(57)【要約】      （修正有）【課題】従来技術による超音波変換器の欠点を回避する、改善された変換器を提供する。【解決手段】第１及び第２超音波生成装置１８間に固定した増幅ホーン２２に取り付けた接合ツール２４を備える接合装置用超音波変換器組立体１０を提供する。増幅ホーンを設け、増幅ホーンが前記第１及び第２超音波生成装置間に設置されるように該第１及び第２超音波生成装置を固定する手段１２と、接合ツールを増幅ホーンに取り付けること、を備える接合装置用変換器。【選択図】図２
2004363612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２超音波生成装置の間に固定した増幅ホーンに取り付けた接合ツールを備える接合装置用変換器。
【請求項２】
前記第１及び第２超音波生成装置の各々は、圧電素子のスタックを備える、請求項１に記載の変換器。
【請求項３】
各スタックは等しい数の圧電素子を備える、請求項２に記載の変換器。
【請求項４】
前記第１及び第２スタック圧電素子が反対方向で励起可能であるように、該第１及び第２スタック圧電素子のポーリング方向が配向される、請求項２に記載の変換器。
【請求項５】
前記第１及び第２スタック圧電素子に電界を印加するための単一の電源を含む、請求項４に記載の変換器。
【請求項６】
後部質量体と共に各圧電素子スタックが固定デバイスによって前記増幅ホーンに固定される、請求項２に記載の変換器。
【請求項７】
前記変換器が接合装置に取付可能な取付デバイスを含む、請求項１に記載の変換器。
【請求項８】
前記第１及び第第２超音波生成装置のそれぞれが取付可能である前記取付デバイスと協働する第１及び第２取付支持部を含む、請求項７に記載の変換器。
【請求項９】
前記変換器は、該変換器の振動節点の前記取付支持部に取付可能である、請求項８に記載の変換器。
【請求項１０】
前記接合ツールは、前記第１及び第２取付支持部間の実質的中心に設置される、請求項８に記載の変換器。
【請求項１１】
前記取付デバイスは、回転軸線の周りで前記変換器を回転させるために作動可能である、請求項７に記載の変換器。
【請求項１２】
前記回転軸線は、前記接合ツールの長手方向軸線と実質的に整合される、請求項１１に記載の変換器。
【請求項１３】
前記増幅ホーンは実質的に双円錐形をしている、請求項１に記載の変換器。
【請求項１４】
前記接合ツールは、前記変換器の各端部間の実質的中心に取り付けられる、請求項１に記載の変換器。
【請求項１５】
前記接合ツールと前記変換器の各端部との間の距離は、該変換器の前記振動波長の半分に等しい、請求項１４に記載の変換器。
【請求項１６】
前記接合ツールの長手方向軸線は、前記変換器の軸線に対して実質的に直角である、請求項１４に記載の変換器。
【請求項１７】
接合装置用の変換器を構成する方法であって、
増幅ホーンを設ける段階と、
前記増幅ホーンが第１及び第２超音波生成装置の間に設置されるように、該増幅ホーンに前記第１及び第２超音波生成装置を固定する段階と、
前記増幅ホーンに接合ツールを取り付ける段階と、を備える方法。
【請求項１８】
前記第１及び第２超音波生成装置の各々は圧電素子のスタックを備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１及び第２スタック圧電素子が反対方向で励起可能であるように、該第１及び第２スタック圧電素子のポーリング方向を配向する段階を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
単一の電源を使用して、前記第１及び第２スタック圧電素子に電界を印加する段階を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
第１及び第２取付支持部を具備する取付デバイスによって接合装置に前記変換器を取り付ける段階を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記変換器を取り付ける時、該変換器の振動節点に前記取付支持部を設置する段階を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１及び第２取付支持部間の実質的中心に前記接合ツールを設置する段階を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記変換器の各端部間の実質的中心に前記接合ツールを取り付ける段階を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記整合ツールの長手方向軸線を前記変換器の軸線に実質的に直角に整合させる段階を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記整合は、前記超音波生成装置及び取付支持部を固定後に前記変換器の軸線に実質的に直角な穴を、前記接合ツールを取り付けるための前記増幅ホーンに穿孔する段階を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記増幅ホーンは実質的に双円錐形である、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波変換器、特に半導体パッケージング機器の（例えば、細い電線と金属継手の溶接のような）接合形成部のための超音波変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体パッケージング処理中に、電線接続は、半導体チップとリードフレーム基板との間の、例えば、異なる電子部品間に通常はなされる。１つの方法は超音波変換器のような超音波溶接機器を使用することである。超音波溶接操作は超音波周波数で振動せしめられる変換器を使用して実行される。変換器によって生成した超音波エネルギーは、接合ツールによって（例えば、サーモソニックフリップチップ接合用ワイヤーボンディング及び金バンプを具備するチップのための金又はアルミニウム線のような）接合される物質に伝えられる。この接合ツールは、通常、楔、毛細管又はコレットの形態をしている。したがって、超音波変換器は、電子部品の接触面又はパッドにボンディングワイヤーの端から端までの長さを取り付ける超音波エネルギーを使用し得る。
【０００３】
図１は、従来技術の慣用の超音波変換器１００の側面図である。この変換器は、電気がセラミックリング１０２を通過する時に、超音波震動を生成するために積み重ねて（すなわちスタックして）配置した圧電セラミックリング１０２のような複数の圧電素子を備える。セラミックリング１０２には中央穴が形成され、後部質量体１０４によって共に圧縮保持される。セラミックリング１０２は制御回路に接続され、セラミック要素に超音波震動を生成させる入力信号を受信する。超音波振動は、本願明細書では、毛細管１１０の形態をした接合ツールがある自由端で細長い増幅ホーン１０８で増幅される。毛細管１１０は共に溶接されつつある接合要素に圧縮接合力を加えるために使用される。変換器１００をワイヤーボンディング装置に取り付け可能にするために、バレル部１０６は、セラミックリング１０２と増幅ホーン１０８との間に設けられる。変換器１００はその軸線に沿って振動する。また、その振動の振幅は図１に線１１２で示されている。最大変位振幅は、毛細管が設置される増幅ホーン１０８の自由端である。
【０００４】
こうした慣用の変換器に関する問題は、接合ツールが溶接される接合要素に圧力を働かせる時に、反力により接合の間に接合力が変換器を曲げるか又は変形させるということである。この曲げ又は変形は、十分でない共面性に帰着しかつ次いで接合される異なる位置に亘って働く接合力の不均等な分布に通じる。
【０００５】
特定の例では、サーモソニックフリップチップ接合中に、半導体チップ上の金バンプの数に基づいて溶接が行われる。接合圧はおそらく１０ｋｇ程度である。莫大な接合力は変換器をおそらく変形させるし、接合ツール先端の十分でない共面性に帰着する。この十分でない共面性は金のバンプ中の接合力の不均等な分布に通じる。かくして、かなり大きな接合強度差が各接合バンプ中に帰着し得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、従来技術による超音波変換器の前述の欠点を回避する、改善された変換器を提供すべく追求することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１態様によれば、第１及び第２超音波生成装置の間に固定した増幅ホーンに取り付けた接合ツールを備える、接合装置用変換器が提供される。
【０００８】
本発明の第２態様によれば、接合装置用の変換器を構成する方法が提供される、該方法は；増幅ホーンを設ける段階と；前記増幅ホーンが第１及び第２超音波生成装置の間に設置されるように、前記第１及び第２超音波生成装置を該増幅ホーンに固定する段階と、接合ツールを前記増幅ホーンに取り付ける段階と、を備える。
【０００９】
本発明の１つの実施形態を図示する添付図面を参照することによって以下に本発明をより詳細に説明する。図面及び関連する記載の特殊性は、特許請求の範囲によって定義されるような本発明の広い認識の一般性に取って代わるものとして理解すべきでない。
【００１０】
ここで、本発明による超音波変換器の好ましい実施形態の例を添付図面を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図２は、本発明の好ましい実施形態による超音波変換器１０の分解図である。超音波エネルギーは、増幅ホーン２２の何れの側にも均等にスタックしかつ分配したセラミックリング１８で通常作られる２組の圧電素子の形態をした第１及び第２超音波生成装置から供給される。増幅ホーンは、双円錐形状であることが好ましい。この実施形態では、各圧電素子スタックは４つのセラミックリング１８を備える。双円錐形増幅ホーン２２は、その中心で最大の振幅を可能にするその中心に向けてテーパーが付された幾何形状を有する。変換器１０は、２つのフランジ１４とこれらの各フランジ１４と協働する取付支持部１６を具備する取付デバイス１２によって、ワイヤーボンディング機のようなボンディング装置に取付可能である。
【００１２】
セラミックリング１８及び取付支持部１６は、後部質量体２０によって双円錐形増幅ホーン２２に固定される。これらの後部質量体は締付けボルト２８のような固定デバイスによって双円錐形増幅ホーン２２に固定される。取付支持部１６は、変換器の振動節点に設置される。例えば、毛細管２４形態の接合ツールは、双円錐形増幅ホーン２２の実質的中心に取り付けられることが好ましい。この中心では、変換器１０の振幅は最大である。変換器１０がその軸線３０に沿って振動することが分かる。
【００１３】
２つの取付支持部１６の中心に接合ツールすなわち毛細管２４を設置することは、以下に説明するように、大規模な圧縮接合力の下でさえ良好な接合共面性を可能にする。さらにまた、接合ツールが変換器１０全体の中心に設置される時に、この実例構成におけるように、接合ツールの長手方向軸線を通過する軸線がその回転軸線と整合する場合に、回転慣性モーメンを最小に減じることを可能にする。
【００１４】
図３の（ａ）及び（ｂ）は、本発明の好ましい実施形態による前述の超音波変換器１０と比較した慣用の超音波変換器１００の軸線方向振動プロファイルを示す比較図である。両方の変換器は完全な波長モードで作動している。この図では、アルファベットＲは、回転軸線２６の周りを回転する変換器１００、１０の能力を示す。これらの回転軸線２６は、毛細管１１０、２４の中心部すなわち長手方向軸線を貫通する。回転は接合位置に対して毛細管１１０、２４を整合させるために必要であり得る。ＵＸは振動振幅を示す。図３の（ａ）では、慣用の変換器１００の毛細管１１０は、変換器１００の反対側端部から１つの振動波長距離λで、その最大振幅で振動している。他方で、図３の（ｂ）では、本発明の好ましい実施形態による変換器１０の毛細管２４は、変換器１０の片方の端部からλ／２の距離で、その最大振幅、Ａｍａｘで振動している。
【００１５】
図４は、使用時のその圧電素子又はセラミックリング１８のポーリング方向３２を示す、前述の変換器１０の概略側面図である。この図は、電流源３４が全てのセラミックリング１８に電流及び電界を伝えることを示す。圧電物質はポーリング方向を有する。圧電素子のポーリング方向に電界を印加する場合、圧電素子は電界に水平に延びてポアソン比に従って垂直に縮む。逆方向に電界を印加する場合、この圧電素子は電界で水平に縮みかつ鉛直に延びる。
【００１６】
２組のセラミックリング１８ａ、１８ｂが反対のポーリング方向であるように、これらのリングのポーリング形状構成又は方向を配向構成することによって、セラミックリング１８は、一組のリング１８ａが縮まる（引く）一方で他組１８ｂは膨張する（押す）ように同期される。すなわち、一方の組のセラミックリング１８ａは縮まりかつ他方の組のセラミックリング１８ｂは単一の電源３４の下では膨張する。変換器１０の全体は、図３に示すような軸線方向振動プロファイルを有する超音波周波数で振動する。増幅ホーン２２の双円錐形状により、テーパーが付された幾何形状はその中心に向けて振動振幅を増幅する。
【００１７】
図５の（ａ）及び（ｂ）は、接合力を加えた時に慣用の変換器１００及び前述の変換器１０のそれぞれが受ける変形を示す側面図である。慣用の変換器１００（図５の（ａ））の場合には、この変換器が接合力を受けた時、その毛細管１１０の軸線は鉛直方向から移動し、その結果、実際の接合軸線と鉛直方向との間には偏差が生じる。こうした偏差は、接合力を加える上で不正確さを引き起こす。
【００１８】
好ましい実施形態による前述の変換器１０の場合には、その毛細管２４は双円錐形増幅ホーン２２によって両側で等しく支持されるから、毛細管２４の軸線は鉛直方向に実質的に整合された状態を維持する。これは、仮に双円錐形増幅ホーン２２の或る変形が接合力を加えることを被るとしてもそうである。接合力を加えることは、かくして、より正確でありかつ反復可能である。
【００１９】
図６は、選択した周波数範囲に亘る前述の変換器１０の幾つかの電気特性、すなわちそのインピーダンス及び位相特性を示す。共振周波数は約６２ｋＨｚに達する。
【００２０】
図７は、慣用の変換器１００と比較した、その接合先端における前述の変換器１０の電力出力特性に対する振動変位をグラフで説明する図である。前述の変換器１０のプロファイルは正方形で示されている一方で、慣用の変換器１００のプロファイルは円で示されている。慣用の変換器１００と比較して、前述の変換器１０の変位がこの変換器１０への電力出力の任意のレベルに対してかなり増加し得ることは図７から分かる。この増加の１つの理由は、２組の圧電素子スタック１８ａ、１８ｂが１組の慣用の変換器と比較して使用されてきたことである。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態は接合共面性が接合力から独立している点で有利であることが認識される。接合ツールの良好な整合を保証するために、接合ツールを固定するための穴は、組立時の全組立後に穿孔し得る。この組立方法は、取付支持部１６と接合ツール２４の良好な直角性を保証しかつ変換器整合工程を単純化し得る。
【００２２】
回転する接合ヘッド機構では、回転軸線２６は、接合ツール２４の軸線と整合されることが好ましい。変換器１０の接合ツール２４が、回転軸線２６の平面に対して整合するにつれて、変換器１０の重心は回転軸線２６内に落ち込む。その結果、装置の回転慣性は最小に減じられる。
【００２３】
本発明の主な利点の１つは、高い接合力においてさえ、接合ツールの回転軸線２６との共面性を自動的に維持することである。慣用の変換器１００が高接合力下におかれる時、変換器１００が変形しかつ接合ツール先端は接合目標にもはや非平行にせしめられる。接合力が増加するにつれて共面性のこの欠陥はより悪くなる。しかしながら、本発明による変換器１０１は、図５に示すような変形の下でさえ接合ツール表面と接合目標との共面性を維持し得る。したがって、圧電素子１８の容積は、変形する増加傾向無しに増加し得る。さらにまた、変換器１０が慣用の変換器より高い電力駆動処理能力を有することが認識される。
【００２４】
本願明細書で説明した本発明は、特に説明した以外の変形、変更及び／又は付加を受け入れることができる。また、本発明は、上述の精神及び範囲内に該当するこうした変形、変更及び／又は付加の全てを含むことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術の通常の超音波変換器の側面図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態による超音波変換器の分解図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態による前述の超音波変換器と比較した慣用の超音波変換器の示す軸線方向振動プロファイルを示す比較図である。
【図４】使用時の圧電素子のポーリング方向を示す前述の超音波変換器の概略側面図である。
【図５】接合力を加えた時の慣用の変換器及び前述の変換器のそれぞれの変形を示す側面図である。
【図６】選択した周波数範囲に亘る前述の変換器のインピーダンス及び位相特性を示す図である。
【図７】慣用の変換器と比較した、その接合先端部における前述の変換器の電力出力特性に対する振動変位のグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１０  超音波変換器
１２  取付装置
１４  フランジ
１６  取付支持部
１８  セラミックリング
１８ａ、１８ｂ  セラミックリング
２０  後部質量体
２２  増幅ホーン
２４  毛細管
２６  回転軸線
２８  締付けボルト
３０  軸線
３２  ポーリング方向
３４  電源
１００  超音波変換器
１０２  圧電セラミックリング
１０４  後部質量体
１０６  バレル部
１０８  増幅ホーン
１１０  毛細管
１１２  振動の振幅
【図１】
2004363612.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004363612.tif 000007
【図６】
2004363612.tif 000008
【図７】
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