TW202400307A - 超音波複合振動裝置及半導體裝置的製造裝置 - Google Patents

Abstract

超音波複合振動裝置（50）中，具有產生縱向振動及扭轉振動的振子（58）的基端部（52）、具有較所述基端部（52）大的截面積的擴大部（54）、及具有較所述擴大部（54）小的截面積的前端部（56）自基端側朝向前端側呈直線狀地排列，所述扭轉振動的波節位於所述擴大部（54），所述縱向振動的波腹及所述扭轉振動的波腹位於所述超音波複合振動裝置（50）的基端面及前端面，所述擴大部（54）的軸向位置及軸向尺寸W被設定為所述縱向振動的共振頻率Fa與所述扭轉振動的共振頻率Fb大致相同的位置及尺寸。

Description

超音波複合振動裝置及半導體裝置的製造裝置

本說明書揭示了一種用於對於對象物進行振動加工（接合、切削、研磨等）的超音波加工機中使用的超音波複合振動裝置。

一直以來，為了對於對象物進行振動加工，提出了一種產生縱向振動及扭轉振動的超音波複合振動裝置。但是，先前的超音波複合振動裝置大多為縱向振動的共振頻率與扭轉振動的共振頻率之間大不相同，從而無法以一個或接近的頻率同時產生兩個振動。

因此，提出了於一部分中，以一個或接近的頻率產生縱向振動及扭轉振動。例如，於專利文獻1中揭示了如下技術：將具有階梯部並且具有電致伸縮振子的振動體與具有階梯部並且不具有振動元件的振動體組合而構成一個超音波複合裝置。於該專利文獻1中揭示了如下內容：於各振動體中，藉由調整自縱向振動的波腹至階梯部為止的距離，使縱向振動的共振頻率與扭轉振動的共振頻率一致或接近。 [現有技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本專利特開2005-288351號公報

[發明所欲解決之課題]

此外，於專利文獻1中，以階梯部成為扭轉振動的波腹的方式進行調整。但是，通常於階梯部上，有時容易產生振動的衰減，而難以使該階梯部成為扭轉振動的波腹。另外，於專利文獻1中，將兩個振動體組合來構成一個超音波複合裝置。因此，作為超音波複合裝置整體，由於具有兩個階梯部、兩個振動體的接合面，因此其行為複雜，而難以調整尺寸或頻率。

因此，本說明書中揭示一種儘管為更簡易的結構，但可以一個或接近的頻率產生縱向振動及扭轉振動的超音波複合裝置。 [解決課題之手段]

本說明書中揭示的超音波複合振動裝置為一種超音波複合振動裝置，其特徵在於：具有產生縱向振動及扭轉振動的振子的基端部、具有較所述基端部大的截面積的擴大部、及具有較所述擴大部小的截面積的前端部自基端側朝向前端側呈直線狀地排列，所述扭轉振動的波節位於所述擴大部，所述縱向振動的波腹及所述扭轉振動的波腹位於所述超音波複合振動裝置的基端面及前端面，所述擴大部的軸向位置及軸向尺寸被設定為所述縱向振動的共振頻率與所述扭轉振動的共振頻率大致相同的位置及尺寸。

於此情況下，自所述擴大部的所述前端側的端面至所述前端部的所述前端側端面為止的軸向尺寸可為所述扭轉振動的1/4波長的奇數倍。

另外，亦可於所述前端部形成有隨著沿軸向行進而亦沿周向行進的傾斜狹縫。

另外，本說明書中揭示的半導體裝置的製造裝置包括上文所述的超音波複合振動裝置及安裝於所述前端部並供導線插通的焊針，其中以與所述縱向振動的共振頻率及所述扭轉振動的共振頻率大致相同的驅動頻率來驅動所述振子。 [發明的效果]

根據本說明書中揭示的技術，儘管為簡易的結構，但可以一個或接近的頻率產生縱向振動及扭轉振動。

以下，參照圖式對超音波複合振動裝置50及搭載有其的半導體裝置的製造裝置10的結構進行說明。圖1是表示搭載有超音波複合振動裝置50的製造裝置10的結構的圖。

製造裝置10是藉由利用導線26將設置於對象物30的兩個電極間加以連接來製造半導體裝置的打線接合裝置。對象物30例如是裝配有半導體晶片的引線框架。通常，於半導體晶片及引線框架分別設置有電極，藉由利用導線26將該些電極電性連接，從而製造半導體裝置。

製造裝置10具有能夠藉由XY載台20而沿水平方向移動的接合頭12。超音波焊頭16及照相機22以能夠沿垂直方向移動的方式安裝於所述接合頭12。超音波焊頭16經由焊頭支架14而安裝於接合頭12。超音波焊頭16是產生縱向振動及扭轉振動並傳遞至焊針的超音波複合振動裝置50。焊針18是安裝於超音波焊頭16的末端，並且供導線26插通的筒狀構件。縱向振動及扭轉振動經由所述焊針18而傳遞至導線26。進而，於焊針18的上方設置有與焊針18一起移動並夾持導線26的夾持器19。

照相機22根據需要而對於對象物30進行拍攝。控制器32基於由所述照相機22拍攝的圖像來確定焊針18相對於對象物30的位置，並進行焊針18的定位。於接合頭12進而設置捲繞有導線26的捲筒24，根據需要而自捲筒24陸續放出導線26。控制器32對構成製造裝置10的各部的驅動進行控制。例如，控制器32對設置於超音波焊頭16（即超音波複合振動裝置50）的振子58施加規定頻率的交流電壓，而產生規定頻率的振動。再者，此種製造裝置10的結構為一例，後文詳細說明的超音波複合振動裝置50亦可組裝於其他結構的振動加工機中。

繼而，對搭載於製造裝置10的超音波複合振動裝置50的結構進行說明。圖2是超音波複合振動裝置50的立體圖。另外，圖3是超音波複合振動裝置50的概略側面圖。再者，於圖3的上段，實線WVa表示縱向振動的波形，一點鏈線WVb表示扭轉振動的波形。另外，為了簡化說明，於圖3中，超音波複合振動裝置50被簡化圖示。因此，圖3中省略了焊針18的安裝部及凸緣51的圖示。

如上所述，超音波複合振動裝置50作為超音波焊頭16發揮功能，於其末端安裝有焊針18。所述超音波複合振動裝置50自其基端側至末端側呈一直線狀排列有基端部52、擴大部54、前端部56。基端部52及前端部56是大致相同直徑的圓棒狀。基端部52進而被大致區分為振子58及介於振子58與擴大部54之間的中繼部60。振子58是接收電壓訊號而產生縱向振動及扭轉振動的振動產生源。所述振子58例如是具有接收交流電壓而振動的鋯鈦酸鉛（通稱PZT（Pb-based Lanthanumdoped Zirconate Titanates）），並對PZT施加利用金屬塊夾住並利用螺栓緊固的壓力的螺栓固定朗之萬（Langevin）型振子（通稱BLT（Bolt clamped Langevintype Transducer）或BL（Bolt clamped Langevintype）振子）。本例的振子58不僅具有產生縱向振動的PZT元件，亦具有藉由改變極化方向來產生扭轉振動的PZT元件。因此，振子58可產生縱向振動及扭轉振動此兩者。

擴大部54是直徑較基端部52及前端部56大的部分。所述擴大部54的直徑D2只要較前端部56的直徑D1大則並無特別限定。然而，擴大部54的直徑D2越大，扭轉振動的衰減效果越高，擴大部54越容易成為扭轉振動的波節。因此，擴大部54的直徑D2例如可設為前端部56的直徑D1的1.5倍以上。另外，擴大部54的軸向尺寸W被設定為使縱向振動的共振頻率Fa及扭轉振動的共振頻率Fb一致或接近，對此將於後文進行敘述。於擴大部54及中繼部60之間設置有凸緣51。於將超音波複合振動裝置50安裝於焊頭支架14時利用所述凸緣51。

前端部56是與基端部52大致相同直徑的圓棒狀，於所述前端部56的末端安裝焊針18。前端部56的軸向尺寸L3並無特別限定，通常，軸向尺寸L3與扭轉振動的1/4波長的奇數倍大致相同。其原因在於，前端部56處產生的扭轉振動的波長λb以及相位被自動調整，以使得擴大部54成為扭轉振動的波節，前端部56的末端成為扭轉振動的波腹。因此，於將扭轉振動的波長設為λb的情況下，為L3≒λb/4×（2n+1）。進而，如圖3的上段所示，本例中，以縱向振動及扭轉振動的波腹位於超音波複合振動裝置50的基端面50a及前端面50b的方式設定各自的波長λa、波長λb。

繼而，對擴大部54的軸向尺寸W及振子58的驅動頻率F1的設定進行說明。於將振子58的軸向尺寸L1、中繼部60的軸向尺寸L2、及超音波複合振動裝置50的軸向尺寸Lall設為一定的情況下，藉由改變擴大部54的軸向尺寸W，超音波複合振動裝置50的固有振動頻率發生變化，縱向振動的共振頻率Fa及扭轉振動的共振頻率Fb發生變化。圖4是表示擴大部54的軸向尺寸W與共振頻率Fa、共振頻率Fb的相關的圖表。圖4中，橫軸表示擴大部54的軸向尺寸W，縱軸表示共振頻率。另外，圖4中，實線表示縱向振動的共振頻率Fa，一點鏈線表示扭轉振動的共振頻率Fb。

圖4的例子中，縱向振動的共振頻率Fa與軸向尺寸W的增加成比例地降低。另一方面，扭轉振動的共振頻率Fb與軸向尺寸W的增加成比例地增加。並且，當軸向尺寸W為規定值W1時，縱向振動的共振頻率Fa及扭轉振動的共振頻率Fb一致，為Fa=Fb=F1。

本例中，將擴大部54的軸向尺寸W設為成為所述Fa=Fb=F1時的軸向尺寸W1。即，為W=W1。另外，將於驅動超音波複合振動裝置50時對振子58施加的交流電壓的頻率、即驅動頻率設為F1。藉此，可以單一的頻率F1產生縱向振動及扭轉振動的共振，可簡化超音波複合振動裝置50的驅動控制。

再者，圖4中，列舉出共振頻率Fa、共振頻率Fb與軸向尺寸W成比例的例子，但共振頻率Fa、共振頻率Fb與軸向尺寸W的相關關係根據超音波複合振動裝置50的形狀或材質、振子58的特性等而適當地不同。因此，軸向尺寸W及驅動頻率F1於超音波複合振動裝置50的設計階段藉由實驗或模擬來確定。

另外，本例中，將超音波複合振動裝置50的前端作為縱向振動及扭轉振動的波腹，因此可於超音波複合振動裝置50的前端、即焊針18的安裝部獲得大的縱向振動及扭轉振動。結果，可使焊針18呈面狀地進行超音波振動，可提高打線接合的加工效率。

再者，於至此為止的說明中，藉由變更W及L3=Wall-L1-L2-W的值，確定成為Fa=Fb=F1的驅動頻率F1。但是，共振頻率Fa、共振頻率Fb不僅根據擴大部54的軸向尺寸W而變化，亦根據擴大部54的軸向位置而變化。因此，為了確定驅動頻率F1，可改變擴大部54的軸向位置。

例如，考慮如下情況：將自超音波複合振動裝置50的基端面50a至擴大部54的前端側端面為止的距離設為Py，將振子58的軸向尺寸L1、超音波複合振動裝置50的軸向尺寸Lall及擴大部54的軸向尺寸W保持為一定。於此情況下，中繼部60的軸向尺寸L2為L2=Py-W-L1，前端部56的軸向尺寸L3為L3=Lall-Py。即，中繼部60及前端部56的軸向尺寸L2、軸向尺寸L3根據擴大部54的軸向位置Py而變化。並且，藉由變更該些尺寸L2、L3，超音波複合振動裝置50的固有振動頻率發生變化，共振頻率Fa、共振頻率Fb發生變化。因此，於設計超音波複合振動裝置50時，亦可變更擴大部54的軸向位置Py而非擴大部54的軸向尺寸W來確定適當的擴大部54的位置及驅動頻率F1。再者，於此情況下，擴大部54的軸向尺寸W的值並無特別限定，例如亦可設為扭轉振動的波長λb的1/4倍左右。即，亦可設為W≒λb/4。

於任何情況下，本例中，設置於超音波複合振動裝置50的擴大部54僅為一個。因此，為了確定驅動頻率F1=Fa=Fb，可抑制應變更的參數的數量。結果，可容易地確定超音波複合振動裝置50的最佳尺寸及驅動頻率。

另外，於至此為止的說明中，將由振子58產生的縱向振動直接作為縱向振動傳遞至前端。但是，亦可於前端部56設置將縱向振動的一部分轉換為扭轉振動的振動轉換部。例如，如圖5所示，亦可於前端部56的周面設置隨著沿軸向行進而亦沿周向行進的傾斜狀的狹縫64，藉此將縱向振動的一部分轉換為扭轉振動。藉由設為所述結構，可使扭轉振動更可靠地作用於前端部56的末端，進而作用於焊針18。另外，超音波複合振動裝置50的截面形狀亦並不限於圓形，亦可為其他形狀，例如矩形等。

另外，於至此為止的說明中，將超音波複合振動裝置50組裝於打線接合裝置，但本說明書中揭示的超音波複合振動裝置50並不限於組裝於打線接合裝置，亦可組裝於其他超音波加工機，例如超音波焊接裝置等中。

10:製造裝置 12:接合頭 14:焊頭支架 16:超音波焊頭 18:焊針 19:夾持器 20:XY載台 22:照相機 24:捲筒 26:導線 30:對象物 32:控制器 50:超音波複合振動裝置 50a:超音波複合振動裝置50的基端面 50b:超音波複合振動裝置50的前端面 51:凸緣 52:基端部 54:擴大部 56:前端部 58:振子 60:中繼部 64:狹縫 D1、D2:直徑 F1:驅動頻率（頻率） Fa:縱向振動的共振頻率（共振頻率） Fb:扭轉振動的共振頻率（共振頻率） L1:振子58的軸向尺寸 L2:中繼部60的軸向尺寸（尺寸） L3:前端部56的軸向尺寸（軸向尺寸/尺寸） Lall:超音波複合振動裝置50的軸向尺寸 Py:擴大部54的軸向位置 W:擴大部54的軸向尺寸（軸向尺寸） W1:軸向尺寸 WVa:實線 WVb:一點鏈線

圖1是表示半導體裝置的製造裝置的結構的圖。 圖2是作為超音波焊頭發揮功能的超音波複合振動裝置的立體圖。 圖3是表示超音波複合振動裝置的側面圖及振動的波形的圖。 圖4是表示擴大部的軸向尺寸與共振頻率的相關的圖表。 圖5是其他超音波複合振動裝置的立體圖。

10:製造裝置

12:接合頭

14:焊頭支架

16:超音波焊頭

18:焊針

19:夾持器

20:XY載台

22:照相機

24:捲筒

26:導線

30:對象物

32:控制器

50:超音波複合振動裝置

Claims (4)

1. 一種超音波複合振動裝置，其特徵在於 具有產生縱向振動及扭轉振動的振子的基端部、 具有較所述基端部大的截面積的擴大部、及具有較所述擴大部小的截面積的前端部自基端側朝向前端側呈直線狀地排列， 所述扭轉振動的波節位於所述擴大部，所述縱向振動的波腹及所述扭轉振動的波腹位於所述超音波複合振動裝置的基端面及前端面， 所述擴大部的軸向位置及軸向尺寸被設定為所述縱向振動的共振頻率與所述扭轉振動的共振頻率大致相同的位置及尺寸。
2. 如請求項1所述的超音波複合振動裝置，其中 自所述擴大部的所述前端側的端面至所述前端部的所述前端側端面為止的軸向尺寸是所述扭轉振動的1/4波長的奇數倍。
3. 如請求項1或請求項2所述的超音波複合振動裝置，其中 於所述前端部形成有隨著沿軸向行進而亦沿周向行進的傾斜狀的狹縫。
4. 一種半導體裝置的製造裝置，其特徵在於包括： 如請求項1至請求項3中任一項所述的超音波複合振動裝置，以及 焊針，安裝於所述前端部，供導線插通， 其中以與所述縱向振動的共振頻率及所述扭轉振動的共振頻率大致相同的驅動頻率來驅動所述振子。