CN108052137B - 一种超声引线键合超声波频率自调整方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声引线键合超声波频率自调整方法，其特征在于，包括如下步骤，1)通过测量电路采集超声波发生器的电信号；2)对步骤1)所采集到的超声波发生器的电信号送入信号分析和处理模块利用快速傅立叶变换FFT进行处理，计算出键合工具的固有频率；3)信号分析和处理模块自动提取此固有频率，然后发送给控制***，控制***对超声波发生器加载频率自动检测，同时接受来自信号分析处理模块的固有频率，将超声波发生器频率和此固有频率进行比较，并调节和控制超声波发生器(1)的频率，使其与固有频率相等；本发明的有益效果：本发明实现键合过程中超声频率的自动调整，通过***设计可有效提高键合成功率，适合推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声引线键合超声波频率自调整方法，属于自动控制技术领域。
背景技术
超声引线键合是IC芯片互连中最重要的技术之一。提供芯片与基板间引脚的互连。它是指在常温环境下，通过压电换能器产生的超声振动和键合工具压力的作用，将引线(金丝或铝丝)键合(Bonding)到芯片底端焊盘上(附图1)，从而将芯片与基板的电路连接在一起的技术。键合点质量的好坏将直接影响IC芯片的性能，一个微小的键合点故障将可能导致整个IC芯片失效。
如一申请号为CN204425191U公开了一种芯片外引线键合超声波电源控制***，包括微控制器模块和整流放大电路，微控制器模块的输入端接有按键设置电路、电压采样电路和电流采样电路，微控制器模块的输出端接有液晶显示电路、保护开关电路、电流控制电路、脉宽调制电路和脉频调制电路，保护开关电路的输入端与整流放大电路的输出端相接，整流放大电路的输出端接有与电流控制电路和脉宽调制电路的输出端均相接的斩波电路，斩波电路的输出端接有与脉频调制电路输出端相接的逆变电路，逆变电路的输出端接有匹配电路，电压采样电路和电流采样电路的输入端均与匹配电路的输出端相接，匹配电路的输出端接有换能器，设计新颖，效率高，稳定性好，实用性强。
又如一申请号为CN106269455A公开了一种粗铝丝键合超声换能器，包括设有键合工具的变幅杆、安装环以及超声马达，所述安装环安装在变幅杆上，用来把超声换能器安装在机器上，所述的变幅杆与超声马达相连，变幅杆把超声马达的机械振动的振幅放大并把振动转给键合工具，键合工具进一步放大机械振动的振幅，键合工具的尖端则把振动直接作用在粗铝丝或铝带上进行键合。所述超声马达包括前盖板、压电片、铜片、后盖板以及螺栓，所述前盖板用于连接变幅杆，压电片和铜片相间装配在前盖板和后盖板之间，并用螺栓压紧固定。与现有技术相比，本发明增强了实际的粗铝丝键合效率，保证了粗铝丝键合过程的稳定性。
超声引线键合是当前最重要的微电子封装技术之一，它是在加热环境下，通过超声振动和压力的共同作用，将引线(金丝或铝丝)分别键合到芯片焊盘和集成电路基板引脚上，从而将芯片与集成电路连接在一起的技术。在键合过程中，超声频率一般为键合工具的固有频率，对于一般的键合***，其频率值大约为63.5kHz，然而，由于键合工具经过长时间的磨损或安装定位问题，使其固有频率常常偏离超声频率，达不到利用固有频率加载的目的，本发明公开一种键合工具固有频率自动监测和调整装置，可以实现键合过程中超声频率的自动调整。
发明内容
本发明克服了现有技术存在的问题，提出了一种超声引线键合超声波频率自调整方法，本发明实现键合过程中超声频率的自动调整，通过***设计可有效提高键合成功率。
本发明的具体技术方案如下：
一种超声引线键合超声波频率自调整方法，其特征在于，包括如下步骤，
1)通过测量电路采集超声波发生器的电信号，步骤如下：
首先利用压电换能器的核心构件压电晶体的双向压电效应，使得压电换能器既是一个执行器，也具有传感器的功能：
压电晶体的反向压电效应，压电换能器作为一个执行器来完成超声波电能到机械能(机械振动)的转换；
压电晶体的正向压电效应，压电换能器同时也具有传感器功能，在键合过程中，随着键合界面机械、材料属性的变化，键合工具尖端的振动状况持续发生细微变化，经由键合工具和聚能器的传递，这个变化被感应到压电晶体，并直接影响到超声波发生器的电信号，测量电路对该电信号进行放大，信号采集模块对放大后电信号进行采集；
2)对步骤1)所采集到的超声波发生器的电信号送入信号分析和处理模块利用快速傅立叶变换FFT进行处理，计算出键合工具的固有频率，
步骤如下：
①信号分析和处理模块里包含内置处理芯片，芯片被写入FFT算法程序；
②通过FFT程序计算出频谱峰值对应的频率，即为键合工具的固有频率；
3)信号分析和处理模块自动提取此固有频率，然后发送给控制***，控制***对超声波发生器加载频率自动检测，同时接受来自信号分析处理模块的固有频率，将超声波发生器频率和此固有频率进行比较，并调节和控制超声波发生器(1)的频率，使其与固有频率相等；
4)通过超声波发生器的频率微调功能，调整范围为频率上下的2％，在不同的工况条件下略微调整使换能器始终工作在最佳状态下，换能效率达到最大，在不同工况下都能达到最佳效果。
本发明的有益效果：本发明实现键合过程中超声频率的自动调整，通过***设计可有效提高键合成功率，适合推广使用。
附图说明
图1为本发明超声键合过程的超声-键合***原理图；
图2为本发明超声引线键合超声波频率自调整方法的原理图；
图3为本发明超声电压信号的频谱图；
图4为本发明控制***细化图。
具体实施方式
实施例1
图1为现有超声键合过程的超声-键合***原理图，它分别由超声波发生器1、超声波输入器2、压电换能器3、安装套筒4、变幅杆5、键合工具6、底端焊盘7、键合焊点8、金属引线9、压力装置10、工作台和静压力产生机构组成。键合过程原理具体可按以下4个步骤来描述：①超声波发生器1产生高频超声波能量；②超声波能量进入压电换能器3，经压电换能器转换(压电晶体反向压电效应)成高频机械振动能量(频率一般为65kHz或更高，此处根据换能器***固有频率确定)；③高频机械振动通过聚能器传送到键合工具6尖端，并对键合工具产生静压力；④当键合工具6、金属引线9及键合表面接触时，在静压力和振动的作用下相互摩擦、破坏、清除表面氧化膜，并发生塑性变形，致使两个纯净的金属面紧密接触，达到原子距离的结合，形成牢固的机械连接。
在键合过程中，键合工具6工作在固有频率下，充分利用共振的放大作用完成键合，当键合工具6安装定位不准，或者键合工6尖端有较大的磨损都将对键合工具固有频率产生影响。
图3为超声电压信号的频谱，其中在主频部分有两个峰值，低峰值为键合工具固有频率，高峰值为超声加载频率。通过调整整个频率，使加载频率和键合固有频率值相等来实现超声频率的自动调整。
具体调整的技术方案如下，如图2所示：
一种超声引线键合超声波频率自调整方法，包括如下步骤，
1)通过测量电路采集超声波发生器1的电信号，步骤如下：
首先利用压电换能器3的核心构件压电晶体的双向压电效应，使得压电换能器(3)既是一个执行器，也具有传感器的功能：
压电晶体的反向压电效应，压电换能器3作为一个执行器来完成超声波电能到机械能(机械振动)的转换；
压电晶体的正向压电效应，压电换能器同时也具有传感器功能，在键合过程中，随着键合界面机械、材料属性的变化，键合工具6尖端的振动状况持续发生细微变化，经由键合工具6和聚能器的传递，这个变化被感应到压电晶体，并直接影响到超声波发生器的电信号，测量电路对该电信号进行放大，信号采集模块对放大后电信号进行采集；
2)对步骤1)所采集到的超声波发生器1的电信号送入信号分析和处理模块利用快速傅立叶变换FFT进行处理，计算出键合工具的固有频率，
步骤如下：
①信号分析和处理模块里包含内置处理芯片，芯片被写入FFT算法程序；
②通过FFT程序计算出频谱峰值对应的频率，即为键合工具的固有频率；
3)信号分析和处理模块自动提取此固有频率，然后发送给控制***，控制***对超声波发生器加载频率自动检测，同时接受来自信号分析处理模块的固有频率，将超声波发生器频率和此固有频率进行比较，并调节和控制超声波发生器1的频率，使其与固有频率相等；
4)通过超声波发生器1的频率微调功能，调整范围为频率上下的2％，在不同的工况条件下略微调整使换能器始终工作在最佳状态下，换能效率达到最大，在不同工况下都能达到最佳效果。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种超声引线键合超声波频率自调整方法，其特征在于，包括如下步骤，
1)通过测量电路采集超声波发生器(1)的电信号，步骤如下：
首先利用压电换能器(3)的核心构件压电晶体的双向压电效应，使得压电换能器(3)既是一个执行器，也具有传感器的功能：
压电晶体的反向压电效应，压电换能器(3)作为一个执行器来完成超声波电能到机械能(机械振动)的转换；
压电晶体的正向压电效应，压电换能器同时也具有传感器功能，在键合过程中，随着键合界面机械、材料属性的变化，键合工具(6)尖端的振动状况持续发生细微变化，经由键合工具(6)和聚能器的传递，这个变化被感应到压电晶体，并直接影响到超声波发生器的电信号，测量电路对该电信号进行放大，信号采集模块对放大后电信号进行采集；
2)对步骤1)所采集到的超声波发生器(1)的电信号送入信号分析和处理模块利用快速傅立叶变换FFT进行处理，计算出键合工具的固有频率，
步骤如下：
①信号分析和处理模块里包含内置处理芯片，芯片被写入FFT算法程序；
②通过FFT程序计算出频谱峰值对应的频率，即为键合工具的固有频率；
3)信号分析和处理模块自动提取此固有频率，然后发送给控制***，控制***对超声波发生器加载频率自动检测，同时接受来自信号分析处理模块的固有频率，将超声波发生器频率和此固有频率进行比较，并调节和控制超声波发生器(1)的频率，使其与固有频率相等；
4)通过超声波发生器(1)的频率微调功能，调整范围为频率上下的2％，在不同的工况条件下略微调整使换能器始终工作在最佳状态下，换能效率达到最大，在不同工况下都能达到最佳效果。
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