專(zhuān)利名稱(chēng)：用于超聲波換能器動(dòng)態(tài)隔離的集成彎曲安裝方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種用在超聲波鍵合設(shè)備中的超聲波換能器。更具體地講，本發(fā)明涉及一種用于超聲波換能器動(dòng)態(tài)隔離的集成彎曲安裝方案。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代的線(xiàn)鍵合機(jī)中，超聲波系統(tǒng)在決定鍵合質(zhì)量方面起至關(guān)重要的作用。這些機(jī)器具有換能器、鍵合工具、以及電驅(qū)動(dòng)電路。該超聲波系統(tǒng)影響能量向成型下的鍵合的轉(zhuǎn)換。在鍵合線(xiàn)和工件器件之間形成的互連是線(xiàn)鍵合工藝的關(guān)鍵所在。在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，互連的完整性度是半導(dǎo)體器件可靠性的關(guān)鍵之一。超聲波鍵合已經(jīng)在線(xiàn)鍵合中使用了四十多年了，并且超聲波系統(tǒng)在這些年中不斷地改進(jìn)以便提供更快速、更可重復(fù)的和更強(qiáng)的線(xiàn)鍵合。
線(xiàn)鍵合機(jī)上的超聲波系統(tǒng)是超聲波發(fā)生器和換能器。超聲波發(fā)生器以給定頻率向換能器提供電能。在線(xiàn)鍵合器的現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平上，超聲波發(fā)生器采用鎖相環(huán)和振幅控制電路來(lái)提供自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而追蹤在線(xiàn)鍵合期間的變化。換能器是壓電諧振器，它將來(lái)自超聲波發(fā)生器的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，該機(jī)械振動(dòng)幫助形成線(xiàn)鍵合連接。換能器，還被稱(chēng)為超聲波焊頭(ultrasonic horn)，具有夾緊裝置，將鍵合工具安裝在該夾緊裝置上。在球鍵合中，鍵合工具通常是陶瓷毛細(xì)管。換能器本身具有驅(qū)動(dòng)器(壓電晶體)、放大器(用于幅度放大的錐形體)和安裝凸緣，所述安裝凸緣用于將換能器安裝到線(xiàn)鍵合機(jī)的鍵合頭上。
通過(guò)給壓電晶體施加電負(fù)載以產(chǎn)生使焊頭的錐形體在長(zhǎng)度方向(軸向)上振動(dòng)的超聲波振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵合。同時(shí)，使陶瓷毛細(xì)管下降從而接觸工件器件。
已知的是，將換能器安裝到線(xiàn)鍵合機(jī)上，從而使換能器準(zhǔn)確地位于理論節(jié)點(diǎn)上或相對(duì)于其振動(dòng)頻率的零偏移點(diǎn)上。在該位置上，可以有效地防止超聲波焊頭的錐形體的升降(軸向運(yùn)動(dòng))期間的振蕩。這種零節(jié)點(diǎn)安裝將來(lái)自壓電晶體的最少量的能量耦合到安裝換能器的鍵合機(jī)中。有些換能器是作為單體設(shè)計(jì)而制造的，就是說(shuō)，安裝凸緣和錐形體是一個(gè)部件。這些換能器的限制在于它們只能在一個(gè)節(jié)點(diǎn)或其諧波上工作，被稱(chēng)為固定頻率換能器。當(dāng)這種現(xiàn)有技術(shù)固定頻率換能器在多個(gè)頻率(非諧波)被驅(qū)動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)幾個(gè)問(wèn)題，阻止了這種現(xiàn)有技術(shù)換能器在附加頻率上使用。
而且，甚至當(dāng)這些固定頻率換能器在它們的特殊節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，它們的安裝耳仍然有一部分沒(méi)有位于頻率節(jié)點(diǎn)上。結(jié)果是，該換能器安裝耳振動(dòng)并造成能量消耗。為了減少單體換能器中的這種能量損失，將安裝凸緣做得非常薄，從而停留在節(jié)點(diǎn)上。然而，如果安裝凸緣太薄，則由于安裝凸緣不牢固而導(dǎo)致振動(dòng)焊頭的硬度相應(yīng)下降。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用具有與換能器主體分開(kāi)的安裝凸緣的換能器。不幸的是，通過(guò)引入分離結(jié)構(gòu)將安裝凸緣連接到換能器主體上，損害了換能器主體的硬度。
因此需要一種在多個(gè)超聲頻率下適合使用的超聲波換能器，其具有足夠硬度的安裝凸緣，所述硬度不會(huì)妨礙換能器中的超聲振動(dòng)，同時(shí)防止將振動(dòng)傳輸?shù)綑C(jī)器鍵合頭中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于與線(xiàn)鍵合機(jī)一起使用的超聲波換能器動(dòng)態(tài)隔離的集成彎曲安裝方案。該換能器具有一般細(xì)長(zhǎng)形狀的主體，該主體具有前部、后部和主部。換能器具有用于將換能器安裝到線(xiàn)鍵合機(jī)上的安裝凸緣。安裝凸緣具有至少兩個(gè)集成彎曲部，它們將安裝凸緣連接到換能器主體的主部上并限定至少一個(gè)彎曲口。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，具有集成彎曲安裝方案的超聲波換能器具有至少兩個(gè)集成彎曲部從而將換能器主體的主部連接到安裝凸緣上。連接到換能器主體的主部上的至少兩個(gè)彎曲部彼此分開(kāi)至少大約0.25英寸。根據(jù)另一實(shí)施例，用于鍵合機(jī)的超聲波換能器在多個(gè)頻率下工作。在典型實(shí)施例中，多個(gè)工作頻率中的至少一個(gè)頻率不是多個(gè)工作頻率中的另一個(gè)頻率的諧波。
本發(fā)明的又一實(shí)施例包括一般細(xì)長(zhǎng)形狀的超聲波換能器主體，它具有前部、后部和主部。換能器還具有用于將換能器主體安裝到鍵合機(jī)上的安裝凸緣。連接換能器主體和安裝凸緣的是四個(gè)集成彎曲部。四個(gè)集成彎曲部、安裝凸緣和換能器主體的主部限定了第一基本縱向孔，該孔具有基本上平行于細(xì)長(zhǎng)換能器主體的縱軸的軸，并且還限定了第二孔，該孔具有基本上垂直于細(xì)長(zhǎng)換能器主體的縱軸的軸。
附圖簡(jiǎn)述通過(guò)下面參照附圖的詳細(xì)說(shuō)明，更好地理解本發(fā)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)通常的實(shí)踐，附圖的各個(gè)特征不是按照比例繪制的。相反，為了清楚起見(jiàn)，將各個(gè)特征的尺寸任意地?cái)U(kuò)大或縮小。附圖中包含的是如下幾副圖

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)典型實(shí)施例的具有集成彎曲安裝方案的單體換能器的透視圖；圖2是圖1的換能器的正視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的換能器的透視圖；圖4是圖3中所示的實(shí)施例的正視圖；圖5A是本發(fā)明另一典型實(shí)施例的透視圖；以及圖5B是圖5A的實(shí)施例的頂視圖。
本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明現(xiàn)在參見(jiàn)附圖，其中在各個(gè)附圖中相同的參考標(biāo)記表示相同的元件，圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有集成彎曲安裝的單體換能器100的透視圖。超聲波換能器100包括具有一般細(xì)長(zhǎng)形狀的換能器主體102。換能器主體102具有將毛細(xì)管110安裝到其上的前部102a。在換能器主體102的另一端是后部102c。在換能器主體102的前部和后部之間的是主部102b。換能器主體102的主部102b設(shè)置在安裝凸緣105之間。換能器主體102的主部102b含有適于容納壓電元件104的孔?；蛘撸鐖D5A-B所示，可以通過(guò)孔將壓電元件104安裝到換能器主體102的后部102c上。壓電元件104可以根據(jù)需要容納在單孔中或多孔中。
在主部102b周邊的是安裝凸緣105。安裝凸緣105各具有設(shè)置在換能器主體102的主部102b的相對(duì)邊上的安裝部分。每個(gè)安裝凸緣105限定穿過(guò)其各個(gè)安裝部分形成的孔106?？?06具有基本上平行于換能器主體102的縱軸的縱軸。在一個(gè)典型實(shí)施例中，孔106是用來(lái)利用公知的附件，例如螺釘，來(lái)將換能器主體102剛性地固定到鍵合機(jī)(未示出)上的安裝孔。
在圖1所示的實(shí)施例中，換能器主體102的主部102b、安裝凸緣105和至少一個(gè)集成彎曲部由一塊材料形成。該塊材料可以是任何合適的材料，例如不銹鋼或航空等級(jí)鋁。在典型實(shí)施例中，使用鈦形成換能器主體102。
根據(jù)本發(fā)明的典型實(shí)施例，圖1示出每個(gè)安裝凸緣具有至少一個(gè)彎曲部的超聲波換能器的集成彎曲安裝方案。優(yōu)選地，集成彎曲安裝方案中每個(gè)安裝凸緣具有四個(gè)集成彎曲部前上部108b、前下部108a、后上部108c和后下部108d(圖1中未示出)。彎曲部在一端連接到換能器主體102的主部102b，另一端連接到安裝凸緣105。集成的前上部和后上部彎曲部、集成的前下部和后下部彎曲部、換能器主體102的主部102b以及安裝凸緣105限定在換能器主體102軸向上的基本縱向的集成彎曲孔112。例如，一對(duì)集成彎曲部，例如，集成的前上部和后上部彎曲部108b和108c還限定狹縫113，該狹縫113在長(zhǎng)度方向上延伸并基本上平行于換能器本體102的縱軸。參見(jiàn)圖5B，狹縫113的尺寸部分地由集成后上部彎曲部108c和集成前上部彎曲部108b限定，其中所述集成后上部彎曲部108c處在換能器主體102的主部102b的連接點(diǎn)205上，所述集成前上部彎曲部108b處在換能器主體102的主部102b的相應(yīng)連接點(diǎn)210上。連接點(diǎn)205和210限定距離200。優(yōu)選地，距離200至少大約為0.25英寸。
根據(jù)圖1和2所示的典型實(shí)施例，由安裝凸緣105限定并由參考標(biāo)記150表示的集成彎曲孔112的內(nèi)部或輪廓可以具有不同于由換能器主體102的主部102b限定并由參考標(biāo)記152表示的集成彎曲孔112的一側(cè)的形狀。例如，如圖3和4所示，由安裝凸緣105限定的并由參考標(biāo)記250表示的集成彎曲孔112的一側(cè)具有與由換能器主體102的主部102b限定的并由參考標(biāo)記252表示的集成彎曲孔112的一側(cè)基本相同的形狀。換言之，基本上縱向的彎曲孔可以是對(duì)稱(chēng)的、非對(duì)稱(chēng)的、或者無(wú)定形的，這取決于用于形成集成彎曲孔112的工具。同樣，狹縫113可以適合由集成彎曲部限定的任何形狀，所述狹縫113在長(zhǎng)度方向上延伸并基本上平行于換能器主體102的縱軸并且由一對(duì)前、后彎曲部形成。如果每個(gè)安裝凸緣安裝四個(gè)以上的集成彎曲部，即，不止一個(gè)前上、前下以及后上和后下彎曲部，則可以是多個(gè)集成彎曲孔和多個(gè)狹縫。
彎曲部可以具有任何合適的厚度，但是為了使在換能器主體102和鍵合機(jī)(未示出)之間傳輸?shù)哪芰孔钌俣鴺?gòu)成。在一個(gè)典型實(shí)施例中，集成彎曲部具有大約0.005與0.030英寸之間的厚度。在另一典型實(shí)施例中，集成彎曲部具有大約0.015英寸的厚度。本發(fā)明人已經(jīng)確定這些類(lèi)型的集成彎曲部實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果。
當(dāng)在鍵合機(jī)上的兩個(gè)完全相反的安裝凸緣點(diǎn)上將安裝凸緣105安裝成與超聲波換能器的節(jié)點(diǎn)相一致時(shí)，集成彎曲部用于支撐換能器主體102。以這種方式，當(dāng)換能器工作時(shí)，集成彎曲部提供換能器主體102與安裝凸緣105和鍵合機(jī)的動(dòng)態(tài)隔離。這種動(dòng)態(tài)隔離可以量化為對(duì)基于安裝的諧振阻抗變化不敏感，并且不能激勵(lì)安裝支撐結(jié)構(gòu)中的寄生節(jié)點(diǎn)。
這里所述的典型集成彎曲安裝方案提供用于安裝換能器所需的必要靜態(tài)硬度而沒(méi)有在諧振工作節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生顯著的動(dòng)態(tài)相互作用。集成彎曲部通過(guò)與中間節(jié)點(diǎn)軸的適當(dāng)平行間隔提供高靜態(tài)彎曲硬度。換能器主體102的主部102b為有源壓電晶體104提供單獨(dú)的支撐，由此顯著地減小換能器在不同安裝條件下的靈敏度，例如在不同鍵合機(jī)之間發(fā)現(xiàn)的那樣。此外，由于集成彎曲部在工作諧振模式中具有相對(duì)低的質(zhì)量參與，因此到換能器主體102的安裝位置不是特殊的，允許使用具有各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的多個(gè)工作模式。
本發(fā)明的超聲波換能器還可以在多個(gè)頻率下工作。所述多個(gè)頻率可以不止是單一頻率的諧波。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，超聲波換能器在多個(gè)頻率下工作，所述多個(gè)頻率不同于所述多個(gè)頻率中的另一頻率的諧波。根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，超聲波換能器在大約60KHz和大約160KHz的頻率下工作。因此，可以通過(guò)安裝凸緣105來(lái)安裝超聲波換能器，所述安裝凸緣105與超聲波換能器100在多個(gè)工作頻率中的每一個(gè)頻率上的節(jié)點(diǎn)相一致。
圖5A和5B示出本發(fā)明的另一典型實(shí)施例。在圖5A中，使用任何公知手段將壓電晶體104安裝在細(xì)長(zhǎng)的換能器主體102的后部102c內(nèi)。借助前上和前下集成彎曲部108a和108b以及后上和后下集成彎曲部108c和108d將安裝凸緣105連接到換能器主體102的主部102b上。后上彎曲部108c和前上彎曲部108b與換能器主體的主部102b一起限定狹縫113，該狹縫113在長(zhǎng)度方向上延伸并基本上平行于換能器本體102的縱軸。前上彎曲部108b和前下彎曲部108a與換能器主體102的主部102b以及安裝部分105一起限定集成彎曲孔112，該集成彎曲孔112具有基本上與換能器主體102的軸平行的軸。如在第一典型實(shí)施例中那樣，集成彎曲部提供換能器主體102與鍵合機(jī)的隔離。
盡管這里參照具體實(shí)施例描述和說(shuō)明了本發(fā)明，但是本發(fā)明不旨在限于所示的細(xì)節(jié)。而是，可以在不脫離本發(fā)明的情況下在權(quán)利要求的范圍和等效范圍內(nèi)進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種與鍵合機(jī)一起使用的超聲換能器，包括一般細(xì)長(zhǎng)形狀的換能器主體，其具有前部、后部和主部；至少一個(gè)安裝凸緣，用于將所述換能器主體安裝到所述鍵合機(jī)上；以及至少兩個(gè)彎曲部，在所述安裝凸緣和所述換能器主體的所述主部之間延伸，所述主部、所述彎曲部、以及所述安裝凸緣限定彎曲孔，所述彎曲孔在與所述換能器主體的所述軸向基本平行的方向上延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其中所述換能器主體的所述主部、所述安裝凸緣、以及所述至少兩個(gè)彎曲部由一塊材料形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波換能器，其中所述材料包括不銹鋼、航空等級(jí)鋁、鈦和/或其合金中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波換能器，其中所述材料是鈦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，還包括(1)第二安裝凸緣，設(shè)置在所述主部與所述安裝凸緣相對(duì)一側(cè)的相鄰處，以及(2)兩個(gè)附加彎曲部，在所述第二安裝凸緣和所述換能器主體的所述主部之間延伸，所述主部、所述附加彎曲部、以及所述第二安裝凸緣限定第二彎曲孔，所述第二彎曲孔在與所述換能器主體的所述軸向基本平行的方向上延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲波換能器，其中所述換能器主體的所述主部限定位于所述安裝凸緣和所述第二安裝凸緣之間的孔，該孔適于容納壓電元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲波換能器，其中所述孔是單個(gè)孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其中所述換能器主體的所述后部適于容納壓電元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波換能器，其中所述后部限定適于容納所述壓電元件的單個(gè)孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲波換能器，其中所述安裝凸緣和所述第二安裝凸緣的每一個(gè)限定貫穿它們的相應(yīng)孔，所述相應(yīng)孔具有與所述換能器主體的縱軸基本平行的[[a]]縱軸。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其中所述安裝凸緣與所述超聲波換能器的工作頻率的節(jié)點(diǎn)相一致。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其中將所述超聲波換能器構(gòu)成為在多個(gè)頻率下工作。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的超聲波換能器，其中所述多個(gè)頻率的至少一個(gè)不是所述多個(gè)頻率中的另一個(gè)的諧波。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的超聲波換能器，其中所述多個(gè)頻率中的第一個(gè)頻率大約為60KHz，所述多個(gè)頻率中的第二個(gè)頻率是大約160KHz。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的超聲波換能器，其中所述安裝凸緣與所述超聲波換能器在所述多個(gè)工作頻率中的每個(gè)頻率上的節(jié)點(diǎn)相一致。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其中所述至少兩個(gè)彎曲部包括前上彎曲部、前下彎曲部、后上彎曲部和后下彎曲部，并且其中在所述彎曲部中的至少一個(gè)和所述換能器主體的所述主部之間限定狹縫，所述狹縫在長(zhǎng)度方向上延伸并基本上平行于所述換能器主體的所述主部的縱軸。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的超聲波換能器，其中所述狹縫具有至少大約0.25英寸的長(zhǎng)度。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的超聲波換能器，其中每個(gè)所述彎曲部具有在大約0.005與0.030英寸之間的厚度。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的超聲波換能器，其中每個(gè)所述彎曲部具有大約0.015英寸的厚度。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的超聲波換能器，其中所述彎曲孔具有與所述安裝凸緣相鄰的第一內(nèi)部輪廓和與所述換能器主體相鄰的第二內(nèi)部輪廓，所述第一輪廓和所述第二輪廓基本上彼此相似。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的超聲波換能器，其中所述彎曲孔具有與所述安裝凸緣相鄰的第一內(nèi)部輪廓和與所述換能器主體相鄰的第二內(nèi)部輪廓，所述第一輪廓和所述第二輪廓彼此不同。
22.一種與鍵合機(jī)一起使用的超聲波換能器，所述換能器包括一般細(xì)長(zhǎng)形狀的換能器主體，其具有前部、后部和主部；安裝凸緣，用于將所述換能器主體安裝到所述鍵合機(jī)上；以及至少一個(gè)彎曲部，在所述安裝凸緣和所述換能器主體的所述主部之間延伸，將所述超聲波換能器構(gòu)成為在多個(gè)頻率下工作，并且所述多個(gè)頻率中的至少一個(gè)不是所述多個(gè)頻率中的另一個(gè)頻率的諧波。
23.一種與鍵合機(jī)一起使用的超聲波換能器，包括一般細(xì)長(zhǎng)形狀的換能器主體，其具有前部、后部和主部；安裝凸緣，用于將所述換能器主體安裝到所述鍵合機(jī)上；以及與所述安裝凸緣相鄰并到所述換能器主體的所述主部的至少兩個(gè)彎曲部，所述至少兩個(gè)彎曲部具有大約0.005和0.030英寸之間的厚度，其中所述至少兩個(gè)彎曲部彼此至少相距大約0.25英寸。
24.一種具有集成彎曲安裝方案的超聲波換能器，包括一般細(xì)長(zhǎng)形狀的換能器主體，其具有前部、后部和主部；設(shè)置在所述換能器主體的相對(duì)側(cè)上的第一安裝凸緣和第二安裝凸緣；以及集成彎曲部，在每個(gè)所述安裝凸緣和所述細(xì)長(zhǎng)換能器主體的所述主部之間延伸，其中所述彎曲部、所述安裝凸緣、以及所述換能器主體的所述主部在所述換能器主體的相對(duì)側(cè)上限定兩個(gè)基本上是縱向的孔，每個(gè)孔在與所述細(xì)長(zhǎng)換能器主體的縱軸基本平行的方向上延伸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于與線(xiàn)鍵合機(jī)一起使用的超聲波換能器動(dòng)態(tài)隔離的集成彎曲安裝方案。所述換能器具有一般細(xì)長(zhǎng)形狀的主體，其具有前部、后部和主部。所述換能器具有用于將該換能器安裝到線(xiàn)鍵合機(jī)上的安裝凸緣。安裝凸緣具有至少兩個(gè)集成彎曲部，所述集成彎曲部將安裝凸緣連接到換能器主體的主部并且限定至少一個(gè)彎曲孔。
文檔編號(hào)B23K20/10GK1733369SQ20051008759
公開(kāi)日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2005年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月28日
發(fā)明者多米尼克·A·迪安杰利斯, 詹姆斯·E·埃德 申請(qǐng)人:庫(kù)利克-索法投資公司