CN102473658B - 用于引线接合的超声波换能器与使用超声波换能器形成引线接合的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种使用耦合至换能器的接合工具来形成引线接合的方法。该方法包括以下步骤：(1)施加第一频率的电能给该换能器的驱动器；及(2)在施加该第一频率的电能的同时施加第二频率的电能给该驱动器，该第一频率与该第二频率彼此不同。

Description

用于引线接合的超声波换能器与使用超声波换能器形成引线接合的方法
相关申请的交叉引用
本申请主张2009年8月12日提出申请的美国临时申请第61/233,237号案的权益，其内容在此并入本文以作为参考。
技术领域
本发明涉及引线接合机的操作，且更特定地涉及改进的超声波换能器及与引线接合的形成相关联的操作超声波换能器的方法。
背景技术
在半导体元件的加工及封装中，引线接合仍旧是在封装内的两个位置之间(例如，半导体管芯的管芯焊盘与导线架的导线之间)提供电气互连的主要方法。更特别地是，使用引线接合器(亦称为引线接合机)，线弧在将被电气互连的个别位置之间形成。引线接合机也可用以形成导电凸块(凸块可与、或可不与线弧共同使用)。
一示范性的公知引线接合顺序包括：(1)在延伸自接合工具的引线一端上形成线尾结球；(2)使用该线尾结球在半导体管芯的管芯焊盘上形成第一接合；(3)在该管芯焊盘与导线架的导线之间延伸一段呈预定形状的引线；(4)将该引线缝焊至该导线架的该导线；及(5)切断该引线。在形成(a)线弧的端点与(b)接合位置(例如，管芯焊盘、导线等)之间的接合中，不同类型的接合能量可被使用，包括，例如，超声波能量、热超声波能量、热压缩能量等。
美国专利第5,595,328号案(名称为“SELF ISOLATING ULTRASONICTRANSDUCER”)；第5,699,953号案(名称为“MULTI RESONANCEUNIBODY ULTRASONIC TRANSDUCER”)；第5,884,834号案(名称为“MULTI-FREQUENCY ULTRASONIC WIRE BONDER ANDMETHOD”)；及第7,137,543号案(名称为“INTEGRATED FLEXUREMOUNT SCHEME FOR DYNAMIC ISOLATION OF ULTRASONICTRANSDUCERS”)与超声波换能器有关且以上申请的全部内容在此并入本文以作为参考。超声波接合能量典型地使用其中附接有接合工具的超声波换能器来施加。该换能器通常包括驱动器，诸如，压电元件(例如，压电晶体、压电陶瓷等)的叠置体。电能施加给驱动器，且转换电能成为机械能，从而以刷磨动作移动接合工具尖端。此接合工具尖端的刷磨动作通常为沿着换能器的纵轴的线性移动。
提供与引线接合机共同使用的改进的换能器，及使用换能器形成引线接合的改进方法将是所期待的。
发明内容
依据本发明的一示范性实施例，一种使用耦合至换能器的接合工具来形成引线接合的方法被提供。该方法包括以下步骤：(1)施加第一频率的电能给该换能器的驱动器；及(2)在施加该第一频率的电能的同时施加第二频率的电能给该驱动器，该第一频率与该第二频率彼此不同。
依据本发明的另一示范性实施例，另一种使用耦合至换能器的接合工具来形成引线接合的方法被提供。该方法包括以下步骤：(1)施加第一频率的电能给该换能器的驱动器以在第一方向上驱动该接合工具的尖端；及(2)施加第二频率的电能给该驱动器以在第二方向上驱动该接合工具的尖端，该第一方向不同于该第二方向。
依据本发明的另一示范性实施例，在引线接合操作中使用的换能器被提供。该换能器包括经配置以支撑接合工具的细长本体部分。该换能器还包括用以提供振动给该细长本体部分的驱动器，该驱动器包括多个压电元件，各所述多个压电元件被分成至少两个彼此电气隔离的区域。
依据本发明的另一示范性实施例，在引线接合操作中使用的换能器被提供。该换能器包括经配置以支撑接合工具的细长本体部分。该换能器还包括用以提供振动给该细长本体部分的驱动器，该驱动器经配置以接收电能及提供该接合工具的尖端的非线性刷磨。
依据本发明的另一示范性实施例，在引线接合操作中使用的换能器被提供。该换能器包括经配置以支撑接合工具的细长本体部分。该换能器还包括用以提供振动给该细长本体部分的驱动器，该驱动器包括至少一个经配置以在电能施加之后在第一方向上变形的压电元件，及至少一个经配置以在电能施加之后在第二方向上变形的压电元件，该第一方向与第二方向彼此不同。
附图说明
本发明从以下结合附图阅读的详细说明中获得最佳理解。需强调的是，依据惯例，附图的各种不同特征未依比例来绘制。相反，为了清晰起见，各种不同特征的尺寸被任意变形或缩小。附图中包括下列诸图：
图1是有助于解释本发明的各种不同的示范性实施例的引线接合机的换能器及相关组件的立体图；
图2A-2B是依据本发明的示范性实施例，使用在换能器中的压电元件的立体正视图及后视图；
图2C是图2A-2B的压电元件的正视图；
图2D是依据本发明的示范性实施例，与换能器共同使用的薄片电极的正视图；
图3A-3C及图4A是依据本发明的示范性实施例，使用在换能器中的压电元件叠置体的方块图；
图4B是使用依据本发明的示范性实施例的换能器被引线接合的元件的一部分的方块图；
图4C包括依据本发明的示范性实施例可用于换能器的压电元件的多个方块图；
图4D-4J是依据本发明的示范性实施例，可用于换能器中的压电元件叠置体的方块图；
图5A-5B是依据本发明的示范性实施例，可使用在换能器中的另一压电元件叠置体的视图；
图6A-6B是依据本发明的其他示范性实施例，可使用在换能器中的压电元件叠置体的其他组态的二视图；且
图7A-7C是依据本发明的示范性实施例的接合工具尖端的刷磨图形的示图。
具体实施方式
本发明涉及与引线接合操作共同使用的换能器的操作及/或设计的各种不同改良。依据本发明的某些示范性实施例，引线接合机的超声波换能器以两种或两种以上模式同时运作(即电能的两种或两种以上频率同时施加于该换能器的驱动器)。同时施加多个频率可导致接合工具的尖端产生非线性刷磨。例如，非线性振动图形可以是李萨如(Lissajous)型图形，诸如，圆形图形、椭圆形图形或网目形图形。刷磨图形可以是平面的(即在接合高度上是大致为平面)或三维的(即在接合高度上为非平面)。
此换能器的示范性技术是分割压电元件(例如，晶体)的个别电极，从而在每一元件中形成至少两个电气隔离区。例如，利用分割作用，压电元件叠置体可在其特定操作频率下提供有效的激励以密切配合独立的振动模式形状。例如，摇摆弯曲模式在接合工具的尖端产生沿着引线接合机的X轴的刷磨，且纵向模式在接合工具的尖端产生沿着该引线接合机的Y轴的刷磨。该换能器也可仅藉由在此等操作模式/频率的任一者下运作而提供一维的独立或连续移动。
透过本文所提供的本发明的某些示范性实施例，多向的(即非线性的)振动刷磨能量施加给接合工具的尖端，从而导致邻接于焊接表面的接合区域较少变形或被间接损伤。相较于公知技术，多向刷磨动作可能导致在X及Y接合平面方向上产生更均匀的焊球，以及就特定焊球尺寸而言更高的单位面积抗剪强度。多向刷磨动作还可能在对刷磨方向上对焊盘溅开损伤(例如，尤其是铝焊盘上的铜线接合)尤其敏感的引线接合应用方面有益。也就是说，使用多向刷磨，焊盘溅开可更平均地分布到引线接合(例如，球焊)周围。
此外，本发明的某些示范性实施例在多个方向中的一个选择方向上提供独立的一维振动能量，以便例如与元件几何结构，诸如，引线或引脚对齐。藉由提供这样的依接合位置而定的所期望方向(例如，依接合位置的形状而定来选择方向)上的一维振动能量而与元件几何结构，诸如，引线或引脚对齐，易于提供更连贯的能量递送，且易于减少来自特定元件的谐振效应。
现在参照图1，超声波换能器100的立体图被提供(其中换能器100具有沿轴“A”延伸的细长本体部分)。换能器100包括用以安装换能器100至一引线接合机的接合头的安装凸缘102a及102b。压电元件104a、104b、104c、104d(例如，压电晶体、压电陶瓷等)在由换能器100的本体部分界定的孔中排列成叠置体。压电元件104a、104b、104c及104d的叠置体是用于换能器100的驱动器。该等元件被导电薄片电极106a、106b、106c及106d隔开。特定频率的电能施加给端子108a及108b(例如，108a是正极端子且108b是负极端子)，从而施加电能给薄片电极106a、106b、106c及106d。该特定频率的电能施加使元件膨胀及收缩，从而导致接合工具110的尖端110a沿轴“A”(例如，引线接合机的Y轴)刷磨。然而，在某些应用中，相对于公知的单向(Y轴)刷磨，期望在为换能器选择多方向刷磨方面具有更多灵活性。在其他应用中，期望依接合位置(例如，接合焊盘、导线等)的形状/组态而定来改变刷磨方向。尽管图1示出了具有用以容置驱动器(晶体叠置体)的孔的“单件”型换能器，除此之外，本发明的教示还可应用于其他换能器设计，诸如，“角状”型换能器(例如，其中驱动器被提供在远离接合工具尖端的换能器本体的一端)。
图2A是元件204a的立体正视图，且图2B是元件204a的立体后视图。元件204a的前表面为正电极(例如，由一材料(诸如，举例来说，除了其他材料以外，还有银、镍)形成的导电电极)，且元件204a的后表面为负电极。对照于图1中所示出的元件104a、104b、104c及104d，元件204a的正电极被凹口/凹槽204a3分为两部分，且元件204a的负电极被凹口/凹槽204b3分为两部分。因此，正电极被分成两个电气隔离区204a1及204a2，且负电极被分成两个电气隔离区204b1及204b2。因此，电能可透过两个电气隔离路径(即介于区域204a1与204b1之间的第一路径，及介于区域204a2与204b2之间的第二路径)施加给元件。在下文中将加以解释的是，压电元件分成电气隔离区使得多个频率的电能的施加能在一特定时间被施加给驱动器，从而在接合工具的尖端产生所期望的刷磨动作。
图2C是元件204a的正视图。图2D是电极206a的正视图，电极206a可定位于换能器的孔中的叠置体中相邻的压电元件之间。类似于元件204a，薄片电极206a被分成两个电气隔离区。在图2D中，绝缘区206a3将导电区206a1与导电区206a2分开。
图3A是一俯视方块图，示出了可排列在换能器的孔中的压电元件叠置体(类似于图1中的换能器100的孔中的元件104a、104b、104c及104d的排列)。该叠置体包括图2A-2C中的元件204a，及三个类似元件204b、204c及204d。元件204a、204b、204c及204d中的每一元件各自的电极如同每一元件的中央区域处所示出地被划分。该叠置体还包括图2D中的薄片电极206a，以及薄片电极206b、206c、206d及206e。在此特定组态中，仅正薄片电极被分裂(即206a及206c)，且负薄片电极全部电气接合在一起(例如，接地)。图3B及图3C是图3A的叠置体可如何连接至电信号的两个不同范例。特别参照图3B，第一频率f1电耦合至该叠置体的右手部分，而第二频率f2电耦合至该叠置体的左手部分。当然，f1及f2可以是给予该应用、换能器及所期望的刷磨的任何所期望的频率。f1及f2的示范性频率为115Khz及120Khz。如图3B中所示，频率f1的正连接(+f1)电耦合至薄片电极206a及206c的右手部分。同样，频率f1的负连接(-f1)电耦合至薄片电极206b、206d及206e。频率f2的正连接(+f2)电耦合至薄片电极206a及206c的左手部分。同样，频率f2的负连接(-f2)电耦合至薄片电极206b、206d及206e。藉由同时施加此二频率f1、f2给各自的压电元件区，非线性刷磨在耦合至换能器的接合工具尖端被施加。
图3C是图3A的晶体叠置体的另一示范性组态。对照于图3B，频率f1及f2(+f1/f2、-f1/f2)经由电极施加给该等晶体的左手区域及右手区域。频率为f1及f2的此等电信号被同时施加；然而，信号的相位组态可被改变以得到所期望的结果。例如，在压电元件的两个区域(即左手及右手区域)上频率为f1的信号可能是彼此同相的；然而，在该等元件的两个区域(即左手及右手区域)上频率为f2的信号可能是彼此反相的(例如，彼此相位相差180度)以得到所期望的结果。如同图3B，此组态可提供接合工具的尖端的非线性刷磨，诸如李萨如型刷磨动作。
图4A示出换能器中的压电元件的另一示范性组态。在此范例中，该等元件被提供成使得它们在不同的方向上变形(例如，膨胀、失真、扭曲等)。在此范例中，元件404a及404b(图4A中的上面两个压电元件)变形使得它们共同提供了接合工具的尖端在第一方向(例如，y方向(Y向移动))上的刷磨，且元件404c及404d(图4A中的下面两个压电元件)经配置以提供接合工具的尖端在不同于该第一方向的第二方向(例如，x方向(X向移动))上的刷磨。施加于压电元件组的频率(即频率f1及f2)可以是不同的或它们可以是相同的。
在以下有关于图4A-4J(且亦适用于其他示图)的说明中，应理解的是一特定方向上的压电元件变形(例如，膨胀、失真等)不一定等同于接合工具的尖端在此方向上的刷磨。而是，使用在不同方向上变形的压电元件(例如，结合其他特征，诸如，分裂压电元件，分裂压电元件电极等)有效地使换能器能够在所期望的模式下运作。例如，藉由施加换能器(此换能器的单一驱动器)所固有的两个谐振频率的电能，该接合工具尖端的所期望的非线性刷磨动作可被实现。应了解的是两个谐振频率的电能可施加给该驱动器的不同部分(例如，在不同方向上变形的元件)，如本文所说明及描述的那样。
在所示出的范例中，上方两个压电元件共同提供该接合工具尖端的Y向刷磨(即沿图1中所示的轴“A”)，而下方两个压电元件共同提供该接合工具尖端的X向刷磨(即垂直于图1中所示的轴“A”)。应理解的是在此范例中，元件404a可能自身不提供Y向刷磨，但是元件404a及404b可共同有效地激发该换能器的Y向刷磨振动模式。此外，应理解的是刷磨方向不限于X向及Y向(其中X方向与Y方向彼此垂直)而是可以是任意两个彼此不同的方向。当然，在许多公知的引线接合应用中，管芯上的接合焊盘及导线架上的相对应的导线易于沿着X轴及Y轴中的任一轴而对准，所以这样的配置可能是尤为理想的。
图4B示出示范性半导体元件410(例如，半导体管芯410、导线架410等)的一部分。元件410包括第一多个排成一行的接合位置410a(例如，接合焊盘410a、导线410a等)及第二多个排成一列、大体垂直于接合位置410a的行的接合位置410b(例如，接合焊盘410b、导线410b等)。从图4B中可以清楚看出，接合位置410a、410b的形状不是方形，而是矩形。在这样的情况下，可能需要使用依特定接合位置的形状而定的刷磨动作在接合位置410a、410b上形成引线接合。也就是说，当接合一部分引线到接合位置410a时(例如，形成一线弧的一引线接合，诸如，该线弧的第一接合或第二接合)，可能想要配置该换能器以使其提供接合工具尖端沿Y轴的刷磨(例如，参见图例)。同样，当接合一部分引线到接合位置410b时，可能需要配置该换能器以使其提供接合工具尖端沿X轴的刷磨。
当然，接合位置的形状不是改变刷磨方向的唯一理由。另一示范性理由与管芯焊盘溅开或相关问题有关。本领域技术人员将理解的是，半导体元件制造者继续努力减小元件尺寸，且正因如此，他们努力减小接合位置之间(例如，相邻的管芯焊盘之间)的间隔。然而，以此方式减小接合位置之间的间隔增加了造成电气短路的焊盘溅开的可能性。这样的焊盘溅开致短路的可能性，在例如当铜线被用以形成引线接合时由于铜的加工硬化的缘故而变得更糟。再次参照图4B，当接合一部分引线到接合位置410a时，可能需要配置该换能器以提供接合工具尖端沿Y轴的刷磨，使得该刷磨不在相邻接合位置410a的方向上(接合位置410a沿X轴排成一行)，从而降低焊盘溅开在相邻接合位置410a处的可能性。同样，当接合一部分引线到接合位置410b时，藉由配置该换能器以使其提供接合工具尖端沿X轴的刷磨，使得该刷磨不在相邻接合位置410b的方向上(接合位置410b沿Y轴排列成一列)，降低了焊盘溅开在相邻接合位置410b处的可能性。
现在参照图4A中的电气连接，第一频率f1的正连接提供给元件404a与404b之间的正电极(即图4A中标记为406a的电极)，且第一频率f1的负连接提供给元件404a及404b的负电极(即藉由接合负电极至地线)。同样，第二频率f2的正连接提供给元件404c与404d之间的正电极(即图4A中标记为406c的电极)，且第二频率f2的负连接提供给元件404c及404d的负电极(即藉由接合负电极至地线)。当然，两频率的负连接可接合在一起，且接地，如所示出的那样(即对电极406b、406d及406e的连接可接合在一起，且若需要的话耦合至地线)。
在图4A中，频率信号f1被标记为f1T1，且频率信号f2被标记为f2T2，其中“T”为时间。这是因为频率为f1及f2的电信号可以不是同时施加。当然，该等信号可能同时施加，但是在目前描述的范例中，它们是被连续施加的，如将在下文的操作顺序中所描述的那样。
现在一示范性非限制性操作顺序针对图4A而加以描述。在此示范性应用中，让我们假定我们正在接合一公知的管芯(接合焊盘围绕该管芯外围呈方形配置)之间的线弧。在这样的范例中，线弧可在两个方向中的一方向上，也就是说，沿X轴或Y轴延伸。可能希望沿X轴形成的线弧的引线接合(例如，第一接合及/或第二接合)随着X轴刷磨(X向移动)而形成，且沿Y轴形成的线弧的引线接合随着一Y轴刷磨(Y向移动)而形成。现在参照图4A，当沿Y轴形成第一组线弧时，频率为f1的电能在T1时刻(即f1T1)施加。如上文所述，此电能施加如期望地引起接合工具尖端的Y向刷磨。在该第一组线弧形成之后，第二组线弧将沿X轴形成。在此第二组线弧形成过程中，频率为f2的电能在T2时刻(即f2T2)施加。如上文所述，此电能施加如期望地引起接合工具尖端的X轴刷磨。尽管此范例已与分别沿X轴及Y轴形成的两组线弧相关联而加以描述，其他选替方式也被考虑。例如，多于两组线弧可形成(例如，使用f1沿Y轴形成第一线弧，接着使用f2沿X轴形成线弧，再次使用f1沿Y轴形成线弧，等)。而且，工具尖端刷磨的方向可能不仅限于X轴或Y轴刷磨。例如，附加的或不同的刷磨是可能的(例如，藉由提供以相同频率或不同频率在不同方向上变形的晶体以产生附加的或不同的工具尖端刷磨方向)。
而且，在单一引线接合(例如，球焊、缝焊等)形成期间，沿一个方向以上的刷磨可被加以应用。例如，在形成相同的引线接合期间，沿X轴的刷磨可被使用，之后为沿Y轴的刷磨。当然，其他刷磨方向也被考虑。
应理解的是用以产生第一刷磨及第二刷磨的压电元件的顺序可能不同于图4A中所示出的那样。更特别地是，在图4A中，上方两个元件(404A、404B)共同产生Y轴刷磨，且下方两个元件(404C、404D)产生X轴刷磨。然而，本发明未如此设限。压电元件的任何组合可用以产生所期望的刷磨(例如，第一元件及第三元件可产生第一刷磨，而第二元件及第四元件可产生不同的第二刷磨)。同样，不同数目的压电元件可被提供在换能器中。
此外，虽然未在图4A中示出，若欲得到一特定结果，则图4A的组态中的压电元件电极可如同图3A中所示的元件204a、204b、204c、240d被分裂。而且，在T1＝T2的情况下，多个频率的电能可同时被施加(而不是顺序施加)。而且，多个频率的电能可施加给每一组晶体，在某些频率之间有相移或无相移。
如上文依据图4A所提供的那样，特定压电元件叠置体(其中该叠置体是诸如图1中的换能器100的换能器的单一驱动器)中的压电元件被提供以使得它们在不同方向上变形。图4C示出四个元件420、422、424及426。元件420是示出仅供参考的非激励状态压电元件。元件422是在y方向上变形(例如，沿引线接合机的Y轴在y方向上膨胀)的压电元件，且因此在电能施加期间，该元件在y方向上变形而包括变形区域422a及422b。元件424是在x方向上变形(例如，沿引线接合机的X轴在x方向上膨胀)的压电元件，且因此在电能施加期间，该元件在x方向上变形而包括变形区域424a及424b。元件426是在XY剪切方向上变形(例如，在引线接合机的XY剪切方向上变形)的压电元件，且因此在电能施加期间，该元件在XY剪切方向上变形而包括变形区域426a及426b。元件426还示出一示范性极性及由元件426中的一箭头标示的相对应的XY剪切变形方向。本领域技术人员将了解的是，在不同方向上变形的压电元件可组合在换能器的单一驱动器中(例如，单一压电元件叠置体中)。为了提供所期望的效果(例如，接合工具尖端的特定的非线性刷磨，为形成某些引线接合而在第一方向上产生的选择性的线性刷磨，且为形成其他引线接合而在第二方向上产生的选择性的线性刷磨)，各种不同特征可被改变，例如：换能器设计；包括在不同方向上变形的压电元件的驱动器；同时施加多个频率给驱动器压电元件；连续施加多个频率；分裂压电元件电极；等等。
图4D-4J示出多个组合了在不同方向上变形的压电元件的示范性组态。在图4D-4J中，标记为“Y”的压电元件是经配置以在y方向上变形的元件，且标记为“XY剪切”的压电元件是经配置以在XY剪切方向上变形的元件。除非另外指出，否则在图4D-4J中所示出的任何范例中，频率为f1及f2的电能可根据需要而被同时、单独及/或连续提供以实现所期望的接合工具尖端刷磨。图4D-4J中所示出的压电元件叠置体组态可被加以使用，例如，实现所期望的非线性工具尖端刷磨、选择性线性工具尖端刷磨(在同一引线接合中，对某些接合位置沿X轴刷磨，且对其他接合位置沿Y轴刷磨，沿x与y方向中的一方向连续刷磨，且接着沿x与y方向中的另一方向连续刷磨)等。
图4D示出在一包括由元件434a(在XY剪切方向上变形的压电元件)、元件434b(在Y方向上变形的压电元件)、元件434c(在Y方向上变形的压电元件)及元件434d(在XY剪切方向上变形的压电元件)组成的叠置体的换能器中使用的驱动器，其中元件434a、434b被薄片电极436a隔开；元件434b、434c被薄片电极436b隔开；元件434c、434d被薄片电极436c隔开；薄片电极436d与元件434d相邻；且薄片电极436e与元件434a相邻。频率f1、f2的正连接(+f1/f2)提供给元件434a及434b的正电极(即图4D中被标记为436a的薄片电极)及元件434c及434d的正电极(即图4D中被标记为436c的薄片电极)。频率f1、f2的负连接(-f1/f2)提供给元件434a、434b、434c及434d的负电极(即图4D中被标记为436b、436d及436e的薄片电极)，且可依需要接地。依需要，频率为f1及f2的电能可依需要而被同时、单独及/或连续提供，以实现所期望的接合工具尖端刷磨。图4D中所示出的压电元件叠置体组态可被加以使用，例如，实现所期望的非线性工具尖端刷磨、选择性线性工具尖端刷磨(即对某些接合位置沿x轴刷磨，且对其他接合位置沿y轴刷磨)等。
图4E示出在包括由压电元件444a、444b、444c及444d组成的叠置体的换能器中使用的驱动器，其中元件444a、444b被薄片电极446a隔开；元件444b、444c被薄片电极446b隔开；元件444c、444d被薄片电极446c隔开；薄片电极446d与元件444d相邻；且薄片电极446e与元件444a相邻。元件444b、444c的电极被分裂，且薄片电极446b为分裂薄片电极。频率f1、f2的正连接(+f1/f2)提供给薄片电极446a、446c。频率f1、f2的负连接提供给电极446d、446e、薄片电极446b的左手部分，及薄片电极446b的右手部分，其中负连接可根据需要接地。在这样的范例中，薄片电极446b是以允许从压电元件的任一端流入的独立电流流动的个别地线被分裂。
图4F示出在包括由压电元件454a、454b、454c及454d组成的叠置体的换能器中使用的驱动器，其中元件454a、454b被薄片电极456a隔开；元件454b、454c被薄片电极456b隔开；元件454c、454d被薄片电极456c隔开；薄片电极456d与元件454d相邻；且薄片电极456e与元件454a相邻。元件454b、454c的电极被分裂，且薄片电极456b为分裂电极。频率f1、f2的正连接(+f1/f2)提供给薄片电极456a、456c及分裂薄片电极456b的右手部分。频率f1、f2的负连接(-f1/f12)提供给薄片电极456d、456e及薄片电极456b的左手部分，其中负连接可依需要接地。在此范例中，元件454c的右侧(正及负)电极的短路大致消除了f1/f2模式的输出。
尽管所描述的实施例至此已包括驱动器叠置体中的4个压电元件(例如，压电晶体、压电陶瓷等)，本发明并未如此设限。实际上，任何数目的元件可包括在一驱动器中，如特定应用中所需要的。在图4G-4J中，八个压电元件设提供在每一驱动器叠置体中。在图4G-4J中，无一元件的电极被分裂，且无一电极被分裂；然而，应理解的是在本发明的某些实施方式中，依需要此种元件的电极可被分裂，且此种电极可被分裂。
图4G示出在包括由压电元件464a、464b、464c、464d、464e、464f、464g及464h组成的叠置体的换能器中使用的驱动器。元件464a、464b被薄片电极466a隔开；元件464b、464c被薄片电极466b隔开；元件464c、464d被薄片电极466c隔开；元件464d、464e被薄片电极466d隔开；元件464e、464f被薄片电极466e隔开；元件464f、464g被薄片电极466f隔开；元件464g、464h被薄片电极466g隔开；薄片电极466h与元件464h相邻；且薄片电极466i与元件464a相邻。频率f1、f2的正连接(+f1/f2)提供给薄片电极466a、466c、466e及466g。频率f1、f2的负连接(-f1/f2)提供给薄片电极466b、4d6d、466f、466h及466i，其中负连接可依需要接地。
图4H示出在包括由压电元件474a、474b、474c、474d、474e、474f、474g及474h组成的叠置体的换能器中使用的驱动器。元件474a、474b被薄片电极476a隔开；元件474b、474c被薄片电极476b隔开；元件474c、474d被薄片电极476c隔开；元件474d、474e被薄片电极476d隔开；元件474e、474f被薄片电极476e隔开；元件474f、474g被薄片电极476f隔开；元件474g、474h被薄片电极476g隔开；薄片电极476h与元件474h相邻；且薄片电极476i与元件474a相邻。频率f1、f2的正连接(+f1/f2)提供给薄片电极476Aa、476c、476e及476g。频率f1、f2的负连接(+-f1/f2)供给薄片电极476b、476d、476f、476h及476i，其中负连接可依需要接地。
图4I示出在使用在包括由压电元件484a、484b、484c、484d、484e、484f、484g及484h组成的叠置体的换能器中使用的驱动器。元件484a、484b被薄片电极486a隔开；元件484b、484c被薄片电极486b隔开；元件484c、484d被薄片电极486c隔开；元件484d、484e被薄片电极486d隔开；元件484e、484f被薄片电极486e隔开；元件484f、484g被薄片电极486f隔开；元件484g、484h被薄片电极486g隔开；薄片电极486h与元件484h相邻；且薄片电极486i与元件484a相邻。频率f1、f2的正连接(+f1/f2)提供给薄片电极486a、486c、486e及486g。频率f1、f2的负连接(-f1/f2)提供给薄片电极486b、486d、486f、486h及486i，其中负连接可依需要接地。
图4J示出在使用在包括由压电元件494a、494b、494c、494d、494e、494f、494g及494h组成的叠置体的换能器中的驱动器。元件494a、494b被薄片电极496a隔开；元件494b、494c被薄片电极496b隔开；元件494c、494d被薄片电极496c隔开；元件494d、494e被薄片电极496d隔开；元件494e、494f被薄片电极496e隔开；元件494f、494g被薄片电极496f隔开；元件494g、494h被薄片电极496g隔开；薄片电极496h与元件494h相邻；且薄片电极496i与元件494a相邻。频率f1的正连接(+f1)提供给电极496a及496g。频率f2的正连接(+f2)提供给薄片电极496c及496e。频率f1、f2的负连接(-f1/f2)提供给薄片电极496b、496d、496f、496h及496i，其中负连接可依需要接地。
本发明的某些层面已与具有分裂电极(诸如图2A-2C及图3A-3C)的压电元件相关联而加以描述，但压电元件本体未被分裂。然而，在本发明的某些示范性实施例中，整个压电元件本体可被分裂成两个(或两个以上)块。例如，在图5A-5B中所提供的图示中，每一压电元件已被分裂(如每一元件上的实中央线所标示者)。也就是说，元件304a已被分为304a1及304a2，等等。此外，每一元件的左手部分已被“翻转”过来。例如，元件部分304a1(及元件部分304b1、304c1及304d1)已被翻转。因此，从图5A中的极性标记(“+”与“-”符号)看，清楚的是每一压电元件的右手部分相较于每一元件的左手部分被反转。图5B还示出针对图5A的叠置体的一示范性电气连接，藉此f1及f2的正连接(+f1/f2)耦合至两个薄片电极(306a、306c)，而f1及f2的负连接(-f1/f2)耦合至其他电极(若需要的话，经由接地连接，耦合至306b、306d及306e)。因此，在此范例中，两个频率的电能被同时提供。无论如何，图5A-5B中所示出的组态提供一非线性刷磨给接合工具尖端。
图6A及图6B为结合了某些前述概念的本发明其他示范性实施例。特别参照图6A，上方两个压电元件是被分裂的(左手部分被翻转)。第一频率f1(例如，115kHz)被施加且在第一方向上(例如，沿X轴)产生工具尖端刷磨。下方两个压电元件为标准元件(即它们未被分裂，且它们的电极未被分裂)，且第二频率f2(例如，120kHz)被施加且在第二方向上(例如，沿Y轴)产生工具尖端刷磨。此配置可能具有某些益处，例如，其完全解耦f1及f2模式(即反电动势(EMF)在每一情况下抵消)。更特别地是，当上部以频率f1驱动，下方压电元件在f1下将不会产生反电动势电荷，因为当晶体的左侧变形而与压电元件的右侧异相时电荷抵消。当底部以频率f2驱动时，由于左侧与右侧同相移动时电荷抵消，在f2下的反电动势在顶部两个压电元件中抵消。
图6B是又一示范性组态。在图6B中，上方压电元件如在图6A中一般被分裂，且现在下方两个压电元件具有分裂电极(如同在第2A-2C及3A-3C图中一般)。此外，第三及第四压电元件之间的电极被分裂(即具有两个电气隔离区)。当然，图6B仅为本发明教示的多个变化中的一变化。
图7A-7C示出由本发明的换能器/运作技术产生的接合工具尖端的非线性刷磨图形。如上文所述，本发明的各种不同的示范性实施例被导向提供接合工具尖端的非线性刷磨。李萨如刷磨图形是此刷磨图形的一范例且可包括圆形刷磨图形、椭圆形刷磨图形或网目形刷磨图形。当然，其他非线性刷磨图形也被考虑。
本发明主要是与四或八个压电元件组成并对其施加两个频率(例如，f1及f2，或f1/f2)的压电叠置体相关联地加以描述。应理解的是不同叠置体配置(具有更多或更少压电元件)及不同频率(例如，多于两个电信号，诸如，包括一频率为f3的第三信号)也被考虑。
本发明的各种不同层面与“分裂”压电元件及分裂压电元件“电极”相关联而加以描述。应理解的是结构(例如，压电元件、压电元件电极、薄片电极等)可以在实体上改变(例如，切割)以提供所期望的电气隔离。然而，分裂可以其他方式提供，诸如，当结构被首次制造而成时，它们可能具有所期望的电气隔离区。而且，本领域技术人员将理解的是，压电元件的“极化”(例如，给予元件极性，例如，藉由施加相对较高的电压，诸如，2,000伏特)可在元件分裂或元件电极分裂之前、期间或之后完成。
尽管本发明已主要关联于提供接合工具尖端的非线性刷磨，以及用以提供接合工具尖端的选择性线性刷磨的换能器而加以描述，本发明未限制于此。本发明的某些教示尤其可与下列相关联被使用：(1)具有非平面组件的刷磨动作(例如，至少一个部分动作不在XY平面上，而是沿着垂直的Z轴-参见例如图1中的图注)；及(2)接合工具尖端的扭曲/旋转动作(有或没有刷磨动作)。
尽管本发明的某些示范性实施例已与分裂成两块的压电元件(例如，晶体、陶瓷等)、分裂成两块的压电元件电极，及分裂成两块的薄片电极(例如，薄片)相关联而加以描述，应理解的是这些中的任一者可被分为两个或两个以上区域。也就是说，压电元件、压电元件电极及薄片电极可依需要在特定应用中被划分为两个或两个以上电气隔离区。
尽管本发明已针对使用在引线接合机中的超声波换能器以附图说明及描述，本发明未如此设限。例如，本发明教示(例如，包括压电元件组态、分裂元件、分裂元件电极、叠置体配置等)可应用在供利用于许多应用(诸如，超声波成像、超声波感测器、超声波焊接器、超声波马达等)中的任一种应用的超声波换能器。
尽管本发明依据特定实施例而以附图说明及描述，本发明不欲限于所示的细节。反之，在权利要求的范围与等效范围内可在细节上做出各种不同的修改而不背离本发明。

Claims (71)

1.一种使用耦合至引线接合机的换能器的接合工具来形成引线接合的方法，所述换能器包括驱动器，所述方法包括以下步骤：
(1)施加第一频率的电能给所述驱动器；及
(2)在施加所述第一频率的所述电能的同时施加第二频率的电能给所述驱动器，所述第一频率与所述第二频率彼此不同，
其中所述驱动器包括至少一个经配置以在电能施加之时在第一方向上变形的压电元件，及至少一个经配置以在电能施加之时在第二方向上变形的压电元件，所述第一方向与第二方向彼此不同。
2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(1)包括施加大约115kHz的第一频率的电能给所述驱动器。
3.如权利要求1所述的方法，其中步骤(2)包括施加大约120kHz的第二频率的电能给所述驱动器。
4.如权利要求1所述的方法，其中步骤(1)包括施加所述大约115kHz的第一频率的电能给所述驱动器，且步骤(2)包括施加所述大约120kHz的第二频率的电能给所述驱动器。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括使所述驱动器包括多个压电元件，各所述多个压电元件被分成至少两个彼此电气隔离的区域的步骤。
6.如权利要求5所述的方法，其中步骤(1)包括施加所述第一频率的电能给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第一区域，且步骤(2)包括施加所述第二频率的电能给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第二区域。
7.如权利要求5所述的方法，其中步骤(1)包括施加所述第一频率及所述第二频率的电能给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第一区域，且步骤(2)包括施加所述第一频率及所述第二频率的电能给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第二区域。
8.如权利要求7所述的方法，其中施加给所述第一区域及所述第二区域的所述第一频率的电能彼此同相，且施加给所述第一区域及所述第二区域的所述第二频率的电能彼此异相。
9.如权利要求1所述的方法，其中施加所述第一频率及所述第二频率的电能给所述驱动器导致由所述接合工具的尖端产生非线性刷磨。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述第一方向沿着所述引线接合机的X轴且所述第二方向沿着所述引线接合机的Y轴。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述第一方向沿着所述引线接合机的X轴且所述第二方向为XY剪切方向。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述第一方向沿着所述引线接合机的Y轴且所述第二方向为XY剪切方向。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个压电元件经配置以当施加所述第一频率的电能时在所述第一方向上变形，且所述至少一个压电元件经配置以当施加所述第二频率的电能时在第二方向上变形。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个经配置以在所述第一方向上变形的压电元件的变形导致接合工具尖端沿所述引线接合机的X轴的刷磨，且所述至少一个经配置以在所述第二方向上变形的压电元件的变形导致接合工具尖端沿所述引线接合机的Y轴的刷磨。
15.一种使用耦合至引线接合机的换能器的接合工具来形成引线接合的方法，所述换能器包括驱动器，所述方法包括以下步骤：
(1)施加第一频率的电能给所述驱动器以在第一方向上驱动所述接合工具的尖端；及
(2)施加第二频率的电能给所述驱动器以在第二方向上驱动所述接合工具的尖端，所述第一方向不同于所述第二方向，
其中所述驱动器包括至少一个经配置以在施加所述第一频率的电能之时在第一方向上变形的压电元件，及至少一个经配置以在施加所述第二频率的电能之时在所述第二方向上变形的压电元件，所述第一方向与所述第二方向彼此不同。
16.如权利要求15所述的方法，其中对所述驱动器施加第一频率的电能与对所述驱动器施加所述第二频率的电能是同时发生。
17.如权利要求15所述的方法，其中对所述驱动器的施加所述第一频率的电能与对所述驱动器施加所述第二频率的电能不是同时发生。
18.如权利要求15所述的方法，其中步骤(1)包括施加所述大约115kHz的第一频率的电能给所述驱动器。
19.如权利要求15所述的方法，其中步骤(2)包括施加所述大约120kHz的第二频率的电能给所述驱动器。
20.如权利要求15所述的方法，其中步骤(1)包括施加所述大约115kHz的第一频率的电能给所述驱动器，且步骤(2)包括施加所述大约120kHz的第二频率的电能给所述驱动器。
21.如权利要求15所述的方法，其中步骤(1)中的所述电能施加导致所述接合工具的尖端产生大致沿所述引线接合机的X轴的刷磨，且其中步骤(2)中的所述电能施加导致所述接合工具的尖端产生大致沿所述引线接合机的Y轴的刷磨。
22.如权利要求15所述的方法，其中进一步包括使所述驱动器包括多个压电元件，各所述多个压电元件被分成至少两个彼此电气隔离的区域的步骤。
23.如权利要求22所述的方法，其中步骤(1)包括施加所述第一频率的电能给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第一区域，且步骤(2)包括施加所述第二频率的电能给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第二区域。
24.如权利要求22所述的方法，其中步骤(1)包括施加所述第一频率及所述第二频率的电能给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第一区域，且步骤(2)包括施加所述第一频率及所述第二频率的电能给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第二区域。
25.如权利要求24所述的方法，其中施加给所述第一区域及所述第二区域的所述第一频率的电能彼此同相，且施加给所述第一区域及所述第二区域的所述第二频率的电能彼此异相。
26.如权利要求15所述的方法，其中对所述驱动器的所述第一频率及所述第二频率的电能施加导致由所述接合工具的尖端产生非线性刷磨。
27.如权利要求15所述的方法，其中所述第一方向沿着所述引线接合机的X轴且所述第二方向沿着所述引线接合机的Y轴。
28.如权利要求15所述的方法，其中所述第一方向沿着所述引线接合机的X轴且所述第二方向为XY剪切方向。
29.如权利要求15所述的方法，其中所述第一方向沿着所述引线接合机的Y轴且所述第二方向为XY剪切方向。
30.一种供使用在引线接合操作中的换能器，所述换能器包括：
(a)经配置以支撑接合工具的细长本体部分；及
(b)用以提供振动给所述细长本体部分的驱动器，所述驱动器包括多个压电元件，各所述多个压电元件被分成至少两个彼此电气隔离的区域，
其中所述多个压电元件包括至少一个经配置以在电能施加之时在第一方向上变形的压电元件，及至少一个经配置以在电能施加之时在第二方向上变形的压电元件，所述第一方向与第二方向彼此不同。
31.如权利要求30所述的换能器，其中第一频率的电能经配置以施加给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第一区域，且第二频率的电能经配置以施加给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第二区域。
32.如权利要求31所述的换能器，其中施加所述第一频率及所述第二频率的电能给所述驱动器导致由所述接合工具的尖端产生非线性刷磨。
33.如权利要求31所述的换能器，其中所述第一频率是大约115kHz且所述第二频率是大约120kHz。
34.如权利要求31所述的换能器，其中施加所述第一频率的电能给所述第一区域导致所述接合工具的尖端在第一方向上的刷磨，且其中施加所述第二频率的电能给所述第二区域导致所述接合工具的尖端在第二方向上的刷磨，所述第一方向不同于所述第二方向。
35.如权利要求34所述的换能器，其中所述第一方向沿引线接合机的X轴延伸，且所述第二方向沿所述引线接合机的Y轴延伸。
36.如权利要求34所述的换能器，其中所述第一方向大致平行于所述换能器的纵轴延伸，且所述第二方向大致垂直于所述换能器的所述纵轴延伸。
37.如权利要求34所述的换能器，其中所述第一方向大致垂直于所述第二方向。
38.如权利要求30所述的换能器，其中第一频率及第二频率的电能经配置以施加给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第一区域，且所述第一频率及所述第二频率的电能经配置以施加给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第二区域。
39.如权利要求38所述的换能器，其中施加给所述第一区域及所述第二区域的所述第一频率的电能彼此同相，且施加给所述第一区域及所述第二区域的所述第二频率的电能彼此异相。
40.如权利要求30所述的换能器，其中所述本体部分界定驱动器孔，且所述多个压电元件定位于所述驱动器孔中。
41.一种在引线接合操作中使用的换能器，所述换能器包括：
(a)经配置以支撑接合工具的细长本体部分；及
(b)用以提供振动给所述细长本体部分的驱动器，所述驱动器经配置以接收电能及提供所述接合工具的尖端的非线性刷磨，
其中所述驱动器包括至少一个经配置以在电能施加之时在第一方向上变形的压电元件，及至少一个经配置以在电能施加之时在第二方向上变形的压电元件，所述第一方向与第二方向彼此不同。
42.如权利要求41所述的换能器，其中所述驱动器包括多个压电元件，各所述多个压电元件分为至少两个彼此电气隔离的区域。
43.如权利要求42所述的换能器，其中第一频率的电能经配置以施加给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第一区域，且第二频率的电能经配置以施加给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第二区域。
44.如权利要求43所述的换能器，其中所述第一频率是大约115kHz且所述第二频率是大约120kHz。
45.如权利要求43所述的换能器，其中(1)施加所述第一频率的电能给所述第一区域，而未施加所述第二频率的电能给所述第二区域，导致所述接合工具的尖端在第一方向上产生刷磨，(2)施加所述第二频率的电能给所述第二区域，而未施加所述第一频率的电能给所述第一区域，导致所述接合工具的尖端在第二方向上产生刷磨，所述第一方向不同于所述第二方向，及(3)施加所述第一频率的电能给所述第一区域且施加所述第二频率的电能给所述第二区域，导致所述接合工具的尖端产生非线性刷磨。
46.如权利要求45所述的换能器，其中所述第一方向沿引线接合机的X轴延伸，且所述第二方向沿所述引线接合机的Y轴延伸。
47.如权利要求45所述的换能器，其中所述第一方向大致平行于所述换能器的纵轴延伸，且所述第二方向大致垂直于所述换能器的所述纵轴延伸。
48.如权利要求45所述的换能器，其中所述第一方向大致垂直于所述第二方向。
49.如权利要求45所述的换能器，其中第一频率及第二频率的电能经配置以施加给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第一区域，且所述第一频率及所述第二频率的电能经配置以施加给各所述多个压电元件的所述至少两个区域中的第二区域。
50.如权利要求49所述的换能器，其中施加给所述第一区域及所述第二区域的所述第一频率的电能是彼此同相，且施加给所述第一区域及所述第二区域的所述第二频率的电能是彼此异相。
51.如权利要求41所述的换能器，其中所述非线性刷磨遵循李萨如图形。
52.如权利要求41所述的换能器，其中所述非线性刷磨遵循圆形图形。
53.如权利要求41所述的换能器，其中所述非线性刷磨遵循椭圆形图形。
54.如权利要求41所述的换能器，其中所述非线性刷磨遵循网目形图形。
55.如权利要求41所述的换能器，其中所述第一方向沿着引线接合机的X轴且所述第二方向沿着所述引线接合机的Y轴。
56.如权利要求41所述的换能器，其中所述第一方向沿着引线接合机的X轴且所述第二方向为XY剪切方向。
57.如权利要求41所述的换能器，其中所述第一方向沿着引线接合机的Y轴且所述第二方向为XY剪切方向。
58.如权利要求41所述的换能器，其中所述至少一个经配置以在所述第一方向上变形的压电元件在第一频率的电能被施加之时在所述第一方向上变形，且所述至少一个经配置以在所述第二方向上变形的压电元件在第二频率的电能被施加之时在所述第二方向上变形，所述第一频率不同于所述第二频率。
59.如权利要求41所述的换能器，其中所述本体部分界定驱动器孔，且所述多个压电元件定位于所述驱动器孔中。
60.一种供使用在引线接合操作中的换能器，所述换能器包括：
(a)经配置以支撑接合工具的细长本体部分；及
(b)用以提供振动给所述细长本体部分的驱动器，所述驱动器包括至少一个经配置以在电能施加之时在第一方向上变形的压电元件，及至少一个经配置以在电能施加之时在第二方向上变形的压电元件，所述第一方向与第二方向彼此不同。
61.如权利要求60所述的换能器，其中所述至少一个经配置以在所述第一方向上变形的压电元件在第一频率的电能被施加之时在所述第一方向上变形，且所述至少一个经配置以在所述第二方向上变形的压电元件在第二频率的电能被施加之时在所述第二方向上变形，所述第一频率不同于所述第二频率。
62.如权利要求60所述的换能器，其中所述第一方向沿着引线接合机的X轴且所述第二方向沿着所述引线接合机的Y轴。
63.如权利要求60所述的换能器，其中所述第一方向沿着引线接合机的X轴且所述第二方向为XY剪切方向。
64.如权利要求60所述的换能器，其中所述第一方向沿着引线接合机的Y轴且所述第二方向为XY剪切方向。
65.如权利要求61所述的换能器，其中所述第一频率是大约115kHz且所述第二频率是大约120kHz。
66.如权利要求61所述的换能器，其中(1)施加所述第一频率的电能，而未施加所述第二频率的电能，导致所述接合工具的尖端在第一方向上产生刷磨，(2)施加所述第二频率的电能，而未施加所述第一频率的电能，导致所述接合工具的尖端在第二方向上产生刷磨，所述第一方向不同于所述第二方向，及(3)施加所述第一频率及所述第二频率的电能导致所述接合工具的尖端产生非线性刷磨。
67.如权利要求66所述的换能器，其中所述刷磨的所述第一方向沿引线接合机的X轴延伸，且所述刷磨的所述第二方向沿所述引线接合机的Y轴延伸。
68.如权利要求66所述的换能器，其中所述刷磨的所述第一方向大致平行于所述换能器的纵轴延伸，且所述刷磨的所述第二方向大致垂直于所述换能器的所述纵轴延伸。
69.如权利要求66所述的换能器，其中所述刷磨的所述第一方向大致垂直于所述刷磨的所述第二方向。
70.如权利要求60所述的换能器，其中所述第一方向与第二方向大致彼此垂直。
71.如权利要求60所述的换能器，其中所述本体部分界定驱动器孔，且所述多个压电元件定位于所述驱动器孔中。
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