CN103521423B - 用于集成电路热超声键合设备的高频压电超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于集成电路热超声键合设备的高频压电超声换能器，包括相互连接的压电振子和聚能器，所述聚能器设有夹持法兰和从头至尾依次设有的聚能器半波圆锥段和聚能器半波圆柱段，所述压电振子固定在所述聚能器半波圆柱段的尾端，所述夹持法兰固定在该换能器的轴向振动位移节点处。本发明有效地减少了换能器与其外部固定零部件之间的轴向振动耦合，进而提高了超声能量的利用率，延长了其使用寿命。进一步地，采用一体化聚能器，实现了振动的高倍数放大。该换能器可工作在125kHz频率点附近并且在谐振点附近不存在模态密集情况，可以实现60℃以下低温封装。并且本发明还具有频率高、体积小、重量轻等优点。
Description
技术领域
本发明属于集成电路加工制造领域，特别是涉及一种用于集成电路热超声键合设备的高频压电超声换能器。
背景技术
热超声键合作为集成电路互连封装的重要技术之一，其封装形式在集成电路封装中占据主导地位。热超声键合通过同时施加热量、压力和超声能量，最终实现集成电路管脚与外围电路的电互连。压电超声换能器作为热超声键合设备的核心组成部件，其作用是将其两端的电能转化为超声振动能量。用于集成电路热超声键合的压电超声换能器通常工作在60kHz频率点附近，随着集成电路的不断发展，其键合工艺要求换能器具有更高的工作频率，主要是由于在高频下（≧100kHz）实现集成电路封装具有以下优点：集成电路逐渐微型化，其管脚密度大幅提高，现有的传统频率换能器已经无法满足超细管脚的键合要求，而在高频模态振动中，换能器的振幅恰好变小，适应了集成电路发展的要求；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，采用高频换能器可以增加超声能量，降低热量的施加，从而可以实现集成电路的低温封装。然而，提高换能器的工作频率，其工作性能会出现一定问题。超声换能器一般采用法兰盘式结构安装在热超声键合设备上，用螺钉将常用的法兰盘拧紧组装时，法兰盘受到约束，超声振动系统与外界连接部件存在超声振动耦合问题，导致超声振动系统的超声场受到干扰，进而影响键合质量。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于集成电路热超声键合设备的高频压电超声换能器，该换能器能够工作在125kHz频率点附近，并且能够避免超声振动耦合问题。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种用于集成电路热超声键合设备的高频压电超声换能器，包括相互连接的压电振子和聚能器，所述聚能器设有夹持法兰和从头至尾依次设有的聚能器半波圆锥段和聚能器半波圆柱段，所述压电振子固定在所述聚能器半波圆柱段的尾端，所述夹持法兰固定在该换能器的轴向振动位移节点处。
所述夹持法兰设有外圆套筒和中间轴向弹性解耦结构，所述外圆套筒通过所述中间轴向弹性解耦结构固定在所述聚能器半波圆柱段上。
所述中间轴向弹性解耦结构为设置在所述外圆套筒与所述聚能器半波圆柱段之间的环形腹板。
所述中间轴向弹性解耦结构为设置在所述外圆套筒与所述聚能器半波圆柱段之间的板状辐条。
所述板状辐条的中部为弹性铰链结构。
所述夹持法兰、所述聚能器半波圆锥段和所述聚能器半波圆柱段是整体加工形成的。
所述压电振子包括前盖板、后盖板、数片铜片电极和数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片，所述数片铜片电极和所述数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片安装在所述前盖板和所述后盖板之间，所述数片铜片电极和所述数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片隔片设置；所述压电振子通过穿装在其内部的预紧螺钉固定在所述聚能器半波圆柱段的尾端，所述预紧螺钉上装有绝缘套管，所述绝缘套管位于所述预紧螺钉与所述数片铜片电极和所述数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片之间。
本发明具有的优点和积极效果是：通过将聚能器的夹持法兰设置在该换能器的轴向振动位移节点处的结构，进一步地，通过夹持法兰的中间轴向弹性解耦结构，有效地减少了换能器与其外部固定零部件之间的轴向振动耦合，进而提高了超声能量的利用率，延长了其使用寿命。进一步地，采用一体化聚能器，实现了振动的高倍数放大。该换能器可工作在125kHz频率点附近并且在谐振点附近不存在模态密集情况，可以实现60℃以下低温封装。并且本发明还具有频率高、体积小、重量轻等优点。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的剖视图；
图3-1为本发明的夹持法兰第一种结构示意图；
图3-2为图3-1的侧视图；
图4-1为本发明的夹持法兰第二种结构示意图；
图4-2为图4-1的侧视图；
图5-1为本发明的夹持法兰第三种结构示意图；
图5-2为图5-1的侧视图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1和图2，一种用于集成电路热超声键合设备的高频压电超声换能器，包括相互连接的压电振子和聚能器，所述聚能器设有夹持法兰3和从头至尾依次设有的聚能器半波圆锥段2和聚能器半波圆柱段1，所述压电振子固定在所述聚能器半波圆柱段1的尾端，所述夹持法兰3固定在该换能器的轴向振动位移节点处，以减少换能器与其外部固定零部件之间的轴向振动耦合。
为了进一步减少换能器与其外部固定零部件之间的轴向振动耦合，所述夹持法兰3设有外圆套筒3-4和中间轴向弹性解耦结构，所述外圆套筒3-4通过所述中间轴向弹性解耦结构固定在所述聚能器半波圆柱段1上。所述中间轴向弹性解耦结构可以为设置在所述外圆套筒3-4与所述聚能器半波圆柱段1之间的环形腹板3-1，请参阅图3-1和图3-2。所述中间轴向弹性解耦结构也可以为设置在所述外圆套筒3-4与所述聚能器半波圆柱段1之间的板状辐条3-2，请参阅图4-1和图4-2。进一步地，所述板状辐条3-2的中部可以采用弹性铰链结构3-3，请参阅图5-1和图5-2。夹持法兰3具有的环形腹板3-1或板状辐条3-2，通过弹性变形能够实现换能器与其外部固定零部件的超声振动解耦。具有弹性铰链结构3-3的板状辐条3-2的振动解耦能力尤其显著。
所述夹持法兰3、所述聚能器半波圆锥段2和所述聚能器半波圆柱段1是整体加工形成的。半波聚能器圆锥段2的横截面是圆形，半波聚能器圆柱段1的横截面亦是圆形。
所述压电振子包括前盖板4、后盖板7、数片铜片电极5和数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片6，所述数片铜片电极5和所述数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片6安装在所述前盖板4和所述后盖板7之间，所述数片铜片电极5和所述数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片6隔片设置；所述压电振子通过穿装在其内部的预紧螺钉8固定在所述聚能器半波圆柱段1的尾端，所述预紧螺钉8上装有绝缘套管9，所述绝缘套管9位于所述预紧螺钉8与所述数片铜片电极5和所述数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片6之间。
所述半波聚能器圆柱段1、半波聚能器锥形段2、夹持法兰3、前盖板4以及后盖板7的材质均为45钢，预紧螺钉8的材质为不锈钢。
上述换能器为用于集成电路热超声键合的高频压电超声换能器，采用具有锁相跟踪特性的超声电源作为信号激励。在本实施例中，采用4片铜片电极5和4片锆钛酸铅压电陶瓷晶片6隔片安装。锆钛酸铅压电陶瓷晶片6为圆环状，外径为13mm，内孔直径为5mm，厚度2.3mm。铜片电极5也为圆环，外径和内径分别为18mm和5mm。预紧螺钉8的公称直径为4mm，螺纹长度25mm。如图2所示，绝缘套管9套装在预紧螺钉8上，绝缘套管9将4片锆钛酸铅压电陶瓷晶片6从电位上隔离。聚能器和后盖板7等电位，相邻锆钛酸铅压电陶瓷晶片6施加相反的极化电压。后盖板7的外径和内径分别为16mm和6mm。半波聚能器锥形段2的轴向长度为43mm，小端面直径为4mm。半波聚能器圆柱段1轴向长度40mm，直径为13mm。夹持法兰3位于换能器轴向振动位移节点处。
上述换能器工作在125kHz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125kHz的正弦信号激励时，换能器工作在125kHz频率点，其小端面中心的纵向振动幅值可达1.2μm，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125kHz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。
上述换能器属于高频纵向振动类型，采用锆钛酸铅压电陶瓷作为驱动器，采用聚能器来增加超声换能器端面的振幅和提高超声能量的调节功能。将夹持法兰设计在换能器轴向振动的位移节点处，同时结合中间轴向弹性解耦结构，有效减小了换能器与其他部件的振动耦合，进而提高了超声能量的利用率。数片铜片电极与数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片隔片设置，安装在前盖板与后盖板之间，采用预紧螺钉固定在聚能器上，预紧螺钉的预紧力一般在30MPa～50MPa范围内。采用一体化聚能器放大压电晶体，可以产生高频振动信号。上述换能器可工作在125kHz频率点附近，利用压电陶瓷元件的逆压电效应，将具有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端，键合工具带动引线和集成电路相互摩擦完成热超声键合过程。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于集成电路热超声键合设备的高频压电超声换能器，包括相互连接的压电振子和聚能器，所述聚能器设有夹持法兰和从头至尾依次设有的聚能器半波圆锥段和聚能器半波圆柱段，所述压电振子固定在所述聚能器半波圆柱段的尾端，其特征在于，所述夹持法兰固定在该换能器的轴向振动位移节点处；
所述夹持法兰设有外圆套筒和中间轴向弹性解耦结构，所述外圆套筒通过所述中间轴向弹性解耦结构固定在所述聚能器半波圆柱段上；
所述中间轴向弹性解耦结构为设置在所述外圆套筒与所述聚能器半波圆柱段之间的板状辐条。
2.根据权利要求1所述的用于集成电路热超声键合设备的高频压电超声换能器，其特征在于，所述板状辐条的中部为弹性铰链结构。
3.根据权利要求1所述的用于集成电路热超声键合设备的高频压电超声换能器，其特征在于，所述夹持法兰、所述聚能器半波圆锥段和所述聚能器半波圆柱段是整体加工形成的。
4.根据权利要求1所述的用于集成电路热超声键合设备的高频压电超声换能器，其特征在于，所述压电振子包括前盖板、后盖板、数片铜片电极和数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片，所述数片铜片电极和所述数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片安装在所述前盖板和所述后盖板之间，所述数片铜片电极和所述数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片隔片设置；所述压电振子通过穿装在其内部的预紧螺钉固定在所述聚能器半波圆柱段的尾端，所述预紧螺钉上装有绝缘套管，所述绝缘套管位于所述预紧螺钉与所述数片铜片电极和所述数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片之间。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160120 |