專利名稱：：超聲波換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種超聲波換能器。
背景技術(shù)：
：這種超聲波換能器應(yīng)用在所謂的球形引線接合機(jī)(BallWireBonder)上。引線接合機(jī)是指一種機(jī)器，半導(dǎo)體芯片利用此機(jī)器在安裝后布線在基底上。球形引線接合機(jī)是指一種引線接合機(jī)，其中金屬絲穿過毛細(xì)管的縱向穿孔中并借助毛細(xì)管固定在連接點(diǎn)上。而在所謂的楔形引線接合機(jī)(WedgeWireBonder)中具有特制的楔形工具來代替毛細(xì)管，此楔形工具作為超聲波發(fā)生器也是公知的。超聲波換能器具有喇叭狀件(Horn)和壓電驅(qū)動器，用來在喇叭狀件中激起超聲波振動。毛細(xì)管在喇叭狀件的頂點(diǎn)夾緊。在半導(dǎo)體芯片的連接點(diǎn)和基底的連接點(diǎn)之間產(chǎn)生金屬線連接時(shí)，從毛細(xì)管中伸出的金屬線端部首先熔化成一個(gè)球體。緊接著，此金屬線球體(在專業(yè)術(shù)語中稱為"球")借助壓力和超聲波固定在半導(dǎo)體芯片的連接點(diǎn)上。在此對這個(gè)金屬線球體進(jìn)行擠壓。人們稱這個(gè)過程為球形焊。然后，金屬線穿過必要的長度，形成滑線電橋并焊在基底的連接點(diǎn)上。這后面的工藝部分稱為楔形焊。在把金屬線固定在基底的連接點(diǎn)上之后，將金屬線扯下且可以開始下一下接合循環(huán)。在進(jìn)行球形焊和楔形焊時(shí)，喇叭狀件被壓電驅(qū)動器用超聲波加載。超聲波換能器例如從專利US5603445、US5595328、US5364005、US5180093、US5368216、US5469011、US5578888、US5699953和US6135339已知。已知的超聲波換能器是這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)的，即持續(xù)的超聲波是在喇叭狀件上形成的，其振動是指向喇叭狀件的縱向方向。這種超聲波也被稱為縱向波。球形引線接合機(jī)的接合頭可使毛細(xì)管的頂部在三個(gè)空間方向上運(yùn)動，其中接合頭當(dāng)然只有三個(gè)自由度。喇叭狀件因此既在常規(guī)的支承在XY-工作平臺上的接合頭中，也在循環(huán)的接合頭(例如由專利US5114302,US6460751andWO2006036669己知)中或多或少地沿著預(yù)定的方向?qū)R(ausrichten),同時(shí)金屬線連接也可以所有的方向上延伸。這一方面導(dǎo)致，金屬線在基底的連接點(diǎn)上的依附在所有的金屬線連接上不是一樣強(qiáng)的，另一方面，擠碎的"球"的形狀也是不同的。
發(fā)明內(nèi)容由此，本發(fā)明的目的是，使金屬線更好地依附在基底的連接點(diǎn)上，并使擠碎的"球"的形狀均勻。所述目的按本發(fā)明通過權(quán)利要求l的特征得以實(shí)現(xiàn)。有利的構(gòu)造方案由從屬權(quán)利要求得出。按本發(fā)明的超聲波換能器包含長形的喇叭狀件、配合件、兩個(gè)壓電驅(qū)動器和螺釘。配合件借助螺釘固定在喇叭狀件上，設(shè)置在超聲波換能器的縱軸線兩側(cè)的壓電驅(qū)動器夾在喇叭狀件和配合件之間。喇叭狀件具有法蘭，此法蘭具有至少一個(gè)孔口，用來把超聲波換能器固定在引線接合機(jī)的接合頭上。在超聲波換能器中，在兩個(gè)壓電驅(qū)動器用同相的第一交流電壓進(jìn)行加載時(shí)，形成了第一超聲波振動，此第一超聲波振動與換能器的縱軸線平行；在兩個(gè)壓電驅(qū)動器用反相的第二交流電壓進(jìn)行加載時(shí)，形成了第二超聲波振動，此第二超聲波振動與換能器的縱軸線相交。超聲波換能器被設(shè)計(jì)為-壓電驅(qū)動器位于第一超聲波振動的第一節(jié)點(diǎn)中；-壓電驅(qū)動器位于第二超聲波振動的第一波腹中；-法蘭位于第一超聲波振動的第二節(jié)點(diǎn)中；-法蘭位于第二超聲波振動的第二波腹中；和_法蘭的至少一個(gè)孔口位于第二超聲波振動的第二節(jié)點(diǎn)中。如果兩個(gè)交流電壓具有相同的頻率和相同的相位，則兩個(gè)交流電壓是同相的。如果兩個(gè)交流電壓具有相同的頻率，但具有相反的符號，并且因此它們的相位以^推移，則這兩個(gè)交流電壓是反相的。喇叭狀件具有孔口，用來容納毛細(xì)管。這個(gè)孔口優(yōu)選設(shè)置在第二超聲波振動的第二個(gè)波腹中(從喇叭狀件的尖端開始測量)。第二超聲波振動優(yōu)選具有至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)位于螺釘?shù)穆葆旑^和壓電驅(qū)動器之間。第二超聲波振動優(yōu)選在配合件具有節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)位于配合件的邊緣附近。配合件的寬度優(yōu)選大于壓電驅(qū)動器的外邊緣與超聲波換能器的縱軸線的間隔。下面借助實(shí)施例和借助附圖詳細(xì)地描述了本發(fā)明。這些附圖不是按比例畫出的。圖l在俯視圖中示出了按本發(fā)明的超聲波換能器；圖2-5示出了不同的超聲波振動的振幅，它們在是超聲波換能器中用相應(yīng)的交流電壓加載時(shí)構(gòu)成的；圖6示出了毛細(xì)管的尖端的路徑，其構(gòu)成了一個(gè)利薩如圖；和圖7示出了超聲波換能器的控制單元。具體實(shí)施例方式圖l以俯視圖示出了按本發(fā)明的超聲波換能器l?？ㄊ阶鴺?biāo)系統(tǒng)的軸線用x和y表示。超聲波換能器1由長形的喇叭狀件2、配合件3、兩個(gè)壓電驅(qū)動器4、5和螺釘6構(gòu)成。配合件3借助螺釘6固定在喇叭狀件2上，5其中壓電驅(qū)動器4、5夾在喇叭狀件2和配合件3之間。因此配合件3起拉桿的作用，用來使壓電驅(qū)動器4、5機(jī)械地預(yù)緊。喇叭狀件2關(guān)于其縱軸線7對稱。喇叭狀件2具有法蘭8，此法蘭8在縱軸線7的兩側(cè)延伸并且具有孔口9，用來把超聲波換能器l固定在引線接合機(jī)的圖中僅標(biāo)出的接合頭10上。喇叭狀件2在其尖端11的附近還具有與圖面垂直延伸的孔口12，毛細(xì)管可固定在此孔口12中。換能器1的整個(gè)長度用參考標(biāo)記L來表示，它從螺釘6的螺釘頭的端部一直到對面的喇叭狀件2的尖端11。換能器1的喇叭狀件2的寬度B(y)和厚度D(y)以及(因而)重量分布都在y方向上變化。喇叭狀件2的前部例如構(gòu)成為圓錐形。超聲波換能器l的作用是，使夾在喇叭狀件2中的毛細(xì)管的尖端置身于超聲波振動中。超聲波換能器l是一個(gè)振動著的系統(tǒng)，里面所有的部件(不僅僅是喇叭狀件2)都在振動。按本發(fā)明的超聲波換能器l是這樣迸行設(shè)計(jì)的，即兩個(gè)壓電驅(qū)動器在第一運(yùn)轉(zhuǎn)模式下激勵(lì)喇叭狀件2超聲波振動(即持續(xù)的超聲波)，此超聲波振動指向喇叭狀件2的縱向方向，其中毛細(xì)管的尖端也產(chǎn)生與喇叭狀件2的縱軸線7平行的振動。這種超聲波振動也可稱為縱向振動或持續(xù)的縱向波。因?yàn)槊?xì)管尖端的振動在y方向上延伸，因此在下面把這種模式稱為Y模式。按照發(fā)明的超聲波換能器l還這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)，即兩個(gè)壓電驅(qū)動器在第二運(yùn)轉(zhuǎn)模式下激勵(lì)喇叭狀件2超聲波振動(也是持續(xù)的超聲波)，此超聲波振動與喇叭狀件2的縱軸線是相交的，其中毛細(xì)管的尖端也產(chǎn)生與喇叭狀件2的縱軸線7相交的振動。這種超聲波振動也被稱為彎曲振動。因?yàn)槊?xì)管尖端的振動在此沿x方向延伸，因此在下面把這種模式稱為X模式。在Y模式中，兩個(gè)壓電驅(qū)動器4、5被加載同相的交流電壓，從而它們在y方向上總是同時(shí)伸展和收縮。在X模式中，兩個(gè)壓電驅(qū)動器4、5被利用反相的交流電壓激勵(lì)，從而當(dāng)?shù)诙弘婒?qū)動器5在y方向上收縮時(shí)，第一壓電驅(qū)動器4則在y方向上伸展。下面闡述換能器l必須具有或優(yōu)選應(yīng)該具有的幾個(gè)特性，利用它們，在換能器1的Y模式和X模式中毛細(xì)管端部的振動的振幅都能達(dá)到可用于金屬線接合的程度。圖2示出了持續(xù)的超聲波沿著換能器I的縱軸線7的振幅A。其是在Y模式中產(chǎn)生的。圖3示出了持續(xù)的超聲波沿著換能器1的縱軸線7的振幅八2，其是在X模式中產(chǎn)生的。圖4示出了X模式中的持續(xù)的超聲波沿著法蘭8的x軸的振幅A3。這個(gè)超聲波指向x軸。圖5示出了X模式中的持續(xù)的超聲波沿著配合件3的x軸的振幅A4。在換能器l的縱向端部上以及在配合件3和法蘭8的側(cè)面端部上，自然會出現(xiàn)波腹。換能器l例如這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)，即Y模式的超聲波在換能器l的縱軸線7上具有n產(chǎn)5個(gè)節(jié)點(diǎn)。但節(jié)點(diǎn)的數(shù)量W也可以是其它的。換能器按本發(fā)明還可被設(shè)計(jì)為A)壓電驅(qū)動器4和壓電驅(qū)動器5位于Y模式的第一節(jié)點(diǎn)13中(圖2)。壓電驅(qū)動器4、5的中心或一個(gè)靠近中心的點(diǎn)優(yōu)選位于第一節(jié)點(diǎn)13中；B)壓電驅(qū)動器4和壓電驅(qū)動器5位于X模式的第一波腹14中(圖3)。壓電驅(qū)動器4、5的中心或一個(gè)靠近中心的點(diǎn)優(yōu)選位于第一波腹14中；C)法蘭8位于Y模式的第二節(jié)點(diǎn)15中(圖2);D)法蘭8位于X模式的第二波腹16中(圖3);E)法蘭8的兩個(gè)孔口9位于X模式的側(cè)面節(jié)點(diǎn)17中(圖4)。特性A至D可通過下面的措施來達(dá)到-確定Y模式的超聲波振動的期望頻率fy。它典型地是約125kHz。-確定換能器1的長度L，使得在Y模式中出現(xiàn)n,個(gè)節(jié)點(diǎn)。長度L主要與頻率fy和制造喇叭狀件2和配合件3的材料的聲速有關(guān)。喇叭狀件2和配合件3優(yōu)選由鈦構(gòu)成。-喇叭狀件2的寬度B(y)和(可選地還有)厚度D(y)是局部變化的，直到找到合適的彎曲振動為止，此彎曲振動的固有頻率fx位于頻率fy的附近(即lfx-fy|<<fY)，并且此彎曲振動在壓電驅(qū)動器4、5的中心的區(qū)域內(nèi)具有波腹并在Y模式的節(jié)點(diǎn)的范圍內(nèi)具有波腹。此彎曲振動被選為Y模式。在此實(shí)施例中，足以實(shí)現(xiàn)特性B和D以及條件lfx-fVI《fY。在法蘭8中也同樣形成了持續(xù)的超聲波，其中在法蘭8的端部出現(xiàn)了波腹。位置x和稱為側(cè)面節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量與法蘭8的長度K有關(guān)。此長度K這樣來選擇，即在X模式中出現(xiàn)至少一個(gè)側(cè)面節(jié)點(diǎn)，即此實(shí)施例中的節(jié)點(diǎn)17(圖4)。特性E也可通過適當(dāng)選擇法蘭8的長度K來實(shí)現(xiàn)。此外，換能器l還可有利地被設(shè)計(jì)為F)毛細(xì)管的孔口12設(shè)置在第二個(gè)波腹(從喇叭狀件2的尖端ll開始測起)中，此波腹在X模式中產(chǎn)生且在此處用附圖標(biāo)記18表示；G)在Y模式中，在螺釘6的螺釘頭和壓電驅(qū)動器4、5之間出現(xiàn)至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)，例如節(jié)點(diǎn)19(圖2);和H)在X模式中，配合件3既在中心也在邊緣附近具有節(jié)點(diǎn)20(圖5)，因此壓電驅(qū)動器4、5的整個(gè)面向配合件3的表面都在相同的y方向上振動，因此(相當(dāng)于頻率fx)交替地經(jīng)受拉力負(fù)荷或壓力負(fù)荷。以這種方式避免所述表面的一部分在y方向的正向上運(yùn)動而所述表面的另一部分則同時(shí)在y方向的負(fù)向上運(yùn)動。通過相配地選擇配合件3的長度L(3和螺釘6的從配合件3中伸出來的部件的長度Ls，來達(dá)到特性G。通過優(yōu)化配合件3的幾何形狀并因而優(yōu)化其質(zhì)量分布，來達(dá)到特性H。在此實(shí)施例中，配合件3是一個(gè)平板，其遠(yuǎn)離換能器1的縱軸線7的端部因?yàn)檫@個(gè)原因加寬(如圖l所示的一樣)。配合件3的寬度Bt優(yōu)選大于間隔Dp此間隔Dt是指壓電驅(qū)動器4或5的外邊緣與超聲波換能器1的縱軸線7之間的距離。因此配合件3從側(cè)面超出壓電驅(qū)動器4或5。按本發(fā)明的換能器可在三個(gè)模式下運(yùn)轉(zhuǎn)，即，只在Y模式下、只在X模式下或在XY模式下，在XY模式下同時(shí)激勵(lì)了X模式和Y模式。Y模式特別適合對在y方向上延伸的金屬線圈進(jìn)行接合。X模式特別適合對在x方向上延伸的金屬線圈進(jìn)行接合。XY模式是一種全新的模式，在這8種模式中同時(shí)且相互獨(dú)立地激勵(lì)X模式和Y模式。盡管如此，毛細(xì)管尖端在x方向和y方向上的振動的振幅都具有合理的大小，且它們優(yōu)選大致是一樣大的。毛細(xì)管尖端在x方向和y方向上的振動的振幅并不相關(guān)，這使毛細(xì)管的尖端形成了利薩如圖。毛細(xì)管的尖端也遵循利薩如路徑，此利薩如路徑由長方形限定。在圖6中示出了利薩如路徑的例子。圖7示出了控制電路，此控制電路使超聲波換能器l能夠在上面所述的三個(gè)模式中運(yùn)行。壓電驅(qū)動器4、5的構(gòu)造是相同的。每個(gè)壓電驅(qū)動器4、5都是由多個(gè)(典型的是所示的四個(gè)或六個(gè)或更多)壓電元件21構(gòu)成的堆疊，這些壓電元件21并排地、極化方向交替地堆疊在一起，其中在壓電元件21之間總是夾著導(dǎo)電的平板22。壓電元件21的極化方向通過標(biāo)記"+"和"-"的順序來表示?？刂齐娐钒谝徽袷幤?3，用來激勵(lì)Y模式；第二振蕩器24，用來激勵(lì)X模式；和變壓器25，其具有初級繞組26和次級繞組27。次級繞組27由兩個(gè)相同的繞組28和29組成，它們具有共同的輸入接頭30和各自的輸出接頭31或32。第一振蕩器23的輸出與次級繞組27的共同的輸入接頭30相連。第二振蕩器24的輸出與初級繞組26的第一接頭相連，而初級繞組26的第二接頭接地。繞組28的輸出接頭31與第一壓電驅(qū)動器4的壓電元件21的負(fù)接頭相連。繞組29的輸出接頭32與第二壓電驅(qū)動器5的壓電元件21的負(fù)接頭相連。兩個(gè)壓電驅(qū)動器4和5的壓電元件21的正接頭接地。第一振蕩器23供應(yīng)交流電壓l^-UYcos(2nfYt+ci)Y)，其中t表示時(shí)間，4^表示相位。第二振蕩器24供應(yīng)交流電壓112=1;)^03(211^1+4)x)，其中(J)x表示相位。下面的表格示出了在三個(gè)所述的模式中壓電驅(qū)動器4和5上的交流電壓<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權(quán)利要求1.超聲波換能器，包含長形的喇叭狀件(2)、配合件(3)、兩個(gè)壓電驅(qū)動器(4、5)和螺釘(6)；其中配合件借助螺釘固定在喇叭狀件上；壓電驅(qū)動器設(shè)置在換能器的縱軸線(7)的兩側(cè)并夾在喇叭狀件和配合件之間；其中喇叭狀件具有法蘭(8)，此法蘭具有至少一個(gè)孔口(9)用來把換能器固定在引線接合機(jī)的接合頭上；其中在換能器中在向兩個(gè)壓電驅(qū)動器加載同相的第一交流電壓時(shí)，形成了第一超聲波振動，此第一超聲波振動與換能器的縱軸線平行；其中在換能器中在向兩個(gè)壓電驅(qū)動器加載反相的第二交流電壓時(shí)，形成了第二超聲波振動，此第二超聲波振動與換能器的縱軸線相交，其特征在于，-壓電驅(qū)動器位于第一超聲波振動的第一節(jié)點(diǎn)(13)中；-壓電驅(qū)動器位于第二超聲波振動的第一波腹(14)中；-法蘭位于第一超聲波振動的第二節(jié)點(diǎn)(15)中；-法蘭位于第二超聲波振動的第二波腹(16)中；和-法蘭的至少一個(gè)孔口位于第二超聲波振動的第二節(jié)點(diǎn)(17)中。2.按權(quán)利要求l所述的超聲波換能器，其特征在于，喇叭狀件具有用來容納毛細(xì)管的孔口(12)，這個(gè)孔口設(shè)置在第二超聲波振動的從喇叭狀件的尖端開始測量的第二個(gè)波腹(16)中。3.按權(quán)利要求1或2所述的超聲波換能器，其特征在于，第二超聲波振動具有至少一個(gè)位于螺釘?shù)穆葆旑^和壓電驅(qū)動器之間的節(jié)點(diǎn)(19)。4.按權(quán)利要求1至3之一所述的超聲波換能器，其特征在于，第二超聲波振動在配合件具有節(jié)點(diǎn)(19)，此節(jié)點(diǎn)位于配合件的邊緣附近。5.按權(quán)利要求1至4之一所述的超聲波換能器，其特征在于，配合件的寬度(B。大于壓龜驅(qū)動器的外邊緣與換能器的縱軸線之間的間隔(D。。全文摘要超聲波換能器(1)，包含長形的喇叭狀件(2)、配合件(3)、兩個(gè)壓電驅(qū)動器(4、5)和螺釘(6)。配合件借助螺釘固定在喇叭狀件上，設(shè)置在超聲波換能器的縱軸線(7)兩側(cè)的壓電驅(qū)動器夾在喇叭狀件和配合件之間。設(shè)計(jì)超聲波換能器，使得夾在喇叭狀件中的毛細(xì)管的尖端可以在兩個(gè)不同的方向上振動。文檔編號B06B3/00GK101678400SQ200880010397公開日2010年3月24日申請日期2008年3月20日優(yōu)先權(quán)日2007年4月4日發(fā)明者西爾萬·蒂爾勒曼,馬丁·文·爾克斯申請人:Esec公司