專利名稱:用于超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)器以及超聲波換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及用于超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)器以及超聲波換能器。尤其,本發(fā)明涉及用作引線接合機(jī)(wire-bonding machine)中的接合裝置(bondingapparatus)的驅(qū)動(dòng)器及超聲波換能器。
背景技術(shù):
引線接合機(jī)上的超聲波換能器用于同時(shí)施加壓力和超聲波能量,以將導(dǎo)線從半導(dǎo)體部件連接至基板。超聲波換能器具有用于將來(lái)自超聲波信號(hào)產(chǎn)生器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波振動(dòng)的超聲波驅(qū)動(dòng)器。角狀部放大來(lái)自驅(qū)動(dòng)器和接合工具的超聲波振動(dòng),所述接合工具在將預(yù)定接合力施加到接合在一起的導(dǎo)線和部件時(shí)連接已放大的超聲波振動(dòng),其中所述接合工具通常為定位在角狀部的較小端處的楔形或毛細(xì)管形式。壓電材料被用作超聲波驅(qū)動(dòng)器中的活性(active;或驅(qū)動(dòng))材料。很難在厚壓電元件中感應(yīng)電極化,因此,多個(gè)壓電元件堆疊在一起以獲得所需的功率等級(jí)。
圖1和圖2顯示現(xiàn)有技術(shù)中的超聲波驅(qū)動(dòng)器的折疊(collapsed)圖和分解圖。驅(qū)動(dòng)器包括多個(gè)環(huán)形壓電元件1、1’、1”、1,所述環(huán)形壓電元件以并聯(lián)方式電連接,并在金屬螺紋軸2和金屬螺帽3所形成的預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)所施加的機(jī)械壓力下機(jī)械地串聯(lián)。薄環(huán)形電極4、4’、4”、4、4””被置于壓電元件1,1’,1”,1、軸2以及螺帽3之間,以提供與超聲波信號(hào)產(chǎn)生器(未示出)的電氣互連和外部連接。
壓電超聲波換能器的一個(gè)問(wèn)題在于,它們?cè)谏叩碾姎狻C(jī)械和/或溫度應(yīng)力下操作以增加機(jī)械功率輸出時(shí)會(huì)經(jīng)受老化加速及發(fā)生故障。這些換能器在高功率應(yīng)用中被認(rèn)為非固有可靠的。盡管多個(gè)壓電元件可以相結(jié)合或分成組以產(chǎn)生具有增加的功率處理能力的換能器,然而這將會(huì)造成效率較低的換能器,所述換能器不僅較大且較重,而且難于裝配且操作起來(lái)十分昂貴。
在使用壓電材料之前,有時(shí)會(huì)使用磁致伸縮過(guò)渡金屬,例如鐵(Fe)、鈷(Co)和鎳(Ni)。盡管這些早期的過(guò)渡金屬在使用時(shí)較不易損壞,然而它們很重且很大。更重要的是,它們的低換能能力以及低能量密度顯著地限制來(lái)自給定的電磁功率輸入的機(jī)械功率輸出以及材料量,因此而增加了所得到的換能器的尺寸和重量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)器以及一種超聲波換能器,用于引線接合應(yīng)用,其中所述超聲波換能器具有改進(jìn)的功率處理能力、更高效率以及更好的可靠性,或者至少克服或改善現(xiàn)有技術(shù)的裝置的一些缺點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面,提供了一種超聲波換能器驅(qū)動(dòng)器,包括大磁致伸縮元件;用于在機(jī)械壓力下保持所述大磁致伸縮元件的緊固件;用于提供偏磁場(chǎng)(magnetic bias field)的第一磁場(chǎng)產(chǎn)生器;用于提供磁性驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的第二磁場(chǎng)產(chǎn)生器;以及磁性回路,所述磁性回路用于在所述大磁致伸縮元件中引導(dǎo)磁場(chǎng)。
優(yōu)選地,所述大磁致伸縮元件包括稀土合金。
優(yōu)選地,所述大磁致伸縮元件為包括通過(guò)一層被動(dòng)(passive)聚合材料而互相分離的兩個(gè)或更多稀土合金的合成物。
優(yōu)選地,所述大磁致伸縮元件為鋱鏑鐵-D(Terfenol-D)或其合成物。
優(yōu)選地,其中所述大磁致伸縮元件為具有中心孔的圓柱體形。
優(yōu)選地,所述緊固件包括由非磁性金屬材料制成的螺紋軸和螺帽。
優(yōu)選地,所述第一磁場(chǎng)產(chǎn)生器包括永久磁鐵。
優(yōu)選地,所述第二磁場(chǎng)產(chǎn)生器包括電線圈。
優(yōu)選地,所述磁性回路包括具有高導(dǎo)磁性、高阻抗性以及高飽和度的一對(duì)磁性返回通路(return-path)環(huán)及磁性返回通路圓筒。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面提供一種用于接合裝置的超聲波換能器,所述換能器包括
角狀部,所述角狀部的較小端具有接合工具(bonding tool),而在相對(duì)的端部處具有安裝環(huán)管(mounting collar);以及連接到所述角狀部的驅(qū)動(dòng)器,所述驅(qū)動(dòng)器包括大磁致伸縮元件、用于在機(jī)械壓力下保持所述大磁致伸縮元件的緊固件、用于提供偏磁場(chǎng)的第一磁場(chǎng)產(chǎn)生器、用于提供磁性驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的第二磁場(chǎng)產(chǎn)生器以及用于在所述大磁致伸縮元件中引導(dǎo)所述磁場(chǎng)的磁性回路。
優(yōu)選地,所述大磁致伸縮元件包括稀土合金。
優(yōu)選地,所述大磁致伸縮元件為包括通過(guò)一層被動(dòng)聚合材料而互相分離的兩個(gè)或更多稀土合金的合成物。
優(yōu)選地,所述大磁致伸縮元件為鋱鏑鐵-D或其合成物。
優(yōu)選地,所述大磁致伸縮元件為具有中心孔的圓柱體形。
優(yōu)選地,所述緊固件包括由非磁性金屬材料制成的螺紋軸和螺帽。
優(yōu)選地,所述第一磁場(chǎng)產(chǎn)生器包括永久磁鐵。
優(yōu)選地,所述第二磁場(chǎng)產(chǎn)生器包括電線圈。
優(yōu)選地,所述磁性回路包括具有高導(dǎo)磁性、高阻抗性以及高飽和度的一對(duì)磁性返回通路環(huán)及磁性返回通路圓筒。
本發(fā)明的其它方面將從以下僅通過(guò)實(shí)例給出的說(shuō)明變得清楚。
現(xiàn)在將僅通過(guò)實(shí)例并參照附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例,其中圖1和圖2分別為現(xiàn)有技術(shù)中的超聲波驅(qū)動(dòng)器的折疊視圖及分解圖;圖3為例示性超聲波換能器;圖4和圖5分別為根據(jù)本發(fā)明的超聲波換能器驅(qū)動(dòng)器的折疊視圖及分解圖;圖6為圖4的驅(qū)動(dòng)器的橫截面圖;圖7為根據(jù)本發(fā)明的超聲波換能器驅(qū)動(dòng)器的第二實(shí)施例的分解圖;圖8為根據(jù)本發(fā)明的超聲波換能器驅(qū)動(dòng)器的第三實(shí)施例的分解圖;圖9a至圖9f為用于驅(qū)動(dòng)器的磁致伸縮元件的不同配置;圖10為用于使用圖9b中所示的鋱鏑鐵-D/環(huán)氧pseudo1-3合成物(Terfenol-D/epoxy pseudo 1-3 composite)所制成的本發(fā)明的實(shí)施例的電阻抗相對(duì)頻率的圖形;以及圖11為使用圖9b中所示的鋱鏑鐵-D/環(huán)氧pseudo1-3合成物的換能器的位移振幅相對(duì)頻率的圖形。
具體實(shí)施例方式
在以下說(shuō)明中,術(shù)語(yǔ)“大磁致伸縮材料/元件”指的是與早期的過(guò)渡金屬(例如鐵(Fe)、鈷(Co)及鎳(Ni))相比具有相當(dāng)大的磁致伸縮效應(yīng)的鐵磁材料。這些大磁致伸縮材料是優(yōu)選的、但不排它地、使用稀土合金基材料,例如鋱鏑鐵-D(Terfenol-D)及其合成物。
參看圖3,超聲波換能器由超聲波驅(qū)動(dòng)器5、超聲波角狀部6、接合工具7及桶狀部8構(gòu)成。超聲波驅(qū)動(dòng)器5為預(yù)應(yīng)力夾心式換能器(sandwichtransducer),所述換能器作為半波、縱向、質(zhì)量-彈簧-質(zhì)量、線性振動(dòng)器,以將超聲波信號(hào)產(chǎn)生器(未示出)所產(chǎn)生的電磁能轉(zhuǎn)換成以超聲波頻率進(jìn)行的縱向振動(dòng)。超聲波角狀部6用于連接及放大來(lái)自驅(qū)動(dòng)器5的超聲波振動(dòng)。通常為楔形或毛細(xì)管(capillary)的接合工具7夾在鉆于超聲波角狀部6的較小端10處的孔9中,以通過(guò)定位在所述接合工具的尖端11上的最大振幅連接并進(jìn)一步放大超聲波振動(dòng)。由凸緣12和環(huán)管13構(gòu)成的桶狀部8用于將整個(gè)換能器安裝到引線接合機(jī)上,以使預(yù)定的接合力可以與超聲波振動(dòng)一起施加到通過(guò)接合工具的尖端接合在一起的導(dǎo)線和部件。桶狀部8的凸緣部12在對(duì)應(yīng)于縱向振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)(即,零振動(dòng)振幅)的特定位置處以機(jī)械方式鄰接到角狀部6上,以避免能量的損失以及由此而造成的接合性能的降低。環(huán)管部13以機(jī)械方式自凸緣部12延伸,以進(jìn)一步從引線接合機(jī)上拆開(kāi)角狀部6。換能器通過(guò)環(huán)管13安裝到引線接合機(jī)。
參看圖4至圖6,驅(qū)動(dòng)器5作為用于將超聲波振動(dòng)傳送到鄰接的角狀部6的半波、縱向、質(zhì)量-彈簧-質(zhì)量、線性振動(dòng)器。所述驅(qū)動(dòng)器具有大磁致伸縮元件14,所述大磁致伸縮元件,在壓力下由螺紋軸15和螺帽16所形成的預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)機(jī)械地夾緊,其中所述螺紋軸和螺帽由高強(qiáng)度的非磁性金屬材料(例如不銹鋼304、鈦合金、鋁合金等)制成。定位在磁致伸縮元件14兩端的一對(duì)環(huán)形永久磁鐵17、17’向元件14提供偏磁(或dc)場(chǎng),以產(chǎn)生初始的靜態(tài)機(jī)械應(yīng)變。為了確保磁通線的均勻分布,這些磁鐵的外徑略大于元件的外徑(典型地為1.2倍),并且磁鐵的直徑與厚度的比值大約為12∶1。
磁鐵17、17’是優(yōu)選的,但不排它地使用單塊燒結(jié)或以聚合物粘結(jié)的釹鐵硼(NdFeB)及釤鈷(SmCo)磁鐵。燒結(jié)磁鐵具有更高的磁性以及更好的熱穩(wěn)定性,而以聚合物粘結(jié)的磁鐵提供更高的電阻率(即,它們較不易有渦流損耗)以及較低的密度。若采用燒結(jié)磁鐵,優(yōu)選地在磁鐵內(nèi)設(shè)置狹縫,以最小化積聚在它們主表面上的渦流。
磁性驅(qū)動(dòng)(或者ac)場(chǎng)由驅(qū)動(dòng)螺線管18供應(yīng),其中所述驅(qū)動(dòng)螺線管具有任何尺寸以及一層或更多層中的任何匝數(shù)的上釉金屬線(enamelledmetallic wire)(即,上釉銅線),并且環(huán)繞磁致伸縮元件14且所述驅(qū)動(dòng)螺線管與所述磁致伸縮元件之間具有有限的空氣間隙19。磁性驅(qū)動(dòng)場(chǎng)(或交流電場(chǎng)(ac))提供位于初始的靜態(tài)應(yīng)變的中心處的振蕩應(yīng)變。產(chǎn)生有助于將磁通引導(dǎo)至磁致伸縮元件內(nèi)的磁性回路,一對(duì)磁性返回通路環(huán)20、20’位于磁致伸縮元件-永久磁鐵組件和外磁性返回通路圓筒(externalmagnetic return-path cylinder)21的各端上。整個(gè)回路由高導(dǎo)磁性、高阻抗性以及高飽和度的材料制成,例如粉末金屬“T2”、高導(dǎo)磁合金(mu-metal)、鐵、鎳、鈷等。
大磁致伸縮元件可以由如鋱鏑鐵-D的材料制成。鋱鏑鐵-D為稀土元素鋱(Tb)和鏑(Dy)以及過(guò)渡金屬鐵(Fe)的合金。所述鋱鏑鐵-D在室溫及低磁場(chǎng)(<150kA/m)下以迅速響應(yīng)(約為1μs)表現(xiàn)出大的線性應(yīng)變(約為1200ppm)以及應(yīng)變能密度(約為20kJ/m3)。這些數(shù)值優(yōu)于壓電材料約10倍,并且優(yōu)于早期過(guò)渡金屬約一百倍。此外,已知的是,壓電材料需要一外部高“極化”場(chǎng)來(lái)感應(yīng)電極化。這會(huì)造成很難制造厚的壓電元件,因此,實(shí)際上通常要堆疊多個(gè)壓電元件來(lái)獲得所需的功率等級(jí)。相反地,大磁致伸縮材料不需要“極化”,使得在裝置應(yīng)用中可以獲得具有可變尺寸、隨著時(shí)間具有更恒定的性能以及更簡(jiǎn)單的制造過(guò)程的單個(gè)元件。
參看圖7,在驅(qū)動(dòng)器的第二實(shí)施例中,螺紋軸15和單塊磁性返回通路環(huán)20被制造成單一部件,而螺帽16與另一單塊磁性返回通路環(huán)20’相結(jié)合而形成另一單一部件。
參看圖8,在驅(qū)動(dòng)器的第三實(shí)施例中,螺紋軸15、單塊磁性返回通路環(huán)20以及單塊永久磁鐵環(huán)17被制造成單一部件,而螺帽16與另一單塊磁性返回通路環(huán)20’和另一單塊永久磁鐵環(huán)17’相結(jié)合而形成另一單一部件。
一層厚膜或薄膜磁性返回通路和/或一層厚膜或薄膜永久磁性材料可以使用厚膜技術(shù)及薄膜技術(shù)(即,濺鍍、脈沖激光沉積(PLD)等)分別涂敷在螺紋軸15和螺帽16的接觸表面上。此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于減少部件的數(shù)量以及驅(qū)動(dòng)器5中的部件界面的數(shù)目,從而增加組件的靈活性以及所得到的驅(qū)動(dòng)器5的質(zhì)量和可靠性。通常,大磁致伸縮超聲波驅(qū)動(dòng)器/換能器與壓電超聲波驅(qū)動(dòng)器/換能器相比需要更少部件。這意味著根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)器/換能器不僅尺寸及重量減小,而且更易于裝配且操作起來(lái)更便宜。
圖9a至圖9f顯示用于超聲波驅(qū)動(dòng)器5的大磁致伸縮元件14的不同組合。耀注意的是,即使所示為具有一中心孔的圓柱體形狀,但任何形狀都是有可能的。圖9a為單塊大磁致伸縮元件。在使用時(shí),通常為合金的單塊材料具有兩個(gè)缺點(diǎn)。第一個(gè)缺點(diǎn)是由于存在渦流損耗而限制操作頻率為數(shù)千赫茲,第二個(gè)缺點(diǎn)是由于材料的脆性而難于加工及制造。通過(guò)將單塊材料制造成包括通過(guò)至少一層被動(dòng)聚合材料(即,環(huán)氧樹(shù)脂)而互相分開(kāi)的兩個(gè)或更多單塊部分的合成物形式,材料的帶寬延伸到超聲波范圍內(nèi)(即,>=20kHz),并且它們的脆性由于增加的電阻率和機(jī)械耐用性而顯著減小。
圖9b至圖9f為不同成分(composition)的復(fù)合式大磁致伸縮元件。這些成分依次包括但不限于-pseudo1-3,具有在聚合物基質(zhì)(matrix)中縱向?qū)?zhǔn)的大磁致伸縮顆粒,-0-3,具有在聚合物基質(zhì)中隨機(jī)分散的大磁致伸縮顆粒,-1-3,具有在正交方向上橫向延伸的聚合層,-徑向2-2,具有在任何方向上徑向延伸的聚合層,以及-平行2-2,具有在單個(gè)方向上橫向延伸的聚合層。
圖10為使用由鋱鏑鐵-D/環(huán)氧樹(shù)脂合成物制成的圖9b中的pseudo1-3大磁致伸縮元件的超聲波驅(qū)動(dòng)器的電阻抗與頻率的圖形。換能器在大約64kHz發(fā)生共振,而電阻抗隨著頻率的增加而線性地增加,即,換能器具有電感器的功能。這意味著在頻率高達(dá)100kHz上、該換能器中的渦流損耗是不顯著的。
圖11為相同換能器的位移振幅與頻率的圖形。如圖10中所示,位移對(duì)于高達(dá)及超過(guò)無(wú)渦流損耗的換能器的基本共振具有平坦響應(yīng)。在共振下,位移振幅大約為低頻數(shù)據(jù)(即,1kHz)的40倍。
通過(guò)在驅(qū)動(dòng)器中使用大磁致伸縮材料,特別是如鋱鏑鐵-D及其合成物的稀土合金基材料,對(duì)引線接合應(yīng)用可獲得擁有改進(jìn)的、具有更高效率和更好可靠性的功率處理能力的新式超聲波換能器。
在前述說(shuō)明參考中已提及的具有已知等效形式的整體或元件若在此未個(gè)別闡述,也包括在本發(fā)明中。
已說(shuō)明了本發(fā)明的實(shí)施例,然而要理解地是在不偏離本發(fā)明的精神或隨附權(quán)利要求的范圍的前提下可以做變更、改進(jìn)或修改。
權(quán)利要求
1.一種超聲波換能器驅(qū)動(dòng)器,包括大磁致伸縮元件;用于在機(jī)械壓力下保持所述大磁致伸縮元件的緊固件;用于提供偏磁場(chǎng)的第一磁場(chǎng)產(chǎn)生器;用于提供磁性驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的第二磁場(chǎng)產(chǎn)生器;以及磁性回路,所述磁性回路用于在所述大磁致伸縮元件中引導(dǎo)磁場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)器,其中所述大磁致伸縮元件包括稀土合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)器,其中所述大磁致伸縮元件為包括通過(guò)一層被動(dòng)聚合材料而互相分開(kāi)的兩個(gè)或更多稀土合金的合成物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)器,其中所述大磁致伸縮元件為鋱鏑鐵-D或其合成物。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)器,其中所述大磁致伸縮元件為具有中心孔的圓柱體形。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)器,其中所述緊固件包括由非磁性金屬材料制成的螺紋軸和螺帽。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)器,其中所述第一磁場(chǎng)產(chǎn)生器包括永久磁鐵。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)器,其中所述第二磁場(chǎng)產(chǎn)生器包括電線圈。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)器,其中所述磁性回路包括具有高導(dǎo)磁性、高阻抗性以及高飽和度的一對(duì)磁性返回通路環(huán)及磁性返回通路圓筒。
10.一種用于接合裝置的超聲波換能器,所述換能器包括角狀部,所述角狀部的較小端具有接合工具,而在相反的端部處具有一安裝環(huán)管;以及連接到所述角狀部的驅(qū)動(dòng)器,所述驅(qū)動(dòng)器包括大磁致伸縮元件、用于在機(jī)械壓力下保持所述大磁致伸縮元件的緊固件、用于提供偏磁場(chǎng)的第一磁場(chǎng)產(chǎn)生器、用于提供磁性驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的第二磁場(chǎng)產(chǎn)生器以及用于在所述大磁致伸縮元件中引導(dǎo)磁場(chǎng)的磁性回路。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置,其中所述大磁致伸縮元件包括稀土合金。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置,其中所述大磁致伸縮元件為包括通過(guò)一層被動(dòng)聚合材料而互相分開(kāi)的兩個(gè)或更多稀土合金的合成物。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置,其中所述大磁致伸縮元件為鋱鏑鐵-D或其合成物。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中的任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述大磁致伸縮元件為具有中心孔的圓柱體形。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14中的任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述緊固件包括由非磁性金屬材料制成的螺紋軸和螺帽。
16.根據(jù)權(quán)利要求10至15中的任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述第一磁場(chǎng)產(chǎn)生器包括永久磁鐵。
17.根據(jù)權(quán)利要求10至16中的任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述第二磁場(chǎng)產(chǎn)生器包括電線圈。
18.根據(jù)權(quán)利要求10至17中的任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述磁性回路包括具有高導(dǎo)磁性、高阻抗性以及高飽和度的一對(duì)磁性返回通路環(huán)及磁性返回通路圓筒。
全文摘要
一種超聲波換能器驅(qū)動(dòng)器,所述驅(qū)動(dòng)器具有大磁致伸縮元件、用于在機(jī)械壓力下保持大磁致伸縮元件的緊固件、用于提供偏磁場(chǎng)的第一磁場(chǎng)產(chǎn)生器、用于提供磁性驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的第二磁場(chǎng)產(chǎn)生器、以及用于在磁致伸縮元件中引導(dǎo)磁場(chǎng)通道的磁性回路。用于接合裝置的超聲波換能器具有在較小端處具有接合工具的角狀部以及鄰接至其上的安裝桶狀部。所述驅(qū)動(dòng)器連接到角狀部的較大端。
文檔編號(hào)H01L41/12GK1926916SQ200580006541
公開(kāi)日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2005年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月5日
發(fā)明者柯少榮, 容中尚, 陳王麗華 申請(qǐng)人:香港理工大學(xué)