[发明专利]一种串联复合结构双频多振幅压电超声换能器

说明书

本发明公开了一种应用于集成电路芯片热超声引线键合封连工艺的串联复合结构双频、多振幅压电超声换能器。该换能器由两组双端辐射压电振子和两个不同放大倍数的二级机械变幅杆组成，可在60kHz或120kHz频率附近工作，提供三种驱动方式，在相同频率简谐激振信号下，能够获得多种振幅输出，以满足集成电路芯片引线键合工艺的不同需求，提高键合连接效率和可靠性。同时该复合结构超声换能器夹持机构采用圆弧形铰链构成的法兰柔性夹持机构，能够有效降低变幅杆轴向超声波传递过程中，夹持机架扰动力矩对超声波传递效率的影响，提高超声能量的利用率。

技术领域

本发明属于高频超声精密制造领域，涉及一种可应用于集成电路(IC)芯片热超声引线键合或倒装键合封连工艺的串联复合结构双频多振幅压电超声换能器。

背景技术

随着集成电路(IC)芯片向着高集成度、多引线、细间距的发展，对集成电路芯片焊盘和封装引脚间的电气引线连接效率、可靠性提出了更高的要求，引线键合或倒装键合装备需要不断发展以适应各种半导体新工艺、新材料、新连接可靠性及效率的要求。目前，引线键合和倒装键合技术凭借工艺实现简单、成本低廉、适用多种封装形式而在芯片封连工艺中占主导地位，在可预见的未来仍将是半导体封装连接的主流方式。压电超声换能器作为热超声IC芯片精密封连设备的核心组成部件之一，其作用是将施加在换能器压电陶瓷晶堆的电能装换为工艺所需的机械变幅杆的超声振动能量，以实现集成电路芯片焊盘和封装引脚间的可靠性电气连接。传统压电超声换能器多为单一频率工作，适用的功率范围小，振幅可选择性差，当遇到不同芯片封连续加工需求时，需要频繁更换压电换能器来满足特定键合工艺所需的频率、功率、振幅、振速等要求，这不仅使得工作效率大幅度降低，也使得设备调试与工艺调节等费时耗力。为此，本发明提出并开发了一款可应用于芯片封连键合工艺的串联复合结构双频多振幅压电超声换能器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，设计了一种串联复合结构双频多振幅压电超声换能器。该换能器采用两组压电陶瓷晶堆驱动的Sandwich夹心式纵振结构，两组不同结构的二级机械变幅杆通过螺栓与压电陶瓷晶堆连接，每个振动传输支路均具备60kHz和120kHz两种谐振频率，这样的设计使得该换能器能够在多种频率组合情况下激振，以达到不同的功率、振幅输出的目的，完成不同封装类型、不同材料和不同工艺需求的集成电路芯片封连工艺。该复合结构压电换能器中间振动块设置有柔性铰链法兰夹持机构，能够减少夹持装置对两组压电换能器超声纵振的影响，达到运动解耦的目的。该复合机构换能器能够满足多种工况的需求，以实现最佳的键合效果，同时也极大减少了键合设备更换压电换能器和工艺调试时间，提高了键合效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种串联复合结构双频多振幅压电超声换能器，包括第一压电陶瓷组、第二压电陶瓷组、第一振动杆、第二振动杆和中间振动块，所述第一压电陶瓷组安装在第一振动杆和中间振动块之间，所述第二压电陶瓷组安装在第二振动杆和中间振动块之间，第一压电陶瓷组、第一振动杆、中间振动块、第二压电陶瓷组、第二振动杆依次通过预紧螺栓同轴连接；第一振动杆和第二振动杆的结构不同，具有不同的振幅放大倍数。

在上述技术方案中，所述第一振动杆和第二振动杆轴线位置设置螺纹孔、中间振动块设置通孔，所述预紧螺栓与第一振动杆右端面的螺纹孔和第二振动杆左端面的螺纹孔进行连接。

在上述技术方案中，所述的第一压电陶瓷组、第二压电陶瓷组均由四片压电陶瓷片和四片厚度为0.05mm的铜电极片组成，所述压电陶瓷片和铜电极片进行隔片设置，两组压电陶瓷组种压电陶瓷片的设置方式相同，即相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反。

在上述技术方案中，第一振动杆包括第一级半波长圆锥形变幅杆和第二级半波长阶梯形变幅杆；第二振动杆包括第一级半波长圆锥形变幅杆和第二级半波长圆锥形变幅杆。第一振动杆和第二振动杆均利用两级变幅杆组合实现超声振动幅值的二级变幅。