專利名稱：具有聚合物涂層的焊頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種用于細(xì)金屬絲焊接的焊頭，尤其涉及一種在毛細(xì)管的表面上設(shè)有聚合物涂層的毛細(xì)管焊頭。
背景技術(shù)：
目前，引線接合法是用于半導(dǎo)體器件互聯(lián)的主要方法。在引線接合領(lǐng)域，焊頭故障導(dǎo)致互聯(lián)的半導(dǎo)體器件的毀壞，從而嚴(yán)重降低產(chǎn)量。為了防止焊頭故障，需在故障發(fā)生的預(yù)計(jì)時(shí)間之前定期更換焊頭。
引線接合工藝由“操作窗”確定，它是焊機(jī)允許在其中操作的參數(shù)范圍。為了保持焊接質(zhì)量，必須調(diào)整焊接參數(shù)。然而，并不允許焊接參數(shù)超出允許的操作窗。當(dāng)焊接過(guò)程必須停止并更換焊頭時(shí)，就導(dǎo)致生產(chǎn)率的降低。而且，由于使用大量超出必須需要的焊頭，也導(dǎo)致了附加的費(fèi)用。
在應(yīng)用引線接合時(shí)，雜質(zhì)的積累和磨損的加快限制了現(xiàn)有技術(shù)中基于陶瓷(例如，氧化鋁、氧化鋯和硬質(zhì)氧化鋁、氧化鋯、滲碳的碳化鎢等)的焊頭的可使用時(shí)間。有機(jī)衍生的含碳物質(zhì)的粘性和隨后從結(jié)合金屬絲嵌入含碳物質(zhì)中的金屬顆粒引起了焊頭的不對(duì)稱負(fù)載，并最終由于撓性彎曲而導(dǎo)致焊頭的機(jī)械故障。含碳物質(zhì)通過(guò)電子火焰斷開(EFO，用于形成焊球)而在石油和硬脂酸基材料上作用產(chǎn)生，石油和硬脂酸基材料一般被置于金屬絲的表面以提高金屬絲的低卷繞性能。由于焊結(jié)力局部化為焊頭表面的一個(gè)點(diǎn)負(fù)荷，所以也增加了表面的磨損。
轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明同一受讓人的美國(guó)專利US5,871,141、US5,558,270和US5,421,503，描述了用于在半導(dǎo)體器件上產(chǎn)生引線接合的各種現(xiàn)有焊頭，在此一并參考。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種焊頭，其包括沿焊頭本體的縱軸線延伸的孔；連接到焊頭本體一端的工作焊嘴；和位于孔的至少一部分表面上的聚合物涂層。
本發(fā)明還涉及一種制造焊頭的方法，所述焊頭用于把細(xì)金屬絲焊接到基片上，它包括步驟形成圓柱形本體，在本體的第一端形成圓錐形部分，形成沿本體縱軸線延伸的孔，以及用聚合物涂敷本體。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，第一涂層沉積在孔的表面，第二涂層沉積在焊頭的外表面。
附圖簡(jiǎn)介在閱讀下面的詳細(xì)說(shuō)明時(shí)，結(jié)合附圖將對(duì)本發(fā)明有更好的理解。需要著重指出的是，根據(jù)慣例，附圖的各個(gè)特征不可以測(cè)量。相反，為了清楚起見，各個(gè)特征的尺寸可以任意地增大或減小。包含在圖中的為以下各附圖

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的焊頭的橫斷面視圖；圖2A-2B是根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的焊頭的橫斷面視圖；圖3A-3B是根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的焊頭的橫斷面視圖；
圖4示出了本發(fā)明的具體實(shí)施例對(duì)焊結(jié)力影響的圖表；圖5示出了本發(fā)明的具體實(shí)施例對(duì)焊接功率影響的圖表；圖6示出了本發(fā)明的具體實(shí)施例對(duì)焊球尺寸影響的圖表；圖7示出了本發(fā)明的具體實(shí)施例對(duì)焊球尺寸比影響的圖表；圖8示出了本發(fā)明的具體實(shí)施例對(duì)焊接性能(即剪切力/單位面積)影響的圖表；圖9是根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施例的涂層工藝的流程圖。
具體實(shí)施例方式
為克服上述缺陷，把聚合物涂層，如聚對(duì)二甲苯(pary 1ene)沉積到焊頭的表面上。這種表面涂層能夠降低雜質(zhì)與焊頭表面的粘附力，所述雜質(zhì)例如為碳、金、銅、氯、鈣、鐵、硫、鈹、氧、氮等，從而延長(zhǎng)了發(fā)生故障的時(shí)間并使引線接合操作窗穩(wěn)定?？梢岳斫猓繉訉⒈恢饕糜谛轮圃斓暮割^，但是如果想要，涂層也可以被應(yīng)用于以前制造的焊頭。
圖1A所示的是現(xiàn)有焊頭100的橫斷面視圖，圖1B是工作焊嘴102的放大的橫斷面視圖。在圖1A中，焊頭100有一孔104，所述孔從焊頭100的末端延伸至工作焊嘴102。焊絲(未示出)被插入孔104中，并穿過(guò)工作焊嘴102。隨著焊絲穿過(guò)孔104被拉出，其與在其上沉積有雜質(zhì)的接觸面108和110(在圖1中示出)接觸并磨損焊頭100的未受保護(hù)的表面。
圖2A是根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)具體實(shí)施例的焊頭的橫斷面視圖。在圖2A中，焊頭200具有涂層220、222，它們分別位于焊頭200的外表面和內(nèi)表面。如在下面詳述中將要討論的，涂層220、222可以是相同的或者是不同的。在具體實(shí)施例中，涂層220、222可以是聚合物，例如聚對(duì)二甲苯或POLYCORBOFLUORO。在具體實(shí)施例中，涂層的平均厚度可達(dá)大約2.0微米。在優(yōu)選實(shí)施例中，涂層220、222的厚度為大約0.1微米。然而，本發(fā)明并不受此限制，基于特殊應(yīng)用，涂層220、222可以為其它厚度。更詳細(xì)地如圖2B所示，涂層220、222也分別保護(hù)表面226、224，在這里焊絲(未示出)與其有最大接觸。而且，由于聚合物涂層220、222有電絕緣性質(zhì)，所以它也可以被用作導(dǎo)電毛細(xì)管的絕緣體。另外，由于在焊頭200的內(nèi)表面上包含有聚合物涂層222，所以在焊絲通過(guò)焊頭200時(shí)，可以降低焊絲的曳力。
一般地，毛細(xì)管和焊頭為圓柱形，它們或者通過(guò)直接陶瓷模壓、然后進(jìn)行燒結(jié)而制成，或者通過(guò)注射成型、然后進(jìn)行燒結(jié)而制成，并通過(guò)研磨或放電加工(EDM)而機(jī)加工成最終形狀。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例的涂布工藝的流程圖。在步驟900，焊頭表面被處理。示例的處理方法包括等離子處理、熱處理和化學(xué)處理。在步驟902，被處理過(guò)的焊頭被置于真空容器內(nèi)。在步驟904，應(yīng)用例如二-對(duì)-二甲苯基二聚物([2，2]二聚二甲苯-羧酸)，在大約150攝氏度和1.0托的壓力下，焊頭汽化。然后在步驟906，在大約690℃和0.5托壓力下焊頭熱解，以產(chǎn)生例如對(duì)二甲苯基(para-xylylene)的前單體。在步驟908，在大約環(huán)境溫度(例如25℃)和大約0.1托的容器壓力下，完成涂層220、222例如多-對(duì)-二甲苯基的沉積。這個(gè)示例過(guò)程在焊頭200上沉積大致均勻連續(xù)的涂層220、222，其厚度大約為0.1微米。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員易于理解，涂層的沉積可以通過(guò)各種汽相淀積法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如化學(xué)汽相沉積法(CVD)、物理汽相沉積法(PVD)以及它們的變型。另外，焊頭可以通過(guò)將焊頭浸入涂層材料中而被涂敷。
圖3A是根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)具體實(shí)施例的焊頭的橫斷面視圖。在圖3A中，焊頭300上有涂層320，所述涂層320沉積在焊頭300的內(nèi)表面部分上。如圖3B更詳細(xì)的示出，涂層320被涂敷在與焊絲(未示出)有最大接觸的表面上。也可以理解，涂層可以被涂敷在焊頭任意想要的內(nèi)表面和/或外表面上。
更進(jìn)一步理解，在任意組合方式中，涂層可以是軟的或者硬的，像在焊頭外表面上的硬涂層220和在焊頭內(nèi)表面上的軟涂層222，反之亦然。在焊頭200的外表面采用硬涂層220可以增加焊頭的抗磨損性，特別是沿226部分，該部分在焊接過(guò)程中與焊接區(qū)(未示出)的表面相接觸。然而，在焊頭200的內(nèi)表面采用軟涂層222有助于降低焊絲在通過(guò)焊頭時(shí)的曳力。這種硬涂層例如是無(wú)定型氧化鋁和Si3N4。這種軟涂層例如可以是聚合物(即聚烯烴、聚對(duì)苯二甲撐、floropolymers等)。
圖4-8示出聚合物涂層在改善引線接合工藝的可靠性和穩(wěn)定性方面的作用。參照?qǐng)D4，示出圖表400。在圖4中，圖表400繪出了聚合物涂層對(duì)焊結(jié)力的影響。在圖4中，縱坐標(biāo)是相對(duì)于被焊接的金屬絲的數(shù)量的焊頭的使用壽命，橫坐標(biāo)是形成焊縫所需的焊結(jié)力。曲線402是現(xiàn)有焊頭的點(diǎn)403的線性表示。如圖所示，曲線402隨焊縫數(shù)的增加而顯著增加。曲線402還示出在大約800,000個(gè)焊縫之后焊頭損壞(即，落在上述的操作窗之外，需要更換)。通過(guò)比較，曲線404是根據(jù)本發(fā)明的焊頭的點(diǎn)405的線性表示。如圖所示，曲線404示出隨焊縫數(shù)的增加，焊結(jié)力的增加很小。曲線404也示出示例焊頭的使用壽命為大約兩倍于現(xiàn)有焊頭的壽命。
在圖5中，圖表500繪制出聚合物涂層對(duì)焊接功率的影響。在圖5中，縱坐標(biāo)是相對(duì)于被焊接的金屬絲的數(shù)量焊頭的使用壽命，橫坐標(biāo)是形成焊縫所需的焊接功率。曲線502是現(xiàn)有焊頭的點(diǎn)503的線性表示。如圖所示，曲線502隨焊縫數(shù)的增加而顯著增加。通過(guò)比較，曲線504是根據(jù)本發(fā)明的焊頭的點(diǎn)505的線性表示。如圖所示，曲線504示出隨焊縫數(shù)的增加，焊接功率的增加很小。
在圖6中，圖表600繪制出聚合物涂層對(duì)焊球尺寸的影響。在圖6中，縱坐標(biāo)是相對(duì)于被焊接的金屬絲的數(shù)量焊頭的使用壽命，橫坐標(biāo)是焊球的平均直徑。曲線602是現(xiàn)有焊頭的點(diǎn)603的線性表示，曲線604是根據(jù)本發(fā)明的焊頭的點(diǎn)605的線性表示。如圖所示，不僅現(xiàn)有焊頭的平均焊球直徑比示例的焊頭的要大，平均直徑增長(zhǎng)率也大于示例焊頭的增長(zhǎng)率。這種增加的直徑會(huì)影響焊接工藝，如在工業(yè)中增加的密度要求。
在圖7中，圖表700繪制出聚合物涂層對(duì)焊球尺寸比的影響。在圖7中，縱坐標(biāo)是相對(duì)于被焊接的金屬絲的數(shù)量焊頭的使用壽命，橫坐標(biāo)是焊球尺寸比。曲線702是現(xiàn)有焊頭的點(diǎn)703的線性表示。如圖所示，曲線702隨焊縫的增加而顯著下降。相比較，曲線704是根據(jù)本發(fā)明的焊頭的點(diǎn)705的線性表示。如圖所示，曲線704示出，隨焊縫數(shù)的增加，焊球尺寸比的變化很小。因此，通過(guò)使用示例的焊頭，可以獲得更均勻的焊球。
在圖8中，圖表800繪制出聚合物涂層對(duì)破壞一個(gè)焊縫所需的單位面積剪切力的影響。在圖8中，縱坐標(biāo)是焊頭相對(duì)于被焊接的金屬絲數(shù)量的使用壽命，橫坐標(biāo)是剪切力。曲線802是現(xiàn)有焊頭的點(diǎn)803的線性表示。如圖所示，曲線802隨焊縫數(shù)的增加而下降，因此表明隨著焊頭的使用，焊縫變?nèi)?。相比較，曲線804是根據(jù)本發(fā)明的焊頭的點(diǎn)805的線性表示。如圖所示，曲線804示出，隨焊縫數(shù)的增加，破壞一個(gè)焊縫所需的剪切力有點(diǎn)增加。
盡管已參照具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了敘述，但其并不受限于此。相反地，在不偏離本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍的情況下，附屬權(quán)利要求書應(yīng)被視為包括其它變型實(shí)施方式，它們可以由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員做出。
權(quán)利要求
1.一種用于把金屬絲焊接到基片上的焊頭，所述焊頭具有一本體和一連接到本體一端上的工作焊嘴，并包括孔，其沿本體的縱軸和工作焊嘴延伸；和涂層，其沉積在所述孔的至少一部分表面上。
2.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述涂層沿所述孔的全長(zhǎng)延伸。
3.如權(quán)利要求2所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述涂層被涂覆在所述工作焊嘴的外表面的至少一部分上。
4.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述涂層位于所述工作焊嘴的外表面的至少一部分上。
5.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述涂層位于所述工作焊嘴的外表面上和所述本體上。
6.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述涂層是聚合物。
7.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述涂層是以下物質(zhì)中的至少一種i)聚合物，ii)氧化鋁，ii)Si3N4，iv)氧化硅，v)12％的氧化硅和88％的氧化鋁的組合物，和vi)類金剛石硅石(DLC)。
8.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述涂層是沿孔的內(nèi)表面沉積的聚合物，以及沿孔的外表面沉積的以下物質(zhì)中的一種i)氧化鋁，ii)Si3N4，iii)氧化硅，iv)12％的氧化硅和88％的氧化鋁的組合物，和v)類金剛石硅石(DLC)。
9.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述涂層基本上厚度均勻。
10.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述涂層具有基本上達(dá)大約2.0微米的均勻厚度。
11.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述涂層具有大約為0.1微米的基本均勻的厚度。
12.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述焊頭的本體基本為圓柱形。
13.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述涂層是聚烯烴和聚對(duì)二甲苯中的一種。
14.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述涂層通過(guò)汽相淀積形成。
15.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述涂層通過(guò)化學(xué)汽相沉積法和物理汽相沉積法中的一種形成。
16.如權(quán)利要求1所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述涂層通過(guò)把焊頭浸入一涂層材料中形成。
17.一種制造用于把細(xì)金屬絲焊接到基片上的毛細(xì)管焊頭的方法，所述方法包括以下步驟形成一圓柱本體；在本體的第一端形成一錐形；形成一沿本體縱軸延伸的孔；以及用聚合物涂敷所述孔的至少一部分。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述涂敷步驟形成厚度大約2.0微米的大致均勻連續(xù)的涂層。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述涂敷步驟形成厚度為大約0.1微米的大致均勻連續(xù)的涂層。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述涂敷步驟包括在第一溫度和第一壓力下形成前單體；和在第二溫度和第二壓力下從所述前單體形成所述涂層。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一溫度為大約690℃，所述第一壓力為大約0.5托，所述第二溫度為大約25℃，所述第二壓力為大約0.1托。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述前單體是這樣形成的即在大約150℃和大約1.0托下二-對(duì)-二甲苯基二聚物汽化，然后在大約690℃和大約0.5托下熱解。
23.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述毛細(xì)管通過(guò)i)陶瓷直接模壓，和ii)注射成型中的一種形成，并且通過(guò)i)研磨和ii)放電加工中的一種進(jìn)行機(jī)加工而形成最終形狀。
24.一種用于把金屬絲焊接到基片上的焊頭，包括本體部分；連接到本體一端的工作焊嘴；沿所述本體的縱軸和所述工作焊嘴延伸的孔；第一涂層，其位于所述孔的表面的至少一部分上；和第二涂層，其位于所述本體的外表面的至少一部分上。
25.如權(quán)利要求24所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述第一涂層是聚合物，所述第二涂層是除聚合物以外的其他物質(zhì)。
26.如權(quán)利要求25所述的毛細(xì)管焊頭，其特征在于，所述第二涂層是氧化鋁和Si3N4中的其中一種。
27.一種制造毛細(xì)管焊頭的方法，所述毛細(xì)管焊頭用于把細(xì)金屬絲焊接到一基片上，所述方法包括以下步驟形成沿焊頭縱軸線延伸的一個(gè)孔；用聚合物涂敷所述孔的至少一部分；和用非聚合物涂敷所述焊頭外表面的至少一部分。
全文摘要
一種焊頭(300)，用于將金屬絲焊接到基片上。該焊頭(300)具有本體部分(302)、連接到本體部分(302)一端上的工作焊嘴、沿主體(302)縱軸線和工作焊嘴延伸的孔、以及沉積到孔表面的至少一部分上的聚合物涂層(320)。
文檔編號(hào)B23K20/00GK1489503SQ02804258
公開日2004年4月14日 申請(qǐng)日期2002年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月30日
發(fā)明者本亞明·索南賴克, 本亞明 索南賴克, 特 魯濱宗, 西加利特·魯濱宗 申請(qǐng)人:庫(kù)利克-索法投資公司