專利名稱：復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲加工制造領(lǐng)域，具體涉及熱超聲引線鍵合和熱超聲倒裝封裝設(shè)備
的復(fù)頻超聲換能裝置。
背景技術(shù)：
"熱超聲引線鍵合"作為IC封裝的重要技術(shù)，其封裝形式占IC封裝的90X以上。 "熱超聲倒裝封裝"則是近些年發(fā)展起來的一種新的IC封裝方式。這兩種封裝形式是IC加 工制造過程中起主導(dǎo)作用的電互連方式。熱超聲引線鍵合和熱超聲倒裝封裝過程都要利用
超聲能量，壓電超聲換能器是ic封裝設(shè)備超聲系統(tǒng)的重要組成部件，其擔(dān)當(dāng)將電能轉(zhuǎn)化為
機(jī)械超聲振動(dòng)能量的重任。傳統(tǒng)用于超聲加工(如超聲切削、超聲焊接)的壓電換能器多 工作在基頻段，即20kHz 60kHz頻率點(diǎn)附近，用于IC封裝的壓電超聲換能器一般工作在 60kHz頻率點(diǎn)附近，隨著芯片的不斷發(fā)展，封裝工藝要求壓電換能器具有更高的工作頻率， 主要是由于在高頻下實(shí)現(xiàn)IC封裝具有以下優(yōu)點(diǎn)芯片逐漸微型化，其I/0密度大幅度提高， 引線間距越來越小，現(xiàn)有的傳統(tǒng)頻率換能器無法滿足超細(xì)管腳的芯片封裝，而在高頻模態(tài) 振動(dòng)中，換能器的振幅恰好變小，適應(yīng)了芯片發(fā)展的要求；高頻振動(dòng)的換能器能夠提高封裝 速度，進(jìn)而提高封裝效率；熱超聲封裝中需要同時(shí)施加熱量、壓力和超聲能量，采用高頻換 能器相當(dāng)于增加了超聲能量，相應(yīng)降低了熱量的施加，從而可以實(shí)現(xiàn)低溫封裝，這對一些不 能承受高溫的芯片來說至關(guān)重要。 鑒于此，本發(fā)明提出了一種高頻超聲換能器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)所加超聲信號發(fā)生器 激勵(lì)頻率的不同，該換能器可分別工作在60kHz和100kHz兩個(gè)頻率點(diǎn)附近，其特點(diǎn)是采用 鋯鈦酸鉛壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)級，數(shù)片壓電陶瓷采用機(jī)械串聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)的方式連接成壓電 晶堆，利用高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力將前后蓋板和壓電晶堆裝配成壓電振子；為了增加換能器 端面的振幅，采用了兩級聚能器結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)將法蘭盤設(shè)計(jì)在換能器縱向振動(dòng)的位 移節(jié)點(diǎn)，有效地減小了換能器與其他部件的機(jī)械耦合，提高了超聲能量的利用率。
發(fā)明的內(nèi)容 本發(fā)明的目的是提供一種由鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶堆驅(qū)動(dòng)，能夠滿足熱超聲封裝要 求的60kHz和100kHz復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器。 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。用于芯片封裝的復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器其 結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。該復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器屬于縱向振動(dòng)類型，在結(jié)構(gòu)上聚能器整 體由三段二級構(gòu)成。采用兩級聚能器是為了增加換能器端面的振幅和提高超聲能量的調(diào)節(jié) 功能。聚能器的三段分別是一級半波聚能器錐形段和圓柱段以及二級半波錐形聚能器。該 聚能器的一個(gè)重要特點(diǎn)是三段二級、夾持法蘭以及前蓋板采用同種材質(zhì)作為一個(gè)整體進(jìn)行 機(jī)加工，消除了裝配誤差給換能器性能所帶來的影響。采用兩級聚能器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，一級半波 聚能器采用錐形段后接圓柱體結(jié)構(gòu)，二級半波聚能器采用錐形，增大了振幅放大系數(shù)和振 幅調(diào)節(jié)功能。數(shù)片銅片電極與數(shù)片鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶片隔片安裝，用前蓋板與后蓋板將 銅片電極和壓電陶瓷晶片夾在其間，預(yù)緊螺釘?shù)念A(yù)緊力一般在30MPa 50MPa范圍內(nèi)。采用一體化結(jié)構(gòu)的兩級聚能器放大壓電晶體可以產(chǎn)生高頻振動(dòng)信號。該結(jié)構(gòu)換能器特點(diǎn)是可 分別工作在60kHz和100kHz兩個(gè)頻率點(diǎn)附近。復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器利用壓電陶瓷的 逆壓電效應(yīng)，將超聲頻率的電信號轉(zhuǎn)化為高頻機(jī)械振動(dòng)，聚能器傳輸并放大振動(dòng)信號后將 能量傳遞給鍵合工具，鍵合工具帶動(dòng)芯片和基板相互摩擦完成引線鍵合過程。將法蘭盤設(shè) 計(jì)在換能器縱向振動(dòng)的位移節(jié)點(diǎn)，減小了換能器與其他部件的機(jī)械耦合，可有效提高超聲 能量的利用率。


附圖1為本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)圖。
附圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過具體實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的說明。如圖所示，聚 能器由一級聚能器錐形段1、一級聚能器圓柱段2和二級錐形聚能器3組成。 一級聚能器錐 形段1的尾部為前蓋板4。數(shù)片銅片電極5與數(shù)片鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶片6隔片安裝，各 銅片電極和壓電陶瓷晶片套裝于前蓋板4上，用后蓋板7封堵，由預(yù)緊螺釘8壓緊固定。夾 持法蘭9位于一級聚能器錐形段1上。 一級聚能器錐形段1沿軸線方向的外形輪廓為指數(shù) 曲線形；二級錐形聚能器3沿軸線方向的外形輪廓亦為指數(shù)曲線形。二級錐形聚能器3、一 級聚能器圓柱段2、夾持法蘭9、一級聚能器錐形段1以及前蓋板4作為一個(gè)整體加工而成。 一級聚能器錐形段1的橫截面是圓形，或是三角形，或是矩形；二級錐形聚能器3的橫截面 是圓形，或是三角形，或是矩形。夾持法蘭9上加工有通孔10用以固定。二級錐形聚能器 3、一級聚能器圓柱段2、夾持法蘭9、一級聚能器錐形段1以及前蓋板4的材質(zhì)均為鈦合金。 后蓋板7和預(yù)緊螺釘8的材質(zhì)為不銹鋼。預(yù)緊螺釘8裝有絕緣套管11。
本實(shí)施例為用于芯片封裝的高頻超聲換能器，采用鎖相跟蹤的信號發(fā)生器作為信 號激勵(lì)。采用4片銅片電極和4片鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶片隔片安裝。鋯鈦酸鉛壓電陶瓷 晶片為圓環(huán)狀，外徑為13mm，內(nèi)孔直徑為5mm，厚度2. 3mm。銅片電極也為圓環(huán)，外徑和內(nèi)徑 分別為18mm和5mm。預(yù)緊螺釘?shù)墓Q直徑為4mm，螺紋長度20mm。如圖2所示，絕緣套管 套裝于預(yù)緊螺釘外側(cè)，絕緣套管將4片鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶片從電位上隔離。聚能器和后 蓋板等電位，相鄰鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶片施加相反的極化電壓。后蓋板的外徑和內(nèi)徑分別 為14mm和6mm。 一級聚能器錐形段軸向長度為15mm，其外形輪廓指數(shù)曲線的形式為y = 13e—°°4x ;—級聚能器圓柱段軸向長度9mm，直徑為6mm。 二級聚能器錐形段軸向長度26mm， 其外形輪廓指數(shù)曲線的形式為y = 6e—°°2x。式中y是徑向坐標(biāo)；x是軸向坐標(biāo)。夾持法蘭 位于換能器軸向振動(dòng)位移節(jié)點(diǎn)處。 該換能器工作在60kHz和100kHz頻率點(diǎn)附近并且在諧振點(diǎn)附近不存在模態(tài)密集 情況。當(dāng)給壓電陶瓷晶片的陶瓷端施加幅值為IOV，頻率為60kHz的正弦信號激勵(lì)時(shí)，換能 器工作在60kHz頻率點(diǎn)，其小端面中心的縱向振動(dòng)幅值為1.6ym;當(dāng)給壓電陶瓷晶片的陶 瓷端施加幅值為IOV，頻率為100kHz的正弦信號激勵(lì)時(shí)，換能器工作在100kHz頻率點(diǎn)，其小 端面中心的縱向振動(dòng)幅值為1. 01 ii m，可實(shí)現(xiàn)微間距鍵合。傳統(tǒng)的60kHz熱超聲鍵合需要對 基板加熱到12(TC以上，而采用100kHz高頻換能器可以實(shí)現(xiàn)6(TC以下低溫封裝，能夠滿足多種芯片的封裝要求。 本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果在于，具有頻率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，并采用一體 化兩級聚能器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高倍數(shù)放大，采用鈦合金材料減小了機(jī)構(gòu)的重量和慣性，改善了換 能器的散熱性能，提高了其使用壽命。
權(quán)利要求
復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器，具有聚能器、銅片電極、壓電陶瓷晶片、金屬后蓋板、預(yù)緊螺釘和絕緣套管，其特征是聚能器由一級聚能器錐形段(1)、一級聚能器圓柱段(2)和二級錐形聚能器(3)組成，一級聚能器錐形段(1)的尾部為前蓋板(4)，數(shù)片銅片電極(5)與數(shù)片鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶片(6)隔片安裝，各銅片電極和壓電陶瓷晶片套裝于前蓋板(4)上，用后蓋板(7)封堵，由預(yù)緊螺釘(8)壓緊固定，夾持法蘭(9)位于一級聚能器錐形段(1)上。
2. 按照權(quán)利要求1所述的復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器，其特征在于所述一級聚能器錐形 段(1)沿軸線方向的外形輪廓為指數(shù)曲線形；所述二級錐形聚能器(3)沿軸線方向的外形 輪廓亦為指數(shù)曲線形。
3. 按照權(quán)利要求1所述的復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器，其特征在于所述二級錐形聚能器 (3)、一級聚能器圓柱段(2)、夾持法蘭(9)、一級聚能器錐形段(1)以及前蓋板(4)作為一 個(gè)整體加工而成。
4. 按照權(quán)利要求1或2所述的復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器，其特征在于所述一級聚能器 錐形段(1)的橫截面是圓形，或是三角形，或是矩形；所述二級錐形聚能器(3)的橫截面是 圓形，或是三角形，或是矩形。
5. 按照權(quán)利要求1或3所述的復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器，其特征是在所述夾持法蘭 (9)上加工有通孔(10)。
6. 按照權(quán)利要求1或3所述的復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器，其特征是所述二級錐形聚能 器(3)、一級聚能器圓柱段(2)、夾持法蘭(9)、一級聚能器錐形段(1)以及前蓋板(4)的材 質(zhì)均為鈦合金；所述后蓋板(7)和所述預(yù)緊螺釘(8)的材質(zhì)為不銹鋼，預(yù)緊螺釘(8)裝有絕 緣套管(11)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于熱超聲引線鍵合和熱超聲倒裝封裝設(shè)備的復(fù)頻超聲換能器。聚能器由一級聚能器錐形段、圓柱段和二級錐形聚能器組成。一級聚能器錐形段的尾部為前蓋板，數(shù)片銅片電極與數(shù)片壓電陶瓷晶片隔片安裝，各銅片電極和壓電陶瓷晶片夾在前后蓋板之間，由預(yù)緊螺釘壓緊固定。聚能器的三段二級、夾持法蘭以及前蓋板采用同種材質(zhì)作為一個(gè)整體進(jìn)行機(jī)加工而成。換能器工作在60kHz和100kHz頻率點(diǎn)附近并且在諧振點(diǎn)附近不存在模態(tài)密集情況，采用100kHz高頻換能器可以實(shí)現(xiàn)60℃以下低溫封裝。本發(fā)明采用一體化兩級聚能器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高倍數(shù)放大，采用鈦合金材料減小了機(jī)構(gòu)的重量和慣性，改善了換能器的散熱性能，提高了其使用壽命。
文檔編號B06B1/06GK101777506SQ20091024518
公開日2010年7月14日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者張大衛(wèi), 武一民, 王福軍, 趙興玉 申請人:天津大學(xué)