專利名稱：測(cè)量焊接參數(shù)用的壓電傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電傳感器，可供集成電路中的元件焊接時(shí)測(cè)量焊接參數(shù)，如沖擊力、超聲振幅和焊接時(shí)間。本發(fā)明還將應(yīng)用范圍擴(kuò)大到包括這種傳感器的超聲焊接裝置。
在微電子產(chǎn)品和集成電路制造中，焊接是一種機(jī)械工藝，它用金屬焊絲(如鋁絲、金絲或銅絲)在二個(gè)元件(如集成電路元件和印刷電路板)之中產(chǎn)生電連接。焊接工藝一般包括兩個(gè)階段。在第一階段，超聲焊接裝置下降到接觸墊片上并使焊絲預(yù)先變形。隨后在第二階段，焊接裝置發(fā)出一串超聲能。在第二階段中，焊接裝置發(fā)生振動(dòng)，焊頭開(kāi)始與焊絲一同運(yùn)動(dòng)并去除表面上不能粘結(jié)的氧化層(如果有的話)。然后在吸收了超聲能和壓力之后，焊絲變形并且在焊絲與墊片的界面形成的冶金結(jié)合。
在這兩階段中有必須監(jiān)測(cè)的參數(shù)。第一階段需要測(cè)量和監(jiān)視沖擊力及跟著發(fā)生的作用到焊絲的力，以保證焊接質(zhì)量。在第二階段中超聲脈沖串的幅度及持續(xù)時(shí)間(叫做焊接時(shí)間)都對(duì)焊接質(zhì)量有重大影響，因而必須予以監(jiān)控。能保證要求質(zhì)量的焊接參數(shù)的最佳范圍通常由每種焊接機(jī)確定的，但為了確保這些參數(shù)在該范圍內(nèi)必須對(duì)它們進(jìn)行監(jiān)控。
美國(guó)專利US 4,854,494描述一種用壓電傳感器監(jiān)測(cè)焊接參數(shù)的方法，這種傳感器附著在超聲聚能器上來(lái)測(cè)量超聲振幅，并用應(yīng)變片來(lái)監(jiān)測(cè)粘結(jié)力。但在這種結(jié)構(gòu)中，監(jiān)測(cè)焊接參數(shù)需要兩個(gè)單獨(dú)的傳感器。
美國(guó)專利US 4,040,885描述一種裝置，它通過(guò)對(duì)焊頭在自由振動(dòng)(無(wú)載荷)狀態(tài)和在焊接作業(yè)時(shí)的振幅進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)超聲焊接系統(tǒng)焊接質(zhì)量的無(wú)損監(jiān)測(cè)。
本發(fā)明的目的在于提供一種單一裝置來(lái)測(cè)量焊接參數(shù)并使其成為超聲焊接裝置的一個(gè)組成部分，因而很方便將其從一臺(tái)焊接裝置傳到另一臺(tái)中。
根據(jù)本發(fā)明所提供的傳感器能用于測(cè)量超聲焊接作業(yè)時(shí)的焊接參數(shù)，該傳感器包括的壓電材料，其位于超聲焊接裝置的超聲換能器旁，該傳感器的第一輸出端用于感測(cè)一個(gè)或一個(gè)以上第一焊接參數(shù)，第二輸出端用于感測(cè)一個(gè)或一個(gè)以上的第二焊接參數(shù)。
用這種方法，一個(gè)傳感器即能同時(shí)測(cè)量許多焊接參數(shù)。此外由于將傳感器放在超聲換能器旁，傳感器可與焊接裝置形成一體，因此可隨焊接裝置從一臺(tái)焊機(jī)搬到另一臺(tái)上。此外由于不同參數(shù)有不同的信號(hào)輸出，因此對(duì)不同的被測(cè)參數(shù)其輸出信號(hào)的響應(yīng)可以優(yōu)化。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第一輸出端用于感測(cè)沖擊力而第二輸出端用于感測(cè)超聲振幅和焊接時(shí)間。第一輸出端最好包括一對(duì)電極，其方位平行于焊頭運(yùn)動(dòng)方向相同的施加沖擊力方向，而第二輸出端包括一對(duì)電極的方位與施加的沖擊力的方向相垂直。
電極可以用于單塊壓電材料上。這塊壓電材料一般是環(huán)形而電極以90°間隔配置在壓電材料四周。但壓電材料也可呈其它形狀，如方形或矩形。
提供的信號(hào)處理裝置用于處理從第一及第二輸出端輸出的信號(hào)，它有使二個(gè)信號(hào)分開(kāi)的器具。信號(hào)處理器可以包括從第一信號(hào)輸出端輸出信號(hào)的低通濾波器及從第二信號(hào)輸出端輸出信號(hào)的高通濾波器和諧波濾波器。信號(hào)處理器還包括信號(hào)放大器。
還應(yīng)明白，本發(fā)明可將應(yīng)用范圍擴(kuò)大到包括這種傳感器的焊接裝置，因此從更廣的角度看，本發(fā)明提供的超聲焊接裝置，它包括超聲換能器和超聲聚能器，該裝置還包括傳感器，其壓電材料位于上述換能器旁，該傳感器的第一輸出端用于感測(cè)一個(gè)或一個(gè)以上第一焊接參數(shù)，而第二輸出端用于感測(cè)一個(gè)或一個(gè)以上的第二焊接參數(shù)。
現(xiàn)在通過(guò)實(shí)力并參看附圖來(lái)描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，附圖中

圖1是裝有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所描述傳感器的超聲波焊接裝置的局部分解透視圖。
圖2是焊接裝置與系統(tǒng)的其它部件連接的原理圖。
圖3是傳感器的橫剖面圖。
圖4是傳感器第一輸出信號(hào)示意圖。
圖5是傳感器第二輸出信號(hào)示意圖。
先參看圖1，圖上示出裝上根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例所述傳感器5的超聲波焊接裝置。此焊接裝置9包括安裝用凸緣1，超聲換能器2，超聲聚能器3和焊頭4，焊頭4可做成毛細(xì)管形或楔形。超聲換能器2可以是壓電式郎元萬(wàn)(Langevin)形夾層換能器，但也可用技術(shù)上已知的任何一種適用的換能器。換能器2用來(lái)產(chǎn)生超聲頻率振動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)焊頭4之前其超聲頻率被聚能器3擴(kuò)大。如上所述，焊接裝置是傳統(tǒng)的。
但在本發(fā)明的這一實(shí)施例中，傳感器5成為焊接裝置9的組成部分且位于換能器2和聚能器3的中間。如圖2所示，焊接裝置9使用時(shí)換能器2接收超聲信號(hào)發(fā)生器10的輸出信號(hào)，而傳感器5的輸出信號(hào)(下面詳述)首先輸送給放大器11a、11b和低通及高通濾波器12、13，其輸送方式下面說(shuō)明，然后在穿過(guò)另外放大器15、16后輸送給計(jì)算機(jī)14。如下所述，傳感器5的輸出信號(hào)可用于監(jiān)測(cè)重要的焊接參數(shù)并向超聲信號(hào)發(fā)生器10提供控制反饋信號(hào)。特別是計(jì)算機(jī)14可儲(chǔ)存一組對(duì)各焊接參數(shù)可以接受的數(shù)據(jù)，并可使測(cè)得的焊接參數(shù)與這組數(shù)據(jù)比較。當(dāng)測(cè)得參數(shù)與這組可接受的數(shù)據(jù)范圍不同時(shí)，便產(chǎn)生控制反饋信號(hào)使它們回到這組數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。
如圖3所示，傳感器5包括個(gè)圓環(huán)形壓電材料(任何適用壓電材料均可以)，其上用任何適當(dāng)方法(如共同燒結(jié)、電鍍、噴鍍、蒸涂、電化學(xué)淀積)附著兩對(duì)電極20、21。第一對(duì)電極20豎直配置，因此它們?cè)谟诤割^4平行的直線上。第二對(duì)電極21水平配置，即與焊頭4垂直。傳感器背側(cè)有一共同的接地平面，因而每對(duì)電極20、21可對(duì)其發(fā)送輸出信號(hào)，輸出信號(hào)被收集。圖4示出從第一、即垂直的電極對(duì)20發(fā)出的典型輸出信號(hào)，而圖5示出從第二、即水平電極對(duì)21發(fā)出的典型輸出信號(hào)。
兩對(duì)電極20、21用于感測(cè)不同的參數(shù)。垂直的那對(duì)電極20感測(cè)沖擊力，這些電極對(duì)由于焊頭4與焊到接觸墊片的焊絲的接觸引起的焊接裝置9的彎曲運(yùn)動(dòng)比較敏感，因?yàn)樗鼈冐Q直地與焊頭4平行。圖4示出這些電極的典型輸出信號(hào)，信號(hào)可來(lái)自電極對(duì)20的上面一個(gè)電極或下面一個(gè)電極。水平配置的第二電極對(duì)21用于測(cè)量超聲振幅及焊接時(shí)間。
圖4示出第一對(duì)電極20的典型輸出信號(hào)，可以看到一當(dāng)焊頭4接觸焊絲并開(kāi)始使焊絲對(duì)著接觸墊片發(fā)生變形，即可發(fā)現(xiàn)信號(hào)(圖上水平軸5ms左右開(kāi)始有信號(hào))。此信號(hào)的幅度可用于確定沖擊力。該信號(hào)還示出以后加上超聲脈沖串時(shí)的連續(xù)均勻的響應(yīng)，與此對(duì)比，圖5示出水平配置的第二電極對(duì)21的典型信號(hào)。可以注意到，這對(duì)電極的輸出信號(hào)在焊頭4與表面接觸時(shí)，只顯示很小的信號(hào)，這是因?yàn)檫@些電極與焊頭4垂直配置因而不易發(fā)現(xiàn)接觸時(shí)焊接裝置9的彎曲運(yùn)動(dòng)。但第二對(duì)電極21隨著超聲脈沖串而有較強(qiáng)較清楚的信號(hào)而這一傳感器電極對(duì)用于測(cè)量超聲脈沖串的振幅和焊接時(shí)間。
回來(lái)參看圖2，第一電極對(duì)20的輸出信號(hào)送到放大器11a，然后到低通(如4KHz)濾波器12以消除超聲波振動(dòng)，然后被放大器15放大，如上所述，這一信號(hào)可用于確定沖擊力，另一方面，第二電極對(duì)21的信號(hào)被放大器11b放大后，通向高通濾波器13，有時(shí)是諧波濾波器17，然后到放大器16，該信號(hào)用于測(cè)量超聲振幅和焊接時(shí)間。
應(yīng)當(dāng)明白，也可用其它電極結(jié)構(gòu)，本發(fā)明不局限于圖3所示的那種結(jié)構(gòu)。例如，可以用多個(gè)電極，隨后均分以提供輸出信號(hào)。電極也可做成實(shí)心的扇形體，分布在環(huán)形壓電材料圓周上。許多結(jié)構(gòu)是業(yè)內(nèi)人士容易明了的。重要的是豎直定位的電極的方向平行于焊頭4，所提供的輸出信號(hào)用于測(cè)量沖擊力，而水平電位電極與焊頭4垂直，用于測(cè)量超聲振幅和焊接時(shí)間。
在上述實(shí)施例中，二個(gè)電極對(duì)形成在同一塊壓電材料上，但應(yīng)明白，壓電元件可分成兩塊，每塊上支承著一對(duì)相應(yīng)的電極。
權(quán)利要求
1．一種測(cè)量超聲波焊接作業(yè)的焊接參數(shù)用的傳感器，該傳感器包括位于超聲焊接裝置的超聲換能器旁的壓電材料，該傳感器有感測(cè)一個(gè)或一個(gè)以上第一焊接參數(shù)的第一輸出端，和感測(cè)一個(gè)或一個(gè)以上的第二焊接參數(shù)的第二輸出端。
2．如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所說(shuō)的第一輸出端用于感測(cè)沖擊力，而第二輸出端用于感測(cè)超聲振幅和焊接時(shí)間。
3．如權(quán)利要求2所述的傳感器，其中所說(shuō)的第一輸出端包括第一對(duì)電極，其方位平行于施加的沖擊力的方向，而所說(shuō)的第二輸出端包括一對(duì)電極，其方位與施加的沖擊力的方向垂直。
4．如權(quán)利要求3所述的傳感器，其中所說(shuō)的電極作用到單塊壓電材料上。
5．如權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所說(shuō)的壓電材料通常呈環(huán)形且所說(shuō)電極以一定間隔配置在該壓電材料周?chē)?br> 6．如權(quán)利要求5所述的傳感器，其中所說(shuō)的電極以90°
7．如權(quán)利要求1所述的傳感器還包括信號(hào)處理裝置，用于處理上述第一及第二輸出端輸出的信號(hào)，該信號(hào)處理裝置包括使兩種信號(hào)分離開(kāi)的裝置。
8．如權(quán)利要求7所述的傳感器，其中信號(hào)處理裝置包括一低通濾波器，用于處理從上述第一信號(hào)輸出端輸出的信號(hào)。
9．如權(quán)利要求7所述的傳感器，其中信號(hào)處理裝置包括一高通濾波器和一諧波濾波器裝置，用于處理從上述第二信號(hào)輸出端輸出的信號(hào)。
10．如權(quán)利要求7所述的傳感器，其中所述的信號(hào)處理裝置包括信號(hào)放大裝置。
11．超聲焊接裝置包括一超聲換能器和一超聲聚能器，該裝置還包括一傳感器，此傳感器包括位于上述換能器旁的壓電材料，該傳感器有感測(cè)一個(gè)或一個(gè)以上第一焊接參數(shù)的第一輸出端，和感測(cè)一個(gè)或一個(gè)以上的第二焊接參數(shù)的第二輸出端。
12．如權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述第一輸出端用于感測(cè)沖擊力，而所述第二輸出端用于感測(cè)超聲波持續(xù)時(shí)間和振幅。
13．如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述的一輸出端包括一對(duì)電極，其方位平行于施加的沖擊力的方向，且其中所述第二輸出端包括一對(duì)電極，其方位垂直于施加的沖擊力的方向。
14．如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述電極作用到單塊壓電材料上。
15．如權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述的壓電材料通常是圓環(huán)形且所述電極以一定間隔配置在上述壓電材料周?chē)?br> 16．如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述的電極以90°
17．如權(quán)利要求11所述的裝置，還包括信號(hào)處理裝置，用于處理從上述第一和第二輸出端輸出的信號(hào)，該信號(hào)處理裝置包括將兩種信號(hào)分離開(kāi)的裝置。
18．如權(quán)利要求16所述的裝置，其中信號(hào)處理裝置包括一個(gè)用于處理從第一信號(hào)輸出端輸出的信號(hào)用的低通濾波器。
19．如權(quán)利要求16所述的裝置，其中信號(hào)處理裝置包括一個(gè)高通濾波器和一諧波濾波器裝置，用于處理從上述第二信號(hào)輸出端輸出的信號(hào)。
20．如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述信號(hào)處理裝置包括信號(hào)放大裝置。
21．如權(quán)利要求11所述的裝置還包括計(jì)算裝置，該計(jì)算裝置包括儲(chǔ)存要求的焊接參數(shù)的裝置，將測(cè)得的參數(shù)與要求的參數(shù)作比較的裝置和發(fā)生反饋控制信號(hào)的裝置。
全文摘要
超聲波焊接裝置的傳感器包括一個(gè)位于焊接裝置中超聲換能器和超聲聚能器之間的壓電材料,該傳感器至少有二個(gè)輸出端可測(cè)量不同的焊接參數(shù),選擇輸出信號(hào)以便對(duì)所述焊接參數(shù)有較佳信號(hào)響應(yīng)。
文檔編號(hào)H01L21/60GK1310071SQ0110383
公開(kāi)日2001年8月29日 申請(qǐng)日期2001年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月23日
發(fā)明者陳王麗華, 趙小珊, 柯少榮, 張耀明 申請(qǐng)人:先進(jìn)自動(dòng)器材有限公司, 香港理工大學(xué)