CN101777506B - 复频夹心结构超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于热超声引线键合和热超声倒装封装设备的复频超声换能器。聚能器由一级聚能器锥形段、圆柱段和二级锥形聚能器组成。一级聚能器锥形段的尾部为前盖板，数片铜片电极与数片压电陶瓷晶片隔片安装，各铜片电极和压电陶瓷晶片夹在前后盖板之间，由预紧螺钉压紧固定。聚能器的三段二级、夹持法兰以及前盖板采用同种材质作为一个整体进行机加工而成。换能器工作在60kHz和100kHz频率点附近并且在谐振点附近不存在模态密集情况，采用100kHz高频换能器可以实现60℃以下低温封装。本发明采用一体化两级聚能器结构，实现高倍数放大，采用钛合金材料减小了机构的重量和惯性，改善了换能器的散热性能，提高了其使用寿命。

Description

复频夹心结构超声换能器

技术领域

本发明属于超声加工制造领域，具体涉及热超声引线键合和热超声倒装封装设备的复频超声换能装置。

背景技术

“热超声引线键合”作为IC封装的重要技术，其封装形式占IC封装的90％以上。“热超声倒装封装”则是近些年发展起来的一种新的IC封装方式。这两种封装形式是IC加工制造过程中起主导作用的电互连方式。热超声引线键合和热超声倒装封装过程都要利用超声能量，压电超声换能器是IC封装设备超声系统的重要组成部件，其担当将电能转化为机械超声振动能量的重任。传统用于超声加工(如超声切削、超声焊接)的压电换能器多工作在基频段，即20kHz～60kHz频率点附近，用于IC封装的压电超声换能器一般工作在60kHz频率点附近，随着芯片的不断发展，封装工艺要求压电换能器具有更高的工作频率，主要是由于在高频下实现IC封装具有以下优点：芯片逐渐微型化，其I/O密度大幅度提高，引线间距越来越小，现有的传统频率换能器无法满足超细管脚的芯片封装，而在高频模态振动中，换能器的振幅恰好变小，适应了芯片发展的要求；高频振动的换能器能够提高封装速度，进而提高封装效率；热超声封装中需要同时施加热量、压力和超声能量，采用高频换能器相当于增加了超声能量，相应降低了热量的施加，从而可以实现低温封装，这对一些不能承受高温的芯片来说至关重要。

鉴于此，本发明提出了一种高频超声换能器系统结构，根据所加超声信号发生器激励频率的不同，该换能器可分别工作在60kHz和100kHz两个频率点附近，其特点是采用锆钛酸铅压电陶瓷作为驱动级，数片压电陶瓷采用机械串联、电学并联的方式连接成压电晶堆，利用高强度螺栓的预紧力将前后盖板和压电晶堆装配成压电振子；为了增加换能器端面的振幅，采用了两级聚能器结构，通过优化设计将法兰盘设计在换能器纵向振动的位移节点，有效地减小了换能器与其他部件的机械耦合，提高了超声能量的利用率。

发明的内容

本发明的目的是提供一种由锆钛酸铅压电陶瓷晶堆驱动，能够满足热超声封装要求的60kHz和100kHz复频夹心结构超声换能器。

本发明通过以下技术方案予以实现。用于芯片封装的复频夹心结构超声换能器其结构如图1、图2所示。该复频夹心结构超声换能器属于纵向振动类型，在结构上聚能器整体由三段二级构成。采用两级聚能器是为了增加换能器端面的振幅和提高超声能量的调节功能。聚能器的三段分别是一级半波聚能器锥形段和圆柱段以及二级半波锥形聚能器。该聚能器的一个重要特点是三段二级、夹持法兰以及前盖板采用同种材质作为一个整体进行机加工，消除了装配误差给换能器性能所带来的影响。采用两级聚能器串联结构，一级半波聚能器采用锥形段后接圆柱体结构，二级半波聚能器采用锥形，增大了振幅放大系数和振幅调节功能。数片铜片电极与数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片隔片安装，用前盖板与后盖板将铜片电极和压电陶瓷晶片夹在其间，预紧螺钉的预紧力一般在30MPa～50MPa范围内。采用一体化结构的两级聚能器放大压电晶体可以产生高频振动信号。该结构换能器特点是可分别工作在60kHz和100kHz两个频率点附近。复频夹心结构超声换能器利用压电陶瓷的逆压电效应，将超声频率的电信号转化为高频机械振动，聚能器传输并放大振动信号后将能量传递给键合工具，键合工具带动芯片和基板相互摩擦完成引线键合过程。将法兰盘设计在换能器纵向振动的位移节点，减小了换能器与其他部件的机械耦合，可有效提高超声能量的利用率。

附图说明

附图1为本发明立体结构图。

附图2为本发明结构的剖视图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明的结构做进一步的说明。如图所示，聚能器由一级聚能器锥形段1、一级聚能器圆柱段2和二级锥形聚能器3组成。一级聚能器锥形段1的尾部为前盖板4。数片铜片电极5与数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片6隔片安装，各铜片电极和压电陶瓷晶片套装于前盖板4上，用后盖板7封堵，由预紧螺钉8压紧固定。夹持法兰9位于一级聚能器锥形段1上。一级聚能器锥形段1沿轴线方向的外形轮廓为指数曲线形；二级锥形聚能器3沿轴线方向的外形轮廓亦为指数曲线形。二级锥形聚能器3、一级聚能器圆柱段2、夹持法兰9、一级聚能器锥形段1以及前盖板4作为一个整体加工而成。一级聚能器锥形段1的横截面是圆形，或是三角形，或是矩形；二级锥形聚能器3的横截面是圆形，或是三角形，或是矩形。夹持法兰9上加工有通孔10用以固定。二级锥形聚能器3、一级聚能器圆柱段2、夹持法兰9、一级聚能器锥形段1以及前盖板4的材质均为钛合金。后盖板7和预紧螺钉8的材质为不锈钢。预紧螺钉8装有绝缘套管11。

本实施例为用于芯片封装的高频超声换能器，采用锁相跟踪的信号发生器作为信号激励。采用4片铜片电极和4片锆钛酸铅压电陶瓷晶片隔片安装。锆钛酸铅压电陶瓷晶片为圆环状，外径为13mm，内孔直径为5mm，厚度2.3mm。铜片电极也为圆环，外径和内径分别为18mm和5mm。预紧螺钉的公称直径为4mm，螺纹长度20mm。如图2所示，绝缘套管套装于预紧螺钉外侧，绝缘套管将4片锆钛酸铅压电陶瓷晶片从电位上隔离。聚能器和后盖板等电位，相邻锆钛酸铅压电陶瓷晶片施加相反的极化电压。后盖板的外径和内径分别为14mm和6mm。一级聚能器锥形段轴向长度为15mm，其外形轮廓指数曲线的形式为：y＝13e^-0.04x；一级聚能器圆柱段轴向长度9mm，直径为6mm。二级聚能器锥形段轴向长度26mm，其外形轮廓指数曲线的形式为：y＝6e^-0.02x。式中y是径向坐标；x是轴向坐标。夹持法兰位于换能器轴向振动位移节点处。

该换能器工作在60kHz和100kHz频率点附近并且在谐振点附近不存在模态密集情况。当给压电陶瓷晶片的陶瓷端施加幅值为10V，频率为60kHz的正弦信号激励时，换能器工作在60kHz频率点，其小端面中心的纵向振动幅值为1.6μm；当给压电陶瓷晶片的陶瓷端施加幅值为10V，频率为100kHz的正弦信号激励时，换能器工作在100kHz频率点，其小端面中心的纵向振动幅值为1.01μm，可实现微间距键合。传统的60kHz热超声键合需要对基板加热到120℃以上，而采用100kHz高频换能器可以实现60℃以下低温封装，能够满足多种芯片的封装要求。

本发明的特点及有益效果在于，具有频率高、体积小、重量轻等优点，并采用一体化两级聚能器结构，实现高倍数放大，采用钛合金材料减小了机构的重量和惯性，改善了换能器的散热性能，提高了其使用寿命。

Claims (6)

1.复频夹心结构超声换能器，具有聚能器、铜片电极、压电陶瓷晶片、金属后盖板、预紧螺钉和绝缘套管，其特征是聚能器由一级聚能器锥形段(1)、一级聚能器圆柱段(2)和二级锥形聚能器(3)组成，一级聚能器锥形段(1)的尾部为前盖板(4)，数片铜片电极(5)与数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片(6)隔片安装，各铜片电极和压电陶瓷晶片套装于前盖板(4)上，用后盖板(7)封堵，由预紧螺钉(8)压紧固定，夹持法兰(9)位于一级聚能器锥形段(1)上。

2.按照权利要求1所述的复频夹心结构超声换能器，其特征在于所述一级聚能器锥形段(1)沿轴线方向的外形轮廓为指数曲线形；所述二级锥形聚能器(3)沿轴线方向的外形轮廓亦为指数曲线形。

3.按照权利要求1所述的复频夹心结构超声换能器，其特征在于所述二级锥形聚能器(3)、一级聚能器圆柱段(2)、夹持法兰(9)、一级聚能器锥形段(1)以及前盖板(4)作为一个整体加工而成。

4.按照权利要求1或2所述的复频夹心结构超声换能器，其特征在于所述一级聚能器锥形段(1)的横截面是圆形，或是三角形，或是矩形；所述二级锥形聚能器(3)的横截面是圆形，或是三角形，或是矩形。

5.按照权利要求1或3所述的复频夹心结构超声换能器，其特征是在所述夹持法兰(9)上加工有通孔(10)。

6.按照权利要求1或3所述的复频夹心结构超声换能器，其特征是所述二级锥形聚能器(3)、一级聚能器圆柱段(2)、夹持法兰(9)、一级聚能器锥形段(1)以及前盖板(4)的材质均为钛合金；所述后盖板(7)和所述预紧螺钉(8)的材质为不锈钢，预紧螺钉(8)装有绝缘套管(11)。

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