專利名稱：具有s形環(huán)的諧振優(yōu)化的接合線的制作方法
具有S形環(huán)的諧振優(yōu)化的接合線
背景技術(shù)：
線接合(wire bonding)已經(jīng)在許多年被用于電連接。線接合一般被看做最有成本效益的并且最靈活的互連技術(shù)，而且被用來裝配大多數(shù)的半導體封裝。如在這里所使用的那樣，術(shù)語“接合線”指的是在針對電子裝置的封裝內(nèi)提供電連接的線。舉例而言，接合線被用在容納微處理器的塑料封裝內(nèi)。這些接合線提供在從塑料封裝中延伸的眾多的在外部可見的連接管腳與在塑料封裝內(nèi)的集成電路管芯(die)上的連接點之間的電連接。線直徑起始于比人的頭發(fā)細很多的15 μ m (O. 6密耳)或更細一些，并且針對高功率應用可以高達數(shù)百微米。雖然一些接合線由鋁或銅制成(部分地因為鋁或銅是便宜的或更導電的)，但是在腐蝕環(huán)境中，大部分接合線由金制成，因為金將不會腐蝕并且隨著時間的過去將提供比鋁或銅將提供的連接更可靠的連接。在一些應用中使用接合線的微處理器和其它電子裝置遭受振動和/或機械沖擊。 在某些應用中，振動的頻率和幅度是如此的極端，例如在30KHz以上為20G (1G=9. 8米/秒2)，接合線的到接合焊盤或其它表面的連接可以遭遇高周疲勞故障。實驗和計算機模擬已經(jīng)表明，在到襯底或接合焊盤的連接點處的接合線故障主要是由于接合線的與被施加到該裝置的強迫振動的頻率共振的固有頻率引起的。用另一種方式陳述，如果電子裝置以基本上等于接合線的固有頻率的頻率來振動，則接合線的在其諧振頻率下的合成振動可以在數(shù)量級上被放大，并且可能引起線在其被附著到接合焊盤的地方疲勞故障。防止線疲勞故障的一個現(xiàn)有技術(shù)解決方案是使用鋁線來提升固有頻率，因為鋁具有較低的質(zhì)量密度。然而，使用鋁要求接合線被嵌入到粘膠中，以避免線腐蝕。使用膠的一個缺點是通常被要求來限制膠的膠容器或膠壩(gel dam)可以使得所得到的裝置更復雜并且更昂貴。在某個應用中，具有超過擾動頻率(forcing frequency)的更高的固有頻率的接合線中的特定振動軸會是對現(xiàn)有技術(shù)的改進，因為該特定振動軸會避免振動疲勞故障。避免使用粘膠來減少疲勞故障也會是對現(xiàn)有技術(shù)的改進。另一個優(yōu)點也被發(fā)現(xiàn)，因為具有被優(yōu)化的外形(profile)的線是最短的或幾乎最短的，這也可以在高產(chǎn)量生產(chǎn)期間節(jié)約成本。


圖IA是包括借助細的、被拉長的接合線被電連接到在較低高度處的壓阻式換能器(PRT, piezoresistive transducer)管芯的集成電路的壓力傳感器的透視 圖IB是在圖IA中所描繪的壓力傳感器的頂視 圖2是在圖IA和圖IB中所描繪的接合線的側(cè)視 圖3A和圖3B分別是在第一模式中振動和在第五模式中振動的接合線的頂視 圖4A、4B和4C描繪了具有針對在第二振動模式中振動的具有不同外形和長度的接合線的頻率的不同模式形狀；
圖5A、5B和5C描繪了理想的最優(yōu)的線外形以及如何針對由兩個線段組成的線定位理想的連接點；圖6描繪了 S形曲線，所述S形曲線緊密地接近接合線的第一段的理想化的形狀；
圖7示出了被優(yōu)化的線外形，并且描繪了針對接合線的兩個線段的理想化的交匯點的確定；
圖8、圖9描繪了針對被用來電連接具有比其水平分離距離更大的垂直分離距離的兩個接合焊盤的接合線的理想化的形狀的實施例的表示和計算；
圖10示出了被用來電連接具有比其水平分離距離更大的垂直分離距離的兩個接合焊盤的被優(yōu)化的線外形。
具體實施例方式圖IA是壓力傳感器10的透視圖，所述壓力傳感器10同樣使用接合線來在其中的部件之間進行內(nèi)部連接。圖IB是在圖IA中所示的壓力傳感器10的頂視圖。壓力傳感器10包括安放在墊片(spacer) 26的頂部的小的印刷電路板(PCB) 15。 PCB 15支撐專用集成電路(ASIC) 20。ASIC 20將電信號輸入并輸出到在該圖中沒有全部被示出的其它電路和裝置。來自ASIC 20的電信號表示由壓阻式壓力換能器(PRT)管芯25所感測到的流體壓力。如在該圖中所示出的那樣，PRT管芯25被放置在金屬端口 29的頂部28上，所述金屬端口 29延伸通過墊片26并且所述金屬端口 29被用來抵抗高流體壓力。端口 29的開口端在PCB 15之下。PRT管芯25被放置在端口 29的頂部28上。PCB 15上的連接焊盤或接合焊盤35因此處于在PRT管芯25上的接合焊盤45之上或高于PRT管芯25上的接合焊盤45的高度處，所述PRT管芯25上的接合焊盤45位于PCB孔27的底部之下。在PRT管芯25與PCB 15上的電連接焊盤35之間的電連接通過由金制成的四個被拉長的接合線30和31來提供。在ASIC 20與PCB 15上的連接焊盤35之間的其它電連接通過相對短的接合線40來進行。關(guān)于長接合線，所述長接合線中的在外側(cè)上的兩個通過參考數(shù)字30來標識，并且比兩個內(nèi)部接合線31更長。接合線30、31和40把ASIC 20電連接到PCB 15和PRT管芯25。在附圖中所示的接合線(包括接合線30、31和40)相當細，這些接合線具有在大約I密耳(O. 001英寸)到大約2密耳(O. 002英寸)之間的平均直徑。在圖IA和圖IB中所示的長接合線30已經(jīng)預確定長度和形狀，以便實現(xiàn)在線30連接在一起的焊盤之間的電連接。在優(yōu)選的實施例中，長的線30被確定大小、被成形并被布置，使得長的接合線30具有在壓力傳感器10在工作期間可能遭受的最高振動頻率之上的第二固有頻率。通過將接合線的固有頻率提高到擾動頻率以上，振動弓I起的疲勞故障可以被顯著地減少。接合線30的固有頻率部分地通過線的長度以及線30的在PCB 15上的金連接焊盤35與PRT管芯25上的接合焊盤45之間的路徑或外形來影響。接合線30的外形被認為是接合線30的在接合線的到接合焊盤的連接點之間的形狀或路徑。如在現(xiàn)有技術(shù)中所公知的那樣，接合線的形狀或路徑由線接合設備來確定和控制，所述線接合設備在使用接合線的半導體或其它裝置被制造時被用來施加接合線。如上面所提到的那樣并且如在附圖中可以看出的那樣，PCB 15上的連接焊盤35(也被稱為接合焊盤)在被定位在PRT管芯25上的接合焊盤45之上或者高于PRT管芯25上的接合焊盤45的高度處。使用激光測振儀的實驗測量和使用有限元分析(FEA)的計算機模型表明當線30遭受振動時，如果接合線30具有被選擇來有效地縮短的長度和外形并且因此提高接合線的水平部分的頻率，那么在接合線30的每端處的連接都更不可能故障。通過使接合線30的部分類似于垂直支撐部(vertical support)起作用，接合線的水平部分的頻率可以被增加。接合線30的一個部分或段(所述接合線30的一個部分或段是相對垂直的段)充當針對相鄰的第二段的支撐部，所述相鄰的第二段是相對水平的。這兩段的相對垂直的部分因此使得能夠使用被縮短的水平部。縮短水平部有效地提高了其固有頻率。為了簡潔，位于PCB 15上的連接焊盤35在后面被稱為接合焊盤。在圖IA和圖IB中均可以看出，針對傳感器10，管芯25上的第一接合焊盤45和PCB上的第二接合焊盤35垂直地并且水平地彼此間隔。第二接合焊盤35是比第一接合焊盤45更高的高度或位置。在接合線的平面上，兩個接合焊盤35和45水平地也彼此間隔比垂直分離距離更大的距離。圖2示出了線的側(cè)視圖。點A和點B是該線的開始離開或向上延伸并且遠離相對應的接合焊盤45和35的點。點A和B還用作針對固定邊界條件的點。點P和點Q是接合線的實際結(jié)束點。在使用有限元法的模態(tài)分析中，線段PA和BQ被忽略，因為這些線段PA和BQ被接合到接合焊盤上并且并不移動?！そ雍暇€具有特定的振動模式特征。當從為諸如第一模式、第三模式等之類的奇數(shù)編號模式形狀的接合線的頂視圖中來觀察時，線30在平面外振動并且來回側(cè)擺(或側(cè)對側(cè)“觸發(fā)”)地振動，而如果從側(cè)視圖來觀察，那么線在面內(nèi)振動并且上下和左右振動。當接合線遭受振動時，圖3A描繪了接合線如何在第一振動模式中移動，而圖3B示出了接合線如何在第五振動模式中移動。如在圖3A中所示，在模式I中，當從線的頂部來觀察時，接合線30以半個波30-1移動來回側(cè)擺地移動。如在圖3B中所示，在模式5中，接合線30以I. 5個波30-5來回側(cè)擺地移動。圖4A、4B和4C是具有不同外形的接合金線30在這些接合金線30遭受振動時并且在線在模式2振動時的側(cè)視圖。表I列出了針對在圖4A、4B和4C中所示的每個線的接合線30的直徑、其長度和通過使用有限元分析來確定的模式2固有頻率。表I
g||4A |4B |4C —
線直徑 2密耳_ 2密耳 2密耳線長度 2.69mm 2. 39mm 2.41mm 莫式 2 頻率丨25. 7kHz 丨42. IkHz |l9. 8kHT"圖4A示出了線的水平段的相對大的垂直位移和線的垂直段的小很多的水平位移。表I表明了相對低的模式2固有頻率。圖4B示出了彼此更類似的水平段和垂直段中的位移，并且所述位移比在圖4A中所示的線的水平段的相對更大的垂直位移小。表I還表明了高很多的模式2固有頻率。水平部的在圖4A和4B以及表I中的數(shù)據(jù)中所示的長度的比較表明圖4B的水平段的長度比圖4A的水平段的長度短。在圖4B中所示的段的固有頻率因此將比在圖4A中所示的段的固有頻率高。為了提升接合線的固有頻率，通過使用具有相等的或基本上相等的長度的兩個線段(參見圖4B)，線外形可以被優(yōu)化，因為圖4A中的接合線的較長段中的大的振動移動可以被再分配并且通過圖4B中的接合線的兩個更短的并且因此更硬的段來減少。圖4C示出了，如果水平段被制得甚至更短，則線的振動模式轉(zhuǎn)變到傾斜的移動并且頻率顯著下降。圖4A、4B和4C因而證明，線外形實際上在線上的剛度分布中起到非常重要的作用，線外形影響振動頻率和振動模式形狀。這些圖還表明，較短的接合線在第二模式振動中不總是將具有較高的固有頻率，因為接合線不是直的線。在附圖中，參考數(shù)字50標識理想化的段交匯點，所述理想化的段交匯點是線30的在其第二振動模式中的理論上靜止的節(jié)點或零位移的點。理想化的段交匯點50相對于第一接合焊盤45在與第二接合焊盤相同的高度處。理想化的段交匯點50的相對精確的定位可以通過在圖5A、5B和5C中所描繪的幾何作圖方法而被確定。圖5A通過使用兩 個正交線段描繪了兩個接合焊盤35和45彼此的垂直和水平分離以及它們的彼此連接。在圖5A中，正交段中的一個從第一接合焊盤45垂直地延伸到它與第二段交匯的高度，所述第二段從第二接合焊盤35水平地延伸。在圖5B中，第一接合點通過字母A來標識；第二接合點通過字母B來標識。前述的垂直線和水平線的頂點通過字母V來標識。為了找到理想化的段交匯點50，線段ED被畫在兩個接合點A和B之間。線段ED被構(gòu)建為線段AB的中垂線。中垂線段ED與水平線段BC在點F處相交。線段BC和點F在與PCB 15上的第二接合焊盤45相同的高度處。點F是理想化的段交匯點50的定位。歐幾里得平面幾何的邊角邊(SAS)定理確定了線段AF和FB在長度上相等。理想化的段交匯點F因而被定位在理想化的接合線AFB的兩段AF與FB之間的頂點或點F。對SAS定理來說，給定線段AD=DB,因為ED 二等分AB。還給定角ADF=角BDF=90度，因為ED被給定為垂直于AB。由于線段FD是針對兩個三角形的邊，所以SAS定理認為，三角形AFD和三角形BFD是全等的。由于三角形是全等的，所以線AF=FB。雖然兩個接合焊盤35和45在不同的高度處并且水平地彼此被間隔，但是通過使用如在圖5C中被成形的線(該線對應于兩個線段AF和FB)把它們連接起來將在理想化的段交匯點50處創(chuàng)建應力點。通過使用如在圖5B中所示被成形的線連接它們對于實際線接合工藝也會難以實施。針對接合線30的優(yōu)選的形狀因此通過實際的段交匯點連接兩個接合焊盤35和45，其中所述實際的段交匯點可以不是正好在理想化的段交匯點上，而是其基本上與理想化的段交匯點相符，以便避免不得不創(chuàng)建應力點而同時提供線的在第二模式振動期間的近零位移點。圖6描繪了 S形曲線，所述S形曲線是眾所周知的并且由如下等式來限定
Y(x) = ^ ^
' 0+0
經(jīng)過修改的S形曲線的段可以被展開并用于根據(jù)如下公式的線段
I7(X) = -^1-
1 + e 1 + e
其中a、b和c是正實數(shù)a是放大系數(shù)和范圍，X被指定從_b到C。針對優(yōu)選的實施例，a、b和c的值被選擇，使得S形曲線部分的外形或路徑與(放置接合線30的)線接合機器將允許一樣緊密地遵循在點A與51之間的傾斜線段。具有通過上面的公式所表示的形狀的經(jīng)修改的S形曲線緊密地接近接合線30的第一段的形狀。在優(yōu)選的實施例中，接合線30的S形曲線段位于較低的或第一接合焊盤45與前述的實際的段交匯點之間。在圖7中可以看出的是，經(jīng)修改的S形曲線具有段的第一部分，其中該曲線的斜率從接合焊盤45到拐點55連續(xù)地增加，所述拐點55在經(jīng)修改的S形曲線的中點附近。經(jīng)修改的S形曲線還具有第二段，所述第二段從拐點55延伸到在圖7中通過參考數(shù)字51標識的實際的段交匯點，其中該曲線的斜率連續(xù)地減少。在圖7中，參考數(shù)字50標識理想化的段交匯點，所述理想化的段交匯點是線30的在其第二振動模式中的靜止的節(jié)點(即零位移點或近零位移點)。由于線30不能總是被形成來穿過理想化的段交匯點50這一事實，實際的段交匯點51在理想化的段交匯點50附近，而不總是與理想化的段交匯點50相符。理想化的段交匯點50相對于第一接合焊盤45在與第二接合焊盤35相同的高度處，而實際的段交匯點比第二接合焊盤35稍微更高或更低。理想化的段交匯點50還介乎第一接合焊盤35與第二接合焊盤45之間。用另一種方式陳述，理想化的段交匯點50與接合線30的兩個端點距離相等或基本上距離相等。圖7描繪了針對接合線30的優(yōu)選的形狀以及線30的在實際的交匯點51的任一側(cè) 上的兩段的實際的交匯點51的側(cè)視圖。接合線30的在實際的段交匯點51與第二接合焊盤35之間的右手段是微微凸出的。在優(yōu)選的實施例中，第二段是具有在第二接合焊盤端處的斜率的幾乎線性的拋物曲線，所述在第二接合焊盤端處的斜率優(yōu)選地小于10度或更少，但是在可替換的實施例中，所述在第二接合焊盤端處的斜率可以和45度一樣多或更少。圖8至10描繪了接合線30形狀的確定，所述確定將提高固有頻率并且連接具有比它們的水平分離距離更大的垂直分離距離的兩個接合焊盤。如在圖9中可以被看出的那樣，在兩個接合焊盤之間被畫出的線段AB用中垂線ED被二等分。中垂線ED與直角三角形ACB的較長的直角邊(leg)、即線段AC的相交限定了理想化的段交匯點50。在圖10中，具有經(jīng)修改的S形曲線的形狀的第一傾斜S線段從第一接合焊盤45延伸到實際的段交匯點51，所述實際的段交匯點51在接合線30的第二模式振動期間位于靜止的節(jié)點或零位移點處或在靜止的節(jié)點或零位移點附近。在優(yōu)選的實施例中，第二段是具有在第二接合焊盤端處的斜率的拋物曲線，所述在第二接合焊盤端處的斜率優(yōu)選地小于10度或更少，但是在可替換的實施例中，所述在第二接合焊盤端處的斜率可以和45度一樣多或更少。重要的是提到第一段具有基本上如在附圖中所示的形狀。接合線30不應該延伸遠離第一接合焊盤45、遠離第二接合焊盤35。接合線30的形狀和長度而是應該沿著其長度從第一接合焊盤被引向第二接合焊盤35，以便保持該線盡可能短。除了上面所提到的優(yōu)點之外，被優(yōu)化的接合線的另一優(yōu)點是，所述被優(yōu)化的線減少了接合線疲勞故障，而不必把接合線嵌入到粘膠中?，F(xiàn)有技術(shù)的粘膠可以減慢或者甚至阻止由鋁或其它活性金屬制成的接合焊盤的氧化，然而，半導體器件以及壓力傳感器的優(yōu)選實施例是使用被優(yōu)化的接合線，其中所述被優(yōu)化的接合線沒有被嵌入到除了可能被用來給被物理地附著到接合焊盤的接合線的端涂層的膠以外的粘膠中。這樣的接合線(即被附著到接合焊盤的端并且被涂有膠的被附著的部分)不被認為被嵌入到粘膠中。之前的描述僅僅用于說明的目的。本發(fā)明的真實的范圍在附屬的權(quán)利要求書中被陳述。
權(quán)利要求
1.一種設備，所述設備包括 第一接合焊盤； 在第一接合焊盤之上的高度處并且與第一接合焊盤水平地被間隔開的第二接合焊盤； 在所述第一接合焊盤之上的高度處并且與第一接合焊盤和第二接合焊盤基本上距離相等的理想化的段交匯點； 接合線，所述接合線連接第一接合焊盤和第二接合焊盤并且穿過實際的段交匯點，其中所述實際的段交匯點與理想化的段交匯點基本上相符，所述線包括 在第一接合焊盤與實際的段交匯點之間的彎曲的第一段，其中第一段具有拐點和形狀，使得第一段的斜率從第一接合焊盤到拐點連續(xù)地增加，并且從拐點到實際的段交匯點具有連續(xù)地減少的斜率；以及 在實際的段交匯點與第二接合焊盤之間的基本上線性的第二段。
2.如權(quán)利要求I所述的設備，其中，接合線穿過在所述接合線的第二模式振動期間具有零位移的第三點。
3.如權(quán)利要求I所述的設備，其中，第一段并不在遠離第二接合焊盤的方向上從第一接合焊盤延伸。
4.如權(quán)利要求I所述的設備，其中，彎曲的第一段是一般S形曲線成形的。
5.如權(quán)利要求I所述的設備，其中，第二段是一般拋物曲線成形的。
6.如權(quán)利要求I所述的設備，其中，第二段的斜率朝著第二接合焊盤大于零且小于約45度。
7.如權(quán)利要求I所述的設備，其中，第二段的斜率朝著第二接合焊盤大于零且小于約10度。
8.如權(quán)利要求I所述的設備，其中，接合線并不被嵌入到粘膠中。
9.一種壓力傳感器，所述壓力傳感器包括 壓阻式(PRT)管芯； PRT管芯上的第一接合焊盤； 具有集成電路的電路板； 電路板上的第二接合焊盤；其中第二接合焊盤在第一接合焊盤之上的高度處并且與第一接合焊盤水平地被間隔開； 在所述第一接合焊盤之上的高度處并且與第一接合焊盤和第二接合焊盤基本上距離相等的理想化的段交匯點； 接合線，所述接合線連接第一接合焊盤和第二接合焊盤并且穿過實際的段交匯點，其中所述實際的段交匯點與理想化的段交匯點基本上相符，所述線包括 在第一接合焊盤與實際的段交匯點之間的彎曲的第一段，其中第一段具有拐點和形狀，使得第一段的斜率從第一接合焊盤到拐點連續(xù)地增加，并且從拐點到實際的段交匯點具有連續(xù)地減少的斜率；以及 在實際的段交匯點與第二接合焊盤之間的基本上線性的第二段。
10.如權(quán)利要求9所述的壓力傳感器，其中，接合線穿過在所述接合線的第二模式振動期間具有零位移的第三點。
11.如權(quán)利要求9所述的壓力傳感器，其中，第一段并不在遠離第二接合焊盤的方向上從第一接合焊盤延伸。
12.如權(quán)利要求9所述的壓力傳感器，其中，彎曲的第一段是一般S形曲線成形的。
13.如權(quán)利要求9所述的壓力傳感器，其中，第二段是一般拋物曲線成形的。
14.如權(quán)利要求9所述的壓力傳感器，其中，第二段的斜率朝著第二接合焊盤大于零且小于約45度。
15.如權(quán)利要求9所述的壓力傳感器，其中，第二段的斜率朝著第二接合焊盤大于零且小于約10度。
16.如權(quán)利要求9所述的壓力傳感器，其中，接合線并不被嵌入到粘膠中。
17.一種壓力傳感器，所述壓力傳感器包括 壓阻式(PRT)管芯； 集成電路； 連接PRT管芯上的接合焊盤與集成電路上的接合焊盤的接合線； 在第一接合焊盤之上的高度處并且與第一接合焊盤水平地被間隔開的第二接合焊盤； 在所述第一接合焊盤之上的高度處并且與第一接合焊盤和第二接合焊盤基本上距離相等的理想化的段交匯點； 接合線，所述接合線連接第一接合焊盤和第二接合焊盤并且穿過實際的段交匯點，其中所述實際的段交匯點與理想化的段交匯點基本上相符，所述線包括 在第一接合焊盤與實際的段交匯點之間的彎曲的第一段，其中第一段具有拐點和形狀，使得第一段的斜率從第一接合焊盤到拐點連續(xù)地增加，并且從拐點到實際的段交匯點具有連續(xù)地減少的斜率；以及 在實際的段交匯點與第二接合焊盤之間的基本上線性的第二段。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的壓力傳感器，其中，接合線穿過在所述接合線的第二模式振動期間具有零位移的第三點。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的壓力傳感器，其中，彎曲的第一段是一般S形曲線成形的。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的壓力傳感器，其中，第二段是一般拋物曲線成形的。
全文摘要
被接合在不同高度處的兩個接合焊盤上的線的任何兩個段都可以在其第二模式振動期間通過靜止的節(jié)點(或零位移)被區(qū)別。為了提升這樣的接合線的固有頻率以避免在面內(nèi)振動中以最低的頻率發(fā)生的第二模式諧振，通過連接兩個被均衡的(最短可能的)線段以替換由較大的段和較短的段組成的線，線可以被優(yōu)化。目的是將任意接合線的具有較低剛度的較長段中的較大振動移動再分配為被優(yōu)化的線的兩個較小的被均衡的段，以減少面內(nèi)振動，以顯著改進線的固有頻率和在諸如在30KHz以上之類的苛刻的振動環(huán)境中的可靠性。
文檔編號G01L9/06GK102884622SQ201180024013
公開日2013年1月16日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者J-H.A.仇 申請人:大陸汽車系統(tǒng)公司