KR100571306B1 - 초음파 트랜스듀서 조립체 - Google Patents

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리힝륭마쉬
훙킨익
옹밍와이켈빈
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에이에스엠 어쌤블리 오토메이션 리미티드
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Abstract

본 발명은 제 1 초음파 발생 수단과 제 2 초음파 발생 수단 사이에 고정된 증폭 호른(amplifying horn)에 장착되는 본딩 공구를 포함하는 본딩 장치(bonding apparatus)용 초음파 트랜스듀서 조립체(ultrasonic transducer assembly)를 제공한다. 또한, 증폭 호른을 제공하는 단계, 상기 증폭 호른이 제 1 및 제 2 초음파 발생 수단 사이에 위치되도록 상기 제 1 초음파 발생 수단과 제 2 초음파 발생 수단을 상기 증폭 호른에 고정시키는 단계, 및 본딩 공구를 상기 증폭 호른에 장착하는 단계를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서 형성 방법이 제공된다.
초음파 발생 수단, 증폭 호른, 본딩 공구, 본딩 장치, 초음파 트랜스듀서 조립체

Description

초음파 트랜스듀서 조립체 {Ultrasonic transducer assembly}
도 1은 종래의 초음파 트랜스듀서의 측면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 분해사시도.
도 3a 및 도 3b는 종래의 초음파 트랜스듀서를 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서와 비교한 축방향 진동 프로파일들을 도시하는 비교 차트.
도 4는 사용중인 압전 소자들의 극성 방향들을 도시하는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 개략적인 측면도.
도 5a 및 도 5b는 본딩력을 가할 때 종래의 트랜스듀서와 본 발명에 따른 트랜스듀서에서 발생되는 변형들을 도시하는 측면도.
도 6은 선택된 주파수 범위에 걸친 상기 트랜스듀서의 임피던스 및 위상 특성을 도시하는 그래프.
도 7은 종래의 트랜스듀서에 비해 본 발명에 따른 트랜스듀서의 본드 선단에서의 출력 특성에 대한 진동 변위를 도시하는 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 초음파 트랜스듀서 12 : 장착 디바이스
14 : 이중 플랜지 16 : 장착 지지부
18 : 세라믹 링 20 : 후방 질량체
22 : 증폭 호른 24 : 본딩 공구
28 : 체결 장치 30 : 축선
본 발명은 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer), 특히 반도체 패키징 설비에서의 본드 형성(예를 들어, 미세 와이어 및 금속성 조인트의 용접)을 위한 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.
반도체 패키징 공정 도중에, 통상적으로 전기 와이어 접속부들은 상이한 전자 부품들 사이에, 예를 들어 반도체 칩과 리드프레임 기판 사이에 형성된다. 일예로서 초음파 트랜스듀서와 같은 초음파 용접 장치를 사용하는 방법이 있다. 초음파 용접 작업은 여러 주파수들에서 진동하게 되는 트랜스듀서를 사용하여 수행된다. 상기 트랜스듀서에 의해 발생된 초음파 에너지는 일반적으로 쐐기(wedge), 모세관 또는 콜레트(collet)의 형태를 취하는 본딩 공구를 통해 본딩해야할 재료(예를 들어, 와이어 본딩을 위한 골드 또는 알루미늄 와이어 및 열초음파 플립 칩 본딩을 위한 골드 범프를 갖는 칩)에 전달된다. 그러므로, 초음파 트랜스듀서는 전자 부품들의 접촉 표면들 또는 패드들에 일정한 길이의 본딩 와이어를 접착하기 위해 초음파 에너지를 사용할 수 있다.
도 1은 종래의 초음파 트랜스듀서(100)의 측면도이다. 상기 트랜스듀서는 세라믹 링(102)들을 통해 전기가 통전될 때 초음파 진동을 발생시키는 적층체로 배치 되는 압전 세라믹 링(102)과 같은 복수의 압전 소자를 포함한다. 상기 세라믹 링(102)들에는 중앙 구멍들이 형성되며, 상기 세라믹 링들은 후방 질량체(104)에 의해 함께 압축상태로 유지된다. 상기 세라믹 링(102)들은 제어 회로에 연결되며 상기 세라믹 소자들에 초음파 진동을 발생시키는 입력 신호들을 수신한다. 상기 초음파 진동은 본원에서는 모세관(110) 형태로 도시된 본딩 공구가 자유단에 배치된 세장형 증폭 호른(108)에 의해 증폭된다. 상기 모세관(110)은 함께 용접되는 본딩 부품들에 압축 본딩력을 가하는데 사용된다. 상기 트랜스듀서(100)를 와이어 본딩 장치에 장착할 수 있도록 상기 세라믹 링(102)들과 상기 증폭 호른(108) 사이에는 배럴(106)이 제공된다. 상기 트랜스듀서(100)는 그 축선을 따라 진동하고, 그 진동 진폭은 도 1에서는 라인 112로 표시된다. 최대 변위 진폭은 상기 모세관이 위치되는 상기 증폭 호른(108)의 자유단에서 발생된다.
이러한 종래의 트랜스듀서의 문제점은 상기 본딩 공구가 용접해야할 본딩 부품에 압력을 가할 때의 반응력으로 인해 본딩 도중의 본딩력이 상기 트랜스듀서를 만곡시키거나 변형시킨다는 점이다. 이러한 만곡 또는 변형으로 인해 평탄도가 열악해지며, 본딩해야할 여러 상이한 위치들에 걸쳐 가해지는 본딩력의 불균일한 분포가 초래된다.
특정한 예에서, 즉 열초음파 플립 칩 본딩 도중에, 반도체 칩상의 다수의 골드 범프상에서 용접이 수행된다. 본딩력은 10㎏ 정도로 될 수 있다. 거대한 본딩력으로 인해 트랜스듀서가 변형되며 본딩 공구 선단상의 평탄도가 열악해진다. 열악한 평탄도로 인해 골드 범프들 사이에서의 본딩력 분포가 불균일해진다. 따라서, 각각의 본딩 범프 사이에는 현저한 본딩 강도차가 발생할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 종래의 초음파 트랜스듀서의 전술한 단점들을 극복하는 개선된 트랜스듀서를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 제 1 초음파 발생 수단과 제 2 초음파 발생 수단 사이에 고정된 증폭 호른에 장착되는 본딩 공구를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서가 제공된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 증폭 호른을 제공하는 단계, 상기 증폭 호른이 제 1 초음파 발생 수단과 제 2 초음파 발생 수단 사이에 위치되도록 상기 제 1 및 제 2 초음파 발생 수단을 상기 증폭 호른에 고정시키는 단계, 및 본딩 공구를 상기 증폭 호른에 장착하는 단계를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서 형성 방법이 제공된다.
본 발명의 일실시예를 도시하는 첨부도면을 참조로 본 발명이 보다 상세하게 후술된다. 도면들 및 관련 설명의 상세가 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 폭넓은 동일성을 대체하는 것으로 이해해서는 안된다.
본 발명에 따른 초음파 트랜스듀서의 바람직한 실시예의 일예는 첨부도면을 참조로 후술된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(10)의 분해사시도이다. 초음파 에너지는, 통상적으로 증폭 호른(22)의 어느 한 측부상에 균일하 게 적층 및 분포되는 세라믹 링(18)들로 제조되는 두 세트의 압전 소자들의 형태로 이루어질 수 있는, 제 1 및 제 2 초음파 발생 수단으로부터 제공된다. 상기 증폭 호른은 양-원추형(bi-conical)인 것이 바람직하다. 이러한 실시예에서, 각각의 압전 적층체는 4개의 세라믹 링(18)을 포함한다. 상기 양-원추형 증폭 호른(22)은 그 중심을 향해 경사진 형상을 가지며, 그에 따라 상기 호른의 중심에서 최대 진동 진폭이 발생한다. 상기 트랜스듀서(10)는 이중 플랜지(14) 및 각각의 플랜지(14)에 연결된 장착 지지부(16)를 갖는 장착 디바이스(12)를 통해 와이어 본딩기와 같은 본딩 장치에 장착될 수 있다.
상기 세라믹 링(18)들 및 장착 지지부(16)들은 체결 볼트(28)와 같은 체결 장치에 의해 상기 양-원추형 증폭 호른(22)에 고정되는 후방 질량체(20)에 의해 상기 양-원추형 증폭 호른(22)에 결합된다. 상기 장착 지지부(16)들은 상기 트랜스듀서(10)의 진동 마디점(nodal point)들에 위치된다. 예를 들어, 모세관(24) 형태의 본딩 공구는 실질적으로 상기 양-원추형 증폭 호른(22)의 중심에 장착되는 것이 바람직하며, 여기서 상기 트랜스듀서(10)의 진동 진폭이 최대로 된다. 상기 트랜스듀서(10)는 그 축선(30)을 따라 진동한다는 것을 이해해야 한다.
상기 본딩 공구 또는 모세관(24)을 상기 두 장착 지지부(16)의 중심에 위치시키게 되면, 후술하는 바와 같이 큰 압축 본딩력하에서 조차 양호한 본딩 평탄도가 가능해진다. 또한, 상기 본딩 공구가 전체 트랜스듀서(10)의 중심에 위치되면, 예시적인 디자인에서와 같이, 상기 본딩 공구의 종방향 축선을 통과하는 축선이 그 회전 축선에 정렬될 때 감소해야할 회전 관성 모멘트를 최소로 만드는 것이 가능해 진다.
도 3a 및 도 3b는 종래의 초음파 트랜스듀서(100)를 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 초음파 트랜스듀서(10)에 비교한 축방향 진동 프로파일들을 도시하는 비교 차트이다. 상기 양 트랜스듀서는 전 파장(full wavelength) 모드로 작동한다. 상기 도면들에서, 알파벳 "R"은, 바람직하게는 상기 모세관들(110, 24)의 중심을 통과하는 회전 축선(26)들 또는 그들의 종방향 축선들을 중심으로 회전할 수 있는 상기 트랜스듀서들(100, 10)의 능력을 나타낸다. 상기 모세관들(110, 24)을 본딩 위치에 대해 정렬시키기 위해 회전이 필요하다. Ux는 진동 진폭을 나타낸다. 도 3a에서, 상기 종래의 트랜스듀서(100)의 모세관(110)은 상기 트랜스듀서(100)의 대향 단부로부터 일회의 진동 파장 거리 λ에서 그 최대 진폭으로 진동한다. 한편, 도 3b에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 트랜스듀서(10)의 모세관(24)은 상기 트랜스듀서(10)의 어느 한 단부로부터 λ/2의 거리에서 그 최대 진폭(Amax)으로 진동한다.
도 4는 사용중인 압전 소자 또는 세라믹 링(18)들의 극성 방향(32)들을 도시하는 상기 트랜스듀서(10)의 개략적인 측면도이다. 상기 도면은 전류 공급원(34)이 전류 및 전기장을 모든 세라믹 링(18)들에 분배하는 것을 도시한다. 압전 물질은 극성 방향을 갖는다. 상기 극성 방향으로 압전 소자에 전기장을 가하면, 그 전기장에서는 상기 압전 소자는 포아송의 비(Poisson's ratio)에 따라 수평방향으로는 신장되며 수직방향으로는 수축된다. 상기와 반대 방향으로 전기장을 가하면, 그 전기 장에서는 수평방향으로는 수축되며 수직방향으로는 신장된다.
두 세트의 세라믹 링(18a, 18b)의 극성 구성 또는 방향을 반대의 극성 방향(32)으로 되도록 배열함으로써, 상기 세라믹 링(18)들은 한 세트의 링(18a)이 수축(당겨짐)되고 다른 세트의 세라믹 링(18b)이 신장(밀어짐)되도록 동기된다. 즉, 단일의 전기 공급원(34)하에서, 한 세트의 세라믹 링(18a)은 수축하게 되며 다른 세트의 세라믹 링(18b)은 신장하게 된다. 전체 트랜스듀서(10)는 도 3에 도시된 바와 같은 축방향 진동 프로파일로 초음파 주파수에서 진동한다. 상기 증폭 호른(22)의 양-원추형 형상으로 인해, 상기 경사진 형상은 상기 진동 진폭을 그 중심을 향해 증폭시킨다.
도 5a 및 도 5b는 본딩력을 가할 때 종래의 트랜스듀서(100) 및 상기 트랜스듀서(10)에서 발생되는 변형을 도시하는 측면도이다. 종래의 트랜스듀서(100)의 경우에(도 5a 참조), 본딩력을 가하면, 그 모세관(110)의 축선은 수직 상태에서 변위되므로, 실제 본딩 축선과 수직 축선 사이에는 편차가 생긴다. 상기 편차는 본딩력의 적용에 있어서 부정확성을 야기하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 트랜스듀서(10)의 경우에, 그 모세관(24)은 상기 양-원추형 증폭 호른(22)에 의해 양 측부상에서 균등하게 지지되기 때문에, 상기 모세관(24)의 축선은 실질적으로 수직 정렬된 상태를 유지한다. 이는 본딩력의 적용에 의해 상기 양-원추형 증폭 호른(22)에 약간의 변형이 발생하는 경우에도 마찬가지이다. 따라서, 본딩력의 적용은 보다 정확하며 반복적이다.
도 6은 상기 트랜스듀서(10)의 일부 전기 특성, 즉 선택된 주파수 범위에 걸 친 임피던스 및 위상 특성을 도시한다. 공진 주파수는 약 62㎑에 도달된다.
도 7은 종래의 트랜스듀서(100)에 비해 상기 트랜스듀서(10)의 본드 선단에서의 출력 특성에 대한 진동 변위를 도시하는 그래프이다. 상기 트랜스듀서(10)의 프로파일은 정사각형으로 표시되지만, 종래의 트랜스듀서(100)의 프로파일은 원으로 표시된다. 종래의 트랜스듀서(100)와 비교할 때, 상기 트랜스듀서(10)의 변위는 상기 트랜스듀서(10)로의 임의의 출력 레벨에 대해서 현저하게 증가될 수 있다. 이러한 증가의 한가지 이유는 종래의 트랜스듀서에서는 한 세트가 사용되었던 것에 비해 본원에서는 두 세트의 압전 소자 적층체(18a, 18b)가 사용되었다는 점이다.
본딩 평탄도가 본딩력의 영향을 받지 않는다는 점에서 본 발명의 바람직한 실시예가 유리하다는 것이 이해될 것이다. 상기 본딩 공구의 양호한 정렬을 보장하기 위해, 전체 조립체가 조립된 후에 상기 본딩 공구를 고정하는 구멍이 천공될 수 있다. 이러한 조립 방법은 상기 장착 지지부(16)와 본딩 공구(24)의 양호한 직립도를 보장하며 상기 트랜스듀서의 정렬 절차를 간략화한다.
회전형 본드헤드 메카니즘에서는, 상기 회전 축선(26)은 상기 본딩 공구(24)의 축선에 정렬되는 것이 바람직하다. 상기 트랜스듀서(10)의 본딩 공구(24)가 상기 회전 축선(26)의 평면에 대해 정렬되면, 상기 트랜스듀서(10)의 무게 중심은 상기 회전 축선(26) 내에 존재하게 되므로, 상기 장치의 회전 관성은 최소로 감소하게 된다.
본 발명의 주된 장점들 중 하나는 강한 본딩력에서조차 상기 회전 축선(26) 과 상기 본딩 공구의 평탄도가 자동으로 유지된다는 점이다. 종래의 트랜스듀서(100)가 강한 본딩력하에 놓이면, 상기 트랜스듀서(100)는 변형되고 상기 본딩 공구 선단은 본딩 대상물에 대해 더이상 평행해지지 않게 된다. 이러한 평탄도의 결함은 본딩력이 증가함에 따라 더욱 열악해진다. 그러나, 본 발명의 트랜스듀서(10)는 도 5에 도시된 바와 같은 변형하에서도 상기 본딩 공구 표면과 본딩 대상물의 평탄도를 유지할 수 있다. 따라서, 압전 소자(18)들의 체적은 변형 경향의 증가 없이도 증가될 수 있다. 또한, 상기 트랜스듀서(10)의 전력 취급 능력이 종래의 트랜스듀서에 비해 높다는 것이 이해될 것이다.
본원에 개시된 발명은 특정하게 기술된 것들 외에도 변경, 변형 및/또는 추가될 수 있으며, 본 발명이 상기 상세한 설명의 정신 및 범위 내에서 상기한 모든 변경, 변형 및/또는 추가를 포함한다는 것을 이해해야 한다.

Claims (27)

  1. 제 1 초음파 발생 수단과 제 2 초음파 발생 수단 사이에 고정된 증폭 호른(amplifying horn)에 장착되는 본딩 공구를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 초음파 발생 수단 각각은 압전 소자들로 이루어진 적층체를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 각각의 적층체는 동일한 수의 압전 소자들을 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 압전 소자들로 이루어진 제 1 및 제 2 적층체의 극성 방향들은 상기 압전 소자들로 이루어진 제 1 및 제 2 적층체가 반대 방향들로 여자될 수 있도록 배열되는 본딩 장치용 트랜스듀서.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 압전 소자들로 이루어진 제 1 및 제 2 적층체에 전기장을 가하기 위한 단일의 전기 공급원을 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 압전 소자들로 이루어진 각각의 적층체는 체결 장치에 의해 후방 질량체와 함께 상기 증폭 호른에 고정되는 본딩 장치용 트랜스듀서.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스듀서를 본딩 장치에 장착할 수 있는 장착 디바이스를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 초음파 발생 수단을 장착할 수 있도록 상기 장착 디바이스에 연결되는 제 1 및 제 2 장착 지지부를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 트랜스듀서는 상기 트랜스듀서의 진동 마디점(nodal point)들에서 상기 장착 지지부들에 장착될 수 있는 본딩 장치용 트랜스듀서.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 본딩 공구는 상기 제 1 장착 지지부와 상기 제 2 장착 지지부 사이에서 거의 중심에 위치되는 본딩 장치용 트랜스듀서.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 장착 디바이스는 상기 트랜스듀서를 회전 축선을 중심으로 회전시키도록 작동하는 본딩 장치용 트랜스듀서.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 회전 축선은 실질적으로 상기 본딩 공구의 종방향 축선에 정렬되는 본딩 장치용 트랜스듀서.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 증폭 호른은 실질적으로 양-원추형(bi-conical) 호른인 본딩 장치용 트랜스듀서.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 본딩 공구는 상기 트랜스듀서의 각각의 단부 사이에서 거의 중심에 장착되는 본딩 장치용 트랜스듀서.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 본딩 공구와 상기 트랜스듀서의 각각의 단부 사이의 거리는 상기 트랜스듀서의 진동 파장의 절반과 동일한 거리인 본딩 장치용 트랜스듀서.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 본딩 공구의 종방향 축선은 실질적으로 상기 트랜스듀서의 축선에 대해 수직한 본딩 장치용 트랜스듀서.
  17. 증폭 호른을 제공하는 단계,
    상기 증폭 호른이 제 1 및 제 2 초음파 발생 수단 사이에 위치되도록 상기 제 1 초음파 발생 수단과 제 2 초음파 발생 수단을 상기 증폭 호른에 고정시키는 단계, 및
    본딩 공구를 상기 증폭 호른에 장착하는 단계를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서 형성 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 초음파 발생 수단 각각은 압전 소자들로 이루어진 적층체를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서 형성 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 압전 소자들로 이루어진 제 1 및 제 2 적층체가 반대 방향들로 여자될 수 있도록 상기 압전 소자들로 이루어진 제 1 및 제 2 적층체의 극성 방향들을 배열하는 단계를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서 형성 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 단일의 전기 공급원을 사용하여 상기 압전 소자들로 이루어진 제 1 및 제 2 적층체에 전기장을 가하는 단계를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서 형성 방법.
  21. 제 17 항에 있어서, 제 1 및 제 2 장착 지지부를 갖는 장착 디바이스를 통해 상기 트랜스듀서를 본딩 장치에 장착하는 단계를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서 형성 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 트랜스듀서 장착시에 상기 장착 지지부들을 상기 트랜스듀서의 진동 마디점들에 위치시키는 단계를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서 형성 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 제 1 장착 지지부와 상기 제 2 장착 지지부 사이의 거의 중심에 상기 본딩 공구를 위치시키는 단계를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서 형성 방법.
  24. 제 21 항에 있어서, 상기 트랜스듀서의 각각의 단부 사이의 거의 중심에 상기 본딩 공구를 장착하는 단계를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서 형성 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 본딩 공구의 종방향 축선을 실질적으로 상기 트랜스듀서의 축선에 수직하게 정렬시키는 단계를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서 형성 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 정렬 단계는 상기 초음파 발생 수단과 장착 지지부들을 고정한 후에 실질적으로 상기 트랜스듀서의 축선에 수직한, 상기 본딩 공구 장착용 구멍을 상기 증폭 호른 내에 천공하는 단계를 포함하는 본딩 장치용 트랜스듀서 형성 방법.
  27. 제 17 항에 있어서, 상기 증폭 호른은 실질적으로 양-원추형 호른인 본딩 장치용 트랜스듀서 형성 방법.
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