CN106298598A - 高强度无偏角的芯片倒装键合换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度无偏角的芯片倒装键合换能器，其包括超声变副杆基体、压电陶瓷片堆、预紧锲块、键合工具和安装螺丝，键合工具设置在超声变副杆基体的中心位置，超声变副杆基体两侧位置设有对称设有两安装部，且该安装部位于超声振动的节点位置上；本发明的结构设计巧妙、合理，采用一体化结构并配合对称安装方式，不仅提高了超声变副杆的刚度，使其变形量最小，并实现了左右变形量的一致性，最终满足键合工具处无左右偏角，保证了芯片放置的平整性与水平性；同时采用单边驱动压电陶瓷模式，具有方便可靠等优点；而键合工具采用螺丝紧固联接方式，一方面可以有效地吸附到芯片，另一方面确保气路封闭而不漏气，有效提升工作的稳定性。

Description

高强度无偏角的芯片倒装键合换能器

技术领域

本发明涉及换能器技术领域，特别涉及一种高强度无偏角的芯片倒装键合换能器。

背景技术

芯片封装是IC、LED等芯片制造的重要环节，也是当前电子器件与产品制造的基础。当前的芯片封装包括引线键合(Wire bonding)与倒装键合(Flip chip)等工艺，其共同功能是将芯片焊点与基板进行有效的互连，实现电气的导通。引线键合是在超声波能量、温度、压力等能量作用下，可实现金属引线，如金线、银线、铜线、铝线与基板的键合，此技术源于上个世纪60年代，一直成为电子封装行业的主流工艺，占据封装领域的70%以上的市场份额。然而，随着电子芯片向高度集成度发展，以及人类对电子产品的要求不断提高，需要发展一些更新型的电子封装技术。

倒装键合是迎合以上需求而产生一种新的技术，其基本特性是：首先在芯片上植入多个金球凸点，然后将芯片翻转，在一定能量的作用下实现芯片与基板的互连。倒装键合工艺具有更高的集成度、更小的体积、更轻的重量，因此成为未来电子封装最具有潜力的封装工艺之一。

热超声倒装键合发展于引线键合工艺，二者工艺原理极为相似，但实现的封装功能却不一样。热超声倒装键合能够实现多凸点阵列与基板的键合，具有引线键合不能比拟的优越性：(a) 采用直接倒装互接，扩大了芯片I/O 数量与连接面积的比值；(b) 连接介质采用微米级凸点，寄生电阻和电感很小，增加了信号的实时性；(c) 芯片背面散热，散热性能提高；(d) 装备、工艺过程相对简洁；(e) 由于超声波能量的引入，降低了压力和温度，对基板和芯片起着保护作用；(f) 凸点材料允许多种选择，可以选择金凸点或者铝凸点；(g)干燥、清洁、绿色无铅，对人体和环境无损害。

然而，当前超声倒装键合工艺存在的典型问题是：由于使用的超声换能器存在单边安装方式，在键合压力作用下，其变幅杆必然产生变形，造成键合工具及其连接的芯片出现偏角，导致施加的超声波能量作用在芯片各凸点不均匀，造成芯片有些凸点键合不上，严重影响芯片封装的合格率与可靠性，制约着这种新工艺的广泛应用。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种结构设计巧妙、合理，采用左右对称的安装方式，保证了芯片键合时换能器具有很高的强度与很低的变形，并确保了芯片无偏角，有效提高芯片倒装键合效果的高强度无偏角的芯片倒装键合换能器。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种高强度无偏角的芯片倒装键合换能器，其包括超声变副杆基体、压电陶瓷片堆、预紧锲块、键合工具和安装螺丝，本发明的结构设计巧妙、合理，超声变副杆基体采用一体化结构，结构简洁实用。所述超声变副杆基体的中心位置设有安装位，所述键合工具通过安装螺丝固定在所述安装位上。

超声变副杆基体的一侧位置设有安装腔，压电陶瓷片堆通过预紧锲块固定在该安装腔内。采用单边的压电陶瓷堆驱动方式，降低了电路驱动对超声换能器的控制要求。采用预紧锲块对压电陶瓷施加预紧力的安装方式，即可方便安装，又可达到压电陶瓷堆预紧力均匀、超声输出更加平稳等优势。

对应安装位的两侧位置于超声变副杆基体上对称设有两安装部，且该安装部位于超声振动的节点位置上。采用左右对称的安装方式，保证了芯片键合时换能器具有很高的强度与很低的变形，并确保了芯片无偏角，使得芯片倒装键合过程芯片凸点键合参数的一致性，由此提高芯片倒装键合的应用性。并且安装部为超声换能器的节点振动位置，从而最大程度地避免了外部安装因素对换能器超声波能量传递的影响。

作为本发明的进一步改进，所述超声变副杆基体采用钛、钢或铝合金材料制成，整体长度为78～85mm，宽度为8～12mm。

作为本发明的进一步改进，所述超声变副杆基体的中间位置宽度较小，两端部位逐渐增宽。所述超声变副杆基体设有安装部的位置的厚度厚于其它部位的厚度。结构设计巧妙、合理，结构强度大，不易变形，工作稳定性好。

作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷片堆采用两片、四片、或六片压电陶瓷组成而成，该压电陶瓷的外形轮廓为方形或圆形。

作为本发明的进一步改进，所述预紧锲块为采用钛、钢或铝合金材料制成的锲形块体，该锲形块体的一表面为平面，相对的另一表面为斜面。

作为本发明的进一步改进，所述键合工具上轴向设有真空吸附孔，该键合工具的上部设有斜锥面，并在所述安装位的下端位置设有与该斜锥面相适配的锥形开口，所述真空吸附孔的上端内壁设有与所述安装螺丝相适配的内螺纹。

作为本发明的进一步改进，所述安装螺丝伸入真空吸附孔内的部位为中空结构形成真空管道，并在安装螺丝上径向设有与该真空管相连通的连接气孔。

作为本发明的进一步改进，所述超声变副杆基体的另一侧位置设有与所述连接气孔相连接的真空气道，该真空气道与位于外部的真空管接头相连接。

作为本发明的进一步改进，本发明高强度无偏角的芯片倒装键合换能器的使用频率范围为40～100kHz。

本发明的有益效果为：本发明的结构设计巧妙、合理，采用一体化结构并配合对称安装方式，不仅提高了超声变副杆的刚度，使其变形量最小，并实现了左右变形量的一致性，最终满足键合工具处无左右偏角，保证了芯片放置的平整性与水平性；同时采用单边驱动压电陶瓷模式，可直接应用当前传统的驱动方式，具有方便可靠等优点；而键合工具采用真空吸附芯片方式，并通过采用螺丝紧固联接方式，一方面可以有效地吸附到芯片，另一方面确保气路封闭而不漏气，有效提升工作的稳定性，另外，本发明整体结构简单、紧凑，易于实现和安装方便，工作稳定性好，使用寿命长，易于广泛推广使用。

下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的分解结构示意图。

具体实施方式

实施例：见图1和图2，本发明提供的一种高强度无偏角的芯片倒装键合换能器，其包括超声变副杆基体1、压电陶瓷片堆2、预紧锲块3、键合工具4和安装螺丝5，本发明的结构设计巧妙、合理，超声变副杆基体1采用一体化结构，结构简洁实用。所述超声变副杆基体1的中心位置设有安装位11，所述键合工具4通过安装螺丝5固定在所述安装位11上。

超声变副杆基体1的一侧位置设有安装腔12，压电陶瓷片堆2通过预紧锲块3固定在该安装腔12内。采用单边的压电陶瓷堆驱动方式，降低了电路驱动对超声换能器的控制要求。采用预紧锲块3对压电陶瓷施加预紧力的安装方式，即可方便安装，又可达到压电陶瓷堆预紧力均匀、超声输出更加平稳等优势。

对应安装位11的两侧位置于超声变副杆基体1上对称设有两安装部13，且该安装部13位于超声振动的节点位置上。采用左右对称的安装方式，保证了芯片键合时换能器具有很高的强度与很低的变形，并确保了芯片无偏角，使得芯片倒装键合过程芯片凸点键合参数的一致性，由此提高芯片倒装键合的应用性。并且安装部13为超声换能器的节点振动位置，从而最大程度地避免了外部安装因素对换能器超声波能量传递的影响。本实施例中，所述超声变副杆与压电陶瓷片堆2形成的超声波传递为半个波长，而超声振动节点作为振动位移为0的位置，可作为超声换能器的安装部13位，即所述的安装部13恰好位于该位置。安装结构为两两分布对称的结构，可满足换能器安装稳定的优势。所述超声变副杆优选采用钛合金制成，整体长度为78～85mm，宽度为8～12mm，整体结构设计合理，有效缩小体积，质量轻，大大提高整体结构的刚度。在其它实施例中，该超声变副杆也可以采用铝或不锈钢等金属材料制成。

较佳的，所述超声变副杆基体1的中间位置宽度较小，两端部位逐渐增宽。所述超声变副杆基体1设有安装部13的位置的厚度厚于其它部位的厚度。结构设计巧妙、合理，结构强度大，不易变形，工作稳定性好。

具体的，所述预紧锲块3为采用钛、钢或铝合金材料制成的锲形块体，该锲形块体的一表面为平面，相对的另一表面为斜面。所述压电陶瓷片堆2采用两片、四片、六片或等其偶数数量的压电陶瓷组成而成，该压电陶瓷的外形轮廓为方形或圆形，优选为类型为PZT4或PZT8的压电陶瓷。其中压电陶瓷的连接方式优选为“正负负正正负”。压电陶瓷片堆2通过预紧锲块3的插入，施加压力而受预紧力，实现固定的目的，安装简单、方便。所述预紧锲块3的表面粗糙度为0.4，这样尽可能地减少超声能量的损耗与寄生模态的生成。

所述键合工具4上轴向设有真空吸附孔41，该键合工具4的上部设有斜锥面42，并在所述安装位11的下端位置设有与该斜锥面42相适配的锥形开口，所述真空吸附孔41的上端内壁设有与所述安装螺丝5相适配的内螺纹。 所述安装螺丝5伸入真空吸附孔41内的部位为中空结构形成真空管道，并在安装螺丝5上径向设有与该真空管相连通的连接气孔51。所述超声变副杆基体1的另一侧位置设有与所述连接气孔51相连接的真空气道14，该真空气道14与位于外部的真空管接头相连接。

真空管接头、真空气道14、连接气孔51、真空管道和真空吸附孔41依次相连通形成气路回路，通过抽真空，实现将芯片吸附在键合工具4的末端，通过键合工具4的超声波振动，将超声能量施加在芯片上，从而使得芯片凸点金属熔接而形成键合。键合工具4材料优选为钨钢或者陶瓷等材料。真空管接头位于压电陶瓷堆的另一侧，既不影响压电陶瓷的振动源，也能实现气路源的提供，由于结构的巧妙设计，气路上没有漏气，保证了换能器的稳定性。

本发明高强度无偏角的芯片倒装键合换能器的使用频率范围为40～100kHz。可应用于IC或LED芯片的封装达到理想的键合效果。

工作时，由于本发明高强度无偏角的芯片倒装键合换能器采用一体化结构并配合对称安装方式，不仅提高了超声变副杆的刚度，使其变形量最小，并实现了左右变形量的一致性，最终满足键合工具4处无左右偏角，保证了芯片放置的平整性与水平性；同时采用单边驱动压电陶瓷模式，可直接应用当前传统的驱动方式，具有方便可靠等优点；而键合工具4采用真空吸附芯片方式，并通过采用螺丝紧固联接方式，一方面可以有效地吸附到芯片，另一方面确保气路封闭而不漏气，有效提升工作的稳定性，具有良好的工作性能，键合效果好。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似的其它换能器，均在本发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种高强度无偏角的芯片倒装键合换能器，其特征在于：其包括超声变副杆基体、压电陶瓷片堆、预紧锲块、键合工具和安装螺丝，所述超声变副杆基体的中心位置设有安装位，所述键合工具通过安装螺丝固定在所述安装位上，超声变副杆基体的一侧位置设有安装腔，压电陶瓷片堆通过预紧锲块固定在该安装腔内，对应安装位的两侧位置于超声变副杆基体上对称设有两安装部，且该安装部位于超声振动的节点位置上。

2.根据权利要求1所述的高强度无偏角的芯片倒装键合换能器，其特征在于，所述超声变副杆基体采用钛、钢或铝合金材料制成，整体长度为78～85mm，宽度为8～12mm。

3.根据权利要求1或2所述的高强度无偏角的芯片倒装键合换能器，其特征在于，所述超声变副杆基体的中间位置宽度较小，两端部位逐渐增宽。

4.根据权利要求1所述的高强度无偏角的芯片倒装键合换能器，其特征在于，所述超声变副杆基体设有安装部的位置的厚度厚于其它部位的厚度。

5.根据权利要求1所述的高强度无偏角的芯片倒装键合换能器，其特征在于，所述压电陶瓷片堆采用两片、四片、或六片压电陶瓷组成而成，该压电陶瓷的外形轮廓为方形或圆形。

6.根据权利要求1所述的高强度无偏角的芯片倒装键合换能器，其特征在于，所述预紧锲块为采用钛、钢或铝合金材料制成的锲形块体，该锲形块体的一表面为平面，相对的另一表面为斜面。

7.根据权利要求1所述的高强度无偏角的芯片倒装键合换能器，其特征在于，所述键合工具上轴向设有真空吸附孔，该键合工具的上部设有斜锥面，并在所述安装位的下端位置设有与该斜锥面相适配的锥形开口，所述真空吸附孔的上端内壁设有与所述安装螺丝相适配的内螺纹。

8.根据权利要求7所述的高强度无偏角的芯片倒装键合换能器，其特征在于，所述安装螺丝伸入真空吸附孔内的部位为中空结构形成真空管道，并在安装螺丝上径向设有与该真空管相连通的连接气孔。

9.根据权利要求8所述的高强度无偏角的芯片倒装键合换能器，其特征在于，所述超声变副杆基体的另一侧位置设有与所述连接气孔相连接的真空气道，该真空气道与位于外部的真空管接头相连接。

10.根据权利要求1所述的高强度无偏角的芯片倒装键合换能器，其特征在于，其使用的频率范围为40～100kHz。