专利名称：：超声波换能器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种超声波换能器。
背景技术：
：这种超声波换能器应用在所谓的球形引线接合机(BallWireBonder)上。引线接合机是指一种机器，半导体芯片利用此机器在安装后布线在基底上。球形引线接合机是指一种引线接合机，其中金属丝穿过毛细管的纵向穿孔中并借助毛细管固定在连接点上。而在所谓的楔形引线接合机(WedgeWireBonder)中具有特制的楔形工具来代替毛细管，此楔形工具作为超声波发生器也是公知的。超声波换能器具有喇叭状件(Horn)和压电驱动器，用来在喇叭状件中激起超声波振动。毛细管在喇叭状件的顶点夹紧。在半导体芯片的连接点和基底的连接点之间产生金属线连接时，从毛细管中伸出的金属线端部首先熔化成一个球体。紧接着，此金属线球体(在专业术语中称为"球")借助压力和超声波固定在半导体芯片的连接点上。在此对这个金属线球体进行挤压。人们称这个过程为球形焊。然后，金属线穿过必要的长度，形成滑线电桥并焊在基底的连接点上。这后面的工艺部分称为楔形焊。在把金属线固定在基底的连接点上之后，将金属线扯下且可以开始下一下接合循环。在进行球形焊和楔形焊时，喇叭状件被压电驱动器用超声波加载。超声波换能器例如从专利US5603445、US5595328、US5364005、US5180093、US5368216、US5469011、US5578888、US5699953和US6135339已知。已知的超声波换能器是这样进行设计的，即持续的超声波是在喇叭状件上形成的，其振动是指向喇叭状件的纵向方向。这种超声波也被称为纵向波。球形引线接合机的接合头可使毛细管的顶部在三个空间方向上运动，其中接合头当然只有三个自由度。喇叭状件因此既在常规的支承在XY-工作平台上的接合头中，也在循环的接合头(例如由专利US5114302,US6460751andWO2006036669己知)中或多或少地沿着预定的方向对齐(ausrichten),同时金属线连接也可以所有的方向上延伸。这一方面导致，金属线在基底的连接点上的依附在所有的金属线连接上不是一样强的，另一方面，挤碎的"球"的形状也是不同的。
发明内容由此，本发明的目的是，使金属线更好地依附在基底的连接点上，并使挤碎的"球"的形状均匀。所述目的按本发明通过权利要求l的特征得以实现。有利的构造方案由从属权利要求得出。按本发明的超声波换能器包含长形的喇叭状件、配合件、两个压电驱动器和螺钉。配合件借助螺钉固定在喇叭状件上，设置在超声波换能器的纵轴线两侧的压电驱动器夹在喇叭状件和配合件之间。喇叭状件具有法兰，此法兰具有至少一个孔口，用来把超声波换能器固定在引线接合机的接合头上。在超声波换能器中，在两个压电驱动器用同相的第一交流电压进行加载时，形成了第一超声波振动，此第一超声波振动与换能器的纵轴线平行；在两个压电驱动器用反相的第二交流电压进行加载时，形成了第二超声波振动，此第二超声波振动与换能器的纵轴线相交。超声波换能器被设计为-压电驱动器位于第一超声波振动的第一节点中；-压电驱动器位于第二超声波振动的第一波腹中；-法兰位于第一超声波振动的第二节点中；-法兰位于第二超声波振动的第二波腹中；和_法兰的至少一个孔口位于第二超声波振动的第二节点中。如果两个交流电压具有相同的频率和相同的相位，则两个交流电压是同相的。如果两个交流电压具有相同的频率，但具有相反的符号，并且因此它们的相位以^推移，则这两个交流电压是反相的。喇叭状件具有孔口，用来容纳毛细管。这个孔口优选设置在第二超声波振动的第二个波腹中(从喇叭状件的尖端开始测量)。第二超声波振动优选具有至少一个节点，此节点位于螺钉的螺钉头和压电驱动器之间。第二超声波振动优选在配合件具有节点，此节点位于配合件的边缘附近。配合件的宽度优选大于压电驱动器的外边缘与超声波换能器的纵轴线的间隔。下面借助实施例和借助附图详细地描述了本发明。这些附图不是按比例画出的。图l在俯视图中示出了按本发明的超声波换能器；图2-5示出了不同的超声波振动的振幅，它们在是超声波换能器中用相应的交流电压加载时构成的；图6示出了毛细管的尖端的路径，其构成了一个利萨如图；和图7示出了超声波换能器的控制单元。具体实施例方式图l以俯视图示出了按本发明的超声波换能器l。卡式坐标系统的轴线用x和y表示。超声波换能器1由长形的喇叭状件2、配合件3、两个压电驱动器4、5和螺钉6构成。配合件3借助螺钉6固定在喇叭状件2上，5其中压电驱动器4、5夹在喇叭状件2和配合件3之间。因此配合件3起拉杆的作用，用来使压电驱动器4、5机械地预紧。喇叭状件2关于其纵轴线7对称。喇叭状件2具有法兰8，此法兰8在纵轴线7的两侧延伸并且具有孔口9，用来把超声波换能器l固定在引线接合机的图中仅标出的接合头10上。喇叭状件2在其尖端11的附近还具有与图面垂直延伸的孔口12，毛细管可固定在此孔口12中。换能器1的整个长度用参考标记L来表示，它从螺钉6的螺钉头的端部一直到对面的喇叭状件2的尖端11。换能器1的喇叭状件2的宽度B(y)和厚度D(y)以及(因而)重量分布都在y方向上变化。喇叭状件2的前部例如构成为圆锥形。超声波换能器l的作用是，使夹在喇叭状件2中的毛细管的尖端置身于超声波振动中。超声波换能器l是一个振动着的系统，里面所有的部件(不仅仅是喇叭状件2)都在振动。按本发明的超声波换能器l是这样迸行设计的，即两个压电驱动器在第一运转模式下激励喇叭状件2超声波振动(即持续的超声波)，此超声波振动指向喇叭状件2的纵向方向，其中毛细管的尖端也产生与喇叭状件2的纵轴线7平行的振动。这种超声波振动也可称为纵向振动或持续的纵向波。因为毛细管尖端的振动在y方向上延伸，因此在下面把这种模式称为Y模式。按照发明的超声波换能器l还这样进行设计，即两个压电驱动器在第二运转模式下激励喇叭状件2超声波振动(也是持续的超声波)，此超声波振动与喇叭状件2的纵轴线是相交的，其中毛细管的尖端也产生与喇叭状件2的纵轴线7相交的振动。这种超声波振动也被称为弯曲振动。因为毛细管尖端的振动在此沿x方向延伸，因此在下面把这种模式称为X模式。在Y模式中，两个压电驱动器4、5被加载同相的交流电压，从而它们在y方向上总是同时伸展和收縮。在X模式中，两个压电驱动器4、5被利用反相的交流电压激励，从而当第二压电驱动器5在y方向上收縮时，第一压电驱动器4则在y方向上伸展。下面阐述换能器l必须具有或优选应该具有的几个特性，利用它们，在换能器1的Y模式和X模式中毛细管端部的振动的振幅都能达到可用于金属线接合的程度。图2示出了持续的超声波沿着换能器I的纵轴线7的振幅A。其是在Y模式中产生的。图3示出了持续的超声波沿着换能器1的纵轴线7的振幅八2，其是在X模式中产生的。图4示出了X模式中的持续的超声波沿着法兰8的x轴的振幅A3。这个超声波指向x轴。图5示出了X模式中的持续的超声波沿着配合件3的x轴的振幅A4。在换能器l的纵向端部上以及在配合件3和法兰8的侧面端部上，自然会出现波腹。换能器l例如这样进行设计，即Y模式的超声波在换能器l的纵轴线7上具有n产5个节点。但节点的数量W也可以是其它的。换能器按本发明还可被设计为A)压电驱动器4和压电驱动器5位于Y模式的第一节点13中(图2)。压电驱动器4、5的中心或一个靠近中心的点优选位于第一节点13中；B)压电驱动器4和压电驱动器5位于X模式的第一波腹14中(图3)。压电驱动器4、5的中心或一个靠近中心的点优选位于第一波腹14中；C)法兰8位于Y模式的第二节点15中(图2);D)法兰8位于X模式的第二波腹16中(图3);E)法兰8的两个孔口9位于X模式的侧面节点17中(图4)。特性A至D可通过下面的措施来达到-确定Y模式的超声波振动的期望频率fy。它典型地是约125kHz。-确定换能器1的长度L，使得在Y模式中出现n,个节点。长度L主要与频率fy和制造喇叭状件2和配合件3的材料的声速有关。喇叭状件2和配合件3优选由钛构成。-喇叭状件2的宽度B(y)和(可选地还有)厚度D(y)是局部变化的，直到找到合适的弯曲振动为止，此弯曲振动的固有频率fx位于频率fy的附近(即lfx-fy|<<fY)，并且此弯曲振动在压电驱动器4、5的中心的区域内具有波腹并在Y模式的节点的范围内具有波腹。此弯曲振动被选为Y模式。在此实施例中，足以实现特性B和D以及条件lfx-fVI《fY。在法兰8中也同样形成了持续的超声波，其中在法兰8的端部出现了波腹。位置x和称为侧面节点的节点数量与法兰8的长度K有关。此长度K这样来选择，即在X模式中出现至少一个侧面节点，即此实施例中的节点17(图4)。特性E也可通过适当选择法兰8的长度K来实现。此外，换能器l还可有利地被设计为F)毛细管的孔口12设置在第二个波腹(从喇叭状件2的尖端ll开始测起)中，此波腹在X模式中产生且在此处用附图标记18表示；G)在Y模式中，在螺钉6的螺钉头和压电驱动器4、5之间出现至少一个节点，例如节点19(图2);和H)在X模式中，配合件3既在中心也在边缘附近具有节点20(图5)，因此压电驱动器4、5的整个面向配合件3的表面都在相同的y方向上振动，因此(相当于频率fx)交替地经受拉力负荷或压力负荷。以这种方式避免所述表面的一部分在y方向的正向上运动而所述表面的另一部分则同时在y方向的负向上运动。通过相配地选择配合件3的长度L(3和螺钉6的从配合件3中伸出来的部件的长度Ls，来达到特性G。通过优化配合件3的几何形状并因而优化其质量分布，来达到特性H。在此实施例中，配合件3是一个平板，其远离换能器1的纵轴线7的端部因为这个原因加宽(如图l所示的一样)。配合件3的宽度Bt优选大于间隔Dp此间隔Dt是指压电驱动器4或5的外边缘与超声波换能器1的纵轴线7之间的距离。因此配合件3从侧面超出压电驱动器4或5。按本发明的换能器可在三个模式下运转，即，只在Y模式下、只在X模式下或在XY模式下，在XY模式下同时激励了X模式和Y模式。Y模式特别适合对在y方向上延伸的金属线圈进行接合。X模式特别适合对在x方向上延伸的金属线圈进行接合。XY模式是一种全新的模式，在这8种模式中同时且相互独立地激励X模式和Y模式。尽管如此，毛细管尖端在x方向和y方向上的振动的振幅都具有合理的大小，且它们优选大致是一样大的。毛细管尖端在x方向和y方向上的振动的振幅并不相关，这使毛细管的尖端形成了利萨如图。毛细管的尖端也遵循利萨如路径，此利萨如路径由长方形限定。在图6中示出了利萨如路径的例子。图7示出了控制电路，此控制电路使超声波换能器l能够在上面所述的三个模式中运行。压电驱动器4、5的构造是相同的。每个压电驱动器4、5都是由多个(典型的是所示的四个或六个或更多)压电元件21构成的堆叠，这些压电元件21并排地、极化方向交替地堆叠在一起，其中在压电元件21之间总是夹着导电的平板22。压电元件21的极化方向通过标记"+"和"-"的顺序来表示。控制电路包含第一振荡器23，用来激励Y模式；第二振荡器24，用来激励X模式；和变压器25，其具有初级绕组26和次级绕组27。次级绕组27由两个相同的绕组28和29组成，它们具有共同的输入接头30和各自的输出接头31或32。第一振荡器23的输出与次级绕组27的共同的输入接头30相连。第二振荡器24的输出与初级绕组26的第一接头相连，而初级绕组26的第二接头接地。绕组28的输出接头31与第一压电驱动器4的压电元件21的负接头相连。绕组29的输出接头32与第二压电驱动器5的压电元件21的负接头相连。两个压电驱动器4和5的压电元件21的正接头接地。第一振荡器23供应交流电压l^-UYcos(2nfYt+ci)Y)，其中t表示时间，4^表示相位。第二振荡器24供应交流电压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个所述的模式中压电驱动器4和5上的交流电压<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>权利要求1.超声波换能器，包含长形的喇叭状件(2)、配合件(3)、两个压电驱动器(4、5)和螺钉(6)；其中配合件借助螺钉固定在喇叭状件上；压电驱动器设置在换能器的纵轴线(7)的两侧并夹在喇叭状件和配合件之间；其中喇叭状件具有法兰(8)，此法兰具有至少一个孔口(9)用来把换能器固定在引线接合机的接合头上；其中在换能器中在向两个压电驱动器加载同相的第一交流电压时，形成了第一超声波振动，此第一超声波振动与换能器的纵轴线平行；其中在换能器中在向两个压电驱动器加载反相的第二交流电压时，形成了第二超声波振动，此第二超声波振动与换能器的纵轴线相交，其特征在于，-压电驱动器位于第一超声波振动的第一节点(13)中；-压电驱动器位于第二超声波振动的第一波腹(14)中；-法兰位于第一超声波振动的第二节点(15)中；-法兰位于第二超声波振动的第二波腹(16)中；和-法兰的至少一个孔口位于第二超声波振动的第二节点(17)中。2.按权利要求l所述的超声波换能器，其特征在于，喇叭状件具有用来容纳毛细管的孔口(12)，这个孔口设置在第二超声波振动的从喇叭状件的尖端开始测量的第二个波腹(16)中。3.按权利要求1或2所述的超声波换能器，其特征在于，第二超声波振动具有至少一个位于螺钉的螺钉头和压电驱动器之间的节点(19)。4.按权利要求1至3之一所述的超声波换能器，其特征在于，第二超声波振动在配合件具有节点(19)，此节点位于配合件的边缘附近。5.按权利要求1至4之一所述的超声波换能器，其特征在于，配合件的宽度(B。大于压龟驱动器的外边缘与换能器的纵轴线之间的间隔(D。。全文摘要超声波换能器(1)，包含长形的喇叭状件(2)、配合件(3)、两个压电驱动器(4、5)和螺钉(6)。配合件借助螺钉固定在喇叭状件上，设置在超声波换能器的纵轴线(7)两侧的压电驱动器夹在喇叭状件和配合件之间。设计超声波换能器，使得夹在喇叭状件中的毛细管的尖端可以在两个不同的方向上振动。文档编号B06B3/00GK101678400SQ200880010397公开日2010年3月24日申请日期2008年3月20日优先权日2007年4月4日发明者西尔万·蒂尔勒曼,马丁·文·尔克斯申请人:Esec公司