DE10114672A1 - Ultraschallschwinger - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallschwinger, umfassend wenigstens einen Ultraschall-Schwingungserzeuger, insbesondere wenigstens ein Piezoelement, und ein damit verbundenes Schwingelement, das insbesondere zur mechanischen Schwingungsverstärkung einsetzbar ist und an dem ein Ultraschallwerkzeug befestigbar ist, wobei das Schwingelement als wenigstens eine Platte (2) ausgebildet ist, an der zumindest auf einer der Plattenseiten (2a, 2b) wenigstens ein Ultraschall-Schwingungserzeuger (3) befestigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallschwinger umfassend wenigstens einen Ultraschallschwingungserzeuger, insbesondere wenigstens ein Piezoelement, und ein damit verbundenes Schwingelement, das insbesondere zur mechanischen Schwingungsverstärkung einsetzbar ist, und an dem ein Werkzeug, insbesondere zum Bonden, befestigbar ist.

Insbesondere bei Maschinen zum Bonden von Halbleitern, also z. B. zum Drahtbonden bzw. Flip-Chip-Bonden ist es bekannt, Ultraschallschwinger zum Antrieb eines Werkzeuges einzusetzen, wobei ein je nach gewünschter Bondtechnik angepasstes Werkzeug verwendet wird.

Die bekannten und häufig als Ultraschalltransducer bezeichneten Ultraschallschwinger bestehen im Wesentlichen aus einer oder mehreren piezokeramischen Scheiben, die durch eine Spannungsquelle in Ultraschallschwingungen versetzt werden, wobei die erzeugten Schwingungen mittels eines als Schwingelement dienenden Ultraschallhornes mechanisch verstärkt und auf das Werkzeug übertragen werden.

Entsprechende Ultraschalltransducer sind z. B. aus der US 4173725 und aus der US 5364005 bekannt. Die aus diesen Schriften bekannten Ultraschallhörner, die üblicherweise mit dem schwingungserzeugenden Piezoelement vollflächig in Kontakt stehen, sind zumeist rotationssymmetrisch und verjüngen sich in Richtung des an dem Ultraschallhorn befestigten Werkzeuges. Durch diese verjüngende Ausgestaltung des Ultraschallhornes von dem Punkt der Ultraschalleinleitung bis zum Punkt der Werkzeugaufnahme wird eine Schwingungskonzentration, insbesondere eine Schwingungsverstärkung hervorgerufen.

Die bekannten Ultraschallhörner haben den Nachteil, dass sie zur Erzielung ihrer besonderen physikalischen Eigenschaften sehr präzise gefertigt werden müssen und dass sie aufgrund ihrer massiven metallischen Ausführung ein sehr hohes Gewicht aufweisen. Insbesondere das hohe Gewicht wirkt sich sehr nachteilig aus, da sich durch ein hohes Gewicht die Trägheit des Bondkopfes erhöht, was den maximalen Durchsatz der Maschine beim Bonden begrenzt, da das Beschleunigen und Abbremsen eines Bondkopfes während eines Bondvorganges einen erheblichen Zeitanteil in Anspruch nimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallschwinger der eingangs genannten Art bereitzustellen, der eine möglichst geringe Masse, insbesondere der schwingenden Elemente aufweist, mit standardmäßigen Materialien herzustellen ist und entsprechend kostengünstig angefertigt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass statt eines bekannten sich verjüngenden massiven Ultraschallhornes wenigstens eine Platte als Schwingelement ausgebildet wird, an der zumindest auf einer der Plattenseiten wenigstens ein Ultraschallschwingungserzeuger befestigt ist. Eine derartige Platte kann beliebige äußere Formgestaltung aufweisen, z. B. eckig oder rund, auch unsymmetrisch.

Mittels des Ultraschallschwingungserzeugers, der außerhalb der Schwingungsknoten prinzipiell an jeder beliebigen Stelle mit einer Platte verbunden sein kann, wird die Platte in Schwingungen versetzt, wodurch sich in der Platte stehende Wellen mit Schwingungsbäuchen und Schwingungsknoten ausbilden. Die sich ausbildenden stehenden Wellen rufen in der schwingenden Platte ein Schwingungsmuster hervor, welches auch unter der Bezeichnung chladnische Figuren bekannt ist.

Der erfindungsgemäße Ultraschallschwinger hat den Vorteil, dass auf standardmäßige Produkte zurückgegriffen werden kann, da zur Ausbildung dieses Ultraschallschwingers kein spezielles Ultraschallhorn angefertigt werden muss, sondern einfache Platten, z. B. aus Metall, Keramik, Verbundwerkstoffen etc. zum Einsatz kommen können.

Durch wenigstens einen an einer Platte befestigten Ultraschallschwingungs­ erzeuger kann eine Platte oder eine Anordnung von mehreren Platten sowohl quasi stationär als auch in Resonanz betrieben werden, so dass durch die resonante Schwingungsüberhöhung ebenfalls eine mechanische Verstärkung der Amplitude des angesteuerten Ultraschallschwingungserzeugers erzielbar ist. Eine gewünschte Resonanzfrequenz, beispielsweise eine Frequenz, bei der eine Bondverbindung sehr gut herstellbar ist, läßt sich insbesondere mittels der Eigenschaften der eingesetzten Platte beeinflussen, also z. B. durch die Biegesteifigkeit, die sich anhand der Größe und Dicke der Platte bestimmt. Die gewünschten Resonanzfrequenzen liegen im Bereich von 10 KHz bis einigen 100 KHz, z. B. 200 KHz.

Eine zur Schwingung angeregte Platte hat gegenüber dem klassischen Ultraschallhorn eine sehr geringe Masse und ebenfalls eine sehr kurze Anschwingzeit, da eine Platte sehr klein und dünn ausgebildet werden kann, so dass z. B. bei Bondmaschinen aufgrund der verringerten Masse des Bondkopfes die Produktionsrate durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers steigerbar ist.

Um den erfindungsgemäßen Ultraschallschwinger an einer Vorrichtung zu befestigen, weist der Ultraschallschwinger wenigstens ein Befestigungselement auf, welches vorzugsweise im Bereich eines Schwingungsknotens der zur Ultraschallschwingung angeregten Platten angeordnet ist. Alternativ kann auch ein nicht oder nur geringfügig schwingendes Element des Ultraschallschwingers als Befestigungselement dienen. Beispielsweise kann durch entsprechende Konstruktion des Ultraschallschwingers erreicht werden, daß in dem Befestigungselement sich sämtliche wirkenden Kräfte zu Null bzw. einen vernachlässigbaren Wert aufaddieren. Hierzu wird das Befestigungselement z. B. in einem Symmetriepunkt oder einer Symmetrieebene angeordnet, um den/die herum die schwingenden Elemente, wie z. B. die Piezoelemente und Platten verteilt sind. Hierdurch wird gewährleistet, dass möglichst wenig der Ultraschallenergie über das Befestigungselement auf die umgebende Vorrichtung übertragen wird.

Mittels der vorgesehenen Befestigungselemente kann der Ultraschallschwinger beispielsweise an einer Vorrichtung zum Bonden von Halbleiterchips befestigt werden, um für den gewünschten Bondvorgang ein Werkzeug anzutreiben.

Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers besteht die Möglichkeit eine schwingende Platte selbst als Werkzeug zu verwenden, also z. B. direkt mit der Platte ein Werkstück zu bearbeiten. Sofern ein Werkzeug jedoch eine bestimmte Form aufweisen muß, z. B. eine Nadelform beim Drahtbonden ist es in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers vorgesehen, dass wenigstens eine der Platten eine Aufnahme zur Befestigung eines separaten Werkzeuges aufweist.

Aufgrund der Schwingungsanregung mit dem Ultraschallschwingungserzeuger bildet sich eine stehende Welle mit Schwingungsknoten und Schwingungsbäuchen aus, so dass die Werkzeugaufnahme bevorzugt in einem Bereich maximaler Schwingungsamplitude einer zur Ultraschallschwingung angeregten Platte angeordnet wird. Durch Befestigung eines Werkzeuges in der an einer Platte vorgesehenen Aufnahme kann die erzeugte Ultraschallschwingung beispielsweise direkt zum Flip-Chip-Bonden oder zum Drahtbonden verwendet werden. Die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten hängen hierbei im Wesentlichen von der Konstruktion der verschiedenen Werkzeuge ab. So hat ein Werkzeug zum Drahtbonden, wie erwähnt im wesentlichen eine Nadelform, wohingegen ein Werkzeug zum Flip-Chip-Bonden ein planes Endstück zum Aufdrücken auf einen Chip aufweist. Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Ultraschallschwinger in allen technischen Gebieten zum Einsatz kommen, wo Ultraschall Verwendung findet.

Bei dem Ultraschallschwingungserzeuger, der eingesetzt wird, um eine oder mehrere Platten in Schwingungen zu versetzen, kann es sich um ein oder mehrere Piezoelemente handeln. Beispielsweise kann ein Ultraschallschwingungserzeuger aus mehreren Piezoelementen bestehen, die zu einem Stapel zusammengefügt sind. Ebenso können beliebig anders geformte Piezoaktoren Verwendung finden. Die Piezoaktoren können auch eine Mechanik umfassen, um z. B. mittels bestimmter Hebelverhältnisse eine Vergrößerung des Hubes zu erreichen. Unter der Bezeichnung Piezoelement wird im folgenden jede mögliche Gestalt eines Piezo-basierten Ultraschallschwingungserzeugers verstanden.

Derartige Piezoelemente können verschiedene Geometrien aufweisen und in allen möglichen Schwingungsformen betrieben werden, z. B. Längs-Dehnungs­ schwingung, Dickenschwingung, Biegeschwingung, Flächenscherschwingung, Dickenscherschwingung etc., ja nachdem welchen Schnitt der oder die dem Piezoelement zugrunde liegenden Piezokristalle aufweisen.

Mittels der Piezoelemente besteht die Möglichkeit, die Platte an einem bestimmten Punkt in Schwingungen zu versetzen, wozu beispielsweise nur ein Piezoelement verwendet wird oder aber durch die Verwendung mehrerer Piezoelemente an verschiedenen Stellen gleichzeitig in Schwingungen zu versetzen. Hierbei können z. B. verschiedene Piezoelemente in den Schwingungsbäuchen der Platte angeordnet werden, wobei die verschiedenen Piezoelemente entsprechend der Phasenlage der Schwingungsbäuche unterschiedlich und phasenkorrekt angesteuert werden, um eine optimale Einkopplung der Ultraschallenergie in die Platte zu ermöglichen.

Eine besonders einfache Konstruktion des erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers ergibt sich dadurch, dass eine Platte als eine kreisförmige Scheibe ausgebildet wird. Auf einer Seite der Oberfläche der Scheibe kann beispielsweise ein Piezoelement im Mittelpunkt der Scheibenoberfläche angeordnet sein.

Eine andere Alternative ergibt sich dadurch, dass zur Anregung einer Schwingung ein ringförmiges Piezoelement verwendet wird, welches koaxial zur senkrecht zur Scheibe stehenden Mittenachse der Scheibe mit einer Scheibe fest verbunden wird. Die Verbindung kann dabei beispielsweise durch eine feste Verklebung oder andere geeignete Verbindungstechniken erfolgen.

Durch Verwendung wenigstens eines solchen ringförmigen Piezoelementes, welches sich bevorzugt über einen Oberflächenbereich entlang des Scheibenrandes erstreckt, kann auf sehr einfache Weise eine Biegeschwingung der Scheibe erzeugt werden, wenn durch Anlegen einer Spannung an das ringförmige Piezoelement, insbesondere durch eine damit bewirkte Durchmesseränderung des Piezoelementes, eine Dehnung der Scheibenoberfläche hervorgerufen wird. Dadurch wird bei einer Ansteuerung des Piezoelementes eine Kontraktion erzeugt, die ein Ausweichen des Scheibenmittelpunktes in die Richtung der dem Piezoelement abgewandten Scheibenoberfläche bewirkt.

Bei einer derartigen Konstruktion kann beispielsweise in der Mitte der dem Piezoelement abgewandten Scheibenseite eine Aufnahme zur Befestigung eines Werkzeuges vorgesehen sein. Neben der Verwendung eines einzigen ringförmigen Piezoelementes auf der Scheibe besteht weiterhin die Möglichkeit mehrere koaxial zueinander angeordnete ringförmige Piezoelemente auf der gleichen Scheibenoberfläche zu verwenden.

Ebenso können ringförmige Piezoelemente auf beiden Seiten der Scheiben eingesetzt werden, wobei diese zur Erzielung einer optimalen Schwingungsanregung der Scheibe mit einer entsprechenden Phasenlage der Steuerspannung anzusteuern sind, so daß z. B. bei einer Kontraktion eines auf der oberen Scheibenseite angeordneten Piezoelementes gleichzeitig eine Ausdehnung eines unteren Piezoelementes stattfindet.

Bei den vorgenannten Alternativen, ein Piezoelement auf der Scheibe anzuordnen, werden sich im Wesentlichen stehende Wellen mit einem Muster einstellen, bei dem die Wellenberge und Wellenknoten eine Kreissymmetrie aufweisen. In diesem Fall kann das Befestigungselement, um den Ultraschallschwinger an einer Vorrichtung zu befestigen, in einfacher Weise als Rohr ausgebildet werden, dessen Wandung innerhalb einer kreisförmigen Schwingungsknotenlinie mit der schwingenden Scheibe verbunden ist. Hierdurch ergibt sich eine sehr stabile Befestigungsmöglichkeit ohne signifikanten Energieverlust.

In einer weiteren Alternative des erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers wird in einem Abstand zu einer Platte, die auch bei dieser Alternative kreisförmig ausgebildet sein kann, im Wesentlichen parallel zu dieser wenigstens eine weitere Platte angeordnet, wobei zwischen den Platten wenigstens ein Schwingungserzeuger angeordnet ist, der jeweils an den sich gegenüberliegenden Plattenseiten anliegt. Bei diesem Schwingungserzeuger kann es sich ebenfalls wieder um ein Piezoelement handeln.

Mittels dieses Aufbaus kann ein schwingendes System aus wenigstens zwei zueinander parallel liegenden Platten geschaffen werden, das sowohl quasi­ stationär als auch in einem resonanten Betrieb einsetzbar ist. Es besteht die Möglichkeit mehrere Platten übereinander zu schichten und so einen Sandwichaufbau aus Platten und dazwischen liegenden Schwingungserzeugern zu bilden. Hierbei kann die Konstruktion so gewählt sein, dass zumindest in einer der Platten sich die wirkenden Kräfte zu Null addieren, so daß diese Platte auch als Befestigungselement ausgewählt werden kann.

Bei der genannten Konstruktion sind die Platten mit wenigstens einem Verbindungselement miteinander verbunden, wobei das Verbindungselement bevorzugterweise in einem Bereich eines Schwingungsknotens der zur Ultraschallschwingung angeregten Platte/Platten angeordnet ist. Insbesondere bei einer Konstruktion des Ultraschallschwingers, bei dem sich auf den Platten kreissymmetrische Schwingungsbäuche und -knoten ausbilden, wird bevorzugterweise das Verbindungselement als Rohr ausgebildet, dessen Wandung auf einer Schwingungsknotenlinie mit der jeweiligen Platte verbunden ist.

Grundsätzlich kann es vorgesehen sein, dass sowohl das Befestigungselement für die Befestigung des Ultraschallschwingers an einer Vorrichtung als auch die jeweiligen Verbindungselemente zur Verbindung mehrerer Platten untereinander ein und dasselbe Bauteil sind, da die jeweiligen Bauelemente gleichermaßen bevorzugt innerhalb der Schwingungsknoten angeordnet werden.

Insbesondere bei einem Rohrverbindungselement ergibt sich eine bevorzugte weitere Ausführung dadurch, dass die miteinander zu verbindenden Platten, insbesondere die kreisförmigen Scheiben, jeweils koaxial zu ihrer Mittenachse aufeinander zugerichtete Rohrabschnitte aufweisen, die miteinander, insbesondere über Innen- und Außengewinde, verbindbar sind. So können zwei Platten auf einfache Weise mittels der aufeinander zuweisenden Rohrabschnitte miteinander verschraubt werden, wobei sich beim Schraubvorgang der Abstand zwischen den beiden Platten verringert, so dass hierdurch gleichzeitig ein entsprechender Schwingungserzeuger, beispielsweise ein Piezoelement mit einer einstellbaren mechanischen Druckvorspannung, zwischen den Platten fest eingeklemmt werden kann. Der Schwingungserzeuger kommt somit mit beiden Platten in Berührung und erregt diese gleichermaßen bei einer Ansteuerung zur Schwingung, wodurch sich ein insgesamt schwingendes System ergibt. Auch bei diesem schwingenden System kann es vorgesehen sein, eine Werkzeugaufnahme in einem Schwingungsbauch einer Platte anzuordnen.

Betrachtet man die Möglichkeit, die Platte bzw. Plattenkonstruktion als erfindungsgemäßen Ultraschallschwinger nicht nur mit einem einzelnen Schwingungserzeuger in Ultraschallschwingung zu versetzen, sondern einer Platte beispielsweise mehrere voneinander beabstandete Schwingungserzeuger einzusetzen, so kann ein in der Werkzeugaufnahme befestigtes Werkzeug auf einfache Weise nicht nur in eine longitudinale Vibration versetzt werden, sondern es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, durch entsprechende phasenverschobene Ansteuerung der verschiedenen Schwingungserzeuger eine Überlagerung aus longitudinaler und transversaler Vibration eines Werkzeuges zu realisieren. Dies kann insbesondere bei den verschiedenen Techniken des Bondens eingesetzt werden.

Relevanter Stand der Technik und bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1-3 Ultraschallschwinger gemäß dem Stand der Technik, bei dem das Schwingelement als sich verjüngendes Ultraschallhorn ausgebildet ist;

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Ultraschallschwinger mit einer Platte als Schwingelement, die mittels eines ringförmigen Piezoelementes in Schwingung versetzt wird;

Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Ultraschallschwinger mit zwei in einem Abstand zueinander angeordneten Platten, zwischen denen ein Piezoaktor eingeklemmt ist;

Fig. 6 einen Ultraschallschwinger ähnlich wie Fig. 5, bei dem die Befestigung der Platten untereinander mittels an den Platten angeordneten Rohrabschnitten erfolgt;

Fig. 7 einen Ultraschallschwinger wie in Fig. 5 mit insgesamt 4 um den Scheibenmittelpunkt angeordneten Piezoelementen;

Fig. 8 einen Ultraschallschwinger mit insgesamt 3 zueinander-parallelen Platten und dazwischenliegenden Piezoelementen.

Die Fig. 1-3 zeigen Ultraschallschwinger gemäß dem Stand der Technik, wie sie aus den Dokumenten US 4173725 und US 5364005 bekannt sind. Die Fig. 1 zeigt hierbei zwei piezoelektrische Scheiben C1 und C2, die zwischen den Elementen A und B klemmend eingeschlossen sind. Die Piezoelemente C1 und C2 werden durch eine Ansteuerung mittels einer elektrischen Spannung zu Ultraschallschwingungen angeregt, die auf das gesamte verschraubte System übertragen wird. Hierbei stellt sich eine Schwingung mit einer Vibrationsamplitude gemäß der unter der Konstruktionszeichnung dargestellten longitudinalen und radialen Verteilung ein. Insbesondere wird deutlich, dass sich durch die verjüngende Form des Schwingelementes A, welches als Ultraschallhorn bezeichnet wird, eine Verstärkung der longitudinalen Vibration einstellt. Diese Verstärkung ist maßgeblich auf die sich verjüngende Form zurückzuführen.

Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform gemäß Fig. 1, bei der auf dem verjüngten Ende des Ultraschallhornes ein Werkzeug 37 angeordnet ist, um die erzeugte Ultraschallschwingung mit großer Amplitude auf ein zu bearbeitendes Werkstück zu übertragen.

Fig. 3 zeigt eine andere Anordnung, bei der die erzeugte Ultraschallschwingung mittels des Ultraschallhornes 21c auf eine Nadelspitze übertragen wird, deren Spitze durch die Schwingung im Wesentlichen zu einer transversalen Bewegung angeregt wird. Eine derartige Anordnung wird beispielsweise zum Drahtbonden verwendet.

In der Fig. 4 ist in zwei verschiedenen Ansichten ein erfindungsgemäßer Ultraschallschwinger dargestellt, der in der dargestellten Ausführung im Wesentlichen eine kreisrunde Scheibe 2 umfasst, auf deren Oberfläche 2a koaxial zur Mittenachse M ein ringförmiges Piezoelement 3 angeordnet ist, das im Wesentlichen einen Oberflächenbereich entlang des Randes der Scheibe 2 überdeckt. Dieses ringförmige Piezoelement 3 ist beispielsweise durch Verklebung mit der Scheibe 2 verbunden.

Ebenfalls dargestellt ist ein Rohr 4, dessen Wandung entlang einer Schwingungsknotenlinie K mit der schwingenden Scheibe 2 verbunden ist. Das Rohr 4 kann einstückig an die Scheibe angeformt oder mit dieser verschraubt, verklebt oder auf andere Weise verbunden sein. Die Knotenlinie K kann ermittelt werden z. B. anhand einer sich idealerweise einstellenden Knotenlinie, wenn die Scheibe 2 zu einer freien, ungestörten Schwingung angeregt wird. Bei dieser Befestigung des Rohres 4 entlang der Schwingungsknotenlinie K entsteht dementsprechend kaum eine Störung des schwingenden Systems. Ebenfalls kann die in die Scheibe 2 eingeleitete Schwingungsenergie nahezu vollständig über ein Werkzeug 5, welches sich in einer Aufnahme 6 mittig der Scheibenunterfläche 2b befindet, übertragen werden.

Wird nun für das ringförmige Piezoelement ein Element verwendet, welches beim Anlegen einer Spannung seinen Durchmesser D verändert, so stellt sich eine Biegeschwingung der Scheibe 2 ein, wodurch das mittig der Scheibenunterfläche 2b angeordneten Werkzeug 5 eine longitudinale Vibrationsbewegung in Richtung des Pfeiles 8 ausführt. Diese Vibrationsbewegung des Werkzeuges 5 kann beispielsweise zum Drahtbonden oder Flip-Chip-Bonden, je nachdem welches Werkzeug an der Platte eingesetzt ist, verwendet werden.

In der Fig. 5 ist eine alternative Konstruktion dargestellt, bei der parallel zur Scheibe 2 eine weitere kreisrunde Scheibe 2' angeordnet ist, wobei zwischen den Scheiben 2 und 2' ein Piezoelement 3 eingeklemmt ist. Dieses Piezoelement 3 kann beispielsweise aus einem Stapel mehrerer Piezoscheiben bestehen. Durch die Schrauben 7, die jeweils in einem Bereich eines Schwingungsknotens der zur Schwingung angeregten Scheiben 2 und 2' angeordnet sind, können die beiden Scheiben 2 und 2' miteinander verbunden und insbesondere aufeinander zugezogen werden, so dass das Piezoelement 3 zwischen den Scheiben eingeklemmt wird. Durch Ansteuerung des Piezoelementes 3 wird nun das System aus den Scheiben 2 und 2' in Schwingung versetzt, so dass die erzeugte Schwingung beispielsweise auch nach einer resonanten Überhöhung von der Platte 2 auf das in der Werkzeugaufnahme 6 befindliche Werkzeug 5 übertragen wird, welches longitudinal in Richtung des Pfeiles 8 schwingt.

In der Fig. 6 ist eine leichte Abwandlung einer Konstruktion gemäß Fig. 5 dargestellt, bei der die Schrauben 7 zur Verbindung der beiden Platten 2 und 2' jeweils durch an den Platten 2 und 2' angeordnete aufeinander zuweisende Rohrabschnitte 4a und 4b ersetzt sind, wobei die Rohrabschnitte 4a und 4b aneinander angepasste Innen- bzw. Außengewinde aufweisen, so dass die beiden Platten 2 und 2' durch eine Verschraubung der Rohrabschnitte 4a und 4b miteinander verbindbar sind. Innerhalb der Rohrabschnitte 4a und 4b kann beispielsweise ein Stapel von Piezoelementen 3 eingeklemmt werden, so dass durch Ansteuerung dieses Piezostapels das System der Scheiben 2 und 2' in Schwingung versetzt werden kann.

Bei dieser Konstruktion sind die Wandungen der Rohrabschnitte 4a und 4b möglichst dünn auszuführen, um insgesamt die beabsichtigte Gewichtseinsparung zu realisieren. Weiterhin läßt sich durch die Stärke der Klemmkraft, die zwischen den Scheiben 2 und 2' auf den Piezostapel 3 wirkt die Resonanzfrequenz des schwingenden Systems beeinflussen.

Fig. 7 zeigt eine weitere Abwandlung eines erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers nach Fig. 5 in zwei verschiedenen Ansichten. Wiederum sind zwei Scheiben 2 und 2' über Schrauben 7 miteinander verbunden. Zwischen den Scheiben 2 und 2' sind bei der dargestellten Ausführung insgesamt 4 Piezoelemente 3 um den Mittelpunkt, in dem das Werkzeug 5 befestigt ist, angeordnet.

Durch entsprechend phasenverschobene Ansteuerung der vier Piezoelemente 3 kann erreicht werden, daß das in der Werkzeugaufnahme 6 befindliche Werkzeug 5 nicht nur rein longitudinal (gleichphasige Ansteuerung aller Piezoelemente) hin- und herschwingt, sondern auch zusätzlich eine transversale Bewegung ausführt, wie es in der Abbildung anhand der Pfeile 9 angedeutet ist. Mit dieser Ausführung kann die Bewegung eines Werkzeuges programmierbar an die gewünschten Verhältnisse und Erfordernisse beim Bonden eingestellt werden.

Die Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers mit insgesamt 3 zueinander parallel angeordneten Platten bzw. runden Scheiben 2, 2', 2", zwischen denen jeweils Piezoelemente 3a bzw. 3b angeordnet sind.

Hierbei können die Piezoelemente 3a und 3b ähnlich wie zu Fig. 1 beschrieben ringförmige Piezoelemente sein, die jedoch im vorliegenden Fall bei einer Ansteuerung mit Spannung eine Dickenschwingung ausführen, bei der die Dickenänderung der Piezoelemente in Richtung des Pfeiles 8 erfolgt. Bei der Ausführung mit ringförmigen Piezoelemente umgibt ein erster Piezoelementenstapel 3a die Schraube 7 mit der die einzelnen Platten 2, 2', 2" untereinander verbunden sind und ist zwischen den Platten 2 und 2" eingeklemmt. Der Piezoelementenstapel 3b umgibt ebenfalls die Schraube 7 und ist zwischen den Platten 2' und 2" eingeklemmt.

Eine Befestigung der gesamten Anordnung erfolgt vorliegend z. B. an der mittleren Platte 2", die auch etwas dicker und stabiler ausgeführt sein kann als die beiden anderen Platten 2 und 2'. Die Schraube 7, die eingesetzt wird, um die Platten 2 und 2' aufeinander zuzuziehen durchdringt die Platte 2" in einer nicht dargestellten Bohrung, so dass die Schraube 7 keine Verbindung zur Platte 2" hat und daher die Schwingung der Platten 2 und 2' nur unwesentlich auf die Platte 2" übertragen wird, die gleichzeitig als Befestigungselement dient.

Eine optimale Entkopplung der Befestigungsplatte 2" kann auch weiterhin durch besondere Ansteuerung der Piezostapel 3a und 3b erfolgen, beispielsweise, wenn die Stapel bei Ihrer Dickenschwingung gegeneinander arbeiten. In diesem Fall sind die resultierenden Kräfte in der Platte 2" nahe oder gleich Null. Diese Arbeitsweise kann durch entsprechende Phasenlage der Steuerspannungen erreicht werden, mit denen die Piezostapel 3a und 3b betrieben werden.

Wie auch bei den zuvor beschriebenen Ausführungen kann mittels der dargestellten Anordnung von drei parallelen Platten ein in der Werkzeugaufnahme 6 befindliches Werkzeug 5 zu Schwingungen angeregt werden, beispielsweise in Richtung des Pfeiles 8.

Neben der beschriebenen Möglichkeit, dass die Piezoelemente 3a und 3b jeweils ringförmige Piezostapel sind, kann es sich bei den Piezeoelementen auch um einzelne Stapel handeln, die ähnlich wie in Fig. 7 diskret über die Platten verteilt angeordnet sind.

Claims (18)

1. Ultraschallschwinger umfassend wenigstens einen Ultraschall- Schwingungserzeuger, insbesondere wenigstens ein Piezoelement, und ein damit verbundenes Schwingelement, das insbesondere zur mechanischen Schwingungsverstärkung einsetzbar ist, und an dem ein Werkzeug befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingelement als wenigstens eine Platte (2) ausgebildet ist, an der zumindest auf einer der Plattenseiten (2a, 2b) wenigstens ein Ultraschall-Schwingungserzeuger (3) befestigt ist.

2. Ultraschallschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Befestigung an einer Vorrichtung wenigstens ein Befestigungselement (4, 7) aufweist.

3. Ultraschallschwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement im Bereich eines Schwingungsknotens (K) einer zur Ultraschallschwingung angeregten Platte (2) angeordnet ist.

4. Ultraschallschwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement ein nichtschwingendes Element des Ultraschallschwingers ist, insbesondere ein Element in dem sich die im Ultraschallschwinger wirkenden Kräfte zu Null summieren.

5. Ultraschallschwinger nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Platte (2), eine Aufnahme (6) zur Befestigung eines Ultraschallwerkzeuges (5) aufweist.

6. Ultraschallschwinger einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (6) in einem Bereich maximaler Schwingungsamplitude einer zur Ultraschallschwingung angeregten Platte (2) angeordnet ist.

7. Ultraschallschwinger nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Platte (2) als kreisförmige Scheibe (2) ausgebildet ist.

8. Ultraschallschwinger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zur senkrecht zur Scheibe (2) stehenden Mittenachse (M) der Scheibe (2) mindestens ein ringförmiges Piezoelement (3) zumindest auf einer Seite (2a) der kreisförmigen Scheibe (2) befestigt ist.

9. Ultraschallschwinger nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Piezoelement (3) einen Oberflächenbereich der Scheibe (2) entlang des Scheibenrandes überdeckt.

10. Ultraschallschwinger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anlegen einer Spannung an einem ringförmigen Piezoelement (3) dessen Durchmesser (D) und/oder Dicke veränderbar ist.

11. Ultraschallschwinger nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Abstand zur Platte (2) im wesentlichen parallel zu dieser wenigstens eine weitere Platte (2', 2") angeordnet ist, wobei zwischen den Platten (2, 2') wenigstens ein Schwingungserzeuger (3) angeordnet ist, der an den sich gegenüberliegenden Plattenseiten anliegt.

12. Ultraschallschwinger nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (2, 2', 2") mittels wenigstens einem Verbindungselement (4, 7) miteinander verbunden sind.

13. Ultraschallschwinger nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbindungselement (4, 7) im Bereich eines Schwingungsknotens (K) der zur Ultraschallschwingung angeregten Platte/n (2, 2') angeordnet ist.

14. Ultraschallschwinger nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement ein Rohr oder Rohrabschnitt (4, 4a, 4b) ist.

15. Ultraschallschwinger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Rohres (4, 4a, 4b) auf einer Schwingungsknotenlinie (K) mit der/den Platten (2, 2') verbunden ist.

16. Ultraschallschwinger nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (2, 2'), insbesondere die kreisförmigen Scheiben (2, 2'), jeweils koaxial zur Mittenachse (M) aufeinander zugerichtete Rohrabschnitte (4a, 4b) aufweisen, die miteinander, insbesondere über Innen- und Außengewinde, verbindbar sind.

17. Ultraschallschwinger nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Befestigungselement (4) gleichzeitig das Verbindungselement (7) ist.

18. Verwendung eines Ultraschallschwingers (1) nach einem der vorherigen Ansprüche als Antrieb eines Werkzeuges (5) bei Maschinen zum Herstellen von Bond-Verbindungen.