CN115707330A - 超声波复合振动装置及半导体装置的制造装置 - Google Patents

超声波复合振动装置及半导体装置的制造装置 Download PDF

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Abstract

超声波复合振动装置(50)中，具有产生纵向振动及扭转振动的振子(58)的基端部(52)、具有比所述基端部(52)大的截面积的扩大部(54)、及具有比所述扩大部(54)小的截面积的前端部(56)，从基端侧朝向前端侧呈直线状地排列，所述扭转振动的波节位于所述扩大部(54)，所述纵向振动的波腹及所述扭转振动的波腹位于所述超声波复合振动装置(50)的基端面及前端面，所述扩大部(54)的轴向位置及轴向尺寸W被设定为所述纵向振动的共振频率Fa与所述扭转振动的共振频率Fb大致相同的位置及尺寸。

Description

超声波复合振动装置及半导体装置的制造装置
技术领域
本说明书公开了一种用于对于对象物进行振动加工(接合、切削、研磨等)的超声波加工机中使用的超声波复合振动装置。
背景技术
一直以来，为了对于对象物进行振动加工，提出了一种产生纵向振动及扭转振动的超声波复合振动装置。但是，现有的超声波复合振动装置大多为纵向振动的共振频率与扭转振动的共振频率之间大不相同，从而无法以一个或接近的频率同时产生两个振动。
因此，提出了在一部分中，以一个或接近的频率产生纵向振动及扭转振动。例如，在专利文献1中公开了如下技术：将具有阶梯部并且具有电致伸缩振子的振动体与具有阶梯部并且不具有振动元件的振动体组合而构成一个超声波复合装置。在所述专利文献1中公开了如下内容：在各振动体中，通过调整从纵向振动的波腹至阶梯部为止的距离，使纵向振动的共振频率与扭转振动的共振频率一致或接近。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2005-288351号公报
发明内容
发明所要解决的问题
此外，在专利文献1中，以阶梯部成为扭转振动的波腹的方式进行调整。但是，通常在阶梯部上，有时容易产生振动的衰减，而难以使所述阶梯部成为扭转振动的波腹。另外，在专利文献1中，将两个振动体组合来构成一个超声波复合装置。因此，作为超声波复合装置整体，由于具有两个阶梯部、两个振动体的接合面，因此其行为复杂，而难以调整尺寸或频率。
因此，本说明书中公开一种尽管为更简易的结构，但可以一个或接近的频率产生纵向振动及扭转振动的超声波复合装置。
解决问题的技术手段
本说明书中公开的超声波复合振动装置为一种超声波复合振动装置，其特征在于：具有产生纵向振动及扭转振动的振子的基端部、具有比所述基端部大的截面积的扩大部、及具有比所述扩大部小的截面积的前端部，从基端侧朝向前端侧呈直线状地排列，所述扭转振动的波节位于所述扩大部，所述纵向振动的波腹及所述扭转振动的波腹位于所述超声波复合振动装置的基端面及前端面，所述扩大部的轴向位置及轴向尺寸被设定为所述纵向振动的共振频率与所述扭转振动的共振频率大致相同的位置及尺寸。
在此情况下，从所述扩大部的所述前端侧的端面至所述前端部的所述前端侧的端面为止的轴向尺寸可为所述扭转振动的1/4波长的奇数倍。
另外，也可在所述前端部形成有随着沿轴向行进而也沿周向行进的倾斜狭缝。
另外，本说明书中公开的半导体装置的制造装置包括上文所述的超声波复合振动装置及安装于所述前端部并供导线插通的焊针，其中以与所述纵向振动的共振频率及所述扭转振动的共振频率大致相同的驱动频率来驱动所述振子。
发明的效果
根据本说明书中公开的技术，尽管为简易的结构，但可以一个或接近的频率产生纵向振动及扭转振动。
附图说明
图1是表示半导体装置的制造装置的结构的图。
图2是作为超声波焊头发挥功能的超声波复合振动装置的立体图。
图3是表示超声波复合振动装置的侧面图及振动的波形的图。
图4是表示扩大部的轴向尺寸与共振频率的相关的图表。
图5是其他超声波复合振动装置的立体图。
具体实施方式
以下，参照附图对超声波复合振动装置50及搭载有其的半导体装置的制造装置10的结构进行说明。图1是表示搭载有超声波复合振动装置50的制造装置10的结构的图。
制造装置10是通过利用导线26将设置于对象物30的两个电极间加以连接来制造半导体装置的打线接合装置。对象物30例如是装配有半导体芯片的引线框架。通常，在半导体芯片及引线框架分别设置有电极，通过利用导线26将这些电极电性连接，从而制造半导体装置。
制造装置10具有能够通过XY载台20而沿水平方向移动的接合头12。超声波焊头16及照相机22以能够沿垂直方向移动的方式安装于所述接合头12。超声波焊头16经由焊头支架14而安装于接合头12。超声波焊头16是产生纵向振动及扭转振动并传递至焊针的超声波复合振动装置50。焊针18是安装于超声波焊头16的末端，并且供导线26插通的筒状构件。纵向振动及扭转振动经由所述焊针18而传递至导线26。进而，在焊针18的上方设置有与焊针18一起移动并夹持导线26的夹持器19。
照相机22根据需要而对于对象物30进行拍摄。控制器32基于由所述照相机22拍摄的图像来确定焊针18相对于对象物30的位置，并进行焊针18的定位。在接合头12进而设置卷绕有导线26的卷筒24，根据需要而从卷筒24陆续放出导线26。控制器32对构成制造装置10的各部的驱动进行控制。例如，控制器32对设置于超声波焊头16(即超声波复合振动装置50)的振子58施加规定频率的交流电压，而产生规定频率的振动。再者，此种制造装置10的结构为一例，后文详细说明的超声波复合振动装置50也可组装于其他结构的振动加工机中。
继而，对搭载于制造装置10的超声波复合振动装置50的结构进行说明。图2是超声波复合振动装置50的立体图。另外，图3是超声波复合振动装置50的概略侧面图。再者，在图3的上段，实线WVa表示纵向振动的波形，一点划线WVb表示扭转振动的波形。另外，为了简化说明，在图3中，超声波复合振动装置50被简化图示。因此，图3中省略了焊针18的安装部及凸缘51的图示。
如上所述，超声波复合振动装置50作为超声波焊头16发挥功能，在其末端安装有焊针18。所述超声波复合振动装置50从其基端侧至末端侧呈一直线状排列有基端部52、扩大部54、前端部56。基端部52及前端部56是大致相同直径的圆棒状。基端部52进而被大致区分为振子58及介于振子58与扩大部54之间的中继部60。振子58是接收电压信号而产生纵向振动及扭转振动的振动产生源。所述振子58例如是具有接收交流电压而振动的锆钛酸铅(通称PZT(Pb-based Lanthanum doped Zirconate Titanates))，并对PZT施加利用金属块夹住并利用螺栓紧固的压力的螺栓固定朗之万(Langevin)型振子(通称BLT(Bolt clampedLangevin type Transducer)或BL(Bolt clamped Langevin type)振子)。本例的振子58不仅具有产生纵向振动的PZT元件，也具有通过改变极化方向来产生扭转振动的PZT元件。因此，振子58可产生纵向振动及扭转振动此两者。
扩大部54是直径比基端部52及前端部56大的部分。所述扩大部54的直径D2只要比前端部56的直径D1大则并无特别限定。然而，扩大部54的直径D2越大，扭转振动的衰减效果越高，扩大部54越容易成为扭转振动的波节。因此，扩大部54的直径D2例如可设为前端部56的直径D1的1.5倍以上。另外，扩大部54的轴向尺寸W被设定为使纵向振动的共振频率Fa及扭转振动的共振频率Fb一致或接近，对此将在后文进行叙述。在扩大部54及中继部60之间设置有凸缘51。在将超声波复合振动装置50安装于焊头支架14时利用所述凸缘51。
前端部56是与基端部52大致相同直径的圆棒状，在所述前端部56的末端安装焊针18。前端部56的轴向尺寸L3并无特别限定，通常，轴向尺寸L3与扭转振动的1/4波长的奇数倍大致相同。其原因在于，前端部56处产生的扭转振动的波长λb以及相位被自动调整，以使得扩大部54成为扭转振动的波节，前端部56的末端成为扭转振动的波腹。因此，在将扭转振动的波长设为λb的情况下，为L3≒λb/4×(2n+1)。进而，如图3的上段所示，本例中，以纵向振动及扭转振动的波腹位于超声波复合振动装置50的基端面50a及前端面50b的方式设定各自的波长λa、波长λb。
继而，对扩大部54的轴向尺寸W及振子58的驱动频率F1的设定进行说明。在将振子58的轴向尺寸L1、中继部60的轴向尺寸L2、及超声波复合振动装置50的轴向尺寸Lall设为一定的情况下，通过改变扩大部54的轴向尺寸W，超声波复合振动装置50的固有振动频率发生变化，纵向振动的共振频率Fa及扭转振动的共振频率Fb发生变化。图4是表示扩大部54的轴向尺寸W与共振频率Fa、共振频率Fb的相关的图表。图4中，横轴表示扩大部54的轴向尺寸W，纵轴表示共振频率。另外，图4中，实线表示纵向振动的共振频率Fa，一点划线表示扭转振动的共振频率Fb。
图4的例子中，纵向振动的共振频率Fa与轴向尺寸W的增加成比例地降低。另一方面，扭转振动的共振频率Fb与轴向尺寸W的增加成比例地增加。并且，当轴向尺寸W为规定值W1时，纵向振动的共振频率Fa及扭转振动的共振频率Fb一致，为Fa＝Fb＝F1。
本例中，将扩大部54的轴向尺寸W设为成为所述Fa＝Fb＝F1时的轴向尺寸W1。即，为W＝W1。另外，将在驱动超声波复合振动装置50时对振子58施加的交流电压的频率、即驱动频率设为F1。由此，可以单一的频率F1产生纵向振动及扭转振动的共振，可简化超声波复合振动装置50的驱动控制。
再者，图4中，列举出共振频率Fa、共振频率Fb与轴向尺寸W成比例的例子，但共振频率Fa、共振频率Fb与轴向尺寸W的相关关系根据超声波复合振动装置50的形状或材质、振子58的特性等而适当地不同。因此，轴向尺寸W及驱动频率F1在超声波复合振动装置50的设计阶段通过实验或模拟来确定。
另外，本例中，将超声波复合振动装置50的前端作为纵向振动及扭转振动的波腹，因此可在超声波复合振动装置50的前端、即焊针18的安装部获得大的纵向振动及扭转振动。结果，可使焊针18呈面状地进行超声波振动，可提高打线接合的加工效率。
再者，在至此为止的说明中，通过变更W及L3＝Wall-L1-L2-W的值，确定成为Fa＝Fb＝F1的驱动频率F1。但是，共振频率Fa、共振频率Fb不仅根据扩大部54的轴向尺寸W而变化，也根据扩大部54的轴向位置而变化。因此，为了确定驱动频率F1，可改变扩大部54的轴向位置。
例如，考虑如下情况：将从超声波复合振动装置50的基端面50a至扩大部54的前端侧端面为止的距离设为Py，将振子58的轴向尺寸L1、超声波复合振动装置50的轴向尺寸Lall及扩大部54的轴向尺寸W保持为一定。在此情况下，中继部60的轴向尺寸L2为L2＝Py-W-L1，前端部56的轴向尺寸L3为L3＝Lall-Py。即，中继部60及前端部56的轴向尺寸L2、轴向尺寸L3根据扩大部54的轴向位置Py而变化。并且，通过变更这些尺寸L2、L3，超声波复合振动装置50的固有振动频率发生变化，共振频率Fa、共振频率Fb发生变化。因此，在设计超声波复合振动装置50时，也可变更扩大部54的轴向位置Py而非扩大部54的轴向尺寸W来确定适当的扩大部54的位置及驱动频率F1。再者，在此情况下，扩大部54的轴向尺寸W的值并无特别限定，例如也可设为扭转振动的波长λb的1/4倍左右。即，也可设为W≒λb/4。
在任何情况下，本例中，设置于超声波复合振动装置50的扩大部54仅为一个。因此，为了确定驱动频率F1＝Fa＝Fb，可抑制应变更的参数的数量。结果，可容易地确定超声波复合振动装置50的最佳尺寸及驱动频率。
另外，在至此为止的说明中，将由振子58产生的纵向振动直接作为纵向振动传递至前端。但是，也可在前端部56设置将纵向振动的一部分转换为扭转振动的振动转换部。例如，如图5所示，也可在前端部56的周面设置随着沿轴向行进而也沿周向行进的倾斜状的狭缝64，由此将纵向振动的一部分转换为扭转振动。通过设为所述结构，可使扭转振动更可靠地作用于前端部56的末端，进而作用于焊针18。另外，超声波复合振动装置50的截面形状也并不限于圆形，也可为其他形状，例如矩形等。
另外，在至此为止的说明中，将超声波复合振动装置50组装于打线接合装置，但本说明书中公开的超声波复合振动装置50并不限于组装于打线接合装置，也可组装于其他超声波加工机，例如超声波焊接装置等中。
符号的说明
10：制造装置
12：接合头
14：焊头支架
16：超声波焊头
18：焊针
19：夹持器
20：XY载台
22：照相机
24：卷筒
26：导线
30：对象物
32：控制器
50：超声波复合振动装置
52：基端部
54：扩大部
56：前端部
58：振子
60：中继部
64：狭缝。

Claims (4)

1.一种超声波复合振动装置，其特征在于
具有产生纵向振动及扭转振动的振子的基端部、
具有比所述基端部大的截面积的扩大部、及具有比所述扩大部小的截面积的前端部，从基端侧朝向前端侧呈直线状地排列，
所述扭转振动的波节位于所述扩大部，所述纵向振动的波腹及所述扭转振动的波腹位于所述超声波复合振动装置的基端面及前端面，
所述扩大部的轴向位置及轴向尺寸被设定为所述纵向振动的共振频率与所述扭转振动的共振频率大致相同的位置及尺寸。
2.根据权利要求1所述的超声波复合振动装置，其特征在于
从所述扩大部的所述前端侧的端面至所述前端部的所述前端侧的端面为止的轴向尺寸是所述扭转振动的1/4波长的奇数倍。
3.根据权利要求1或2所述的超声波复合振动装置，其特征在于
在所述前端部形成有随着沿轴向行进而也沿周向行进的倾斜状的狭缝。
4.一种半导体装置的制造装置，其特征在于包括：
如权利要求1至3中任一项所述的超声波复合振动装置，以及
焊针，安装于所述前端部，供导线插通，
其中以与所述纵向振动的共振频率及所述扭转振动的共振频率大致相同的驱动频率来驱动所述振子。
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