本申请要求2017年2月18日提交的美国临时申请no.62/460,793的权益，该申请的内容以引用方式并入本申请。
本发明涉及超声换能器系统，更具体地讲，涉及包括调谐型谐振器的改进的超声换能器系统，以及包括这种超声换能器系统的设备和使用这种系统的方法。
背景技术：
超声换能器被用于各种应用场合。例如，这样的超声换能器被广泛应用于半导体封装设备，诸如自动焊线机(例如，球焊焊线机，平焊焊线机，条带焊线机，等等)和新一代封装机(例如，诸如热压键合机等倒装芯片键合机，等等)。
一种示例性传统焊线工序包括：(1)利用焊线工具在第一半导体元件(诸如半导体晶片)的键合位置上形成线环键合部；(2)将与键合部相连续的一段长度的线材从第一半导体元件延续到第二半导体元件(或支撑着第一半导体元件的基板，诸如引线框)；(3)利用该键合工具将线材键合到第二半导体元件(或基板)的键合位置，以形成线环的第二键合部；和(4)将线材从线材供应部断开，由此形成线环。当在(a)线环各端部和(b)各键合位置之间形成键合部时，超声换能器提供的超声能量被利用。
一种示例性倒装芯片键合工序包括：(1)将第一半导体元件(诸如半导体晶片)的第一导电结构与第二半导体元件的第二导电结构对正；(2)利用超声键合能量(并且可能借助热量和/或力)将第一半导体元件键合到第二半导体元件，使得相应成对的第一导电结构和第二导电结构被结合到一起(其中第一导电结构和第二导电结构之间的互连部可能包含有焊料)。
美国专利no.5,595,328(标题为“selfisolatingultrasonictransducer”)；5,699,953(标题为“multiresonanceunibodyultrasonictransducer”)；5,884,834(标题为“multi-frequencyultrasonicwirebonderandmethod”)；7,137,543(标题为“integratedflexuremountschemefordynamicisolationofultrasonictransducers”)；8,251,275(标题为“ultrasonictransducersforwirebondingandmethodsofformingwirebondsusingultrasonictransducers”)；以及9,136,240(标题为“systemsandmethodsforbondingsemiconductorelements”)涉及超声换能器，并且它们整体上以引用方式并入本申请。超声键合能量典型地利用超声换能器施加，其中键合工具附连于换能器。换能器典型地包括驱动器，诸如压电元件(例如，压电晶体，压电陶瓷，等等)堆叠。电能被施加到驱动器，并且电能被转化为机械能，由此将键合工具头以刮擦运动方式移动。
在使用这种换能器时，在安装结构的谐振频率与换能器的工作模式重合(或接近)的情况下，存在挑战。在配置成以多个频率工作的超声换能器方面，这种挑战尤其困难。也就是说，虽然某种换能器可能在第一工作模式(例如，高频模式)时能最佳地操作，但该换能器在第二工作模式(例如，低频模式)中可能存在关于阻抗稳定性的问题。例如，在第二工作模式中可能引起高阻抗，而高阻抗又导致各种现场问题(例如，超声调谐故障)。
因此，希望提供改进的超声换能器，用以结合何种应用场合使用，诸如半导体封装设备(例如，自动焊线机，新一代封装机，等等)。
技术实现要素：
根据本发明的示例性实施方式，一种超声换能器系统被提供。该超声换能器系统包括：换能器安装结构；换能器，其包括至少一个安装法兰，用于将换能器耦连到换能器安装结构；和调谐型谐振器，其具有预期的谐振频率，所述调谐型谐振器集成于所述换能器安装结构和所述至少一个安装法兰中的至少一个。
根据本发明的另一示例性实施方式，一种焊线机被提供。该焊线机包括：支撑结构，用于支撑工件，该工件配置成在焊线操作期间接纳线键合部；焊线工具，其被配置成在工件上形成线键合部；和超声换能器系统，诸如此处描述的那些(可以认为包括键合工具)，或本发明范围内的其它超声换能器系统。
根据本发明的另一示例性实施方式，一种倒装芯片键合机被提供。该倒装芯片键合机包括：支撑结构，用于支撑工件，所述工件配置成在倒装芯片键合操作期间接纳半导体元件；键合工具，其被配置成将半导体元件结合到基板；和超声换能器系统，诸如此处描述的那些(可以认为包括键合工具)，或本发明范围内的其它超声换能器系统。
根据本发明的其它示例性实施方式，提供(例如，使用)超声换能器系统(诸如此处公开和请求保护的哪些)的方法被提供。一种示例性的提供超声换能器系统的方法包括下述步骤：(i)提供换能器和换能器安装结构；(ii)利用换能器的至少一个安装法兰将换能器耦连到换能器安装结构；和(iii)将具有预期谐振频率的调谐型谐振器集成于换能器安装结构和所述至少一个安装法兰中的至少一个。
附图说明
通过附图阅读下面的详细描述，可以最佳地理解本发明。需要强调，根据通常实践，附图中的各种特征不是按比例绘制的。相反，为了清楚，各种特征的尺寸被人为地夸大或缩小。附图中包括下述图示：
图1a是根据本发明示例性实施方式的超声换能器系统的透视图；
图1b是图1a中的超声换能器系统的侧视图；
图1c是图1a中的超声换能器系统的俯视图；
图2是展示根据本发明示例性实施方式使安装结构谐振频率移离超声换能器的工作频率的曲线图，使得换能器能够以与安装结构没有实质上相互作用的方式操作；
图3是根据本发明示例性实施方式的弹簧-质量系统的框图；
图4是根据本发明示例性实施方式的图1a-1c中的超声换能器系统中的调谐型谐振器的图示；
图5a是根据本发明另一示例性实施方式的另一超声换能器系统的透视图；
图5b是图5a中的超声换能器系统的侧视图；
图5c是图5a中的超声换能器系统的俯视图；
图6a是根据本发明另一示例性实施方式的又一超声换能器系统的透视图；
图6b是图6a中的超声换能器系统的侧视图；
图6c是图6a中的超声换能器系统的俯视图；
图7a是根据本发明另一示例性实施方式的又一超声换能器系统的透视图；
图7b是图7a中的超声换能器系统的侧视图；
图7c是图7a中的超声换能器系统的俯视图；
图8是根据本发明示例性实施方式的包括超声换能器系统的焊线机的框图；
图9是根据本发明示例性实施方式的包括超声换能器系统的倒装芯片键合机的框图；以及
图10-13是根据本发明各种示例性实施方式的用于倒装芯片键合机的各种超声换能器系统的透视图。
具体实施方式
这里使用的属于"半导体元件"意在指包括(或配置成在后续步骤中包括)半导体芯片或晶片的任何结构。示例性半导体元件包括半导体裸晶，基板/工件(例如，引线框，pcb，支座，等等)上的半导体晶片，封装半导体器件，倒装芯片半导体器件，嵌入基板的晶片，半导体晶片的堆叠，以及诸如此类。另外，半导体元件可包括配置成被结合或以其它方式包含于半导体封装体(例如，将以堆叠晶片构型结合的垫片，基板，等等)中的元件。
根据本发明的各种示例性实施方式，被调谐到超声换能器工作频率的一或多个机械谐振器用作振动吸收器，以提供超声换能器安装时的动态隔离。也就是说，根据本发明，通过主动振动吸收，超声换能器和超声换能器的安装结构之间的动态相互作用或“耦合”减小了。减小换能器和安装结构之间的耦合能够提供更好的动态隔离，导致更低的工作阻抗，更少的发热，更一致的运动，并且因此而整体上提高换能器的工作效率和性能。本发明的各个方面可以应用为对现有设施(例如，现有半导体封装机)进行改装或应用于新的设施(例如，新设计的半导体封装机)。
因此，使用一或多个主动调谐机械谐振器(其中，调谐型谐振器可以认为包括多个调谐型谐振器或调谐型谐振器元件，其中可以通过由系统的一或多个元件移除材料而将调谐型谐振器集成于换能器系统中，等等)，用以在超声频率吸收振动，提供了超声换能器和安装结构之间的动态隔离，而不论安装结构中的固有谐振如何。这与现有技术中聚焦于被动方法诸如添加阻尼元件(例如，橡胶o型环)以图实现动态隔离的各种尝试决然不同。
超声换能器和安装结构之间的动态隔离是一项很有意义的挑战，例如，由于安装结构典型地在超声频率具有很多难以预测的(例如，通过有限元分析，fea)谐振。由于许用公差，和边界条件变化，诸如由安装和拆卸换能器引起，这种结构性谐振可能而发生变化。由于机械谐振器被调谐到换能器的工作频率，就能够通过连续“推离”可能侵入(随机或恒定)换能器工作频率的任何结构性谐振而提供主动振动吸收和隔离。这使得换能器设计者在设计安装结构时具有更大的自由度，而对动态耦合因素的考虑可以减少。
超声换能器中的阻抗变化性可能是由换能器和换能器安装结构(例如，z轴连杆，等等)之间的动态相互作用引起的。换能器的工作模式(例如，多频换能器的低频模式)可能具有存在蠕变模式的耦合，例如，这可能引起用于将换能器耦合到换能器安装结构的安装法兰(例如，安装耳)的径向“促动”。这种耦合趋向于在激起换能器安装结构中激发与换能器的工作模式重合(或接近)的若干模式。
根据本发明的示例性方面，调谐型谐振器被用于将蠕变谐振模式偏移离开换能器的工作模式。也就是说，通过在结构性模式频率下提供偏置质量，调谐型谐振器(例如，其中谐振器安装于换能器，安装于换能器安装结构，形成于换能器或安装结构中，等等)导致振动被吸收。谐振器被调谐，例如，利用fea分析。
现在参看附图，图1a-1c是根据本发明示例性实施方式的超声换能器系统100。超声换能器系统100包括换能器102，其耦连于换能器安装结构104。换能器102包括安装法兰102a，用于将换能器102紧固到换能器安装结构104。紧固件108被用于将换能器102经安装法兰102a耦连到换能器安装结构104。换能器102包括驱动器102b(例如，压电元件的堆叠)和工作端102c。工作端102c限定开孔102c1，所述开孔配置成接纳焊线工具(线材键合工具)110。
超声换能器系统100还包括若干调谐型谐振器106(其也可被称作调谐型谐振器元件)，其中在换能器102和换能器安装结构104之间的每个界面(即，连接区)提供一个调谐型谐振器106。每个调谐型谐振器106具有预期的谐振频率，并且集成于安装法兰102a以防止安装结构104中发生动态相互作用或“耦合”。在图1a-1c所示的例子中，调谐型谐振器106以安装垫片的形式插入在用于将换能器102紧固到换能器安装结构104的紧固件(例如，螺钉)108的下面。调谐型谐振器106(例如，形式为图示的安装垫片)可以直接地或间接地耦连到换能器安装结构104。
图2是曲线图，展示了将安装结构谐振频率偏移离开超声换能器的工作频率(52khz)，使得换能器不再与以其谐振频率工作的安装结构相互作用。更具体地讲，x20表示安装结构的初始形态，其呈现的谐振频率与换能器工作频率(例如，在本例中，52khz)重合。x2指示安装结构谐振频率的偏移(和分割)离开换能器工作频率，导致换能器工作频率处的幅值节点。x1表示谐振器(一或多个)相对于安装结构的幅值，提供了用于将安装结构谐振频率偏移离开换能器工作频率的偏置动态质量。在本例中，利用图1a-1c中所示的调谐型谐振器106，安装结构谐振频率被移位。
图3是弹簧-质量系统的框图，展示了结构性质量m2，和添加的调谐型谐振器质量m1。如图3中的弹簧-质量模型和图2中的曲线图所示，添加调谐型谐振器质量m1引起主结构谐振，在换能器工作频率周围产生新的“分割模式”，形式为与调谐质量的“同相”模式和“异相”模式。
图4示出了调谐型谐振器106(取自图1a-1c)，显示为通过fea模型化处在弯曲操作。调谐型谐振器106包括：固定部分106a(配置成利用紧固件108经安装法兰102a耦连于换能器安装结构104)(对应于图3中的结构m2)；调谐质量106b(对应于图3中的结构m1)；和弹簧部分106c(限定孔或开口106c1)(对应于图3中的弹簧k1)。
虽然图1a-1c示出了以啮合在换能器102的安装法兰102a处的“垫片”的形式提供的调谐型谐振器106，可以理解，其它替代性调谐型谐振器也可考虑。例如，参看图5a-5c，图6a-6c，和图7a-7c。
特别参看图5a-5c，超声换能器系统500被提供。超声换能器系统500包括换能器502，其耦连于换能器安装结构504。换能器502包括安装法兰502a，用于将换能器502紧固到换能器安装结构504。紧固件508被用于将换能器502经安装法兰502a耦连到换能器安装结构504。换能器502包括驱动器502b(例如，压电元件的堆叠)和工作端502c。工作端502c限定开孔502c1，该开孔配置成接纳焊线工具510。超声换能器系统500还包括调谐型谐振器506，通过从换能器安装结构504移除材料(例如，通过edm，激光加工，等等)，调谐型谐振器集成于换能器安装结构504，使得围绕调谐型谐振器506的各个部位限定空间504a。每个调谐型谐振器506具有预期的谐振频率，并且集成于换能器安装结构504，以防止动态相互作用或“耦合”发生在安装结构504中。
特别参看图6a-6c，超声换能器系统600被提供。超声换能器系统600包括换能器602，其耦连于换能器安装结构604。换能器602包括安装法兰602a，用于将换能器602紧固到换能器安装结构604。紧固件608被用于将换能器602经安装法兰602a耦连到换能器安装结构604。换能器602包括驱动器602b(例如，压电元件的堆叠)和工作端602c。工作端602c限定开孔602c1，该开孔配置成接纳焊线工具610。超声换能器系统600还包括调谐型谐振器606，通过将调谐型谐振器606紧固到换能器安装结构604(其中调谐型谐振器元件606可以利用紧固件612直接或间接地耦连于换能器安装结构604)，调谐型谐振器集成于换能器安装结构604。每个调谐型谐振器606具有预期的谐振频率，并且集成于换能器安装结构604，以防止动态相互作用或“耦合”发生在安装结构604中。
特别参看图7a-7c，超声换能器系统700被提供。超声换能器系统700包括换能器702，其耦连于换能器安装结构704。换能器702包括安装法兰702a，用于将换能器702紧固到换能器安装结构704。紧固件708被用于将换能器702经安装法兰702a耦连到换能器安装结构704。换能器702包括驱动器702b(例如，压电元件的堆叠)和工作端702c。工作端702c限定开孔702c1，该开孔配置成接纳焊线工具710。超声换能器系统700还包括调谐型谐振器706，通过从安装法兰702a移除材料(例如，通过edm，激光加工，等等)，调谐型谐振器集成于安装法兰702a，使得围绕着调谐型谐振器706的各个部位限定空间702a1。每个调谐型谐振器706具有预期的谐振频率，并且集成于安装法兰702a，以防止动态相互作用或“耦合”发生在安装结构704。
图8是根据本发明示例性实施方式的焊线机800的框图，该焊线机包括由键合头组件808承载的超声换能器系统810。超声换能器系统812可以对应于本发明范围内的任何超声换能器系统，诸如超声换能器系统100(见图1a-1c)，超声换能器系统500(见图5a-5c)，超声换能器系统600(见图6a-6c)，或超声换能器系统700(见图7a-7c)。焊线机800还包括支撑结构802，其支撑半导体元件804(或基板804，诸如引线框)。半导体元件806被半导体元件804支撑。线环形成在半导体元件806和半导体元件804之间。线环814包括键合部，其被键合于半导体元件806上的键合位置(利用焊线工具810)，从键合部延伸的一段长度的线材，并将包括键合于半导体元件804上的键合位置的第二键合部。焊线工具810(超声换能器系统812的)被超声换能器系统812的换能器承载(换能器没有在图8中专门显示，但可分别参看图1a-1c、5a-5c、6a-6c和7a-7c中的换能器102、502、602和702)。
图9是根据本发明示例性实施方式的倒装芯片键合机900的框图，该倒装芯片键合机包括超声换能器系统912。虽然超声换能器系统912是倒装芯片键合机的一部分(不同于图8所示或在图1a-1c、5a-5c、6a-6c和7a-7c中构想的焊线机)，但本发明的各种方面可以在各种应用场合中使用，诸如倒装芯片键合机等等。因此，在倒装芯片键合机(诸如图9中的)中，调谐型谐振器可被提供(例如，通过集成调谐型谐振器，这通过添加元件或移除材料实现，如结合本发明的各种实施方式所描述的那样，诸如结合图1a-1c、5a-5c、6a-6c和7a-7c描述的)。
倒装芯片键合机900包括支撑结构902，其支撑半导体元件904，该半导体元件包括导电结构904a(只有两个导电结构904a被显示，但可以理解，很多导电结构可被提供)。键合工具910(由包含于超声换能器系统912中的换能器承载)是键合头组件908的一部分。键合工具910承载着半导体元件906，包括导电结构906a(只有两个导电结构904a被显示，但可以理解，很多导电结构可被提供)。在利用键合工具910(利用换能器910提供的超声键合能量)将半导体元件906键合到半导体元件904之前，导电结构906a被与导电结构904a对正。
超声换能器系统912包括：(a)换能器安装结构，(b)换能器，其包括至少一个安装法兰，用于将换能器耦连到换能器安装结构，和(c)调谐型谐振器，其具有预期的谐振频率。虽然这些单独的元件没有在图9中显示，可以理解，这些元件可以类似于图1a-1c、5a-5c、6a-6c和7a-7c所示的那些，除了具体应用方式不同以外(例如，焊线与倒装芯片键合)。调谐型谐振器集成于换能器安装结构和所述至少一个安装法兰中的至少一个，具有与这里结合本发明的各种示例性实施方式描述的相同的功能性目标(例如，其中每个调谐型谐振器具有预期的谐振频率，并且集成于换能器安装结构和/或安装法兰(一或多个)，以防止动态相互作用或“耦合”发生在换能器安装结构中)。
图10-13示出了根据本发明的各种示例性实施方式的用于倒装芯片键合机的超声换能器系统1000、1100、1200和1300。更具体地讲，图9中的超声换能器系统912可以具有任何数量的构型，包括图10-13中结合超声换能器系统1000、1100、1200和1300所示的那些。为了简明和易于解释：图10非常类似于图1a，以相同的附图标记代表相同元件；图11非常类似于图5a，以相同的附图标记代表相同元件；图12非常类似于图6a，以相同的附图标记代表相同元件；而图13非常类似于图7a，以相同的附图标记代表相同元件。因此，对具有相同附图标记的元件的描述被省略。然而，图10-13中每个分别示出了相应换能器102、502、602、702的工作端102c、502c、602c、702c。这些工作端102c、502c、602c、702c中的每个保持着倒装芯片键合工具1002，该倒装芯片键合工具包括轴部1002a和基部1002b。基部1002b保持着半导体元件1004(例如，通过经键合工具1002抽吸的真空或类似物)，并且配置成与倒装芯片键合操作相结合地键合(例如，其中键合工艺包括超声键合)半导体元件1004。
尽管主要针对与半导体封装机(例如，焊线机，倒装芯片键合机，晶片级键合机)结合使用的超声换能器系统描述了本发明，但本发明并不局限于此。本发明教导的内容可以应用于超声换能器系统在半导体封装领域之外的各种其它应用场合。
尽管主要针对调谐到换能器工作频率的调谐型谐振器(或多个调谐型谐振器)描述了本发明，可以构想，多个调谐型谐振器中的每个可以分别调谐到换能器的多个工作频率之一。例如，图1a-1c中，两个不同的调谐型谐振器106被展现。这些调谐型谐振器106中的每个可以调谐到换能器的相同工作频率，或者这些调谐型谐振器106中的每个可以调谐到换能器的不同工作频率。另外，每个调谐型谐振器106可以调谐到换能器的多个工作频率。
尽管这里参照特定实施方式展示并描述了本发明，本发明并不局限于所示的细节。相反，在权利要求及其等同替换界定的范围内在不脱离本发明的前提下，可以对各种细节做出修改。