[發明專利]一種串聯復合結構雙頻多振幅壓電超聲換能器

在審

• 申請號: 201711389271.0
• 申請日: 2017-12-19
• 公開（公告）號: CN108176574A
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發明（設計）人: 張宏杰;張繼昌;黃嘉偉;侯妍妍;黃建;劉夢濤
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種應用于集成電路芯片熱超聲引線鍵合封連工藝的串聯復合結構雙頻、多振幅壓電超聲換能器。該換能器由兩組雙端輻射壓電振子和兩個不同放大倍數的二級機械變幅桿組成，可在60kHz或120kHz頻率附近工作，提供三種驅動方式，在相同頻率簡諧激振信號下，能夠獲得多種振幅輸出，以滿足集成電路芯片引線鍵合工藝的不同需求，提高鍵合連接效率和可靠性。同時該復合結構超聲換能器夾持機構采用圓弧形鉸鏈構成的法蘭柔性夾持機構，能夠有效降低變幅桿軸向超聲波傳遞過程中，夾持機架擾動力矩對超聲波傳遞效率的影響，提高超聲能量的利用率。

技術領域

本發明屬于高頻超聲精密制造領域，涉及一種可應用于集成電路(IC)芯片熱超聲引線鍵合或倒裝鍵合封連工藝的串聯復合結構雙頻多振幅壓電超聲換能器。

背景技術

隨著集成電路(IC)芯片向著高集成度、多引線、細間距的發展，對集成電路芯片焊盤和封裝引腳間的電氣引線連接效率、可靠性提出了更高的要求，引線鍵合或倒裝鍵合裝備需要不斷發展以適應各種半導體新工藝、新材料、新連接可靠性及效率的要求。目前，引線鍵合和倒裝鍵合技術憑借工藝實現簡單、成本低廉、適用多種封裝形式而在芯片封連工藝中占主導地位，在可預見的未來仍將是半導體封裝連接的主流方式。壓電超聲換能器作為熱超聲IC芯片精密封連設備的核心組成部件之一，其作用是將施加在換能器壓電陶瓷晶堆的電能裝換為工藝所需的機械變幅桿的超聲振動能量，以實現集成電路芯片焊盤和封裝引腳間的可靠性電氣連接。傳統壓電超聲換能器多為單一頻率工作，適用的功率范圍小，振幅可選擇性差，當遇到不同芯片封連續加工需求時，需要頻繁更換壓電換能器來滿足特定鍵合工藝所需的頻率、功率、振幅、振速等要求，這不僅使得工作效率大幅度降低，也使得設備調試與工藝調節等費時耗力。為此，本發明提出并開發了一款可應用于芯片封連鍵合工藝的串聯復合結構雙頻多振幅壓電超聲換能器。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，設計了一種串聯復合結構雙頻多振幅壓電超聲換能器。該換能器采用兩組壓電陶瓷晶堆驅動的Sandwich夾心式縱振結構，兩組不同結構的二級機械變幅桿通過螺栓與壓電陶瓷晶堆連接，每個振動傳輸支路均具備60kHz和120kHz兩種諧振頻率，這樣的設計使得該換能器能夠在多種頻率組合情況下激振，以達到不同的功率、振幅輸出的目的，完成不同封裝類型、不同材料和不同工藝需求的集成電路芯片封連工藝。該復合結構壓電換能器中間振動塊設置有柔性鉸鏈法蘭夾持機構，能夠減少夾持裝置對兩組壓電換能器超聲縱振的影響，達到運動解耦的目的。該復合機構換能器能夠滿足多種工況的需求，以實現最佳的鍵合效果，同時也極大減少了鍵合設備更換壓電換能器和工藝調試時間，提高了鍵合效率。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種串聯復合結構雙頻多振幅壓電超聲換能器，包括第一壓電陶瓷組、第二壓電陶瓷組、第一振動桿、第二振動桿和中間振動塊，所述第一壓電陶瓷組安裝在第一振動桿和中間振動塊之間，所述第二壓電陶瓷組安裝在第二振動桿和中間振動塊之間，第一壓電陶瓷組、第一振動桿、中間振動塊、第二壓電陶瓷組、第二振動桿依次通過預緊螺栓同軸連接；第一振動桿和第二振動桿的結構不同，具有不同的振幅放大倍數。

在上述技術方案中，所述第一振動桿和第二振動桿軸線位置設置螺紋孔、中間振動塊設置通孔，所述預緊螺栓與第一振動桿右端面的螺紋孔和第二振動桿左端面的螺紋孔進行連接。

在上述技術方案中，所述的第一壓電陶瓷組、第二壓電陶瓷組均由四片壓電陶瓷片和四片厚度為0.05mm的銅電極片組成，所述壓電陶瓷片和銅電極片進行隔片設置，兩組壓電陶瓷組種壓電陶瓷片的設置方式相同，即相鄰兩片壓電陶瓷片的極化方向相反。

在上述技術方案中，第一振動桿包括第一級半波長圓錐形變幅桿和第二級半波長階梯形變幅桿；第二振動桿包括第一級半波長圓錐形變幅桿和第二級半波長圓錐形變幅桿。第一振動桿和第二振動桿均利用兩級變幅桿組合實現超聲振動幅值的二級變幅。