、US 5364005、US 5180093、US 5368216、US 5469011、US 5578888、US 5699953及US 6135339瞭解。
習知的超音波換能器係以在焊頭中形成連續超音波的方式設計，其中超音波的振盪係朝向焊頭的縱向。此種型式的超音波也被稱為縱向波。球形打線接合機的接合頭允許毛細管的頂端可以在三個空間方向移動，於是接合頭只有三個自由度。因此，焊頭在安裝在XY台上之傳統接合頭和旋轉式接合頭，例如可以從專利US 5114302、US 6460751及WO 2006036669瞭解，沿著預定方向作更多或更少的方向定位，於是接線連接可以在所有的方向延伸。另一方面，此導致黏著到基板的連接點之導線黏著強度在所有的接線方向不均勻，而且在另一方面，也導致擠壓球的形狀有差異。
本發明之目的係要改善將導線黏著到基板的連接點，而且使擠壓球的形狀更均勻。
根據本發明，上述之目的可以藉由申請專利範圍第1項的特徵達成。優選實施例可以由附屬的申請專利範圍顯現。
根據本發明之超音波換能器包含長狀的焊頭、平衡件、兩個壓電驅動件和螺絲。平衡件係藉由螺絲固定到焊頭，因此在焊頭和平衡件之間夾住配置在超音波換能器縱軸的任一側之壓電驅動件。焊頭具有包含至少一個孔洞之凸緣，用以將超音波換能器固定到打線接合機的接合頭。首先，當同相交流電壓被施加到兩個壓電驅動件時，在換能器中形成第一超音波振盪，其方向係平行於換能器的縱 軸，而當第二反相交流電壓被施加到兩個壓電驅動件時，則形成第二超音波振盪，其方向係垂直於換能器的縱軸。超音波換能器係以下列方式設計：-壓電驅動件係位在第一超音波振盪的第一節點，-壓電驅動件係位在第二超音波振盪的第一反節點，-凸緣係位在第一超音波振盪的第二節點，-凸緣係位在第二超音波振盪的第二反節點，及-在凸緣中的至少一個孔洞係位在第二超音波振盪又一節點。
若兩個交流電壓具有相同的頻率和相同的相位，則它們係同相。若兩個交流電壓具有相同的頻率但是不同的符號，使得它們的相位延遲π，則他們係反相。
焊頭具有用以收容毛細管的孔洞。從焊頭的頂端量測，此孔洞最好形成在第二超音波振盪的第二反節點。
較佳地，第二超音波振盪至少具有一個節點，其係位在螺絲的頭端和壓電驅動件之間。
較佳地，第二超音波振盪在平衡件中具有位置靠近平衡件的邊緣的節點。
較佳地，平衡件的寬度大於壓電驅動件外緣離音波換能器縱軸的距離。
下面將根據實施例和參考圖式更詳細的說明本發明。各圖式並非依據實際比例繪製。
第1圖為根據本發明之超音波換能器1的平面圖。卡氏座標系統的軸以x和y表示。超音波換能器1係由長狀的焊頭2、平衡件3、兩個壓電驅動件4、5和螺絲6組成。平衡件3係藉由螺絲6固定到焊頭2，使壓電驅動件4、5可以被夾住在焊頭2和平衡件3之間。為了機械上預拉壓電驅動件4、5，因此平衡件3係作用成張力樑。焊頭2係相對於縱軸7對稱建構。焊頭2具有凸緣8，其延伸在縱軸7的任一側，而且具有孔洞9，以將超音波換能器1固定打線接合機的10，其中只在圖式中指示接合頭10。此外，焊頭2具有靠近其頂端11之孔洞12，其係在垂直圖面的平面延伸，而且毛細管可固定在其中。換能器1的總長度係以元件符號L表示，係從螺絲6的頭端到焊頭2的相對頂端11。超音波換能器1之焊頭2的寬度B(y)和厚度D(y)，因此還有質量分佈會在Y方向改變。例如，焊頭2的前部在其構造中係為圓錐形的。
超音波換能器1作用來造成被夾在焊頭2之毛細管的頂端產生超音波振盪。超音波換能器1係一種振盪系統，其中所有的部分，並非只有焊頭2，都會振盪。根據本發明之超音波換能器1係設計成，兩個壓電驅動件在第一操作模式下激勵焊頭2，以執行超音波振盪，即朝向焊頭2的縱向之連續超音波，然後毛細管的頂端也執行朝向平行焊頭2的縱軸7之振盪。此種型態之超音波振盪也被稱為縱向振盪或連續縱向波。因為毛細管頂端的振盪係在Y方向延伸，所以下面將此模式稱為Y模式。根據本發明之超 音波換能器1更設計成，兩個壓電驅動件在第二操作模式下激勵焊頭2，以執行超音波振盪(即，再一次，連續超音波)，其係朝向焊頭2的縱軸之橫向，然後毛細管的頂端也執行朝向焊頭2的縱軸7之橫向的振盪。此種型態之超音波振盪也被稱為彎曲振盪。因為在此情形下之毛細管頂端的振盪係在X方向延伸，所以下面將此模式稱為X模式。
在Y模式中，同相交流電壓被應用到兩個壓電驅動件4、5，使得它們總是同時在Y方向延伸和收縮。在X模式中，兩個壓電驅動件4、5係以反相交流電壓激勵，使得當第二壓電驅動件5係在Y方向收縮時，第一壓電驅動件4係在Y方向延伸。
下面將說明超音波換能器1必須具有或較佳具有的各種不同特性，使得在超音波換能器1之Y模式和X模式中，毛細管頂端的振盪振幅達到可用於導線接合之尺寸。
第2圖為沿著造成Y模式之超音波換能器1的縱軸7之連續超音波的振幅A1 。第3圖為沿著造成X模式之超音波換能器1的縱軸7之連續超音波的振幅A2 。第4圖為沿著凸緣8的X軸之X模式連續超音波的振幅A3 。這些超音波係朝向X方向。第5圖為沿著平衡件3的X軸之X模式連續超音波的振幅A4 。在超音波換能器1的縱向端，及亦在平衡件3和凸緣8的橫向端，明顯有反節點。例如，超音波換能器1係以Y模式之超音波在超音波換能器1的縱軸7上具有n1 =5節點之方式設計。但是，節點數n1 可以不同。再者，根據本發明，超音波換能器1可以下列方式 設計：A)壓電驅動件4和壓電驅動件5係位在Y模式的第一節點13(第2圖)。較佳地，壓電驅動件4、5的中心或靠近中心的點係位在第一節點13，B)壓電驅動件4和壓電驅動件5係位在X模式的第一反節點14(第3圖)。較佳地，壓電驅動件4、5的中心或靠近中心的點係位在第一反節點14，C)凸緣8係位在Y模式的第二節點15之中(第2圖)，D)凸緣8係位在X模式的第二反節點16之中(第3圖)，及E)在凸緣8之中的兩個孔洞9係位在X模式的橫向節點17之中(第4圖)。
特性A到D可以藉由下列方法達成：
-定義Y模式之超音波振盪的期望頻率fY 。此典型約為125 kHz。
-在n1 發生之Y模式的方式下定義超音波換能器1的長度L。長度L實質上取決於頻率fY 及製成焊頭2和平衡件3之材料的聲速。焊頭2和平衡件3最好係由鈦製成。
-焊頭2的寬度B(y)及可選擇地厚度D(y)係局部地改變，直到發現適當的彎曲振盪，其特徵頻率fX 靠近頻率fY (即|fX -fY |<<fY )，而且其在壓電驅動件4、5的中心區域具有反節點及在Y模式的節點區域具有反節點。當X模式時選擇此彎曲振盪。例如，特性B和D及條件|fX -fY |<<fY 可以在充分的質量下達成。
連續超音波也可以形成在凸緣8之中，反節點發生在 凸緣8的端點。X位置和稱為橫向節點之節點的數量取決於凸緣8的長度K。長度K係以至少一個橫向節點之方式選擇，換言之，例如節點17(第4圖)，發生在X模式。因此特性E可以藉由適當的選擇凸緣8之長度K而達成。
超音波換能器1因此還以下列方式設計為有利的：
F)用於毛細管之孔洞12係被配置在X模式的第二反節點-從焊頭2的頂端11量測，而且在本文件中以元件符號18表示。
G)至少一個節點，例如節點19(第2圖)，發生在Y模式下螺絲6的頭端和壓電驅動件4、5之間，及H)在X模式下，在平衡件3中，在中心和靠近邊緣，發生橫向節點20(第5圖)，使得壓電驅動件4、5面對平衡件3的整個表面在相同的Y方向振盪，因此(根據頻率fx )顯示交替伸展或壓縮負載。此可以防止一部分的表面在正Y方向移動，於是另一部分的表面可以同時在負Y方向移動。
特性G可以藉由適當的選擇平衡件3的長度LG 和突出於平衡件3之螺絲6的長度LS 達成。特性H可以藉由優化平衡件3的幾何形狀和質量分佈達成。在平衡件3係平板之範例中，基於此原因，比超音波換能器1的縱軸7更遙遠之端點會加寬，如第1圖所示。較佳地，平衡件3的寬度B1 大於壓電驅動件4或5外緣離超音波換能器1的縱軸7之距離D1 ，使得平衡件3橫向伸出越過壓電驅動件4和5。
根據本發明之超音波換能器1可以操作在三種模式下，換言之，只在X模式、只在Y模式或X模式和Y模式係同時激勵之XY模式。Y模式特別適合接合在Y方向延伸之導線迴路，X模式特別適合接合在X方向延伸之導線迴路。XY模式係一種完全新穎的模式，其中雖然在此情形下，在X方向和Y方向之毛細管頂端的振盪振幅具有合理的尺寸，但是X模式和Y模式係同時激勵而且彼此相互無關；較佳地，它們具有大約相同的尺寸。在X方向和Y方向之毛細管頂端的振盪並沒有相關，其結果使毛細管頂端形成李塞爾氏圖(Lissajous figure)。因此毛細管頂端跟隨以直角限制之李塞爾氏路徑(Lissajous path)。李塞爾氏路徑的範例如第6圖所示。
第7圖為允許超音波換能器1操作在上述三種模式下之控制電路。在其結構中壓電驅動件4、5係相同的。每一個壓電驅動件4、5係由許多壓電元件21構成之堆疊結構，典型為四或六或更多，其係以交替極化方向相互堆疊，導電平板22總是夾在壓電元件21之間。壓電元件21的極化方向具有”+”和”-“符號的順序之特徵。控制電路包含用於Y模式激勵之第一產生器23，用於X模式激勵之第二產生器24，及包含一次線圈26和二次線圈27之變壓器25。二次線圈27係由兩個相同的線圈28和29組成，其中具有共同輸入端30和個別輸出端31或32。第一產生器23的輸出係被連接到二次線圈27的共同輸入端30。第二產生器24的輸出係被連接到一次線圈26的第一端，而一次線圈26 的第二端則電性接地。線圈28的輸出端31連接到第一壓電驅動件4的壓電元件21之負端。線圈29的輸出端32連接到第二壓電驅動件5的壓電元件21之負端。兩個壓電驅動件4和5的壓電元件21之正端係電性接地。
第一產生器23供應交流電壓U1 =UY cos(2πf Y t+φ Y )，其中t表示時間，而φY 則表示相位。第二產生器24供應交流電壓U2 =UX cos(2πf X t+φ X )，其中φX 表示相位。下表表示在三種上述的模式下供應到壓電驅動件4和5之交流電壓：
1‧‧‧超音波換能器
2‧‧‧焊頭
3‧‧‧平衡件
4‧‧‧壓電驅動件
5‧‧‧壓電驅動件
6‧‧‧螺絲
7‧‧‧縱軸
8‧‧‧凸緣
9‧‧‧孔洞
10‧‧‧接合頭
11‧‧‧焊頭頂端
12‧‧‧孔洞
13‧‧‧第一節點
14‧‧‧第一反節點
15‧‧‧第二節點
16‧‧‧第二反節點
17‧‧‧橫向節點
18‧‧‧反節點
19‧‧‧節點
20‧‧‧橫向節點
21‧‧‧壓電元件
22‧‧‧平板
23‧‧‧第一產生器
24‧‧‧第二產生器
25‧‧‧變壓器
26‧‧‧一次線圈
27‧‧‧二次線圈
28‧‧‧線圈
29‧‧‧線圈
30‧‧‧輸入端
31‧‧‧輸出端
32‧‧‧輸出端
第1圖為根據本發明之超音波換能器的平面圖；第2圖到第5圖為當應用適當的交流電壓時，在超音波換能器中形成之各種不同的超音波振盪之振幅；第6圖為毛細管頂端的路徑，其形成李塞爾氏圖(Lissajous figure)；及第7圖為超音波換能器之控制單元。
1‧‧‧超音波換能器
2‧‧‧焊頭
3‧‧‧平衡件
4‧‧‧壓電驅動件
5‧‧‧壓電驅動件
6‧‧‧螺絲
7‧‧‧縱軸
8‧‧‧凸緣
9‧‧‧孔洞
10‧‧‧接合頭
11‧‧‧焊頭頂端
12‧‧‧孔洞
13‧‧‧第一節點
14‧‧‧第一反節點
15‧‧‧第二節點
16‧‧‧第二反節點
17‧‧‧橫向節點
18‧‧‧反節點
19‧‧‧節點
20‧‧‧橫向節點

Claims (9)

  1. 一種超音波換能器，包含長狀的焊頭(2)；平衡件(3)；兩個壓電驅動件(4、5)；和螺絲(6)，該平衡件(3)係藉由該螺絲(6)固定到該焊頭(2)，該等壓電驅動件(4、5)被配置在該超音波換能器之縱軸(7)的任一側，並且被夾住在該焊頭(2)和該平衡件(3)之間，該焊頭(2)具有包含至少一個第一孔洞(9)之凸緣(8)，用以將該超音波換能器固定到打線接合機的接合頭，其中當第一同相交流電壓被施加到該兩個壓電驅動件(4、5)時，在該換能器中形成多個第一超音波振盪，其方向係平行該換能器的縱軸(7)，當第二反相交流電壓被施加到該兩個壓電驅動件(4、5)時，在該換能器中形成多個第二超音波振盪，其方向係相對於該換能器的縱軸(7)成橫向，其中-該等壓電驅動件(4、5)係位在該等第一超音波振盪的第一節點(13)，-該等壓電驅動件(4、5)係位在該等第二超音波振盪的第一反節點(14)，-該凸緣係位在該等第一超音波振盪的第二節點(15)，-該凸緣係位在該等第二超音波振盪的第二反節點 (16)，及-在該凸緣中的至少一個孔洞係位在該等第二超音波振盪另外的節點(17)。
  2. 如申請專利範圍第1項之超音波換能器，其中該焊頭具有用以收容毛細管的第二孔洞(12)，其中該第二孔洞(12)係形成在該等第二超音波振盪的反節點(18)，該反節點(18)係從該焊頭的頂端量測之的第二反節點(18)。
  3. 如申請專利範圍第1項之超音波換能器，其中該螺絲(6)具有頭端，該等第二超音波振盪具有至少一個節點(19)，位在該螺絲(6)的頭端和該等壓電驅動件(4、5)之間。
  4. 如申請專利範圍第2項之超音波換能器，其中該螺絲(6)具有頭端，該等第二超音波振盪具有至少一個節點(19)，位在該螺絲(6)的頭端和該等壓電驅動件(4、5)之間。
  5. 如申請專利範圍第1項之超音波換能器，其中該等第二超音波振盪在該平衡件(3)中具有位於靠近該平衡件的邊緣的節點(20)。
  6. 如申請專利範圍第2項之超音波換能器，其中該等第二超音波振盪在該平衡件(3)中具有位於靠近該平衡件的邊緣的節點(20)。
  7. 如申請專利範圍第3項之超音波換能器，其中該等第二超音波振盪在該平衡件中具有位於靠近該平衡件(3)的邊緣的節點(20)。
  8. 如申請專利範圍第4項之超音波換能器，其中該等第二超音波振盪在該平衡件(3)中具有位於靠近該平衡件的邊緣的節點(20)。
  9. 如申請專利範圍第1項至第8項中任一項之超音波換能器，其中該平衡件(3)的寬度(B1 )大於該等壓電驅動件(4、5)外緣離該超音波換能器的縱軸(7)之距離(D1 )。
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