專利名稱：超聲波發(fā)生器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波發(fā)生器(ultrasonic transducers)，尤其是涉及在半導(dǎo)體封裝設(shè)備中用于接合形成(bond formation)(例如精細(xì)引線和金屬節(jié)點的焊接)的超聲波發(fā)生器。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體封裝工藝中，導(dǎo)電引線連接通常構(gòu)造于不同的電子部件(electronic components)之間，如在半導(dǎo)體芯片和引線框襯底之間。一種方法是使用超聲波焊接設(shè)備，例如超聲波發(fā)生器。通過使用以超聲波頻率產(chǎn)生振動的發(fā)生器，超聲波焊接操作得以完成。由該超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波能量通過接合工具(bonding tool)傳送到待接合材料上(如熱音波倒裝芯片(thermosonic flip chip)接合中的用于引線接合的金線或鋁線，和具有金凸塊(gold bumps)的芯片)，該接合工具通常為楔體(wedge)、毛細(xì)管體(capillary)或者夾體(collet)。因此，超聲波發(fā)生器可使用超聲波能量將一段接合引線連接到電子部件的接觸表面或者焊盤上。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的超聲波發(fā)生器100的側(cè)視圖，其包含有大量的壓電元件(piezoelectric elements)，如堆積布置的壓電陶瓷環(huán)(piezoelectric ceramic rings)102，其用于當(dāng)該壓電陶瓷環(huán)102通電時產(chǎn)生超聲波振動。該陶瓷環(huán)102形成有中央空洞，并通過后端塊體(back masses)104壓縮固定在一起。該陶瓷環(huán)102和控制電路系統(tǒng)連接，并接收引起陶瓷元件產(chǎn)生超聲波振動的輸入信號。該超聲波振動通過一延伸的放大角體(elongate amplifying horn)108放大，其自由端設(shè)置有接合工具，該接合工具在此為毛細(xì)管體110的形式。該毛細(xì)管體110用來提供壓縮接合力于待焊接在一起的接合部件上。在該陶瓷環(huán)102和放大角體108之間設(shè)置有管體(barrel)106，以使該發(fā)生器100能被安裝于引線接合裝置。該發(fā)生器100沿著其軸線振動，其振動幅度在圖1中由線條112表示。最大的位移幅度位于該放大角體108的自由端，該毛細(xì)管體設(shè)置于此。
這種傳統(tǒng)的發(fā)生器存在的問題是當(dāng)接合工具施力于待焊接的接合部件時，在接合過程中的接合力由于反作用力使得該發(fā)生器彎曲或者變形。這種彎曲或者變形可能導(dǎo)致差共面性(poor coplanarity)，轉(zhuǎn)而導(dǎo)致施加于不同的待接合位置上的接合力分布不均勻。
在具體的范例如熱音波倒裝芯片接合過程中，半導(dǎo)體芯片上的大量金凸塊完成焊接。其接合力可能達到約10kg。這種巨大的接合力使發(fā)生器發(fā)生形變，而在接合工具的末端導(dǎo)致差共面性。這種差共面性導(dǎo)致金凸塊中接合力的不均勻分布。因此在各接合凸塊(bondingstrength)中可能產(chǎn)生明顯的接合力度的差異。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種改進的發(fā)生器，以避免現(xiàn)有技術(shù)中的超聲波發(fā)生器的前述缺點。
本發(fā)明一方面提供了一種用于接合裝置的發(fā)生器，其包含有接合工具，其安裝于放大角體上，該放大角體固定在第一和第二超聲波發(fā)生設(shè)備之間。
本發(fā)明另一方面提供了一種用于接合裝置的形成發(fā)生器的方法，其包含有下述步驟提供一放大角體；將第一和第二超聲波發(fā)生設(shè)備固定于該放大角體上，以便于該放大角體設(shè)置于所述的第一和第二超聲波發(fā)生設(shè)備之間；以及將接合工具安裝于該放大角體上。
參閱后附的描述本發(fā)明實施例的附圖，隨后來詳細(xì)描述本發(fā)明是很方便的。附圖和相關(guān)的描述不能理解成是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的特點限定在權(quán)利要求書中。


根據(jù)本發(fā)明所述的超聲波發(fā)生器的較佳實施例之一現(xiàn)將參考附圖加以描述，其中圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的超聲波發(fā)生器的側(cè)視圖；圖2所示為根據(jù)本發(fā)明較佳實施例所述的超聲波發(fā)生器的分解圖；圖3(a)和3(b)所示為傳統(tǒng)的超聲波發(fā)生器和根據(jù)本發(fā)明較佳實施例所述的超聲波發(fā)生器相比較時，表征其軸向振動曲線(profiles)的對比圖；圖4所示所述發(fā)生器的側(cè)視示意圖，其顯示了使用中壓電元件的極化方向(poling directions)；圖5(a)和5(b)所示為傳統(tǒng)的發(fā)生器和所述的發(fā)生器分別施加接合力時形變的側(cè)視示意圖；圖6所示為所述的發(fā)生器在選定的頻率范圍內(nèi)的阻抗和相位(impedance and phase)特性的示意圖；圖7所示為所述的發(fā)生器和傳統(tǒng)的發(fā)生器相比較時，其接合端處的振動位移-功率輸出(power output)特性的示意圖。
具體實施例方式
圖2所示為根據(jù)本發(fā)明較佳實施例所述的超聲波發(fā)生器10的分解圖。超聲波能量由第一和第二超聲波發(fā)生設(shè)備(ultrasonic-generatingmeans)提供，其可以為兩組壓電元件的形式，通常由堆積的、均勻分布在一放大角體22兩側(cè)的陶瓷環(huán)(ceramic rings)18制成。該放大角體更適宜地為雙圓錐形狀(bi-conical)。在本實施例中，每個壓電組(piezoelectric stack)包含有四個陶瓷環(huán)18。該雙圓錐形狀的放大角體22具有向其中心逐漸變細(xì)的幾何形狀，這使得中心的振動幅度最大。發(fā)生器10可通過使用安裝設(shè)備12的方式安裝于接合裝置如引線接合機上，該安裝設(shè)備具有雙凸緣(double flanges)14和安裝撐體(mounting support)16，該安裝撐體和每個凸緣14相連。
該陶瓷環(huán)18和安裝撐體16通過后端塊體(back masses)20固定于該雙圓錐形狀的放大角體22上，該后端塊體由固緊設(shè)備(fasteningdevices)，如緊固螺栓(tightening bolts)28安全固定于該雙圓錐形狀的放大角體22上。安裝撐體16設(shè)置于(located)該發(fā)生器10的振動節(jié)點(vibration nodal points)處。接合工具，例如為毛細(xì)管體24的形式，更合適地基本(substantially)安裝在該雙圓錐形狀的放大角體22的中央，該發(fā)生器10在此處的振動幅度最大。值得注意的是，該發(fā)生器10沿著其軸線30振動。
即使在巨大的壓縮接合力作用下，在兩個安裝撐體16的中部設(shè)置的接合工具或者毛細(xì)管體24保證了良好的接合共面性，下面將會進行闡述。而且，由于接合工具設(shè)置在整個發(fā)生器10的中央，如當(dāng)前設(shè)計所述，當(dāng)通過接合工具縱軸(longitudinal axis)的軸線和旋轉(zhuǎn)軸線相對齊時，使得慣性旋轉(zhuǎn)力矩(rotary moment of inertia)降至最低。
圖3(a)和3(b)所示為傳統(tǒng)的超聲波發(fā)生器100和根據(jù)本發(fā)明較佳實施例所述的超聲波發(fā)生器10相比較時，表征其軸向振動曲線(profiles)的對比圖，兩個發(fā)生器均工作在全波長(full wavelength)的方式。在該圖中，字母“R”表示發(fā)生器100，10圍繞旋轉(zhuǎn)軸26旋轉(zhuǎn)的能力，該旋轉(zhuǎn)軸26更適宜地通過毛細(xì)管體110，24的中心或者其縱軸。關(guān)于接合位置調(diào)整毛細(xì)管體110，24，旋轉(zhuǎn)是必要的。Ux代表振動幅度。在圖3(a)中，傳統(tǒng)發(fā)生器100的毛細(xì)管體110以最大的幅度振動，其振動波長距離該發(fā)生器100的另一端為λ。另一方面，在圖3(b)中，根據(jù)本發(fā)明較佳實施例所述的發(fā)生器10的毛細(xì)管體24以最大的幅度Amax振動，其振動波長距離該發(fā)生器10的任一端為λ/2。
圖4所示為所述發(fā)生器10的側(cè)視示意圖，其顯示了使用中壓電元件或陶瓷環(huán)18的極化方向32。該圖表述了電流源34傳送電流和電磁場至所有的陶瓷環(huán)18。壓電材料具有極化方向。當(dāng)我們沿極化方向向壓電元件提供電磁場時，該位于電磁場中的壓電元件按照泊松比(Poisson’s ratio)在水平方向舒張，而在垂直方向收縮。當(dāng)我們沿相反的方向提供電磁場時，該位于電磁場中的壓電元件在水平方向收縮，而在垂直方向舒張。
通過排列該兩組陶瓷環(huán)18a，18b的極化配置或者方向，以使其具有相反的極化方向32，該陶瓷環(huán)18是同步的，因此一組陶瓷環(huán)18a收縮(拉)而另一組陶瓷環(huán)18b擴張(推)。也就是說，在單個電流源34的作用下，一組陶瓷環(huán)18a收縮而另一組陶瓷環(huán)18b擴張。如圖3所示，整個發(fā)生器10沿著軸向振動曲線(axial vibration profile)以超聲波頻率振動。由于該放大角體22的雙圓錐形狀，該逐漸變細(xì)的幾何形狀放大了中心的振動幅度。
圖5(a)和5(b)所示為傳統(tǒng)的發(fā)生器100和所述的發(fā)生器10分別施加接合力時形變的側(cè)視示意圖。在傳統(tǒng)的發(fā)生器100的情形下(圖5(a))，當(dāng)其提供接合力時，其毛細(xì)管體110的軸線將偏離(shift away)垂直線，而導(dǎo)致在實際的接合軸線和垂直線之間存在偏差。這種偏差將會在接合力應(yīng)用中導(dǎo)致不準(zhǔn)確。
在本實施例所述的發(fā)生器10的情形下，由于其毛細(xì)管體24通過該雙圓錐形狀的放大角體22被相等地支撐在兩側(cè)，因此該毛細(xì)管體24的軸線和垂直線基本保持對齊。這時即使該雙圓錐形狀的放大角體22由于施加接合力而產(chǎn)生一些形變。接合力的操作因此更加精確和可重復(fù)。
圖6所示為所述的發(fā)生器10的一些電氣特性，即其在選定的頻率范圍內(nèi)的阻抗和相位特性。共振頻率(resonance frequency)達到了約62kHz。
圖7所示為所述的發(fā)生器10和傳統(tǒng)的發(fā)生器100相比較時，其接合端處的振動位移-功率輸出特性的示意圖。所述發(fā)生器10的曲線圖用方塊表示，而傳統(tǒng)的發(fā)生器100的曲線圖用圓圈表示。由圖7可以看出，和傳統(tǒng)的發(fā)生器100相比，所述的發(fā)生器10的振動位移隨著該發(fā)生器10的功率輸出水平顯著增長。這種增長的一個理由是相對于傳統(tǒng)的發(fā)生器的一組壓電元件塊，其使用了兩組壓電元件塊18a，18b。
值得注意的是，本發(fā)明較佳實施例在接合共面性無關(guān)于接合力方面是有益的。為了確保接合工具的良好定位，用于固定接合工具的孔洞可以在整個裝置裝配之后鉆成。這種裝配方法可以確保和安裝撐體16一起的接合工具24的良好垂直性，并且使得該發(fā)生器的定位過程簡單化。
在旋轉(zhuǎn)性接合頭的機構(gòu)中，旋轉(zhuǎn)軸26更適宜地是和接合工具24的軸線對齊(align)的。當(dāng)該發(fā)生器10的接合工具24依照旋轉(zhuǎn)軸26的平面(plane)對齊時，該發(fā)生器10的重心和旋轉(zhuǎn)軸26相一致，因此設(shè)備的旋轉(zhuǎn)慣性將降至最小。
本發(fā)明的主要優(yōu)點之一是即使在高接合力下，該接合工具隨著旋轉(zhuǎn)軸26自動保持其共面性。當(dāng)傳統(tǒng)的發(fā)生器100置于高接合力下時，該發(fā)生器100將發(fā)生變形并使得接合工具的末端不再和接合目標(biāo)匹配(parallel)。當(dāng)接合力增大時，這種共面性的缺陷變得更差。但是，本發(fā)生器10即使在圖5所示的形變下，仍能保持該接合工具表面和接合目標(biāo)的共面性。因此壓電元件18的體積能夠增大，而形變趨勢沒有隨著增大。而且，更加可取的是，該發(fā)生器10比傳統(tǒng)的發(fā)生器具有更強的功率操作(power handling)能力。
此處描述的本發(fā)明在所具體描述的內(nèi)容基礎(chǔ)上很容易產(chǎn)生變化、修正和/或補充，可以理解的是所有這些變化、修正和/或補充都包括在本發(fā)明的上述描述的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于接合裝置的發(fā)生器，其包含有接合工具，其安裝于放大角體上，該放大角體固定在第一和第二超聲波發(fā)生設(shè)備之間。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，其中該第一和第二超聲波發(fā)生設(shè)備的每個均包含有壓電元件組。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)生器，其中每個壓電元件組包含有相等數(shù)目的壓電元件。
4.如權(quán)利要求2所述的發(fā)生器，其中對所述第一和第二壓電元件組的極化方向進行配置，由此該第一和第二壓電元件組以相反的方向激發(fā)。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)生器，其包含有單個電源，用于向該第一和第二壓電元件組提供電場。
6.如權(quán)利要求2所述的發(fā)生器，其中每個壓電元件組連同后端塊體通過固緊設(shè)備固定于該放大角體上。
7.如權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，其包含有安裝設(shè)備，該發(fā)生器通過該安裝設(shè)備安裝于接合裝置上。
8.如權(quán)利要求7所述的發(fā)生器，其包含有第一和第二安裝撐體，其和該安裝設(shè)備相連，該第一和第二超聲波發(fā)生設(shè)備分別安裝于其上。
9.如權(quán)利要求8所述的發(fā)生器，其中該發(fā)生器在其振動節(jié)點處安裝于所述的安裝撐體上。
10.如權(quán)利要求8所述的發(fā)生器，其中該接合工具基本設(shè)置于該第一和第二安裝撐體之間的中心。
11.如權(quán)利要求7所述的發(fā)生器，其中該安裝設(shè)備可使該發(fā)生器圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
12.如權(quán)利要求11所述的發(fā)生器，其中該旋轉(zhuǎn)軸基本和該接合工具的縱向軸線對齊。
13.如權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，其中該放大角體基本為雙圓錐形。
14.如權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，其中該接合工具基本安裝于該發(fā)生器兩端之間的中心。
15.如權(quán)利要求14所述的發(fā)生器，其中該接合工具和該發(fā)生器每個端部之間的距離等于該發(fā)生器振動波長的一半。
16.如權(quán)利要求14所述的發(fā)生器，其中該接合工具的縱向軸線實基本垂直于該發(fā)生器的軸線。
17.一種用于接合裝置的形成發(fā)生器的方法，其包含有下述步驟提供一放大角體；將第一和第二超聲波發(fā)生設(shè)備固定于該放大角體上，以便于該放大角體設(shè)置于所述的第一和第二超聲波發(fā)生設(shè)備之間；以及將接合工具安裝于該放大角體上。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中該第一和第二超聲波發(fā)生設(shè)備的每個均包含有壓電元件組。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其包含有配置所述第一和第二壓電元件組的極化方向，由此該第一和第二壓電元件組以相反的方向激發(fā)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其包含有使用單個電源向該第一和第二壓電元件組提供電場。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其包含有通過安裝設(shè)備將該發(fā)生器安裝于接合裝置上，該安裝設(shè)備具有第一和第二安裝撐體。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其包含有在安裝該發(fā)生器時，在該發(fā)生器的振動節(jié)點處安裝所述的安裝撐體。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其包含有在該第一和第二安裝撐體之間的大體中心處設(shè)置該接合工具。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其包含有在該發(fā)生器兩端之間的大體中心處安裝該接合工具。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其包含有在大體垂直于該發(fā)生器的軸線處對齊該接合工具的縱向軸線。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述的對齊包含有在固定該超聲波發(fā)生設(shè)備和安裝撐體之后，在該放大角體上鉆一用于安裝接合工具的孔洞，該接合工具和該發(fā)生器的軸線大體垂直。
27.如權(quán)利要求17所述的方法，其中該放大角體基本為雙圓錐形。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于接合裝置的超聲波發(fā)生器裝置，其包含有接合工具，其安裝于放大角體上，該放大角體固定在第一和第二超聲波發(fā)生設(shè)備之間。本發(fā)明還提供了一種用于接合裝置的形成發(fā)生器的方法，其包含有下述步驟提供一放大角體；將第一和第二超聲波發(fā)生設(shè)備固定于該放大角體上，以便于該放大角體設(shè)置于所述的第一和第二超聲波發(fā)生設(shè)備之間；以及將接合工具安裝于該放大角體上。
文檔編號B06B3/00GK1572382SQ20041004605
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月3日
發(fā)明者李慶良, 洪建益, 吳銘偉 申請人:先進自動器材有限公司