CN100521133C - 超声波震荡接合装置 - Google Patents

Abstract

一种超声波震荡接合装置，包括：一震荡构件，其二端至少设一震荡产生器，来驱动该震荡构件，使震荡构件的一个震荡部产生轴线方向的高频震动；及一摩擦片，设于该震荡部的一侧面，其具有一个接触部，可与一待封装晶片接触，来对该晶片施加压力，并带动晶片产生高频震动，使晶片与一基板的电极相互摩擦，并藉摩擦生热方式，使接触电极间的金属产生原子吸引力，将晶片和基板电路接点焊接在一起；前述摩擦片为以耐摩擦材料制成的扁平片状体，且利用螺丝锁固于震荡构件表面，因此可依照待封装的晶片的尺寸更换适合的摩擦片，且于摩擦片磨损时可快速更换；本发明摩擦片的轻重量的设计，可减少外加重量对震荡器振型的影响，达成可封装更大晶片的功效。

Description

超声波震荡接合装置

技术领域

本发明涉及一种超声波震荡接合装置，特别是指一种使用于半导体晶片封装的超声波震荡接合装置。

背景技术

目前半导体晶片采用的倒装芯片封装方式(flip chip)为一种相当普遍的封装方式。倒装芯片封装中的热超声波倒装芯片接合技术方式主要是通过一超声波震荡装置驱动晶片产生与基板相对的高频震荡，使得晶片和基板上的电极相互摩擦，并使接触电极间的金属产生原子吸引力，而使得晶片和基板的电极焊接在一起。

如图5所示，为习用的用于热超声波倒装芯片封装使用的超声波震荡装置的构造示意图，该类型超声波震荡装置通常包括：一超声波震荡接合装置1，由一个震荡头2(horn)，及至少一个设置在震荡头2的二端的震荡产生器3所组成。震荡头2之上还设置有一工具头(tool)4，如图5～6所示，超声波震荡装置所使用的工具头4通常为一个圆形柱体，其插入于震荡头2的中央位置的一个孔之中，且以若干弹片5卡合固定在震荡头的孔中。该工具头4的一端与晶片6接触，且该工具头4与晶片6接触的一端是制造成与晶片6的顶部表面可相互配合的尺寸与形状，且于工具头4的内部设有一吸孔7，该吸孔7从该工具头4与晶片接触的一端，连通到一个设置在震荡头2内部的气流通道8，该气流通道8与一个外部的真空抽取装置连接，因此可以使得吸孔7产生吸力，而使得晶片6被吸附在工具头4的底端。

如图5所示，该震荡头2位于该工具头4与震荡产生器3之间的位置设置有一个以上的固定部9，使得震荡头2的固定部9可以被固定在机台上(图中未示)，而震荡产生器3沿震荡头2的轴心方向设置在震荡头2的一侧，或是二侧，其为一压电材料，当通导电压时，震荡产生器3可以产生轴向的高频震荡，因此使得震荡头2与震荡产生器3连接的一端产生沿其轴向的震动。当震荡头2承受震荡产生器3的震波影响，可产生共振，使得震荡头2的中央位置因为共振效应而产生水平方向的快速震荡，并为最大振幅处。

如图6所示，该震荡头2可通过工具头4对晶片6施加一压力，并且带动晶片6产生与基板10相对的高频震荡，因此使得晶片6与基板10之间的电极11因为摩擦生热，并使接触电极间的金属产生原子吸引力，因此将晶片6和基板10的电路接点焊接在一起。

习用的应用于倒装芯片封装的超声波震荡装置虽然可以达到焊接晶片和基板的电极的目的，但是其实际运用上仍有相当多缺点。

首先，习用的超声波震荡接合装置使用的工具头4的尺寸必须要和晶片6的尺寸及面积相互配合，因此在目前半导体晶片为了容纳更多的电路元件，而朝向大尺寸潮流发展时，倒装芯片封装使用的超声波震荡装置的工具头4的尺寸也势必随之增加，当工具头4的尺寸加大时，将造成震荡头2整体的重量加重，而增加超声波震荡装置整体设计的困难与瓶颈，并且造成其动作的不稳定性，故无法运用放大面积的晶片键合上。

此外，习用的超声波震荡装置的工具头4为一个贯穿过震荡头2的柱体，而且该工具头4的尺寸必须配合晶片6的尺寸，所以当该超声波震荡装置1要用于不同尺寸的晶片封装时，工具头4的尺寸也必须随之改变，而由于工具头4是直接安装在震荡头2的孔内部，所以震荡头2上的用以安装工具头4的孔的尺寸必须改变，同时由于工具头4的重量改变，整个震荡头2和震荡产生器3的构造也必须随之改变，所以使得习用的超声波震荡产生装置1在用于不同尺寸的晶片的封装时，必须整组更换，故其使用上较无弹性。

该工具头4由于和晶片6之间会有摩擦的情形产生，因此使用一定时间后都会磨损，但习用的超声波震荡装置的工具头4为一体成形的构造，因此其磨损后必须要整只更换，所以造成其使用及维护成本的增加。

本发明人有鉴于习用的超声波震荡装置使用上的各种缺点，乃苦思细索，积极研究，加以多年从事相关产品研发的经验，并经不断试验及改良，终于发展出本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种使用上具有弹性，可以轻易地调整构造以适应不同尺寸晶片封装的超声波震荡接合装置。

本发明的另一目的在于提供一种可有效降低震荡装置整体重量，且降低零件更换成本的超声波震荡接合装置。

为此，本发明提出了一种超声波震荡接合装置，其包含有：一震荡构件；至少一震荡产生器，设于震荡构件的任一端或两端，通过驱动该震荡构件，使该震荡构件的震荡部产生轴线方向的高频震动；一摩擦片，设置于该震荡构件与一待封装晶片接触的侧面位置；以及一接触部，设于该摩擦片上，其可与该待封装晶片接触，用来对该待封装晶片施加压力，并带动该待封装晶片产生沿该震荡构件的轴线方向的高频震动，而使该晶片和一基板的电极产生高速摩擦，并使接触电极间的金属产生足够的原子吸引力，藉以使得该晶片和基板的电路接点焊接在一起；藉由上述组件的组合，进而达到该摩擦片磨损时可快速更换，且该摩擦片的接触部可依照该待封装晶片的尺寸及形状而改变其尺寸，使得该摩擦片可以配合不同尺寸、形状的待封装晶片，达到可封装更大晶片的功效。

较佳的，该震荡构件于相对于该摩擦片的另外一侧设置有相对构件。

较佳的，该摩擦片呈扁平状片体。

较佳的，该摩擦片以螺丝固定于该震荡构件的表面。

较佳的，该摩擦片以耐摩擦材料制成，或者搭配晶片材质产生高摩擦系数的材料。

较佳的，该摩擦片可选用下列材质之一：高硬度工具钢、钨钢、耐摩擦高分子材料或者搭配晶片材质产生高摩擦系数的材料等。

较佳的，该摩擦片具有一吸孔，可与一设置在该震荡构件内部的气流通道连接，该气流通道可与一真空抽取器连接，使该吸孔产生吸引力，而使得前述待封装晶片吸附于该摩擦片的接触部。

较佳的，该震荡产生器装置于该震荡构件的二端或一端。

较佳的，该震荡构件具有一可于承受该震荡产生器震波时，产生共振的震荡部，该摩擦片装置于该震荡部的一侧面。

因此，本发明的主要技术手段是，将超声波震荡装置的震荡构件用以与晶片接触的工具头，更换为设置在震荡构件与晶片接触位置的摩擦片，藉由该扁平化的摩擦片，可以降低震荡装置整体的重量，而简化震荡装置的设计工作，同时可以轻易地随着晶片尺寸的不同，而更换不同尺寸的摩擦片。由于摩擦片的重量相对于震荡装置整体重量的比例相当低，所以当其使用在大尺寸的晶片封装时，也不会影响到震荡装置整体构造的设计，所以使得本发明的震荡装置能够轻易地变换使用于不同尺寸晶片的封装。

此外，由于该摩擦片可以轻易地更换，因此当该摩擦片使用一段时间磨损后可以迅速地更换，且由于摩擦片构造简单，因此其更换成本相当低廉。

附图说明

图1是本发明第一实施例的立体图。

图2是本发明第一实施例的局部组合剖面图，用以揭示本发明的震荡装置的内部构造及其实际用于晶片封装的使用状态。

图3是本发明第二实施例的局部组合剖面图，用以揭示本发明用于较大尺寸晶片封装的实施例。

图4是本发明第三实施例的立体组合图，用以揭示本发明应用于仅有单侧震荡产生器的震荡装置的应用实施例的构造。

图5是习用的用于半导体倒装芯片封装的超声波震荡装置的立体构造示意图。

图6是图5所示的习用超声波震荡装置于实际用于晶片封装情形的使用状态示意图。

附图标号说明：

1.........超声波震荡接合装置   2.........震荡头

3.........震荡产生器           4.........工具头

5.........弹片                 6.........晶片

7.........吸孔                 8.........气流通道

9.........固定部               10......基板

11......电极                   20......超声波震荡接合装置

21......震荡构件               22......震荡产生器

23......固定部                 24......震荡部

25......气流通道               20B...超声波震荡接合装置

21B...震荡构件                 22B...震荡产生器

23B...固定部                   24B...震荡部

30......摩擦片                 31......接触部

32......吸孔                   33......螺丝

34......螺丝孔                 30A...摩擦片

31A...接触部                   32A...吸孔

30B...摩擦片                   40，40A.........晶片

50......基板                   60......电极

70......平衡构件               70B...平衡构件

具体实施方式

本发明为达成上述及其它目的，其所采用技术手段、组件及其功效，兹采一较佳实施例配合相关图式详细说明如下。

如图1所示，本发明的超声波震荡接合装置20主要包括：一震荡构件21，为一以钢材制成的长条状柱体，其二端任一端分别连接一超声波产生器22，且于其二端分别设置有一固定部23，用以供该震荡构件21固定于机台上(该机台于图中并未揭示)。该震荡构件21的中段部份为一震荡部24，该震荡部24可以于震荡构件21受到震荡产生器22传导的震波时产生共振，而产生沿着该震荡构件21的轴线方向的高频震动。

由于该震荡构件21的设计和震荡产生器22的原理和设计方式为习知的技术，因此本说明书未予赘述。

本发明的主要特征，在于该震荡构件21中央的震荡部24位于和封装晶片接触的一侧面，设置有一个摩擦片30，该摩擦片30为一扁平状片体，且安装在震荡部24的表面。

如图1～2所示，该摩擦片30的构造为一扁平片状体，其利用耐摩擦的材料制成，其可用材质包括：耐磨工具钢、钨钢片，或是其它耐磨且又有高硬度的高分子材料，或者搭配晶片材质产生高摩擦系数材料。该摩擦片30包括：一接触部31，突出于摩擦片30的表面，且尺寸及形状与待封装的晶片40相同的突起部位；及一吸孔32，设置在摩擦片30的中央，且与一个设置在震荡构件21内部的气流通道25连通，气流通道25与一个外部的真空抽取器(图中未示)连接，因此可使得吸孔32产生真空吸力，而使得晶片40被吸附在接触部31的下方。另本实施例中，摩擦片30利用若干螺丝33锁附在震荡部24的下方，该若干螺丝33为沉头螺丝，因此摩擦片30的周围设置有若干可供容纳该若干螺丝33的螺丝头部的螺孔34。

震荡产生器22可以带动该震荡构件21产生共振，该震荡构件21的设计，为可以使得当震荡构件21产生共振时，该震荡部24可产生最大幅度的震动，而带动摩擦片30产生沿着震荡构件21的轴线方向的高频震动。藉由该摩擦片30，可施加压力于该晶片40之上，且可以带动晶片产生相对于基板50的高频水平方向震荡，因此使得晶片40和基板50之间的电极60受到摩擦生热，当电极60的金属产生足够的原子吸引力，便可以将晶片40和基板50的电路接点焊接在一起。

该摩擦片30由于是呈片状构造，因此其重量远低于习用的超声波震荡接合装置的圆柱形工具头，而且当本发明的超声波震荡接合装置要用在不同尺寸的晶片40的封装时，只需要更换该摩擦片30即可。如图3所示的实施例为本发明使用在大尺寸晶片换装的情形，其中所使用的摩擦片30A具有一个较大截面尺寸的接触部31A，因此可以与较大尺寸的晶片40A接合，而带动晶片40A产生震动。

由图2～3所示的实施例可知，本发明由于摩擦片30，30A的构造是呈扁平片体，且其利用螺丝固定于震荡部24的外侧表面，因此当本发明使用在不同尺寸的晶片封装时，可以轻易地更换摩擦片30，30A，以适应不同尺寸晶片的封装。而且由图2～3比较，可知摩擦片30，30A仅有在接触部31，31A的部份的尺寸会产生改变，因此其重量的变化幅度不大，所以当本发明应用在不同尺寸晶片封装时，更换摩擦片30，30A所造成的重量变化幅度不大，所以并不会造成震荡构件21和震荡器22整体震荡动作的改变，所以使得本发明的超声波震荡接合装置20可以轻易地适用于多种不同尺寸晶片的封装。

再者，由于该摩擦片30，30A的构造相当简单，所以其成本低廉，所以当其使用一段时间而磨损后，可以轻易地加以更换，而且更换零件的成本相对低廉，而达到节省成本的目的。

如图4所示为本发明的另一实施例，其中揭示本发明的技术应用在仅有单侧设置震荡产生器的超声波震荡接合装置的实施例。该实施例的超声波震荡接合装置20B包含了一个震荡构件21B，该震荡构件21B于其一侧设置有一震荡产生器22B，而相对于震荡产生器22B的另一端为一震荡部24B，该震荡部24B与晶片接触的一端设置有一摩擦片30B，而相对于摩擦片30B的另一侧设置有一平衡构件。图4所揭示实施例为仅有单侧震荡产生器的构造，其震荡构件21B的设计方式略有不同于前述实施例，但其所运用的用以与晶片接触的摩擦片30B的构造和设计方式亦可沿用与前述实施例的摩擦片30，30A相同的构造。

Claims (10)

1.一种超声波震荡接合装置，其包含有：

一震荡构件；

至少一震荡产生器，设于震荡构件的任一端或两端，通过驱动该震荡构件，使该震荡构件的震荡部产生轴线方向的高频震动；

一摩擦片，设置于该震荡构件与一待封装晶片接触的侧面位置；以及

一接触部，设于该摩擦片上，其可与该待封装晶片接触，用来对该待封装晶片施加压力，并带动该待封装晶片产生沿该震荡构件的轴线方向的高频震动，而使该晶片和一基板的电极产生高速摩擦，并使接触电极间的金属产生足够的原子吸引力，藉以使得该晶片和基板的电路接点焊接在一起；

藉由上述组件的组合，进而达到该摩擦片磨损时可快速更换，且该摩擦片的接触部可依照该待封装晶片的尺寸及形状而改变其尺寸，使得该摩擦片可以配合不同尺寸、形状的待封装晶片，达到可封装更大晶片的功效。

2.如权利要求1所述的超声波震荡接合装置，其特征是，该震荡构件于相对于该摩擦片的另外一侧设置有相对构件。

3.如权利要求1所述的超声波震荡接合装置，其特征是，该摩擦片呈扁平状片体。

4.如权利要求1所述的超声波震荡接合装置，其特征是，该摩擦片以螺丝固定于该震荡构件的表面。

5.如权利要求1所述的超声波震荡接合装置，其特征是，该摩擦片以耐摩擦材料制成，或者搭配晶片材质产生高摩擦系数的材料。

6.如权利要求5所述的超声波震荡接合装置，其特征是，该摩擦片可选用下列材质之一：高硬度工具钢、钨钢、耐摩擦高分子材料或者搭配晶片材质产生高摩擦系数的材料。

7.如权利要求1所述的超声波震荡接合装置，其特征是，该摩擦片具有一吸孔，与一设置在该震荡构件内部的气流通道连接，该气流通道与一真空抽取器连接，使该吸孔产生吸引力，而使得前述待封装晶片吸附于该摩擦片的接触部。

8.如权利要求1所述的超声波震荡接合装置，其特征是，该震荡产生器装置于该震荡构件的二端。

9.如权利要求1所述的超声波震荡接合装置，其特征是，该震荡产生器装置于该震荡构件的一端。

10.如权利要求1所述的超声波震荡接合装置，其特征是，该震荡构件具有一可于承受该震荡产生器震波时，产生共振的震荡部，该摩擦片装置于该震荡部的一侧面。

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