专利名称：超声头的制作方法
技术领域：
本发明涉及在超声波焊接机(bonder)中用于利用超声波振动来焊接第一目标和第二目标的超声头。
背景技术：
直至今日，已经使用超声波焊接机，用于向LSI芯片提供超声波振动，由此将LSI芯片焊接于衬底。在超声波焊接机中，放置于LSI芯片下表面上的凸块(bump)和放置于衬底上表面上的焊垫(pad)发生接触，然后使用超声头向LSI芯片提供超声波振动。因此，凸块和焊垫相互摩擦，它们的焊接表面被固相连接(solid-phase-couple)。
请注意，树脂等填料(under fill)通常被形成于LSI芯片和衬底之间的焊接部分附近。当热固性材料被用作填料时，LSI芯片和衬底之间的焊接部分附近在形成填料时被加热。为此，在加热之时，为了防止由于填料、LSI芯片和衬底的热膨胀性之间的差异而在LSI芯片和衬底之间引起的焊接断裂，当LSI芯片和衬底被焊接时，该焊接部分需要在与设置填料时的加热温度相似的温度下被加热。
以这种方式，当LSI芯片和衬底被焊接时，作为用于加热该焊接部分的现有技术，例如按照专利文件1的技术。在按照专利文件1的技术中，如图7所示，具有作用平面(action plane)410的共振装置407由支撑器408支撑。在支撑器408内部，加热器416被放置和配置为加热相对板415和利用其辐射热，由此加热共振装置407的作用平面410。由此，加热焊接目标，例如LSI芯片和衬底之间的焊接部分。
在该技术中，共振装置407和作用平面410通过利用辐射热来加热。由此，该技术具有对于加热器416的安装位置没有限制的优点。然而，经过辐射热的热传导效率较差。
另一方面，作为另一现有技术的实例，有一种共振头300，如顶视图8(a)和沿着图8(a)的X-X线所得的剖视图8(b)所示。在该现有技术中，在与超声波振动器311相连接、进行超声波振动的主轴302中，条形加热器304被插入到形成于突起303a、303b(其附着于主轴302)附近的孔310中。
加热器304被初始配置为与主轴302相接触，由此传送热量。然而，在该现有技术中，为了减少热应力的引入，加热器304的外径需要被配置为小于孔310的内圆周直径。为此，在加热器304和主轴302之间形成间隙，这降低了热效率。
而且，如上所述配置为与主轴302相接触的加热器304可仅被设置于这样的位置处，驻波的节点在该位置处被配置于超声头300的主轴302上。这是由于加热器304调整(regulate)超声波振动。由此，不仅突起303a、303b、而且焊接目标的焊接部分，也无法始终以充分的热效率来加热。
JP2003-282644A发明内容以这种方式，使用辐射热情况下的现有技术，虽然具有超声波振动不通过加热器来调整的优点，但是存在热效率差的问题，因为辐射热被用于加热LSI芯片和衬底之间的焊接部分。
同时，用于将加热器与共振器相接触的构造具有这样的问题加热器的位置被限制于对应于驻波节点的位置，还形成间隙以减少热应力的引入，导致热效率下降。
提出本发明，以解决常规技术中的问题。因此，本发明的目的是提供一种超声波焊接技术，其用于提高热效率而不调整超声波振动。
按照本发明的共振装置，其用于通过利用超声波振动来焊接第一目标和第二目标的超声波焊接机中，包括共振单元，其至少与该第一目标相接触，进行超声波振动；导热弹性体，其放置于该共振单元的表面上；以及加热体，其放于该导热弹性体的表面上，产生热量，经过该导热弹性体和该共振单元，将该热量提供到该第一目标和该第二目标之间的焊接部分附近。
利用该配置，由于共振单元和加热体之间存在的导热弹性体，共振单元的超声波振动不受到加热体调整，由此防止热效率降低。
同时，在按照本发明的共振装置中，该导热弹性体被填充于该共振单元的预定表面上，构成板形体；以及该加热体被成型为板形，放置于该导热弹性体中与该共振单元的接触表面相反的表面上。
同时，在按照本发明的共振装置中，该导热弹性体被填充于该共振单元中形成的孔的内圆周表面上，构成圆柱体；以及该加热体被成型为条形，放置于该导热弹性体的圆柱体内。
同时，在按照本发明的共振装置中，该加热体或其中并入有该加热体的辐射构件被成形为覆盖该共振单元。
而且，按照本发明的一种共振装置，用于通过利用超声波振动来焊接第一目标和第二目标的超声波焊接机中，包括共振单元，用于至少与该第一目标相接触并且振动；以及加热体，其在该共振单元的表面上与该共振单元一体成型，产生热量，经过该导热弹性体和该共振单元，将该热量提供到该第一目标和该第二目标之间的焊接部分附近。
利用该配置，由于共振单元和加热体一体成型，所以可防止热效率降低，而无加热体所造成的对于共振单元超声波振动的调整。
同时，按照本发明的超声头具有将超声波振动器连接到任一共振装置的结构。而且，按照本发明的超声波焊接机包括超声头和按压机构(其朝着第一和第二目标的至少一个，按压与第一和第二目标中至少一个相反的平面上的突起)，配置为向该目标提供超声波振动。
尽管本发明具有向第一目标和第二目标之间的焊接部分附近提供热量的加热体，其中该加热体不会调整共振单元的超声波振动，但是本发明在加热体向共振单元传送热量时仍可防止热效率降低。
图1是表示超声波焊接机配置的视图；图2(a)是表示超声头第一配置的透视图；图2(b)是表示超声头第一配置的侧视图；图2(c)是表示超声头第一配置的剖视图；图3是表示半导体芯片和衬底之间焊接部分的视图；图4(a)是表示超声头第二配置的侧视图；图4(b)是表示超声头第二配置的剖视图；
图5(a)是表示超声头第三配置的侧视图；图5(b)是表示超声头第三配置的剖视图；图6(a)是表示超声头第四配置的侧视图；图6(b)是表示超声头第四配置的剖视图；图7是表示具有经过常规辐射热的加热机构的超声头的视图；图8(a)是表示具有经过与常规的加热器相接触的加热机构的超声头的顶视图；图8(b)是表示具有经过与常规加热器相接触的加热机构的超声头的剖视图。
具体实施例方式
下面利用附图，描述利用本发明实施例中超声头的超声波焊接机。图1表示超声波焊接机的配置。
在图1中，超声波焊接机具有按压机构110、对准机构120、台架121、照相单元移动机构130和照相单元131。超声头10被安装于按压机构110的顶端处。按压机构110(其对应于本发明的按压机构)在垂直方向(Z轴方向)上升降超声头10。吸附机构(未示出)被安装在超声头10中，吸附作为第一目标的LSI芯片。按压机构110朝着衬底(其是保持于台架121上的第二目标)按压LSI芯片(其被吸附于超声头10中)。
台架121被固定于对准机构120的上端，对准机构120在水平平面(X-Y平面)内移动台架121。因此，台架121被移动，相对于Z轴无倾角斜变化。照相单元131被固定于照相单元移动机构130，从而台架121之上的预定区域变成照相范围。照相单元移动机构130在水平平面(X-Y平面)内移动照相单元131。
超声波焊接机还具有按压控制器210、超声波振荡器220、照相单元移动机构控制器240、图像处理器250和主控制器200。在主控制器200的控制下，超声波振荡器220向超声头10输出预定频率的超声波驱动信号。
焊接有芯片的衬底被设置于台架121上。在超声头10和台架121被分离的状态下，照相单元移动机构控制器240在超声头10和台架121之间推进照相单元131。然后，照相单元131对吸附于超声头10中的LSI芯片和设置于台架121上的衬底进行拍照，输出对应的图像信号。图像处理器250对来自照相单元131的图像信号执行预定的图像处理，产生状态信号，该状态信号表示在应当被焊接的LSI芯片和衬底之间在Z轴方向上的交叠状态。
对准机构控制器230执行对准机构120的驱动控制(定位)，从而吸附于超声头10中的LSI芯片和设置于台架121上的衬底，在主控制器200的控制下，按照表示交叠状态的状态信号而具有预定的位置关系。当已经完成该定位时，照相单元移动机构控制器240使照相单元131从超声头10和台架121之间退回至预定的等待位置。在定位之后，按压控制器210在主控制器200的控制下，执行按压机构110的驱动控制，从而吸附于超声头10中的LSI芯片与作为焊接目标的衬底发生接触，以预定的压力朝着衬底，按压LSI芯片。
下面将描述超声头10的具体配置。首先，说明超声头10的第一配置。图2(a)-2(c)表示超声头10的第一配置。图2(a)是透视图，图2(b)是侧视图，图2(c)是沿着图2(b)的X-X线所得的剖视图。
在图2(a)-2(c)所示超声头10a中，超声波振动器11产生超声波振动。而且，主轴12和突起13a、13b构成了超声波振动的共振装置15(其对应于本发明的共振单元)。主轴12被连接到超声波振动器11，在从超声波振荡器11产生的超声波振动的前进方向上延伸。突起13a、13b从主轴12的纵向方向中央，突出到与主轴12纵向方向垂直的方向。其中，突起13a包括一吸附机构，其用于吸附和保持LSI芯片(例如，一用于吸取空气和产生负压的开口)。在LSI芯片被吸附和保持于突起13a中的状态下，朝着衬底，按压超声头10a。然后，从超声波振动器11产生的超声波振动(纵向波)在共振装置15中共振，处于共振状态下的主轴12的超声波振动从突起12a被提供到作为焊接目标的LSI芯片。
图3是表示LSI芯片和衬底之间焊接部分的视图。在图3中，多个电极端子21被放置于LSI芯片20的下表面上。而且，凸块22被形成于每个电极端子21中。另一方面，多个焊垫(pad)31被放置于衬底30的上表面上，以与凸块22相对。在超声波焊接机中，通过图像处理器250和对准机构控制器230这样来进行定位朝着与其上形成有电极端子21的表面相反的LSI芯片20表面，按压超声头10a。在该状态下，当超声头10a在平行于LSI芯片20焊接部分的方向(参见图3的箭头)上以超声波频率(例如40kHz)振动，该超声波振动使得凸块22和焊垫31相互摩擦，促使它们的接触表面被平滑和整合(固相连接)。因此，LSI芯片20的每个凸块22被焊接于衬底30上的焊垫31，确保了LSI芯片20和衬底30之间的电连接。然后，在凸块22被焊接于焊垫31时，填料35被填充于LSI芯片20和衬底30之间。
再参照图2(a)-2(c)，进行说明。导热弹性体17a被成型为板形，放置于主轴12各两侧中的凸起13a、13b附近。通过具有高导热性的片状、糊状等形式的硅凝胶，或者片状、糊状、粘合剂、浇罐剂(potting agent)、密封剂等形式的硅橡胶，来构成导热弹性体17a。
两个加热器16a被成型为板形。当对填料35加热以进行设置时，为了防止由于填料35、LSI芯片20和衬底30热膨胀性之间的差异而在LSI芯片和衬底30之间引起焊接断裂，在焊接LSI芯片20和衬底30之前，加热器16a以与设置填料35时的加热温度相似的温度，预热该焊接部分。两个加热器16a被放置于导热弹性体17a中与主轴12的接触表面相反的表面上。
也就是，导热弹性体17a被配置为位于主轴12和加热器16a之间。由此，即使加热器16a在被不同部件固定而无法移动时，主轴12和突起13a的超声波振动不会由于导热弹性体17a的弹力而受到调整。而且，导热弹性体17a的导热性使得来自加热器16a的热量，经过导热弹性体17a、主轴12和突起13a，被有效传送到LSI芯片20和衬底30之间的焊接部分。
下面将描述超声头10的第二配置。图4(a)-4(b)是表示超声头10的第二配置的视图。图4(a)是侧视图，图4(b)是沿着图4(a)的X-X线所得的剖视图。
在图4(a)-4(b)所示超声头10b中，超声波振动器11、主轴12和突起13a、13b与图2所示超声头10a中的超声波振动器11、主轴12和突起13a、13b相似，因此省略其说明。
请注意，在主轴12中形成里两个孔14。圆柱形导热弹性体17b被填充于孔14的各被圆周表面上，并被圆柱形排列(其对应于本发明的圆柱体)。圆柱形导热弹性体17a例如由硅凝胶或硅橡胶制成。与图2所示超声头10a中的加热器16a类似，在焊接LSI芯片20和衬底30之前，加热器16b以与设置填料35时的加热温度相似的温度，预先加热该焊接部分，且具有圆柱体形状，并被排列于导热弹性体17b圆柱体内的各部分处。
也就是，导热弹性体17b被配置为位于主轴12和加热器16b之间。由此，即使加热器16b被固定，主轴12和突起13a中的超声波振动不会受到调整；此外，来自加热器16b的热量经过导热弹性体17b、主轴12和突起13a，被有效传送到LSI芯片20和衬底30之间的焊接部分。
下面将描述超声头10的第三配置。图5(a)-5(b)是表示超声头10的第三配置的视图。图5(a)是侧视图，图5(b)是沿着图5(a)的X-X线所得的剖视图。
在图5所示超声头10c中，超声波振动器11、主轴12和突起13a、13b与图2所示的声头10a中的超声波振动器11、主轴12和突起13a、13b相似，因此省略其说明。
导热弹性体17a被填充到主轴12的每一侧上。导热弹性体17c由硅凝胶或硅橡胶制成。辐射构件18是U形的，其中并入有加热器(未示出)。辐射构件18被放置为覆盖主轴12；辐射构件18的内壁表面是与导热弹性体17c中与主轴12的接触表面相反的表面相接触。
也就是，导热弹性体17c被配置为位于主轴12和其中并入有加热器的辐射构件18之间。由此，即使辐射构件18被固定，主轴12和突起13a中的超声波振动不会受到调整；另外，来自辐射构件18内部的加热器的热量经由导热弹性体17c、主轴12和突起13a，被有效传送到LSI芯片20和衬底30之间的焊接部分。请注意，与辐射构件18具有相似形状并且被类似放置的加热器，可被用来替代辐射构件18。
下面描述超声头10d的第四配置。图6(a)-6(b)是表示超声头10d的第四配置的视图。图6(a)是侧视图，图6(b)是沿着图6(a)的X-X线所得的剖视图。
在图6(a)-6(b)所示超声头10d中，超声波振动器11、主轴12和突起13a、13b与图2所示超声头10a中的超声波振动器11、主轴12和突起13a、13b相似，因此省略其说明。
其中形成有加热图案16d的加热器19被放置于主轴12的每一侧上。加热器19与主轴12成型为一体，与主轴12一起构成了用于进行超声波振荡的共振装置。
由此，在主轴12和突起13a中的超声波振动不会受到加热器19调整；此外，来自加热器19内加热图案16d的热量，可经由主轴12和突起13a，被有效传送到LSI芯片20和衬底30之间的焊接部分。
请注意，在上述实施例中，已经说明了超声波焊接机焊接半导体芯片和衬底的情况。然而，本发明也可应用于焊接其他两个目标的情况。
工业实用性如上所述，按照本发明的超声头具有这样的效果，其能够改善热效率而不会调整超声波振动，其作为超声头是很有用的。
权利要求
1.一种在超声波焊接机中的共振装置，该超声波焊接机通过利用超声波振动来焊接第一目标和第二目标，该共振装置包括共振单元，其至少与该第一目标相接触，进行超声波振动；导热弹性体，其放置于该共振单元的表面上；以及加热体，其放于该导热弹性体的表面上，产生热量，并且经过该导热弹性体和该共振单元，将该热量提供到该第一目标和该第二目标之间的焊接部分附近。
2.如权利要求1所述的共振装置，其中，该导热弹性体被填充于该共振单元的预定表面上，构成板形体；以及该加热体被成型为板形，放置于该导热弹性体中与该共振单元的接触表面相反的表面上。
3.如权利要求1所述的共振装置，其中，该导热弹性体被填充于该共振单元中形成的孔的内圆周表面上，构成圆柱体；以及该加热体被成型为条形，放置于该导热弹性体的圆柱体内。
4.如权利要求1所述的共振装置，其中，该加热体或其中并入有该加热体的辐射构件被成形为覆盖该共振单元。
5.一种在超声波焊接机中的共振装置，该超声波焊接机通过利用超声波振动来焊接第一目标和第二目标，该共振装置包括共振单元，其至少与该第一目标相接触并且振动；以及加热体，其在该共振单元的表面上与该共振单元一体成型，产生热量，并且经过该导热弹性体和该共振单元，将该热量提供到该第一目标和该第二目标之间的焊接部分附近。
6.如权利要求1所述的共振装置，其中，该导热弹性体是硅凝胶或硅橡胶。
7.一种在超声波焊接机中的超声头，该超声波焊接机通过利用超声波振动来焊接第一目标和第二目标，该超声头包括超声波振动器；共振单元，其与该第一目标相接触，进行超声波振动，连接于该超声波振动器；导热弹性体，其放置于该共振单元的表面上；以及加热体，其放置于该导热弹性体的表面上，产生热量，经过该导热弹性体和该共振单元，将该热量提供到该第一目标和该第二目标之间的焊接部分附近。
8.如权利要求7所述的超声头，其中，该导热弹性体被成型为板形，放置于该共振单元的预定表面上；以及该加热体被成型为板形，放置于该导热弹性体中与该共振单元的接触表面相反的表面上。
9.如权利要求7所述的超声头，其中，该导热弹性体被放置于该共振单元中形成的孔的内圆周表面上，具有圆柱体形状；以及该加热体被成型为条形，放置于该导热弹性体的圆柱体内。
10.如权利要求7所述的超声头，其中，该加热体或其中并入有该加热体的辐射构件被成形为覆盖该共振单元。
11.一种在超声波焊接机中的超声头，该超声波焊接机通过利用超声波振动来焊接第一目标和第二目标，该超声头包括超声波振动器；共振单元，其与该第一目标相接触并且振动，连接到该超声波振动器；以及加热体，其在该共振单元的表面上与该共振单元一体成型，产生热量，经过该导热弹性体和该共振单元，将该热量提供到该第一目标和该第二目标之间的焊接部分附近。
12.如权利要求11所述的超声头，其中，该导热弹性体是硅凝胶或硅橡胶。
13.一种通过利用超声波振动来焊接第一目标和第二目标的超声波焊接机，包括超声波振动器；共振单元，其与该第一目标和该第二目标中至少一个相接触，进行超声波振动，连接到该超声波振动器；导热弹性体，其放置于该共振单元的表面上；加热体，其放置于该导热弹性体的表面上，产生热量，经过该导热弹性体和该共振单元，将该热量提供到该第一目标和该第二目标之间的焊接部分附近；以及按压机构，其中该共振单元将与该第一目标和该第二目标中至少一个相反的表面上的突起，按压到该第一目标和该第二目标的至少一个。
14.如权利要求13所述的超声波焊接机，其中，该导热弹性体被成型为板形，放置于该共振单元的预定表面上；以及该加热体被成型为板形，放置于该导热弹性体中与该共振单元的接触表面相反的表面上。
15.如权利要求13所述的超声波焊接机，其中，该导热弹性体被放置于该共振单元中形成的孔的内圆周表面上，具有圆柱体形状；以及该加热体被成型为条形，放置于该导热弹性体的圆柱体内。
16.如权利要求13所述的超声波焊接机，其中，该加热体或其中并入有该加热体的辐射构件被成形为覆盖该共振单元。
17.一种通过利用超声波振动来焊接第一目标和第二目标的超声波焊接机，包括超声波振动器；共振单元，其至少与该第一目标相接触并且振动，连接到该超声波振动器；加热体，其在该导热弹性体的表面上与该共振单元一体成型，产生热量，经过该导热弹性体和该共振单元，将该热量提供到该第一目标和该第二目标之间的焊接部分附近；以及按压机构，其中该共振单元将与该第一目标和该第二目标中至少一个相反的表面上的突起，按压到该第一目标和该第二目标的至少一个。
18.如权利要求13所述的超声波焊接机，其中，该导热弹性体是硅凝胶或硅橡胶。
全文摘要
一种超声头(10a)被使用于通过利用超声波振动来焊接LSI芯片和衬底的超声波焊接机中，包括突起(13a)，其构成用于接触LSI芯片和进行超声波振动的共振装置(15)；导热弹性体(17a)，其放置于构成共振装置(15)的主轴(12)的表面上；以及加热器(16a)，其放置于导热弹性体(17a)的表面上，产生热量，经过导热弹性体(17a)与构成共振装置(15)的主轴(12)和突起(13a)，将热量提供到LSI芯片和衬底之间的焊接部分附近。
文档编号B23K20/10GK1783449SQ200510059059
公开日2006年6月7日 申请日期2005年3月21日 优先权日2004年11月30日
发明者尾崎行雄, 春日俊则 申请人:富士通株式会社