[发明专利]复频夹心结构超声换能器

说明书

技术领域

本发明属于超声加工制造领域，具体涉及热超声引线键合和热超声倒装封装设备的 复频超声换能装置。

背景技术

“热超声引线键合”作为IC封装的重要技术，其封装形式占IC封装的90％以上。 “热超声倒装封装”则是近些年发展起来的一种新的IC封装方式。这两种封装形式是 IC加工制造过程中起主导作用的电互连方式。热超声引线键合和热超声倒装封装过程都 要利用超声能量，压电超声换能器是IC封装设备超声系统的重要组成部件，其担当将 电能转化为机械超声振动能量的重任。传统用于超声加工(如超声切削、超声焊接)的 压电换能器多工作在基频段，即20kHz～60kHz频率点附近，用于IC封装的压电超声 换能器一般工作在60kHz频率点附近，随着芯片的不断发展，封装工艺要求压电换能 器具有更高的工作频率，主要是由于在高频下实现IC封装具有以下优点：芯片逐渐微 型化，其I/O密度大幅度提高，引线间距越来越小，现有的传统频率换能器无法满足超 细管脚的芯片封装，而在高频模态振动中，换能器的振幅恰好变小，适应了芯片发展的 要求；高频振动的换能器能够提高封装速度，进而提高封装效率；热超声封装中需要同 时施加热量、压力和超声能量，采用高频换能器相当于增加了超声能量，相应降低了热 量的施加，从而可以实现低温封装，这对一些不能承受高温的芯片来说至关重要。

鉴于此，本发明提出了一种高频超声换能器系统结构，根据所加超声信号发生器激 励频率的不同，该换能器可分别工作在60kHz和100kHz两个频率点附近，其特点是 采用锆钛酸铅压电陶瓷作为驱动级，数片压电陶瓷采用机械串联、电学并联的方式连接 成压电晶堆，利用高强度螺栓的预紧力将前后盖板和压电晶堆装配成压电振子；为了增 加换能器端面的振幅，采用了两级聚能器结构，通过优化设计将法兰盘设计在换能器纵 向振动的位移节点，有效地减小了换能器与其他部件的机械耦合，提高了超声能量的利 用率。

发明的内容

本发明的目的是提供一种由锆钛酸铅压电陶瓷晶堆驱动，能够满足热超声封装要求 的60kHz和100kHz复频夹心结构超声换能器。

本发明通过以下技术方案予以实现。用于芯片封装的复频夹心结构超声换能器其结 构如图1、图2所示。该复频夹心结构超声换能器属于纵向振动类型，在结构上聚能器 整体由三段二级构成。采用两级聚能器是为了增加换能器端面的振幅和提高超声能量的 调节功能。聚能器的三段分别是一级半波聚能器锥形段和圆柱段以及二级半波锥形聚能 器。该聚能器的一个重要特点是三段二级、夹持法兰以及前盖板采用同种材质作为一个 整体进行机加工，消除了装配误差给换能器性能所带来的影响。采用两级聚能器串联结 构，一级半波聚能器采用锥形段后接圆柱体结构，二级半波聚能器采用锥形，增大了振 幅放大系数和振幅调节功能。数片铜片电极与数片锆钛酸铅压电陶瓷晶片隔片安装，用 前盖板与后盖板将铜片电极和压电陶瓷晶片夹在其间，预紧螺钉的预紧力一般在30 MPa～50MPa范围内。采用一体化结构的两级聚能器放大压电晶体可以产生高频振动信 号。该结构换能器特点是可分别工作在60kHz和100kHz两个频率点附近。复频夹心 结构超声换能器利用压电陶瓷的逆压电效应，将超声频率的电信号转化为高频机械振 动，聚能器传输并放大振动信号后将能量传递给键合工具，键合工具带动芯片和基板相 互摩擦完成引线键合过程。将法兰盘设计在换能器纵向振动的位移节点，减小了换能器 与其他部件的机械耦合，可有效提高超声能量的利用率。

附图说明

附图1为本发明立体结构图。

附图2为本发明结构的剖视图。

具体实施方式