超声换能器，包括超声换能器的引线键合机，及相关方法与流程

超声换能器，包括超声换能器的引线键合机，及相关方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术享有在2021年4月27日提交的美国临时专利申请no.63/180,480的权益，其内容以引用方式并入本文。
技术领域
3.本发明涉及一种超声换能器，尤其涉及一种改进的超声换能器，同时也涉及包括超声换能器的引线键合机及相关方法。


背景技术：

4.超声换能器有诸多应用。例如，这种超声换能器被广泛应用在半导体封装设备上，诸如自动引线键合机(例如，球焊键合机、楔焊键合机、条带键合机等)和先进封装机(例如，倒装芯片键合机，诸如热压键合机等)。
5.关于引线键合机，利用超声换能器，超声键合能典型地用于形成键合丝。引线键合工具被附接到换能器。换能器一般包括驱动器，诸如堆叠式压电元件(例如，压电晶体、压电陶瓷等)。电能被施加到驱动器，以及电能转化为机械能，从而带动引线键合工具的末端以擦动方式形成键合。
6.美国专利号：5,595,328(标题为“self isolating ultrasonic transducer”)；5,699,953(标题为“multi resonance unibody ultrasonic transducer”)；5,884,834(标题为“multi-frequency ultrasonic wire bonder and method”)；7,137,543(标题为“integrated flexure mount scheme for dynamic isolation of ultrasonic transducers”)；8,251,275(标题为“ultrasonic transducers for wire bonding and methods of forming wire bonds using ultrasonic transducers”)；9,136,240(标题为“systems and methods for bonding semiconductor elements”)；以及10,381,321(标题为“ultrasonic transducer systems including tuned resonators,equipment including such systems,and methods of providing the same”)与超声换能器有关并全文以引用方式并入本文。
7.传统超声换能器，包括应用在引线键合技术上的那些，面临着许多不足。因此提供改进的超声换能器、引线键合机及其相关方法是被期望的。


技术实现要素：

8.根据本发明的示例性实施方式，提供了一种超声换能器。该超声换能器包括换能器本体，其中，换能器本体的表面的至少部分包括被加工区域。该被加工区域具有位于换能器本体的表面的被改变状态部。
9.根据本发明的另一示例性实施方式，提供了一种引线键合机。该引线键合机包括键合头组件和由组件携带的超声换能器。超声换能器包括换能器本体，其中，换能器本体的表面的至少部分包括被加工区域。该被加工区域具有位于换能器本体的表面的被改变状态
部。
10.根据本发明又一示例性实施方式，提供了一种提供超声换能器的方法。该方法包括以下步骤：(a)提供换能器本体；以及(b)加工换能器本体表面的至少部分，以产生被加工区域，所述被加工区域具有位于换能器本体的表面上的被改变状态部。
附图说明
11.结合附图阅读如下详细描述可以最大程度理解本发明。需要强调的是，根据惯例，图的各种特征并非按比例绘制。相反，为清楚起见，各种特征的尺寸被任意放大或缩小。图示包括以下各图：
12.图1a为根据本发明的示例性实施方式的引线键合机侧视截面框图；
13.图1b为根据本发明的示例性实施方式的超声换能器透视图；
14.图1c为图1b中所示超声换能器的局部的透视图；
15.图2a-图2b，图3a-图3b以及图4a-图4b为根据本发明的各种示例性实施方式的各种超声换能器的顶视框图以及相应局部截面侧视图；
16.图5a-图5c为展示根据本发明的各种示例性实施方式提供超声换能器系统不同方法的流程图。
具体实施方式
17.根据本发明的各种示例性实施方式，超声换能器(例如，钛合金换能器)的区域被加工(例如，涂覆)，以减少来自(i)超声换能器的集成工具夹和(ii)作业工具(例如，引线键合机)之间的静态和/或动态相对滑动磨损。
18.例如，为减少超声换能器的集成工具夹和作业工具(例如，可替换式引线键合工具)之间的磨损，对超声换能器表面的至少部分进行加工(例如，涂覆)，以减少摩擦(例如，减少毛边)和/或增加表面硬度，以及起到延长超声换能器使用寿命的目的。
19.例如，超声换能器表面的涂层可以是位于(i)超声换能器本体和(ii)作业工具之间、薄且耐久的过渡层(例如，厚度在1μm和5μm之间)。超声换能器本体可由相对软的材料(例如，钛)形成，其更容易产生毛边，其中这种材料的硬度可在hrc 36的数量级上。作业工具，例如可以是由相对硬的材料(例如，氧化铝、氧化锆增韧氧化铝等)形成，其硬度可在hrc90的数量级上。
20.在本发明的示例性实施方式中，其中涂层被施加到超声换能器表面以充当毛边抑制器，主要通过减少摩擦来减少磨损。在本发明的各种示例性实施方式中，其中涂层被施加到超声换能器表面以充当表面硬度增强器，减少磨损可以通过以下获得：涂层和工具之间的相对硬度比(例如，涂层越硬造成的磨损越少)。
21.在施加的涂层硬度超过作业工具硬度(例如，涂层硬度大于氧化铝的硬度hrc 90)的实施例中，廉价的可替换式作业工具(例如，引线键合工具)可倾向为磨损部件，而不是昂贵的超声换能器(例如，钛合金超声换能器)，因此极大地提高换能器的性能和使用寿命。
22.可施加到超声换能器的换能器本体的表面的至少部分的示例性涂层包括以下中的至少一种：氮化钛(tin)、类金刚石碳(dlc)、亮铬、二硫化钨、氮化铝钛以及复合金刚石涂层(cdc)。这种被施加的涂层的示例性厚度可为1μm和5μm之间、1μm和10μm之间等等。具体涂
层的选择可至少部分地基于，例如，其和换能器本体材料的附着程度。
23.根据本发明，换能器本体的被加工区域(例如，换能器本体表面的涂层区域)在被加工可被更改。例如，在涂层施加到换能器本体的应用中，涂层可被机械加工(machined)或其他期望的改变以起到特定作用(例如，为了保持期望公差(tolerance)等)。
24.根据本发明的各种示例性实施方式，超声换能器被提供为其包括换能器本体。换能器本体的表面的至少部分包括被加工区域。被加工区域具有被改变状态部(例如，其中，被改变状态部可被配置为减少位于被加工区域处的毛边和/或减少磨损)。被加工区域可包括换能器本体的外表面(例如，全部外表面或实质全部外表面)。然而，被加工区域也可包括表面的特定目标区域，诸如例如：限定被配置为接收引线键合工具的孔的、换能器本体的区域，以及限定另一孔(有时在本文中称作第二孔，所述第二孔被配置为接收固定件，所述固定件用于在与引线键合工具接合期间紧固前述孔)的、换能器本体的区域。
25.如上所述，被改变状态部可包括在施加在被加工区域的涂层。被改变状态部的另一实施例包括被加工区域处的钝化状态部(例如，其中，钝化状态部包括阳极化状态部)。设想了被改变状态部的其他实施例。
26.根据本发明的特定示例性方面，被加工区域的(i)摩擦系数小于0.2和/或(ii)硬度大于90hrc。
27.现参考图示，图1a-图1c示出引线键合机和超声换能器的方面，这对解释本发明的各种示例性实施方式有帮助。例如，图1a-图1c所示的超声换能器100可包括被加工区域，其具有位于换能器本体表面处的被改变状态部的(例如，参见图2a-图2b、图3a-图3b以及图4a-图4b示出的示例性被加工区域)
28.如图1a所示，引线键合机150包括键合头组件162，和由键合头组件162携带的超声换能器100。超声换能器100包括换能器本体(例如，见图1b中换能器本体100’)，其中，换能器本体的表面的至少部分包括被加工区域(例如，见图2a-图2b、图3a-图3b以及图4a-图4b)。被加工区域具有位于换能器本体的表面处的被改变状态部。
29.超声换能器100携带引线键合工具108将(引线160的)引线部分键合到工件156。在图1a示出的实施方式中，工件156包括安装在基板154上的半导体管芯(die)158。工件156被引线键合机150的支撑结构152所支撑。本领域的技术人员将会理解，引线键合工具108(由键合头组件162携带)沿引线键合机150的多个轴向可移动以进行引线键合操作。例如，通过键合头组件162的移动，引线键合工具108被带着沿引线键合机150的x轴和y轴移动，以及通过z轴运动系统(未示出)，引线键合工具108被带着沿引线键合机150的z轴移动。
30.超声换能器100在引线键合工具108的工作端108a(也被称为引线键合工具108的尖端部分)处提供超声波擦动，以将引线160的部分键合到工件156。在图1a中，无空气球160a(例如，引线160的一部分)位于引线键合工具108的工作端108a处。通过引线键合操作，无空气球160a将被键合到工件156。
31.图1b-图1c是展示图1a中超声换能器示例的更多细节的透视图。超声换能器100包括换能器本体100’。换能器本体100’包括安装结构102a、102b，用以安装超声换能器100到引线键合机的键合头组件(例如，参见图1a中键合头组件162)。压电晶体104提供在由超声换能器100限定的空腔116(其中空腔116如图2a-图2b、图3a-图3b以及图4a-图4b所示)内，其中经由向电极106a、106b施加电能，压电晶体104向超声换能器100提供超声能量。此超声
能量被传导至引线键合操作中所用的引线键合工具108。
32.换能器本体100’限定被配置为接收引线键合工具108的孔112。换能器本体100’还限定第二孔110a，所述第二孔配置为接收固定件110，所述固定件110用于在与引线键合工具108接合期间紧固所述孔112。例如，固定件110可以是螺丝或其他螺纹固定件，并且配置为接合第二孔110a的螺纹110a1。即，使用集成工具夹114(例如，拼合夹具)，固定件110接合在第二孔110a中，引线键合工具108紧固在所述孔112中。更具体地说，当固定件110被拧入第二孔110a，集成工具夹114被压紧，从而致使所述孔112收缩。当所述孔112收缩，支撑面112a沿径向向内移动，从而将引线键合工具108紧固在所述孔112中。
33.图1a-图1c示出包括超声换能器100的引线键合机150的示例性特点。应当理解，这些不同特点可以在本发明的范围内变更。根据本发明的方面的示例性特点是换能器本体的表面的至少部分包括被加工区域。该被加工区域具有被改变状态部(例如，其中，被改变状态部可配置为减少位于被加工区域处的毛边和/或磨损)。图2a-图2b、图3a-图3b以及图4a-图4b示出带有不同具有被改变状态部的被加工区域的超声换能器100的各种示例(在图2a中被标为超声换能器100a，图3a中为100b，图4a中为100c)。当然，本发明不限于图2a-图2b、图3a-图3b以及图4a-图4b所示的示例。
34.现参考图2a，超声换能器100a(图1a-图1c所示的换能器100的一例)包括换能器本体100a’。换能器本体100a’限定孔112，第二孔110a，空腔116以及集成工具夹114。示例固定件102’示出为接合到每个安装结构102a、102b，用于将超声换能器100a安装到键合头组件。换能器本体100a’包括表面100a1(即，外表面)。如上所提供，表面100a1的至少部分包括被加工区域。在图2a所示的示例中，被加工区域是限定被配置为接收引线键合工具的孔112的区域100a2。图2b示出a-a方向截面，其是区域100a2的横截面。
35.现参考图3a，超声换能器100b(图1a-图1c所示的换能器100的另一例)包括换能器本体100b’。换能器本体100b’限定孔112，第二孔110a，空腔116以及集成工具夹114。示例固定件102’示出为接合到每个安装结构102a、102b，用于将超声换能器100b安装到键合头组件。换能器本体100b’包括表面100b1(即，外表面)。如上所提供，表面100b1的至少部分包括被加工区域。在图3a所示的示例中，被加工区域包括(i)限定被配置为接收引线键合工具的孔112的区域100b2和(ii)限定另一孔110a(有时在本文被称为第二孔，所述第二孔被配置为接收固定件110，所述固定件用于在与引线键合工具接合期间紧固孔112)的区域100b3。图3b示出b-b方向截面，即区域100b2的横截面。
36.现参考图4a，超声换能器100c(图1a-图1c所示的换能器100的又一例)包括换能器本体100c’。换能器本体100c’限定孔112，第二孔110a，空腔116以及集成工具夹114。示例固定件102’示出为接合到每个安装结构102a、102b，用于将超声换能器100c安装到键合头组件。换能器本体100c’包括表面100c1(即，外表面)。如上所提供，表面100c1的至少部分包括被加工区域。在图4a所示的示例中，被加工区域包括换能器本体100c的外表面，以及被标为被加工区域100c2。图4a中的被加工区域100c2还包括(i)限定被配置为接收引线键合工具的孔112的区域100c3，(ii)限定另一孔110a(有时在本文被称为第二孔，所述第二孔被配置为接收固定件110，所述固定件用于在与引线键合工具接合期间紧固孔112)的区域100c4。图4b示出c-c方向截面，即区域100c3的横截面。
37.如上所述，被加工区域包括位于换能器本体的表面处的被改变状态部。这适用于
根据本发明的任何实施方式的任何被加工区域。例如，在图2a-图2b中所示的被加工区域100a2，或在图3a-图3b中所示的被加工区域100b2、100b3，或在图4a-图4b中所示的被加工区域100c2——都包括位于换能器本体的表面处的被改变状态部。例如，被改变状态部可被配置为减少位于限定前述孔112的换能器本体区域处的磨损和/或毛边。
38.被改变状态部可包括被施加到被加工区域的涂层。涂层材料的示例包括以下中的至少一种：氮化钛、类金刚石碳、亮铬、二硫化钨、氮化铝钛以及复合金刚石涂层。涂层厚度的示例性范围包括(i)1μm和10μm之间，以及1μm和5μm之间。
39.被改变状态部可包括在被加工区域处的钝化状态部(例如，阳极化状态部)。
40.图5a-图5c为展示了依照本发明提供超声换能器的示例性方法的流程图。正如本领域的技术人员所理解，包括在流程图中的特定步骤可以被省略；特定额外步骤可以被添加；且步骤的顺序可以相对于示出的顺序变更—都在本发明范围内。
41.现参考图5a，在步骤500处，提供换能器本体。在步骤502处，加工换能器本体的表面的至少部分，以产生被加工区域。所述被加工区域具有位于换能器本体的表面处的被改变状态部。
42.现参考图5b，在步骤510处，提供换能器本体。在步骤512处，涂覆换能器本体的表面的至少部分，以产生涂层区域(即，在此例中被加工区域是涂层区域)。涂覆可应用以下任何工艺：喷涂、等离子气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)等。如果涂覆不是施加在换能器本体的整个外表面，可利用掩蔽法(或其他选择性涂覆工艺)。
43.现参考图5c，在步骤520处，提供换能器本体。在步骤522处，加工换能器本体的表面的至少部分，以产生被加工区域。所述被加工区域具有位于换能器本体的表面处的钝化状态部(例如，阳极化状态部)。例如，可以在表面处进行电解反应，以提供钝化状态部。这种钝化状态部可考虑为，例如：提供表面处的保护性氧化膜；增加表面处的自然氧化膜的厚度；通过消耗表面处小部分材料而产生化学反应等。
44.虽然本发明主要被描述为涉及有关引线键合机所使用的超声换能器，但是它并不限于此。本发明的教导可适用于包括半导体行业中其他应用的、超出引线键合范畴的超声换能器的各种应用(例如，倒装芯片键合、晶圆级键合等)，以及超出半导体行业范畴的应用。更进一步讲，超声换能器携带的作业工具并不限于引线键合工具；其他类型的作业工具被设想。
45.虽然参考具体的实施方式在此对本发明进行图示和描述，但是本发明无意被限制于所示细节。而是在不脱离本发明且在权利要求及其等同形式的范围和限制内，可以进行各种修改。