專利名稱：超聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲換能器。
本發(fā)明更特別地涉及這樣的超聲換能器，它在焊接設(shè)備中使用，例如用于將半導(dǎo)體連接到印刷電路板上。焊接工具用于將壓力和超聲能同時加在小型化元件上，用于在它們之間建立電連接。超聲換能器的激勵器中使用的材料是壓電陶瓷。在焊接過程的不同階段，必須監(jiān)視的參數(shù)，包括超聲猝發(fā)的振幅及其周期(焊接時間)。這些焊接參數(shù)的優(yōu)化范圍保證所需的焊接質(zhì)量，優(yōu)化范圍通常對于每種類型的焊接機(jī)器來確定。當(dāng)前，所有的焊接參數(shù)監(jiān)視傳感器與壓電激勵器分開安裝，或者可以附著到超聲聚能器上。
本發(fā)明的目的是克服，或者至少減小這個問題。
根據(jù)本發(fā)明提供了焊接備，用于同時應(yīng)用壓力和超聲能，將小型化元件結(jié)合在一起，焊接工具包括超聲激勵器，具有多個薄的壓電晶片，它們之間通過平面的電極而分開，并且在機(jī)械壓力下彼此抵住，而一起保持在一個支架(stack)上；和傳感器，安裝在該支架上，傳感器包括一對平面的傳感器電極，電極通過壓電晶片分開，并且在該支架中與臨近的電極隔離；和用于測量傳感器電極兩端產(chǎn)生的電壓的裝置。兩個或更多的傳感器可以定位在所述支架中。
壓電晶片最好是圓柱形的。
傳感器的壓電晶片可以由聚合物、陶瓷和復(fù)合材料之一制成。
每個傳感器電極可以由多個導(dǎo)電元件組成，它們分別電連接到測量裝置上。
下面將通過例子并參考附圖，來描述根據(jù)本發(fā)明的焊接工具，其中

圖1是已知焊接工具的等比視圖；圖2是用于圖1的焊接工具中的超聲激勵器的分解等距視圖；圖3是用于根據(jù)本發(fā)明的傳感器的傳感器元件的分解等距視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的焊接工具的分解等距視圖5顯示了這樣傳感器的輸出圖；圖6是可以用于傳感器中的電極形式的平面視圖；圖7是使用本發(fā)明的傳感器的傳感器應(yīng)用工作站的示意圖；并且圖8是另一個焊接工具的超聲激勵器的分解視圖；參考圖示，在圖1和2中，已知的焊接工具包括筒10和細(xì)長的喇叭或超聲聚能器11。頂端尖利的楔子12附著在喇叭11的遠(yuǎn)端附近，楔子12在實際中用于將壓力和超聲能導(dǎo)向小型化元件，小型化元件典型地是微電子基底上的細(xì)線，其中小型化元件將機(jī)械地連接到一起。超聲激勵器13包括四個圓柱形陶瓷晶片14，通過盤型電極15而分開，其中交流電流源可以連接到盤型電極15上。晶片14支持在螺紋軸16上(見圖2)，并且通過螺母(未畫出)彼此抵住。實際中螺母被緊固，從而在工具的操作過程中使晶片總是保持在壓力下。這里描述的工具是眾所周知的，并且已廣泛應(yīng)用于實際中。
為了在使用中監(jiān)視焊接工具的性能，傳感器結(jié)合到焊接工具的激勵器中。在圖3中，顯示了傳感器元件，并且傳感器元件包括兩個晶片電極21，安裝在壓電晶片22的任何一側(cè)，晶片22可以由任何適當(dāng)?shù)膲弘姴牧闲纬?，如聚合物、陶瓷和?fù)合材料。隔離晶片23安裝在電極21的任何一側(cè)。傳感器中央地夾在支架中，其中支架通常組成超聲激勵器14(見圖4)。在使用中，電線連接到電極21上，來監(jiān)視橫越晶片22產(chǎn)生的電壓。這允許在使用焊接工具的過程中，對焊接過程作監(jiān)視。
在焊接過程的不同階段，應(yīng)該監(jiān)視的參數(shù)包括超聲猝發(fā)的振幅及其周期(焊接時間)，見圖5。
應(yīng)該注意的是，對于例如圖5中的圖示顯示了當(dāng)線存在與當(dāng)線不存在時的焊接參數(shù)。這樣，下側(cè)的圖立即或自動地指示至操作者生產(chǎn)環(huán)境中線不存在。換句話說，因為送線操作或線定位操作失敗，使線端沒有焊接到小型化元件表面，所以沒有進(jìn)行線連接。焊接操作必須停止，并且在生產(chǎn)過程重新開始前必須解決問題。
以圖6顯示的多個導(dǎo)體電極元件，能夠形成電極21。例如，電極元件24和25關(guān)于焊接工具垂直地放置(即平行于楔子12的縱向軸)，并且元件26和27水平放置。在電極元件之間形成的電壓可以被監(jiān)視，并且與圖5顯示的那些相似的圖可以被提供。不同的方面或焊接參數(shù)，可以以這種方式說明。
在垂直元件24和25上形成的電壓，更響應(yīng)于例如當(dāng)楔子12壓住線并且抵住微電子元件上的接觸盤時產(chǎn)生對焊接工具的彎曲時刻。這樣，從元件24和25獲得的“輸出”可以用于檢測焊接力。從元件24和25獲得的“輸出”，實際上不受焊接力的影響，由此對超聲猝發(fā)和猝發(fā)周期，提供較好的或更可靠的測量。
用于監(jiān)視并記錄焊接參數(shù)的實際工作站在圖7中顯示。對焊接工具11提供電源單元28。傳感器電極21通過線連接到單元28上，來監(jiān)視并記錄焊接操作的動態(tài)參數(shù)。使用個人計算機(jī)29來處理參數(shù)，并且圖5中顯示的圖示顯示在TV監(jiān)視器30上。
應(yīng)該意識到，根據(jù)需要能夠?qū)蓚€或更多的傳感器，沿超聲激勵器14的長度方向安裝其上。然而，傳感器必須正規(guī)地定位，來保持“激活”壓電激勵晶片14的電對稱。這些壓電晶片沿激勵器的長度方向，電連接到附近的一對上，使傳感器可以只定位在這對之間，或在其一側(cè)。同樣，必須定位傳感器元件，使焊接工具的平衡或重心不被影響。這是因為焊接工具需要在使用中提供機(jī)械振動，所以由于這個原因，它整個的平衡一般被仔細(xì)地設(shè)計。無論如何能夠?qū)鞲衅鞫ㄎ辉诩钇鞯囊欢?，并在激勵器的另一端結(jié)合虛擬的或平衡的非激活元件組或相似物，使需要的整個平衡被保持。
陶瓷換能器具有尖諧振特性和高“Q”值。在操作的窄帶寬內(nèi)，不同諧振模式的耦合促使能量損失，成為不需要的振動模式，并且在減小換能器效率的同時減小穩(wěn)定性。在圖8中，用于焊接工具的另一個超聲激勵器，具有四個陶瓷/聚合物復(fù)合晶片31，它取代晶片14(圖2的)。除此之外超聲激勵器與圖2顯示的相同?？梢钥吹剑總€復(fù)合晶片由幾部分的陶瓷材料組成，它們通過聚合物材料層而彼此分開。聚合物的這些薄層在平面上延伸，其中平面平行于每個晶片17的短軸或縱向中心軸，并且用于抑制不需要模式的振動。每個晶片層的平面與附近晶片的相似平面對齊。適當(dāng)?shù)木酆衔镉蒐W5157樹脂和HY5159硬化劑組成，它們可從汽巴特殊化工有限公司(Ciba Specialty Chemicals Limited)得到。結(jié)合前面所述復(fù)合晶片的焊接換能器，在操作頻率上顯示了清晰的和更寬的帶寬諧振模式，這樣減小模式耦合，并提供改進(jìn)的換能器穩(wěn)定性。
用于焊接工具的超聲激勵器，可以由多個復(fù)合晶片的聯(lián)合來組成。在每種情況下，如圖3所示，傳感器可以中央地或者另外如上所解釋地，安裝在圖8的激勵器內(nèi)，如需要，以與圖4顯示的激勵器的相同方式，允許圖8的激勵器的焊接參數(shù)被監(jiān)視。
以上所有描述的復(fù)合晶片是圓柱形的，本發(fā)明的實施例可以提供其它形式的復(fù)合晶片，包括不規(guī)則和矩形剖面的單一或復(fù)合晶片。
權(quán)利要求
1．焊接工具，用于同時應(yīng)用壓力和超聲能，將小型化元件連接到一起，所述焊接工具包括超聲激勵器，具有多個薄的壓電晶片，壓電晶片通過平面的電極而分開，并且在機(jī)械壓力下彼此抵住，而一起保持在一個支架上；安裝在所述支架上的傳感器，傳感器包括一對平面的傳感器電極，電極通過壓電晶片彼此分開，并且在所述支架中與附近的電極隔離；和一種裝置，用于測量橫越所述傳感器的電極產(chǎn)生的電壓。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的焊接工具，包括兩個或更多的傳感器，傳感器定位在所述支架中。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的焊接工具，其中所述壓電晶片是圓柱形的。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的焊接工具，其中所述傳感器的所述壓電晶片由聚合物、陶瓷和復(fù)合材料之一制成。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的焊接工具，其中所述傳感器電極由多個導(dǎo)體元件組成，導(dǎo)體元件分開地電連接到所述測量裝置上。
全文摘要
焊接工具具有激勵器，其由在一個支架中的多個壓電元件14組成。一個傳感器定位并支持在該支架中，并且包括壓電元件22，夾在電極21與隔離晶片23之間。電極21之間形成的電壓被監(jiān)視，并且在使用中用于確定焊接參數(shù)，參數(shù)包括每個超聲猝發(fā)的振幅和周期。
文檔編號B06B1/02GK1316310SQ0111649
公開日2001年10月10日 申請日期2001年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月24日
發(fā)明者陳王麗華, 柯少榮, 蔡忠龍 申請人:香港理工大學(xué)