[发明专利]超声换能器

说明书

本发明涉及超声换能器。

本发明特别涉及用于将半导体连焊接于印刷电路板的焊头的换能器。该焊头通常向小型元件同时施加压力和超声能量。目前用于超声换能器的激励器的材料是压电陶瓷。该陶瓷换能器具有剧烈的锐共振和高“Q”。在较窄的工作带宽内，不同谐振模式的耦合会导致无用振动模式所造成的能量损失，并降低了换能器的效率以及稳定性。

本发明的目的在于克服或至少减轻该问题。

根据本发明提供一焊头，用于同时施加压力和超声能量以使小型元件连接在一起，其包括一超声激励器，该超声激励器具有在机械压力作用下彼此对靠在一起的多个薄压电晶片，其中至少一个晶片是陶瓷/聚合物复合件，该复合件具有两个或更多个陶瓷部分，它们彼此由一聚合物材料层分隔，该聚合物材料层在平行于晶片厚度方向的短轴的平面内延伸。

该陶瓷/聚合物复合晶片具有一平行于其短轴的中心纵轴，并且聚合物材料分隔各层可在向纵轴辐射的平面内延伸。至少一些聚合物材料分隔层可在横截纵轴的平面内延伸。

该晶片最好是圆柱形。

焊头最好具有四片陶瓷/聚合物复合晶片。

现在，参照附图通过实施例说明本发明的焊头。

图1是一已知焊头的等角图；

图2是用于图1所示焊头的超声激励器分解视图；

图3是本发明焊头的超声激励器的分解视图；

图4是用于图3所示焊头的陶瓷/聚合物复合晶片的另一种形式；

图5是用于图3所示焊头的陶瓷/聚合物复合晶片的又一种形式；

图6是用于图3所示焊头的陶瓷/聚合物复合晶片的另一种形式。

参照附图，图1和2中，已知的焊头包括一套筒10和一伸长杆11。实际上利用一靠近杆11远端的锐头楔12，将压力和超声波能量导至将被机械连在一起的小型元件。一超声激励器13包括四个由圆片电极15分隔的圆柱状陶瓷片14，该圆片电极15与一交流电源相连。陶瓷片14被固定在一螺纹轴16(见图2)上并且由一螺帽(未示出)相互对靠。该螺帽实际上是拧紧的，以使陶瓷片14在焊头工作时始终保持压紧状态。

上述焊头是公知的，并且在实际中应用很广。但是其缺点已在本说明书中已经提到了。这样的缺点限制了其不能满足工作，特别限制了与得益于采用高达125Hz高频并获得较高稳定性的小型元件的使用，而目前采用的一般频率为62Hz。

图3中，本发明中一种焊头的超声激励器用四片陶瓷/聚合物复合晶片17取代了陶瓷片14(图12)。另外，该超声波激励器与图2中所示的相同。可以看到每个复合晶片由多个相互间由聚合物材料层分隔的陶瓷材料部分组成。这些聚合物薄层在平行于每个晶片17的短轴或纵向中心轴的平面内延伸，并且抑制了不必要模式的振动。该每个晶片层的平面与相邻晶片内的类似平面排成一行。适宜的聚合物由Ciba Specialty Chemicals Limited提供的LW5157树脂和HY5159硬化剂构成。

采用复合晶片加大了焊头的工作带宽，并大大降低图2所示现有技术焊头的寄声振荡模式。图3所示的激励器具有一处于工作频率的无干扰谐振模式，其它模式实际上被内部抑制。图1中焊头的电Q通常为990左右，而图3所示的激励器的Q可非常低，为大约200。因此，图3中换能器的频率锁定为更小的临界值，因而提高了工作稳定性。如上所述的包括复合晶片的焊接换能器能够表现出一种处于工作频率的无干扰和较宽带宽的谐振模式，因而减小了模式耦合，并提高了换能器稳定性。

图4中显示了另一种形式的复合晶片18。在该图中，聚合物薄层从由晶片18中心轴辐射的平面内延伸，以将该陶瓷片分成四个相等的扇形部分。图5描述了晶片19，一个复合晶片19被聚合物层分成八块相等的扇形部分。在图6中，复合晶片20与晶片14(图3的)类似，不同之处在于复合晶片20仅有四块分隔的陶瓷部分，而不是晶片14中的十六块。

本发明焊头的超声激励器可以由如图3、4、5和6所示的所述复合晶片构成。另外，该复合晶片可以与如图1所示的“传统”晶片14复合使用，就一切情况而论，一定的改进加强了这样构成的超声焊头的使用和操作。

尽管所有所述的复合晶片是圆柱状的，本发明的实施例还可采用其它形状复合晶片，包括不规则的和矩形剖面的复合晶片。在所有情况下，聚合物层用于将陶瓷部分结合起来，并抑制干扰(或无用)振动模式。