專利名稱：：超聲波換能器的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種超聲波換能器。
背景技術：
：這種超聲波換能器應用在所謂的球形引線接合機(BallWireBonder)上。引線接合機是指一種機器，半導體芯片利用此機器在安裝后布線在基底上。球形引線接合機是指一種引線接合機，其中金屬絲穿過毛細管的縱向穿孔中并借助毛細管固定在連接點上。而在所謂的楔形引線接合機(WedgeWireBonder)中具有特制的楔形工具來代替毛細管，此楔形工具作為超聲波發生器也是公知的。超聲波換能器具有喇叭狀件(Horn)和壓電驅動器，用來在喇叭狀件中激起超聲波振動。毛細管在喇叭狀件的頂點夾緊。在半導體芯片的連接點和基底的連接點之間產生金屬線連接時，從毛細管中伸出的金屬線端部首先熔化成一個球體。緊接著，此金屬線球體(在專業術語中稱為"球")借助壓力和超聲波固定在半導體芯片的連接點上。在此對這個金屬線球體進行擠壓。人們稱這個過程為球形焊。然后，金屬線穿過必要的長度，形成滑線電橋并焊在基底的連接點上。這后面的工藝部分稱為楔形焊。在把金屬線固定在基底的連接點上之后，將金屬線扯下且可以開始下一下接合循環。在進行球形焊和楔形焊時，喇叭狀件被壓電驅動器用超聲波加載。超聲波換能器例如從專利US5603445、US5595328、US5364005、US5180093、US5368216、US5469011、US5578888、US5699953和US6135339已知。已知的超聲波換能器是這樣進行設計的，即持續的超聲波是在喇叭狀件上形成的，其振動是指向喇叭狀件的縱向方向。這種超聲波也被稱為縱向波。球形引線接合機的接合頭可使毛細管的頂部在三個空間方向上運動，其中接合頭當然只有三個自由度。喇叭狀件因此既在常規的支承在XY-工作平臺上的接合頭中，也在循環的接合頭(例如由專利US5114302,US6460751andWO2006036669己知)中或多或少地沿著預定的方向對齊(ausrichten),同時金屬線連接也可以所有的方向上延伸。這一方面導致，金屬線在基底的連接點上的依附在所有的金屬線連接上不是一樣強的，另一方面，擠碎的"球"的形狀也是不同的。
發明內容由此，本發明的目的是，使金屬線更好地依附在基底的連接點上，并使擠碎的"球"的形狀均勻。所述目的按本發明通過權利要求l的特征得以實現。有利的構造方案由從屬權利要求得出。按本發明的超聲波換能器包含長形的喇叭狀件、配合件、兩個壓電驅動器和螺釘。配合件借助螺釘固定在喇叭狀件上，設置在超聲波換能器的縱軸線兩側的壓電驅動器夾在喇叭狀件和配合件之間。喇叭狀件具有法蘭，此法蘭具有至少一個孔口，用來把超聲波換能器固定在引線接合機的接合頭上。在超聲波換能器中，在兩個壓電驅動器用同相的第一交流電壓進行加載時，形成了第一超聲波振動，此第一超聲波振動與換能器的縱軸線平行；在兩個壓電驅動器用反相的第二交流電壓進行加載時，形成了第二超聲波振動，此第二超聲波振動與換能器的縱軸線相交。超聲波換能器被設計為-壓電驅動器位于第一超聲波振動的第一節點中；-壓電驅動器位于第二超聲波振動的第一波腹中；-法蘭位于第一超聲波振動的第二節點中；-法蘭位于第二超聲波振動的第二波腹中；和_法蘭的至少一個孔口位于第二超聲波振動的第二節點中。如果兩個交流電壓具有相同的頻率和相同的相位，則兩個交流電壓是同相的。如果兩個交流電壓具有相同的頻率，但具有相反的符號，并且因此它們的相位以^推移，則這兩個交流電壓是反相的。喇叭狀件具有孔口，用來容納毛細管。這個孔口優選設置在第二超聲波振動的第二個波腹中(從喇叭狀件的尖端開始測量)。第二超聲波振動優選具有至少一個節點，此節點位于螺釘的螺釘頭和壓電驅動器之間。第二超聲波振動優選在配合件具有節點，此節點位于配合件的邊緣附近。配合件的寬度優選大于壓電驅動器的外邊緣與超聲波換能器的縱軸線的間隔。下面借助實施例和借助附圖詳細地描述了本發明。這些附圖不是按比例畫出的。圖l在俯視圖中示出了按本發明的超聲波換能器；圖2-5示出了不同的超聲波振動的振幅，它們在是超聲波換能器中用相應的交流電壓加載時構成的；圖6示出了毛細管的尖端的路徑，其構成了一個利薩如圖；和圖7示出了超聲波換能器的控制單元。具體實施例方式圖l以俯視圖示出了按本發明的超聲波換能器l。卡式坐標系統的軸線用x和y表示。超聲波換能器1由長形的喇叭狀件2、配合件3、兩個壓電驅動器4、5和螺釘6構成。配合件3借助螺釘6固定在喇叭狀件2上，5其中壓電驅動器4、5夾在喇叭狀件2和配合件3之間。因此配合件3起拉桿的作用，用來使壓電驅動器4、5機械地預緊。喇叭狀件2關于其縱軸線7對稱。喇叭狀件2具有法蘭8，此法蘭8在縱軸線7的兩側延伸并且具有孔口9，用來把超聲波換能器l固定在引線接合機的圖中僅標出的接合頭10上。喇叭狀件2在其尖端11的附近還具有與圖面垂直延伸的孔口12，毛細管可固定在此孔口12中。換能器1的整個長度用參考標記L來表示，它從螺釘6的螺釘頭的端部一直到對面的喇叭狀件2的尖端11。換能器1的喇叭狀件2的寬度B(y)和厚度D(y)以及(因而)重量分布都在y方向上變化。喇叭狀件2的前部例如構成為圓錐形。超聲波換能器l的作用是，使夾在喇叭狀件2中的毛細管的尖端置身于超聲波振動中。超聲波換能器l是一個振動著的系統，里面所有的部件(不僅僅是喇叭狀件2)都在振動。按本發明的超聲波換能器l是這樣迸行設計的，即兩個壓電驅動器在第一運轉模式下激勵喇叭狀件2超聲波振動(即持續的超聲波)，此超聲波振動指向喇叭狀件2的縱向方向，其中毛細管的尖端也產生與喇叭狀件2的縱軸線7平行的振動。這種超聲波振動也可稱為縱向振動或持續的縱向波。因為毛細管尖端的振動在y方向上延伸，因此在下面把這種模式稱為Y模式。按照發明的超聲波換能器l還這樣進行設計，即兩個壓電驅動器在第二運轉模式下激勵喇叭狀件2超聲波振動(也是持續的超聲波)，此超聲波振動與喇叭狀件2的縱軸線是相交的，其中毛細管的尖端也產生與喇叭狀件2的縱軸線7相交的振動。這種超聲波振動也被稱為彎曲振動。因為毛細管尖端的振動在此沿x方向延伸，因此在下面把這種模式稱為X模式。在Y模式中，兩個壓電驅動器4、5被加載同相的交流電壓，從而它們在y方向上總是同時伸展和收縮。在X模式中，兩個壓電驅動器4、5被利用反相的交流電壓激勵，從而當第二壓電驅動器5在y方向上收縮時，第一壓電驅動器4則在y方向上伸展。下面闡述換能器l必須具有或優選應該具有的幾個特性，利用它們，在換能器1的Y模式和X模式中毛細管端部的振動的振幅都能達到可用于金屬線接合的程度。圖2示出了持續的超聲波沿著換能器I的縱軸線7的振幅A。其是在Y模式中產生的。圖3示出了持續的超聲波沿著換能器1的縱軸線7的振幅八2，其是在X模式中產生的。圖4示出了X模式中的持續的超聲波沿著法蘭8的x軸的振幅A3。這個超聲波指向x軸。圖5示出了X模式中的持續的超聲波沿著配合件3的x軸的振幅A4。在換能器l的縱向端部上以及在配合件3和法蘭8的側面端部上，自然會出現波腹。換能器l例如這樣進行設計，即Y模式的超聲波在換能器l的縱軸線7上具有n產5個節點。但節點的數量W也可以是其它的。換能器按本發明還可被設計為A)壓電驅動器4和壓電驅動器5位于Y模式的第一節點13中(圖2)。壓電驅動器4、5的中心或一個靠近中心的點優選位于第一節點13中；B)壓電驅動器4和壓電驅動器5位于X模式的第一波腹14中(圖3)。壓電驅動器4、5的中心或一個靠近中心的點優選位于第一波腹14中；C)法蘭8位于Y模式的第二節點15中(圖2);D)法蘭8位于X模式的第二波腹16中(圖3);E)法蘭8的兩個孔口9位于X模式的側面節點17中(圖4)。特性A至D可通過下面的措施來達到-確定Y模式的超聲波振動的期望頻率fy。它典型地是約125kHz。-確定換能器1的長度L，使得在Y模式中出現n,個節點。長度L主要與頻率fy和制造喇叭狀件2和配合件3的材料的聲速有關。喇叭狀件2和配合件3優選由鈦構成。-喇叭狀件2的寬度B(y)和(可選地還有)厚度D(y)是局部變化的，直到找到合適的彎曲振動為止，此彎曲振動的固有頻率fx位于頻率fy的附近(即lfx-fy|<<fY)，并且此彎曲振動在壓電驅動器4、5的中心的區域內具有波腹并在Y模式的節點的范圍內具有波腹。此彎曲振動被選為Y模式。在此實施例中，足以實現特性B和D以及條件lfx-fVI《fY。在法蘭8中也同樣形成了持續的超聲波，其中在法蘭8的端部出現了波腹。位置x和稱為側面節點的節點數量與法蘭8的長度K有關。此長度K這樣來選擇，即在X模式中出現至少一個側面節點，即此實施例中的節點17(圖4)。特性E也可通過適當選擇法蘭8的長度K來實現。此外，換能器l還可有利地被設計為F)毛細管的孔口12設置在第二個波腹(從喇叭狀件2的尖端ll開始測起)中，此波腹在X模式中產生且在此處用附圖標記18表示；G)在Y模式中，在螺釘6的螺釘頭和壓電驅動器4、5之間出現至少一個節點，例如節點19(圖2);和H)在X模式中，配合件3既在中心也在邊緣附近具有節點20(圖5)，因此壓電驅動器4、5的整個面向配合件3的表面都在相同的y方向上振動，因此(相當于頻率fx)交替地經受拉力負荷或壓力負荷。以這種方式避免所述表面的一部分在y方向的正向上運動而所述表面的另一部分則同時在y方向的負向上運動。通過相配地選擇配合件3的長度L(3和螺釘6的從配合件3中伸出來的部件的長度Ls，來達到特性G。通過優化配合件3的幾何形狀并因而優化其質量分布，來達到特性H。在此實施例中，配合件3是一個平板，其遠離換能器1的縱軸線7的端部因為這個原因加寬(如圖l所示的一樣)。配合件3的寬度Bt優選大于間隔Dp此間隔Dt是指壓電驅動器4或5的外邊緣與超聲波換能器1的縱軸線7之間的距離。因此配合件3從側面超出壓電驅動器4或5。按本發明的換能器可在三個模式下運轉，即，只在Y模式下、只在X模式下或在XY模式下，在XY模式下同時激勵了X模式和Y模式。Y模式特別適合對在y方向上延伸的金屬線圈進行接合。X模式特別適合對在x方向上延伸的金屬線圈進行接合。XY模式是一種全新的模式，在這8種模式中同時且相互獨立地激勵X模式和Y模式。盡管如此，毛細管尖端在x方向和y方向上的振動的振幅都具有合理的大小，且它們優選大致是一樣大的。毛細管尖端在x方向和y方向上的振動的振幅并不相關，這使毛細管的尖端形成了利薩如圖。毛細管的尖端也遵循利薩如路徑，此利薩如路徑由長方形限定。在圖6中示出了利薩如路徑的例子。圖7示出了控制電路，此控制電路使超聲波換能器l能夠在上面所述的三個模式中運行。壓電驅動器4、5的構造是相同的。每個壓電驅動器4、5都是由多個(典型的是所示的四個或六個或更多)壓電元件21構成的堆疊，這些壓電元件21并排地、極化方向交替地堆疊在一起，其中在壓電元件21之間總是夾著導電的平板22。壓電元件21的極化方向通過標記"+"和"-"的順序來表示。控制電路包含第一振蕩器23，用來激勵Y模式；第二振蕩器24，用來激勵X模式；和變壓器25，其具有初級繞組26和次級繞組27。次級繞組27由兩個相同的繞組28和29組成，它們具有共同的輸入接頭30和各自的輸出接頭31或32。第一振蕩器23的輸出與次級繞組27的共同的輸入接頭30相連。第二振蕩器24的輸出與初級繞組26的第一接頭相連，而初級繞組26的第二接頭接地。繞組28的輸出接頭31與第一壓電驅動器4的壓電元件21的負接頭相連。繞組29的輸出接頭32與第二壓電驅動器5的壓電元件21的負接頭相連。兩個壓電驅動器4和5的壓電元件21的正接頭接地。第一振蕩器23供應交流電壓l^-UYcos(2nfYt+ci)Y)，其中t表示時間，4^表示相位。第二振蕩器24供應交流電壓112=1;)^03(211^1+4)x)，其中(J)x表示相位。下面的表格示出了在三個所述的模式中壓電驅動器4和5上的交流電壓<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權利要求1.超聲波換能器，包含長形的喇叭狀件(2)、配合件(3)、兩個壓電驅動器(4、5)和螺釘(6)；其中配合件借助螺釘固定在喇叭狀件上；壓電驅動器設置在換能器的縱軸線(7)的兩側并夾在喇叭狀件和配合件之間；其中喇叭狀件具有法蘭(8)，此法蘭具有至少一個孔口(9)用來把換能器固定在引線接合機的接合頭上；其中在換能器中在向兩個壓電驅動器加載同相的第一交流電壓時，形成了第一超聲波振動，此第一超聲波振動與換能器的縱軸線平行；其中在換能器中在向兩個壓電驅動器加載反相的第二交流電壓時，形成了第二超聲波振動，此第二超聲波振動與換能器的縱軸線相交，其特征在于，-壓電驅動器位于第一超聲波振動的第一節點(13)中；-壓電驅動器位于第二超聲波振動的第一波腹(14)中；-法蘭位于第一超聲波振動的第二節點(15)中；-法蘭位于第二超聲波振動的第二波腹(16)中；和-法蘭的至少一個孔口位于第二超聲波振動的第二節點(17)中。2.按權利要求l所述的超聲波換能器，其特征在于，喇叭狀件具有用來容納毛細管的孔口(12)，這個孔口設置在第二超聲波振動的從喇叭狀件的尖端開始測量的第二個波腹(16)中。3.按權利要求1或2所述的超聲波換能器，其特征在于，第二超聲波振動具有至少一個位于螺釘的螺釘頭和壓電驅動器之間的節點(19)。4.按權利要求1至3之一所述的超聲波換能器，其特征在于，第二超聲波振動在配合件具有節點(19)，此節點位于配合件的邊緣附近。5.按權利要求1至4之一所述的超聲波換能器，其特征在于，配合件的寬度(B。大于壓龜驅動器的外邊緣與換能器的縱軸線之間的間隔(D。。全文摘要超聲波換能器(1)，包含長形的喇叭狀件(2)、配合件(3)、兩個壓電驅動器(4、5)和螺釘(6)。配合件借助螺釘固定在喇叭狀件上，設置在超聲波換能器的縱軸線(7)兩側的壓電驅動器夾在喇叭狀件和配合件之間。設計超聲波換能器，使得夾在喇叭狀件中的毛細管的尖端可以在兩個不同的方向上振動。文檔編號B06B3/00GK101678400SQ200880010397公開日2010年3月24日申請日期2008年3月20日優先權日2007年4月4日發明者西爾萬·蒂爾勒曼,馬丁·文·爾克斯申請人:Esec公司