JP2010524314A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

超音波トランスデューサ（１）は、縦長ホーン（２）と、カウンターピース（３）と、２つの圧電駆動部（４、５）と、ネジ（６）とを備えている。カウンターピースはネジを使用してホーンに固定され、その際に超音波トランスデューサの縦軸（７）の両側に配置された圧電駆動部がホーンとカウンターピースとの間に挟み込まれる。超音波トランスデューサは、ホーンの先端に挟み込まれたキャピラリーが２つの異なる方向に振動できるように設計されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波トランスデューサに関する。

そのような超音波トランスデューサは、いわゆるボールワイヤーボンダに使用されている。ワイヤーボンダとは、半導体チップを基板に取り付けた後でワイヤー接続するための機械である。ボールワイヤーボンダとはワイヤーをキャピラリーの縦穴に通し、キャピラリーを使って接続点に固定するワイヤーボンダであるのに対して、いわゆるウェッジワイヤーボンダにはキャピラリーの代りに、超音波ホーンとしても知られる特殊なウェッジツールが付いている。超音波トランスデューサは、ホーン、及びホーン内で超音波振動を励起するための圧電駆動部を含んでいる。キャピラリーはホーンの先端に挟まれている。半導体チップの接続点と基板の接続点との間にワイヤー接続を形成する際、キャピラリーから突き出たワイヤー端部はまず溶けて球状になる。続いて、専門用語で「ボール」と呼ばれるワイヤー球が半導体チップの接続点に圧力と超音波によって固定される。その際にワイヤー球は押しつぶされる。このプロセスはボールボンディングと呼ばれる。次に、ワイヤーが必要なワイヤー長さまで引き出され、ワイヤーブリッジに成形され、基板の接続点に溶接される。この最後のプロセス部分はウェッジボンディングと呼ばれる。ワイヤーを基板の接続点に固定した後、ワイヤーが切り離され、次のボンディングサイクルが開始される。ボールボンディング及びウェッジボンディングでは、ホーンには圧電駆動部によって超音波が印加される。

超音波トランスデューサは、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９で公知である。

公知の超音波トランスデューサでは、立ち波形の超音波がホーン内で形成され、超音波の振動がホーンの縦方向に向くように設計されている。そのような超音波は縦波とも呼ばれる。ボールワイヤーボンダのボンダヘッドにより、キャピラリー先端が三次元方向へ動くことが可能になるが、その際ボンダヘッドには３つの自由度しかない。従ってホーンは従来式の、ｘｙテーブルに取り付けられたボンダヘッドにおいても、また特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２で公知の回転式ボンダヘッドにおいても同様に、程度の差はあれあらかじめ定められた方向に合わせられているのに対して、ワイヤー接続は全ての方向に伸びる可能性がある。このことは、一方でワイヤーの基板の接続点への付着が全てのワイヤー接続で同じ強さにならないという結果を、他方で押しつぶされた「ボール」の形状が様々に異なるという結果をもたらす。

米国特許第５６０３４５５号明細書 米国特許第５５９５３２８号明細書 米国特許第５３６４００５号明細書 米国特許第５１８００９３号明細書 米国特許第５３６８２１６号明細書 米国特許第５４６９０１１号明細書 米国特許第５５７８８８８号明細書 米国特許第５６９９９５３号明細書 米国特許第６１３５３３９号明細書 米国特許第５１１４３０２号明細書 米国特許第６４６０７５１号明細書 国際出願第２００６０３６６６９号パンフレット

本発明の課題は、ワイヤーの基板の接続点上への付着性を改善し、押しつぶされた「ボール」が均一の形状になるようにすることである。

上記の課題は、発明に従い、請求項１の特徴によって解決される。有利な実施形態は従属請求項に開示される。

発明に従った超音波トランスデューサは、縦長ホーン、カウンターピース、２つの圧電駆動部、ネジを備えている。カウンターピースはネジを使用してホーンに固定され、その際に超音波トランスデューサの縦軸の両側に配置された圧電駆動部が、ホーンとカウンターピースとの間に挟み込まれる。ホーンは、超音波トランスデューサをワイヤーボンダのボンダヘッドに固定するための、少なくとも１つの穴を備えたフランジを具備している。超音波トランスデューサ内では、２つの圧電駆動部に第１の同位相の交流電圧が印加されることで第１の超音波振動がトランスデューサの縦軸に対して平行に形成され、２つの圧電駆動部に第２の、逆位相の交流電圧が印加されることで第２の超音波振動がトランスデューサの縦軸を横断するように形成される。超音波トランスデューサは、
−圧電駆動部が第１の超音波振動の第１の節にあり、
−圧電駆動部が第２の超音波振動の第１の波腹にあり、
−フランジが第１の超音波振動の第２の節にあり、
−フランジが第２の超音波振動の第２の波腹にあり、
−フランジの少なくとも１つの穴が第２の超音波振動の別の節にある
ように設計される。
２つの交流電圧は、両方が同じ周波数と同じ位相をもつときは同位相である。２つの交流電圧は、同じ周波数を持つが逆の正負符号を持ち、従ってπだけ位相がずれているときは逆位相である。

ホーンはキャピラリーを受け入れるための穴を備えている。この穴は、ホーンの先端から測定して第２の超音波振動の第２の波腹に設けられるのが好ましい。

好ましくは、第２の超音波振動が少なくとも１つの節を備え、この節はネジの頭部と圧電駆動部との間にある。

好ましくは、第２の超音波振動はカウンターピース内に１つの節を備え、この節はカウンターピースの縁付近にある。

好ましくは、カウンターピースの幅は、超音波トランスデューサの縦軸から圧電駆 動部の外側の縁までの距離より大きい。

本発明は、以下に実施例と図を使用して詳しく説明される。図は実寸とは一致していない。

発明に従った超音波トランスデューサの平面図である。 適切な交流電圧の印加によって超音波トランスデューサ内に形成されるさまざまな超音波振動の振幅である。 適切な交流電圧の印加によって超音波トランスデューサ内に形成されるさまざまな超音波振動の振幅である。 適切な交流電圧の印加によって超音波トランスデューサ内に形成されるさまざまな超音波振動の振幅である。 適切な交流電圧の印加によって超音波トランスデューサ内に形成されるさまざまな超音波振動の振幅である。 リサージュ図形を描くキャピラリー先端の経路である。 超音波トランスデューサ用制御ユニットである。

図１は、発明に従った超音波トランスデューサ１の平面図である。直交座標系の軸はｘとｙとで示されている。超音波トランスデューサ１は、縦長ホーン２、カウンターピース３、２つの圧電駆動部４、５及びネジ６から構成されている。カウンターピース３はネジ６を使用してホーン２に固定されており、その際に圧電駆動部４、５はホーン２とカウンターピース３の間に挟み込まれている。ゆえにカウンターピース３は、圧電駆動部４、５に物理的な予荷重をかけるためのタイピースの役割を果たす。ホーン２はその縦軸７を中心に左右対称に形成される。ホーン２は、超音波トランスデューサ１に図中で輪郭だけが示されたワイヤーボンダのボンダヘッド１０を固定するために、縦軸７の両側に伸びる、穴９を備えたフランジ８を具備している。加えてホーン２はその先端１１付近に図面に対して垂直に伸びる穴１２を備え、その穴にキャピラリーを固定することができる。トランスデューサ１の全長は符号Ｌで示され、ネジ６の頭の端部から反対側にあるホーン２の先端１１まで達している。幅Ｂ（ｙ）と厚さＤ（ｙ）もｙ方向に変化し、その結果としてトランスデューサ１のホーン２の質量分布がｙ方向に変化する。ホーン２の前部分は例えば円錐形に形成される。

超音波トランスデューサ１は、ホーン２の先端に挟み込まれたキャピラリーに超音波振動を与える役割を果たす。超音波トランスデューサ１は振動するシステムであり、ホーン２だけでなくすべての部品が振動する。発明に従った超音波トランスデューサ１は、第１の作動モードにおいて、２つの圧電駆動部がホーン２に、ホーン２の縦方向を向いた超音波振動、つまり立ち波形の超音波を励起し、同時にキャピラリーの先端にホーン２の縦軸７に対して平行に向いた振動が与えられるよう設計されている。そのような超音波振動は、縦振動又は立ち波形縦波とも呼ばれる。キャピラリー先端の振動がｙ方向に走ることから、このモードを以下ではＹモードと呼ぶ。発明に従った超音波トランスデューサ１はさらに、第２の作動モードにおいて、２つの圧電駆動部がホーン２に、ホーン２の縦軸を横断する方向を向いた超音波振動（これもまた立ち波形の超音波）を励起し、同時にキャピラリーの先端に、ホーン２の縦軸７を横断するように向いた振動が与えられるよう設計されている。そのような超音波振動は、曲げ振動とも呼ばれる。キャピラリー先端の振動がここではｘ方向に走ることから、このモードを以下ではＸモードと呼ぶ。

Ｙモードでは、２つの圧電駆動部４、５に同位相の交流電圧が印加され、その結果圧電駆動部はｙ方向に常に同時に伸ばされ、縮められる。Ｘモードでは、２つの圧電駆動部４、５に逆位相の交流電圧が印加され、その結果、第２の圧電駆動部５がｙ方向に縮められると、第２の圧電駆動部４がｙ方向に伸ばされる。

以下では、トランスデューサ１が備えている必要があるか、又は備えていると好ましいさまざまな特性について説明される。その特性によってキャピラリー先端の振動の振幅が、トランスデューサ１のＹモードとＸモードの両方においてワイヤーボンディングに使用できる程度に達する。

図２は、Ｙモードに設定されたトランスデューサ１の縦軸７に沿った、立ち波形の超音波の振幅Ａ_１である。図３は、Ｘモードに設定されたトランスデューサ１の縦軸７に沿った、立ち波形の超音波の振幅Ａ_２である。 図４は、フランジ８のｘ軸に沿った、立ち波形Ｘモードの超音波の振幅Ａ_３である。この超音波はｘ方向に向いている。図５は、カウンターピース３のｘ軸に沿った、立ち波形Ｘモードの超音波の振幅Ａ_４である。トランスデューサ１の縦方向端部では、カウンターピース３とフランジ８の側方端部と同様に、自然に波腹が生じる。例中のトランスデューサ１は、トランスデューサ１の縦軸７上のＹモードの超音波がｎ_１＝５の節を持つように設計されている。しかし節のｎ_１の数は異なる数であってもよい。トランスデューサ１はさらに発明に従って以下のように設計される。
Ａ）圧電駆動部４及び圧電駆動部５がＹモードの第１の節１３（図２）の中にあり、好ましくは、圧電駆動部４、５の中心、又は中心付近の点は第１の節１３の中にある。
Ｂ）圧電駆動部４及び圧電駆動部５がＸモードの第１の波腹１４（図３）にあり、好ましくは圧電駆動部４、５の中心、又は中心付近の点は第１の波腹１４の中にある。
Ｃ）フランジ８がＹモードの第２の節１５（図２）にある。
Ｄ）フランジ８がＸモードの第２の波腹１６（図３）にある。
Ｅ）フランジ８の２つの穴９がＸモードの側部の節１７（図４）にある。

ＡからＤの特性は、以下のような方法で実現される。
−Ｙモードの超音波振動の希望周波数ｆ_Ｙを規定する。これは通常約１２５ｋＨｚである。
−Ｙモードでｎ_１節が現れるようにトランスデューサ１の長さＬを規定する。長さＬは基本的に周波数ｆ_Ｙ、及びホーン２とカウンターピース３を構成している素材の音速に依存する。ホーン２及びカウンターピース３はチタン製であることが好ましい。
−ホーン２の幅Ｂ（ｙ）及び任意で厚さＤ（ｙ）も、適切な曲げ振動が見つかるまで局部的に変化させる。この曲げ振動の固有振動数ｆ_ｘは周波数ｆ_Ｙ付近にあり（つまり｜ｆ_ｘ−ｆ_ｙ｜＜＜ｆ_ｙ）、圧電駆動部４、５の中心領域で波腹を、及びＹモードの節領域で波腹を備える。この曲げ振動はＸモードとして選択される。例では特性Ｂ及びＤ及び条件｜ｆ_ｘ−ｆ_Y｜＜＜ｆ_Yが十分に達成可能である。

フランジ８では、同様に立ち波形の超音波が形成され、フランジ８の端部で波腹が現れる。ｘ位置、及び側部の節と名付けられた節の数は、フランジ８の長さＫに依存する。長さＫは、Ｘモードで少なくとも側部の節、つまり例中の節１７（図４）が現れるように選択される。特性Ｅは、フランジ８の長さＫを適切に選択することでも得ることができる。

トランスデューサ１は、さらに有利には以下のように設計される。
Ｆ）キャピラリー用の穴１２は、ホーン２の先端１１から測定して、第２の波腹のところに配置され、第２の波腹はＸモードに設定されて、ここでは符号１８が付けられている。
Ｇ）ネジ６の頭部と圧電駆動部４、５の間に、Ｙモードで少なくとも１つの節、つまり例中の節１９（図２）が現れる。
Ｈ）Ｘモードではカウンターピース３において、その中心でも縁部付近でも、側部の節２０（図５）が現れ、それによってカウンターピース３の方を向いた圧電駆動部４、５の面全体が同じｙ方向に振動し、それによって（周波数ｆ_ｘに従って）引き荷重又は圧力荷重のどちらかが交互に加えられる。このようにして、面の一部がプラスのｙ方向に動き、一方で同時に面の別の一部がマイナスのｙ方向に動くことが回避される。

特性Ｇは、カウンターピース３の長さＬＧ、及びカウンターピース３から突き出ているネジ６の一部の長さＬを適切に選択することで得ることができる。特性Ｈは、幾何学形状の最適化、及びその結果としてカウンターピース３の質量分布の最適化によって得ることができる。例中ではカウンターピース３は１枚のプレートで、このプレートの、トランスデューサ１の縦軸７から離れた端部は、このような理由から図１に表示されているように幅広になっている。好ましくは、カウンターピース３の幅Ｂ_１は、超音波トランスデューサ１の縦軸７から圧電駆動部４又は５の外縁までの距離Ｄ_１よりも大きく、その結果カウンターピース３はその側部が圧電駆動部４又は５よりも突出している。

発明に従ったトランスデューサ１は、３つのモードで作動することができる。つまり、Ｙモードのみ、Ｘモードのみ、又はＸＹモードの３つであり、ＸＹモードではＸモードもＹモードも同時に励起される。Ｙモードは特にｙ方向に伸びるワイヤーループのボンディングに適しており、Ｘモードは特にｘ方向に伸びるワイヤーループのボンディングに適している。ＸＹモードは全く新種のモードで、このモードではＸモードもＹモードも同時にそして互いに無関係に励起されるが、キャピラリー先端の振動の振幅はｘ方向及びｙ方向に妥当な大きさを示し、好ましくは略同じ大きさである。ｘ方向及びｙ方向のキャピラリー先端の振動は相互に関連がなく、その結果キャピラリー先端がリサージュ図形を描く。キャピラリー先端は、長方形で区切られたリサージュ経路のあとをたどる。リサージュ経路の一例が図６に示されている。

図７は、超音波トランスデューサ１が前述の３つのモードで作動することを可能にする制御回路である。圧電駆動部４、５は同一に構成されている。各圧電駆動部４、５は、複数の、通常は図示されているように４つ又は６つ又はそれ以上の圧電要素２１の積み重ねから構成され、これら圧電要素は極性方向を交互に替えて並んで積み重ねられ、その際に圧電要素２１の間に常に導電性のプレート２２が挟み込まれている。圧電要素２１の極性方向は、「＋」及び「−」記号の順番で特徴づけられる。制御回路は、Ｙモードを励起するための第１の発電機２３と、Ｘモードを励起するための第２の発電機２４と、一次巻線２６及び二次巻線２７を具備した変圧器２５とを備える。二次巻線２７は、２つの同じ巻線２８及び２９から構成され、これらの巻線は共通の入力接続部３０とそれぞれ１つの出力接続部３１又は３２を備えている。第１の発電機２３の出力側は、二次巻線２７の共通の入力接続部３０と接続されている。第２の発電機２４の出力側は、一次巻線２６の第１の接続部と接続されているのに対して、一次巻線２６の第２の接続部はアースに接続している。巻線２８の出力接続部３１は、第１の圧電駆動部４の圧電要素２１のマイナス接続部と接続している。巻線２９の出力接続部３２は、第２の圧電駆動部５の圧電要素２１のマイナス接続部と接続している。圧電駆動部４及び５の圧電要素２１のプラス接続部は、電気的にアース接続している。

第１の発電機２３は、交流電圧Ｕ_１＝Ｕ_Ｙｃｏｓ（２πｆ_Ｙｔ＋φ_Ｙ）を供給し、その際ｔは時間を、及びφ_Ｙは位相の状態を示す。第２の発電機２４は、交流電圧Ｕ_２＝Ｕ_ｘｃｏｓ（２πｆ_ｘｔ＋φ_ｘ）を供給し、その際φ_ｘは位相状態を示す。以下の表には、上述の３つのモードで圧電駆動部４及び５にどの交流電圧が印加されるのかを示している。

Claims (5)

1. 縦長ホーン（２）と、カウンターピース（３）と、２つの圧電駆動部（４、５）と、ネジ（６）とを備えた超音波トランスデューサであって、カウンターピースがネジを使用してホーンに固定され、その際にトランスデューサの縦軸（７）の両側に配置された圧電駆動部がホーンとカウンターピースの間に挟み込まれ、ホーンが、トランスデューサをワイヤーボンダのボンダヘッドに固定するための少なくとも１つの穴（９）を具備したフランジ（８）を備え、２つの圧電駆動部に第１の同位相の交流電圧が印加されて第１の超音波振動がトランスデューサの縦軸に対して平行にトランスデューサ内で形成され、２つの圧電駆動部に第２の同位相の交流電圧が印加されて第２の超音波振動がトランスデューサの縦軸を横断するようにトランスデューサ内で形成される超音波トランスデューサにおいて、
   圧電駆動部が第１の超音波振動の第１の節（１３）にあり、
   圧電駆動部が第２の超音波振動の第１の波腹（１４）にあり、
   フランジが第１の超音波振動の第２の節（１５）にあり、
   フランジが第２の超音波振動の第２の波腹（１６）にあり、
   フランジの少なくとも１つの穴が第２の超音波振動の別の節（１７）にあることを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. ホーンがキャピラリーを受け入れるための穴（１２）を備え、この穴が、ホーン先端から測定して、第２の超音波振動の第２の波腹（１６）内に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 第２の超音波振動が、ネジの頭部と圧電駆動部に間にある少なくとも１つの節（１９）を備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサ。
4. 第２の超音波振動が、カウンターピース内でカウンターピースの縁付近にある節（２０）を備えていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
5. カウンターピースの幅（Ｂ_１）が、トランスデューサの縦軸から圧電駆動部外縁までの距離（Ｄ_１）より大きいことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

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