專利名稱：復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲加工制造領(lǐng)域，具體涉及熱超聲引線鍵合和熱超聲倒裝封裝設(shè)備
的復(fù)頻超聲換能裝置。
背景技術(shù)：
"熱超聲引線鍵合"作為IC封裝的重要技術(shù)，其封裝形式占IC封裝的90X以上。 "熱超聲倒裝封裝"則是近些年發(fā)展起來的一種新的IC封裝方式。這兩種封裝形式是IC加 工制造過程中起主導(dǎo)作用的電互連方式。熱超聲引線鍵合和熱超聲倒裝封裝過程都要利用
超聲能量，壓電超聲換能器是ic封裝設(shè)備超聲系統(tǒng)的重要組成部件，其擔(dān)當(dāng)將電能轉(zhuǎn)化為
機(jī)械超聲振動(dòng)能量的重任。傳統(tǒng)用于超聲加工(如超聲切削、超聲焊接)的壓電換能器多 工作在基頻段，即20kHz 60kHz頻率點(diǎn)附近，用于IC封裝的壓電超聲換能器一般工作在 60kHz頻率點(diǎn)附近，隨著芯片的不斷發(fā)展，封裝工藝要求壓電換能器具有更高的工作頻率， 主要是由于在高頻下實(shí)現(xiàn)IC封裝具有以下優(yōu)點(diǎn)芯片逐漸微型化，其I/0密度大幅度提高， 引線間距越來越小，現(xiàn)有的傳統(tǒng)頻率換能器無法滿足超細(xì)管腳的芯片封裝，而在高頻模態(tài) 振動(dòng)中，換能器的振幅恰好變小，適應(yīng)了芯片發(fā)展的要求；高頻振動(dòng)的換能器能夠提高封裝 速度，進(jìn)而提高封裝效率；熱超聲封裝中需要同時(shí)施加熱量、壓力和超聲能量，采用高頻換 能器相當(dāng)于增加了超聲能量，相應(yīng)降低了熱量的施加，從而可以實(shí)現(xiàn)低溫封裝，這對(duì)一些不 能承受高溫的芯片來說至關(guān)重要。 鑒于此，本發(fā)明提出了一種高頻超聲換能器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)所加超聲信號(hào)發(fā)生器 激勵(lì)頻率的不同，該換能器可分別工作在60kHz和100kHz兩個(gè)頻率點(diǎn)附近，其特點(diǎn)是采用 鋯鈦酸鉛壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)級(jí)，數(shù)片壓電陶瓷采用機(jī)械串聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)的方式連接成壓電 晶堆，利用高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力將前后蓋板和壓電晶堆裝配成壓電振子；為了增加換能器 端面的振幅，采用了兩級(jí)聚能器結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)將法蘭盤設(shè)計(jì)在換能器縱向振動(dòng)的位 移節(jié)點(diǎn)，有效地減小了換能器與其他部件的機(jī)械耦合，提高了超聲能量的利用率。
發(fā)明的內(nèi)容 本發(fā)明的目的是提供一種由鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶堆驅(qū)動(dòng)，能夠滿足熱超聲封裝要 求的60kHz和100kHz復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器。 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。用于芯片封裝的復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器其 結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。該復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器屬于縱向振動(dòng)類型，在結(jié)構(gòu)上聚能器整 體由三段二級(jí)構(gòu)成。采用兩級(jí)聚能器是為了增加換能器端面的振幅和提高超聲能量的調(diào)節(jié) 功能。聚能器的三段分別是一級(jí)半波聚能器錐形段和圓柱段以及二級(jí)半波錐形聚能器。該 聚能器的一個(gè)重要特點(diǎn)是三段二級(jí)、夾持法蘭以及前蓋板采用同種材質(zhì)作為一個(gè)整體進(jìn)行 機(jī)加工，消除了裝配誤差給換能器性能所帶來的影響。采用兩級(jí)聚能器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，一級(jí)半波 聚能器采用錐形段后接圓柱體結(jié)構(gòu)，二級(jí)半波聚能器采用錐形，增大了振幅放大系數(shù)和振 幅調(diào)節(jié)功能。數(shù)片銅片電極與數(shù)片鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶片隔片安裝，用前蓋板與后蓋板將 銅片電極和壓電陶瓷晶片夾在其間，預(yù)緊螺釘?shù)念A(yù)緊力一般在30MPa 50MPa范圍內(nèi)。采用一體化結(jié)構(gòu)的兩級(jí)聚能器放大壓電晶體可以產(chǎn)生高頻振動(dòng)信號(hào)。該結(jié)構(gòu)換能器特點(diǎn)是可 分別工作在60kHz和100kHz兩個(gè)頻率點(diǎn)附近。復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器利用壓電陶瓷的 逆壓電效應(yīng)，將超聲頻率的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為高頻機(jī)械振動(dòng)，聚能器傳輸并放大振動(dòng)信號(hào)后將 能量傳遞給鍵合工具，鍵合工具帶動(dòng)芯片和基板相互摩擦完成引線鍵合過程。將法蘭盤設(shè) 計(jì)在換能器縱向振動(dòng)的位移節(jié)點(diǎn)，減小了換能器與其他部件的機(jī)械耦合，可有效提高超聲 能量的利用率。


附圖1為本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)圖。
附圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過具體實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的說明。如圖所示，聚 能器由一級(jí)聚能器錐形段1、一級(jí)聚能器圓柱段2和二級(jí)錐形聚能器3組成。 一級(jí)聚能器錐 形段1的尾部為前蓋板4。數(shù)片銅片電極5與數(shù)片鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶片6隔片安裝，各 銅片電極和壓電陶瓷晶片套裝于前蓋板4上，用后蓋板7封堵，由預(yù)緊螺釘8壓緊固定。夾 持法蘭9位于一級(jí)聚能器錐形段1上。 一級(jí)聚能器錐形段1沿軸線方向的外形輪廓為指數(shù) 曲線形；二級(jí)錐形聚能器3沿軸線方向的外形輪廓亦為指數(shù)曲線形。二級(jí)錐形聚能器3、一 級(jí)聚能器圓柱段2、夾持法蘭9、一級(jí)聚能器錐形段1以及前蓋板4作為一個(gè)整體加工而成。 一級(jí)聚能器錐形段1的橫截面是圓形，或是三角形，或是矩形；二級(jí)錐形聚能器3的橫截面 是圓形，或是三角形，或是矩形。夾持法蘭9上加工有通孔10用以固定。二級(jí)錐形聚能器 3、一級(jí)聚能器圓柱段2、夾持法蘭9、一級(jí)聚能器錐形段1以及前蓋板4的材質(zhì)均為鈦合金。 后蓋板7和預(yù)緊螺釘8的材質(zhì)為不銹鋼。預(yù)緊螺釘8裝有絕緣套管11。
本實(shí)施例為用于芯片封裝的高頻超聲換能器，采用鎖相跟蹤的信號(hào)發(fā)生器作為信 號(hào)激勵(lì)。采用4片銅片電極和4片鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶片隔片安裝。鋯鈦酸鉛壓電陶瓷 晶片為圓環(huán)狀，外徑為13mm，內(nèi)孔直徑為5mm，厚度2. 3mm。銅片電極也為圓環(huán)，外徑和內(nèi)徑 分別為18mm和5mm。預(yù)緊螺釘?shù)墓Q直徑為4mm，螺紋長(zhǎng)度20mm。如圖2所示，絕緣套管 套裝于預(yù)緊螺釘外側(cè)，絕緣套管將4片鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶片從電位上隔離。聚能器和后 蓋板等電位，相鄰鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶片施加相反的極化電壓。后蓋板的外徑和內(nèi)徑分別 為14mm和6mm。 一級(jí)聚能器錐形段軸向長(zhǎng)度為15mm，其外形輪廓指數(shù)曲線的形式為y = 13e—°°4x ;—級(jí)聚能器圓柱段軸向長(zhǎng)度9mm，直徑為6mm。 二級(jí)聚能器錐形段軸向長(zhǎng)度26mm， 其外形輪廓指數(shù)曲線的形式為y = 6e—°°2x。式中y是徑向坐標(biāo)；x是軸向坐標(biāo)。夾持法蘭 位于換能器軸向振動(dòng)位移節(jié)點(diǎn)處。 該換能器工作在60kHz和100kHz頻率點(diǎn)附近并且在諧振點(diǎn)附近不存在模態(tài)密集 情況。當(dāng)給壓電陶瓷晶片的陶瓷端施加幅值為IOV，頻率為60kHz的正弦信號(hào)激勵(lì)時(shí)，換能 器工作在60kHz頻率點(diǎn)，其小端面中心的縱向振動(dòng)幅值為1.6ym;當(dāng)給壓電陶瓷晶片的陶 瓷端施加幅值為IOV，頻率為100kHz的正弦信號(hào)激勵(lì)時(shí)，換能器工作在100kHz頻率點(diǎn)，其小 端面中心的縱向振動(dòng)幅值為1. 01 ii m，可實(shí)現(xiàn)微間距鍵合。傳統(tǒng)的60kHz熱超聲鍵合需要對(duì) 基板加熱到12(TC以上，而采用100kHz高頻換能器可以實(shí)現(xiàn)6(TC以下低溫封裝，能夠滿足多種芯片的封裝要求。 本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果在于，具有頻率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，并采用一體 化兩級(jí)聚能器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高倍數(shù)放大，采用鈦合金材料減小了機(jī)構(gòu)的重量和慣性，改善了換 能器的散熱性能，提高了其使用壽命。
權(quán)利要求
復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器，具有聚能器、銅片電極、壓電陶瓷晶片、金屬后蓋板、預(yù)緊螺釘和絕緣套管，其特征是聚能器由一級(jí)聚能器錐形段(1)、一級(jí)聚能器圓柱段(2)和二級(jí)錐形聚能器(3)組成，一級(jí)聚能器錐形段(1)的尾部為前蓋板(4)，數(shù)片銅片電極(5)與數(shù)片鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶片(6)隔片安裝，各銅片電極和壓電陶瓷晶片套裝于前蓋板(4)上，用后蓋板(7)封堵，由預(yù)緊螺釘(8)壓緊固定，夾持法蘭(9)位于一級(jí)聚能器錐形段(1)上。
2. 按照權(quán)利要求1所述的復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器，其特征在于所述一級(jí)聚能器錐形 段(1)沿軸線方向的外形輪廓為指數(shù)曲線形；所述二級(jí)錐形聚能器(3)沿軸線方向的外形 輪廓亦為指數(shù)曲線形。
3. 按照權(quán)利要求1所述的復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器，其特征在于所述二級(jí)錐形聚能器 (3)、一級(jí)聚能器圓柱段(2)、夾持法蘭(9)、一級(jí)聚能器錐形段(1)以及前蓋板(4)作為一 個(gè)整體加工而成。
4. 按照權(quán)利要求1或2所述的復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器，其特征在于所述一級(jí)聚能器 錐形段(1)的橫截面是圓形，或是三角形，或是矩形；所述二級(jí)錐形聚能器(3)的橫截面是 圓形，或是三角形，或是矩形。
5. 按照權(quán)利要求1或3所述的復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器，其特征是在所述夾持法蘭 (9)上加工有通孔(10)。
6. 按照權(quán)利要求1或3所述的復(fù)頻夾心結(jié)構(gòu)超聲換能器，其特征是所述二級(jí)錐形聚能 器(3)、一級(jí)聚能器圓柱段(2)、夾持法蘭(9)、一級(jí)聚能器錐形段(1)以及前蓋板(4)的材 質(zhì)均為鈦合金；所述后蓋板(7)和所述預(yù)緊螺釘(8)的材質(zhì)為不銹鋼，預(yù)緊螺釘(8)裝有絕 緣套管(11)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于熱超聲引線鍵合和熱超聲倒裝封裝設(shè)備的復(fù)頻超聲換能器。聚能器由一級(jí)聚能器錐形段、圓柱段和二級(jí)錐形聚能器組成。一級(jí)聚能器錐形段的尾部為前蓋板，數(shù)片銅片電極與數(shù)片壓電陶瓷晶片隔片安裝，各銅片電極和壓電陶瓷晶片夾在前后蓋板之間，由預(yù)緊螺釘壓緊固定。聚能器的三段二級(jí)、夾持法蘭以及前蓋板采用同種材質(zhì)作為一個(gè)整體進(jìn)行機(jī)加工而成。換能器工作在60kHz和100kHz頻率點(diǎn)附近并且在諧振點(diǎn)附近不存在模態(tài)密集情況，采用100kHz高頻換能器可以實(shí)現(xiàn)60℃以下低溫封裝。本發(fā)明采用一體化兩級(jí)聚能器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高倍數(shù)放大，采用鈦合金材料減小了機(jī)構(gòu)的重量和慣性，改善了換能器的散熱性能，提高了其使用壽命。
文檔編號(hào)B06B1/06GK101777506SQ20091024518
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者張大衛(wèi), 武一民, 王福軍, 趙興玉 申請(qǐng)人:天津大學(xué)