专利名称：用于键合装置的换能器组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种换能器组件(transducer assembly)，更具体是涉及一种可装配到半导体处理机器，如键合机上的换能器组件。
背景技术：
热超声倒装芯片键合(thermosonic flip chip bonding)在半导体封装中是关键的制造工序，其中，通过直接使用导电块(conductivebumps)代替使用互连如导线键合中的键合导线或带式自动键合(TABtape automated bonding)中的带体，半导体芯片被电气连接到衬底或者另一块芯片上。制造倒装芯片器件，首先通过在半导体芯片上形成电性导电块，随后将形成有导电块的芯片倒装以直接键合导电块到衬底或另一块芯片的相等放置的键合盘(bond pads)上。电性导电块可包括金或者焊料。
导电块被贴附到键合盘上的工序使用一种超声波换能器，以向导电块提供超声波振动能量，藉此通过表面之间相互的摩擦将导电块键合到键合盘上。
图1A和图1B分别是现有的换能器100的立体图和前视图。换能器100包含有大体对称的、多面(polyhedral)的主体，例如喇叭体(horn)102。该喇叭体102包含有两个基座端部110，在喇叭体102的每侧具有一个基座端部110。基座端部110朝向位于该喇叭体102的中央的较为狭窄的部位集中，以装配键合工具。
该喇叭体102的中央还包括用于插置键合工具的锥形化(tapered)的孔洞，以固定芯片进行键合。该键合工具可以是圆柱形夹体104的形式。该夹体104通过夹体螺杆106锁固定位。
夹体104包含有沿着其纵轴设置的真空孔洞。该夹体104的真空孔洞连接至一空气段(air passage)和一真空管114(vacuum tube)，其从喇叭体102的基座端部110之一处延伸。因此，当在键合处理期间通过真空管114施加真空吸力时，夹体104将会能够使用真空吸力在夹体104的端部固定芯片。
换能器100还包括装配在喇叭体102的基座端部110的超声波产生器108。每个超声波产生器108包括一堆压电元件，该压电元件通过一后端板体112拧紧在喇叭体102上而将其轴向连接和预加载，以固定压电元件。
当激活超声波产生器108时，超声波产生器108将会产生超声波振动能量，该超声波振动能量从超声波产生器108传送到喇叭体102的基座端部110，通过传送到夹体104，并最终到达夹体104的端部。如此这样，夹体104的端部将会按照特有的驱动频率和相应的振动幅度振动。
由超声波产生器108产生的超声波振动能量将会激活换能器100，以致于振动幅度沿着换能器100的纵轴呈现一种常态波形(standingwaveform)的特性。图2是当超声波振动能量产生时，可变的振动幅度120沿着现有的换能器100的分布示意图。为了传送最大的振动幅度进行键合处理，夹体104的端部最好设置于该常态波形的波谷(anti-nodal)位置122。这会在喇叭体102的中央，此处振动幅度最大。
换能器100的喇叭体102还包括四个L形凸缘支架116(flangemounts)，它们中的每个分别设置在喇叭体102的四个角上，以通过使用凸缘支架116上的安装孔洞118将换能器100安装到键合装置(图中未示)上。凸缘支架116通过细窄的凸缘(thin flanges)一体连接到喇叭体102上以便于其从喇叭体102的前面和后面凸伸，而这样使得凸缘支架116和喇叭体102的主体之间的接触面积最小。
如图2所示，凸缘支架116的安装孔洞118设置在换能器100的振动幅度最小的节点(nodal point)处。这是为了防止在通过装配界面(mounting interface)传送超声波振动能量到键合装置期间超声波振动能量的损失。振动能量通过凸缘支架116的损失因此最小，并且超声波振动能量可能有效地从喇叭体102传送到夹体104上。值得注意的是，夹体104的端部处振动能量的减少将会影响导电块和键合盘之间的键合，并因此影响半导体元件之间的互连强度。
在键合处理期间，需要高压力和能量来驱动换能器100以同步进行多个导电块在键合盘上的键合。因此，换能器100的夹体104在芯片上向下推抵时，其将会遭受一个向上的反作用力。图3是有限元分析法(FEAFinite Element Analysis)的网孔示意图(mesh diagram)，其表明了现有的换能器100的夹体104上所施加的向上的反作用力124的效果。当向上的反作用力124被施加于夹体104的端部时，该端部将会回缩和移动到一个新的位置，其为104’。
施加于夹体104上的向上的反作用力124进一步引入了出现于凸缘支架116处的反作用力126，并因此在喇叭体102上引起弯曲力矩。由于L形凸缘支架116分别通过细窄的凸缘被刚性地连接到喇叭体102的主体上，凸缘支架116的区域被反作用力126明显被弯曲。这些形变区域128在图3中被圈示，并且它们在喇叭体102的网格结构内产生了内部应力。接着，这导致整体上换能器100结构刚性上的降低和更大的压缩延伸(compressive extension)。然后，永久性的形变风险会更高。这可能在芯片放置于相应的键合盘期间芯片相对于键合表面的错位，并因此影响导电块在键合盘上恰当键合的能力。
另外，如果凸缘支架116变形和偏离常态波形的节点位置124，那么换能器100同样也能轻易由通过键合装置118传送的不期望的共振频率所激励。该不期望的共振频率是否接近于换能器100的操作共振频率，这是主要考虑的因素。当这种情形发生时，这些听觉干预频率(acoustic interference frequencies)将会引入对超声波键合操作的干扰，如噪声，并且因此影响键合质量。
凸缘支架116形变的另一个缺点是通过凸缘支架116将会损失一些超声波能量，导致传送给夹体104的振动能量更少，和在夹体104的端部处的振动幅度降低。这影响导电块和键合盘之间的键合强度。在被键合芯片的剪切强度(shear strength)的降低方面，这个问题尤其明显，这会导致芯片更容易从键合表面折断(shearing off)。
图4是表明当现有的换能器100施加有压缩力130时，发生于夹体104的端部处的压缩延伸132的示意图。在键合操作周期期间，高压力和能量被重复地施加于换能器100上。因此，换能器100将会在夹体104的端部遭受压缩力。这样，当喇叭体主体被弯曲和形变时，夹体104的端部将会随着压缩力缩回。喇叭体主体102的形变可通过在夹体104的端部的压缩延伸得以测量。如果夹体104的压缩延伸是在变化范围之内，以致于喇叭体102的内部应力没有超出材料强度的弹性限度，那么当去除压缩力时，喇叭体102中将不会出现永久或塑性形变(plastic deformation)。
所记录的数据表明当10kgf的压缩力130被施加于夹体104 0.05分钟(3秒)/周期时，夹体104缩回到最大的、大约为26μm的压缩延伸134，并以13μm的幅度振动。当在键合处理的后期去除压缩力130时，在夹体104的端部大约为13μm的永久形变136被观察到已经出现。喇叭体102内的这种不可逆的塑性变形将会降低换能器100的性能。
现有技术中可能解决部分前述问题的另一种方法描述在专利号为6,758,383、发明名称为“用于键合装置的换能器”的美国专利中。该方法提供了一种包括一对连接部的换能器，该连接部平行于喇叭体主体的纵轴中心对称地设置于喇叭体的相对两侧。该连接部具有四个对称设置的安装螺纹孔，以将换能器安装到键合装置上。该连接部有助于保护换能器结构刚性。
但是，这种换能器结构存在的问题是安装螺纹孔是形成于连接部上，而连接部是刚性地装配到喇叭体主体，以致于在键合期间连接部和喇叭体主体一起均遭受到形变应力。结果，当反作用力作用于夹体时，连接部和喇叭体一起类似地弯曲，如前面所描述的现有技术中的一样。接着，在键合处理之后，由于连接部和喇叭体主体的所宣称的弯曲，永久性的塑性形变仍然将会发生。
通过将换能器组件的安装部和喇叭体主体的刚性连接相分离，以致于减少安装部的弯曲和喇叭体的弯曲，而避免现有技术中的部分前述缺点将会是有益的，这接着会减少喇叭体振动的干扰和换能器永久形变的风险。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于换能器的强化了的支撑元件，其改善了结构完整性，并被配置来使得超声波对被键合芯片产生的干扰最小。
于是，本发明一种用于键合装置的换能器组件，其包含有喇叭体，其具有第一基座端部和第二基座端部；键合工具，其被安装在位于该第一基座端部和第二基座端部之间的喇叭体上；第一超声波产生器和第二超声波产生器，该第一超声波产生器固定于第一基座端部，该第二超声波产生器固定于第二基座端部；第一固紧机构和第二固紧机构，该第一固紧机构设置在位于键合工具和第一超声波产生器之间的喇叭体上，该第二固紧机构设置在位于键合工具和第二超声波产生器之间的喇叭体上；装配界面，使用该第一固紧机构和第二固紧机构将该喇叭体可释放地安装在该装配界面上；以及换能器装配位置，其设置在该装配界面上以将该装配界面安装到键合头上。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。
根据本发明所述的用于装配换能器的装置和方法的实例现将参考附图加以描述，其中图1A和图1B分别是现有的换能器的立体图和前视图。
图2是当超声波振动能量产生时，可变的振动幅度沿着现有的换能器的分布示意图。
图3是有限元分析法(FEAFinite Element Analysis)的网孔示意图(mesh diagram)，其表明了现有的换能器的夹体上所施加的向上的反作用力的效果。
图4是表明当现有的换能器施加有压缩力时，发生于夹体的端部处的压缩延伸的示意图。
图5所示为根据本发明较佳实施例所述的换能器组件的立体示意图。
图6所示为图5中所示换能器组件的前视示意图。
图7所示为表明当超声波振动能量产生时，可变的振动幅度沿着图6中换能器的示意图。
图8所示为有限元分析法(FEA)的网孔示意图，其表明了根据本发明较佳实施例所述的换能器的夹体上所施加向上的反作用力的效果。
图9是表明当根据本发明较佳实施例所述的换能器施加有压缩力时，发生于夹体的端部处的压缩延伸的示意图。
具体实施例方式
参考附图所示，其中相类似的部件引用相类似的数字。图5所示为根据本发明较佳实施例所述的换能器组件10的立体示意图。图6所示为图5中所示换能器组件10的前视示意图。该换能器10包含有大体对称的、多面的主体，其形成为喇叭体20。该喇叭体20在其相对的两侧包括第一和第二基座端部26。这些基座端部26朝向位于喇叭体20中央的较为细窄的中部25集中会齐。通过控制基座端部26和中部25之间的集中会齐速率，超声波振动能量可以配置来在喇叭体20的中央获得期望的振动幅度。
喇叭体20还包含有位于中部25处的锥形孔，以在基座端部26之间插置键合工具而在键合期间固定芯片。该键合工具可以为圆柱形夹体32的形式。该夹体32通过夹体螺杆34锁固定位。
该夹体32包含有沿着其纵轴设置的真空孔洞。该夹体32的真空孔洞连接至一空气段和一真空管36，其从喇叭体20的一个基座端部26处延伸。因此，当在键合处理期间通过真空管36施加真空吸力时，夹体32将会使用真空吸力在夹体32的端部固定芯片。
换能器10还包括分别固定在喇叭体20的第一和第二基座端部26的第一和第二超声波产生器28。每个超声波产生器28包括一堆压电元件，该压电元件通过一螺固在该堆压电元件上的后端板体30而被轴向连接和预加载。
当激活超声波产生器28时，超声波产生器28将会产生超声波振动能量，该超声波振动能量从超声波产生器28传送到基座端部26，通过喇叭体20到中部25，并最终通过夹体32到达夹体32的端部。如此这样，夹体32的端部将会按照由超声波产生器28产生的特有驱动频率和相应的振动幅度振动。
换能器10的喇叭体20还包含有设置在喇叭体20上的、分别位于键合工具和第一、第二超声波产生器28之间的第一和第二固紧机构。每个固紧机构包括设置于喇叭体表面上用于容纳螺杆的带螺纹安装孔24，以便于将装配界面安装到喇叭体20上。该安装孔24较佳地设置在超声波振动的节点位置处，在此由超声波产生器28所产生的振动幅度最小。因此，通过传送穿越喇叭体20的安装部的超声波振动能量的损失能被最小化。
固紧机构允许喇叭体20可释放地安装到装配界面上，其可包含有固定器12(holder)。该固定器12较佳地是大体为扁平板体的形式，并被设置在喇叭体20和键合装置之间，以将换能器组件10装配到键合装置的键合头(图中未示)上。更为合适地讲，该固定器12是由刚度高于喇叭体20的材料制成。该固定器12具有通孔，该通孔如此设置以便于它们与喇叭体20的带螺纹安装孔24连通。因此，固定器12可以使用固定机构通过将安装螺杆22穿越固定器12的通孔进入喇叭体20的带螺纹安装孔而被安装到喇叭体20上。
固定器12同样也具有换能器装配位置，其可包括大体设置在板体外围的凸缘支架14，例如在其角落处，以将固定器12安装到键合装置的键合头上。在凸缘支架14上形成有安装孔16，在此使用螺杆，以进行所述的装配。
为了减少喇叭体20和固定器12之间装配界面的接触表面面积，固定器12可包含有多个点接触表面，该点接触表面平行于固定器12和喇叭体20之间的装配界面设置，并沿着喇叭体20的节点位置，在此处振动幅度最小。因此，接触面积的减小有效地减少了超声波能量通过固定器12和喇叭体20之间的装配界面的损失。
由于超声波能量可以更加容易地通过声阻抗(acousticimpedance)类似的材料传送，所以较佳地，固定器12和喇叭体20是由听觉上不类似(acoustically dissimilar)的材料制成，例如固定器12用耐磨的和硬化的不锈钢材料(如SUS420)，而喇叭体20用奥氏体的不锈钢材料(austenitic stainless steel)(如SUS304)。这样，固定器12和喇叭体20之间的材料差异将会阻止超声波振动能量通过材料界面的传送。
图7所示为表明当超声波振动能量产生时，可变的振动幅度38沿着换能器10的示意图。由超声波发生器26所产生的超声波振动能量将会激活换能器10，以致于沿着换能器10纵轴上的不同点的振动幅度38呈现常态波形的特性。喇叭体20的带螺纹的安装孔24和固定器12的相应通孔较佳地设置在换能器10上的振动节点处，在此处振动幅度最低。这是为了防止超声波振动能量通过装配界面，并因此到达键合装置时传送的损失。
反过来，夹体32的端部应该设置在振动的波谷位置40处，以便于最大的振动幅度被传送到键合位置。因此，夹体32的端部较佳地装配在喇叭体20的中部25处。
图8所示为有限元分析法(FEAFinite Element Ahalysis)的网孔示意图(mesh diagram)，其表明了根据本发明较佳实施例所述的换能器10的夹体32上所施加的作用力42的效果。在键合处理期间，需要高压力和能量来驱动换能器10以同时将多个导电块键合到键合盘上。因此，换能器10的夹体32将会承受施加于其上的向上的反作用力，并在喇叭体20上引起弯曲力矩。
这在喇叭体20的网格结构内产生了内部应力，形变可能发生。当向上的力42被施加于夹体32的端部时，该端部将会缩回和移动到一个新的位置，其为32’。图8中强调突出的圈选区域46可观察到喇叭体20相应的形变。施加于夹体32上的向上的反作用力42将会在凸缘支架14处引入反作用力44，但是固定器12结构上为刚性的，其将不会趋向和喇叭体主体20一起弯曲。
换能器组件10被如此配置固定器12大体为刚性，当在夹体32处向喇叭体20施加压缩力时该固定器不趋向和喇叭体一起弯曲。因此形变被大体确定在喇叭体的中部25处，在此处需要振动的最大幅度。由固定器12所表征的安装部处的形变应力得到大幅度的减少。因此通过将安装部和喇叭体主体分成分离的主体，由安装部所遭受的、现有技术中被展示来发生的形变区域在本换能器10上不会出现。
图9是表明当换能器10施加有压缩力46时，发生于夹体32的端部处的压缩延伸48的示意图。所记录的数据表明当10kgf的压缩力46被施加于夹体320.05分钟(3秒)/周期时，夹体32缩回和振动，其最大的压缩延伸50大约为13μm。
当在键合处理的后期去除压缩力46时，在夹体主体20没有出现永久形变。因此，喇叭体20和键合装置18之间(之内)的附加的固定器12改善了换能器10的结构完整性，并从而减少了键合处理期间安装部和喇叭体20的过多形变的难题。
在键合操作周期期间，高压力和能量被重复地施加于换能器10上。从图9可以看出，用于装配喇叭体20到键合装置18上的固定器12的添加减小了夹体32被压缩的距离，以致于在正常使用中形变普遍更富有弹性和可恢复。在作业过程中通过夹体32端部的压缩延伸得以测量的喇叭体20的临时形变，被保持在材料的弹性强度限制之内，以便于当去除压缩力时，喇叭体20中不会观察到永久的或塑性形变。
值得欣赏的是，换能器10的结构完整性通过固定器12得到加强，以便于当反作用力42施加于夹体32时，固定器12的凸缘支架14不会形变和偏离如现有技术中的振动的节点位置39。因此，换能器10更缺少容易被通过键合装置传输的、不期望的共振频率所激励。而且，通过减少凸缘支架14处的形变以便于它们不会从节点位置39移动，同样，超声波振动能量通过装配界面传送到键合装置时的损失得以减少。
另外，由于其结构的稳定性，和现有技术相比，本实施例所述的换能器10对键合装置的装配需求的改变更加缺少敏感。由于固定器12是一个分离的部件，所以对于将换能器10采用和装配到键合装置18上更加容易替代，以适合于其他的倒装芯片封装件，来取代必须同样构造一个新的喇叭体结构。
而且，固定器12的材料可以容易地改变为另一种材料，该另一种材料和喇叭体20的材料听觉上不相类似。固定器12的材料可包含有比较坚硬的材料以提高固定器12的刚性，藉此加强换能器10安装到键合装置18上的硬度。因此，和现有技术相比，换能器10能够被制成来承受更高的压力和键合力。
此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。
权利要求
1.一种用于键合装置的换能器组件，其包含有喇叭体，其具有第一基座端部和第二基座端部；键合工具，其被安装在位于该第一基座端部和第二基座端部之间的喇叭体上；第一超声波产生器和第二超声波产生器，该第一超声波产生器固定于第一基座端部，该第二超声波产生器固定于第二基座端部；第一固紧机构和第二固紧机构，该第一固紧机构设置在位于键合工具和第一超声波产生器之间的喇叭体上，该第二固紧机构设置在位于键合工具和第二超声波产生器之间的喇叭体上；装配界面，使用该第一固紧机构和第二固紧机构将该喇叭体可释放地安装在该装配界面上；以及换能器装配位置，其设置在该装配界面上以将该装配界面安装到键合头上。
2.如权利要求1所述的换能器组件，其中该装配界面由刚度高于喇叭体的材料制成。
3.如权利要求1所述的换能器组件，其中该装配界面包括板体。
4.如权利要求3所述的换能器组件，其中该换能器装配位置大体设置在该板体的外围。
5.如权利要求1所述的换能器组件，其中该喇叭体使用时被用来进行振动动作，该固紧机构设置在喇叭体的节点位置，在该节点位置振动的幅度最小。
6.如权利要求5所述的换能器组件，其中该固紧机构包含有安装孔、位于装配界面上的通孔和螺杆，该通孔和该安装孔的位置相适应，该螺杆由该通孔和安装孔所容纳以将喇叭体安装到装配界面上。
7.如权利要求1所述的换能器组件，该换能器组件包括多个点接触表面，其设置在装配界面和喇叭体之间位于固紧机构的位置，该点接触表面被配置来减少装配界面和喇叭体之间的接触面积。
8.如权利要求1所述的换能器组件，其中该装配界面和喇叭体是由听觉上不类似的材料制成。
9.如权利要求8所述的换能器组件，其中该装配界面用耐磨的和硬化的不锈钢材料制成，而喇叭体用奥氏体的不锈钢材料制成。
10.如权利要求1所述的装置，其中该换能器组件被如此配置该装配界面大体为刚性，当向喇叭体施加压缩力时该装配界面不趋向和喇叭体一起弯曲。
11.一种键合装置，该装置包含有喇叭体，其具有第一基座端部和第二基座端部；键合工具，其被安装在位于该第一基座端部和第二基座端部之间的喇叭体上；第一超声波产生器和第二超声波产生器，该第一超声波产生器固定于第一基座端部，该第二超声波产生器固定于第二基座端部；第一固紧机构和第二固紧机构，该第一固紧机构设置在位于键合工具和第一超声波产生器之间的喇叭体上，该第二固紧机构设置在位于键合工具和第二超声波产生器之间的喇叭体上；装配界面，使用该第一固紧机构和第二固紧机构将该喇叭体可释放地安装在该装配界面上；以及装配位置，其设置在该装配界面上以将该装配界面安装到该键合装置的键合头上。
全文摘要
本发明公开了一种用于键合装置的换能器组件，其包含有喇叭体，其具有第一基座端部和第二基座端部；键合工具，其被安装在位于该第一基座端部和第二基座端部之间的喇叭体上；第一和第二超声波产生器，分别固定于第一和第二基座端部；第一固紧机构和第二固紧机构，该第一固紧机构设置在位于键合工具和第一超声波产生器之间的喇叭体上，该第二固紧机构设置在位于键合工具和第二超声波产生器之间的喇叭体上，以便于使用该第一和第二固紧机构将该喇叭体可释放地安装在装配界面上；在该装配界面上设置有换能器装配位置，以将该装配界面安装到键合头上。
文档编号H01L21/02GK101028666SQ20071007961
公开日2007年9月5日 申请日期2007年2月27日 优先权日2006年2月28日
发明者庄志宝, 李庆良, 林永辉 申请人:先进自动器材有限公司