专利名称：具有s形环的谐振优化的接合线的制作方法
具有S形环的谐振优化的接合线
背景技术：
线接合(wire bonding)已经在许多年被用于电连接。线接合一般被看做最有成本效益的并且最灵活的互连技术，而且被用来装配大多数的半导体封装。如在这里所使用的那样，术语“接合线”指的是在针对电子装置的封装内提供电连接的线。举例而言，接合线被用在容纳微处理器的塑料封装内。这些接合线提供在从塑料封装中延伸的众多的在外部可见的连接管脚与在塑料封装内的集成电路管芯(die)上的连接点之间的电连接。线直径起始于比人的头发细很多的15 μ m (O. 6密耳)或更细一些，并且针对高功率应用可以高达数百微米。虽然一些接合线由铝或铜制成(部分地因为铝或铜是便宜的或更导电的)，但是在腐蚀环境中，大部分接合线由金制成，因为金将不会腐蚀并且随着时间的过去将提供比铝或铜将提供的连接更可靠的连接。在一些应用中使用接合线的微处理器和其它电子装置遭受振动和/或机械冲击。 在某些应用中，振动的频率和幅度是如此的极端，例如在30KHz以上为20G (1G=9. 8米/秒2)，接合线的到接合焊盘或其它表面的连接可以遭遇高周疲劳故障。实验和计算机模拟已经表明，在到衬底或接合焊盘的连接点处的接合线故障主要是由于接合线的与被施加到该装置的强迫振动的频率共振的固有频率引起的。用另一种方式陈述，如果电子装置以基本上等于接合线的固有频率的频率来振动，则接合线的在其谐振频率下的合成振动可以在数量级上被放大，并且可能引起线在其被附着到接合焊盘的地方疲劳故障。防止线疲劳故障的一个现有技术解决方案是使用铝线来提升固有频率，因为铝具有较低的质量密度。然而，使用铝要求接合线被嵌入到粘胶中，以避免线腐蚀。使用胶的一个缺点是通常被要求来限制胶的胶容器或胶坝(gel dam)可以使得所得到的装置更复杂并且更昂贵。在某个应用中，具有超过扰动频率(forcing frequency)的更高的固有频率的接合线中的特定振动轴会是对现有技术的改进，因为该特定振动轴会避免振动疲劳故障。避免使用粘胶来减少疲劳故障也会是对现有技术的改进。另一个优点也被发现，因为具有被优化的外形(profile)的线是最短的或几乎最短的，这也可以在高产量生产期间节约成本。


图IA是包括借助细的、被拉长的接合线被电连接到在较低高度处的压阻式换能器(PRT, piezoresistive transducer)管芯的集成电路的压力传感器的透视 图IB是在图IA中所描绘的压力传感器的顶视 图2是在图IA和图IB中所描绘的接合线的侧视 图3A和图3B分别是在第一模式中振动和在第五模式中振动的接合线的顶视 图4A、4B和4C描绘了具有针对在第二振动模式中振动的具有不同外形和长度的接合线的频率的不同模式形状；
图5A、5B和5C描绘了理想的最优的线外形以及如何针对由两个线段组成的线定位理想的连接点；图6描绘了 S形曲线，所述S形曲线紧密地接近接合线的第一段的理想化的形状；
图7示出了被优化的线外形，并且描绘了针对接合线的两个线段的理想化的交汇点的确定；
图8、图9描绘了针对被用来电连接具有比其水平分离距离更大的垂直分离距离的两个接合焊盘的接合线的理想化的形状的实施例的表示和计算；
图10示出了被用来电连接具有比其水平分离距离更大的垂直分离距离的两个接合焊盘的被优化的线外形。
具体实施例方式图IA是压力传感器10的透视图，所述压力传感器10同样使用接合线来在其中的部件之间进行内部连接。图IB是在图IA中所示的压力传感器10的顶视图。压力传感器10包括安放在垫片(spacer) 26的顶部的小的印刷电路板(PCB) 15。 PCB 15支撑专用集成电路(ASIC) 20。ASIC 20将电信号输入并输出到在该图中没有全部被示出的其它电路和装置。来自ASIC 20的电信号表示由压阻式压力换能器(PRT)管芯25所感测到的流体压力。如在该图中所示出的那样，PRT管芯25被放置在金属端口 29的顶部28上，所述金属端口 29延伸通过垫片26并且所述金属端口 29被用来抵抗高流体压力。端口 29的开口端在PCB 15之下。PRT管芯25被放置在端口 29的顶部28上。PCB 15上的连接焊盘或接合焊盘35因此处于在PRT管芯25上的接合焊盘45之上或高于PRT管芯25上的接合焊盘45的高度处，所述PRT管芯25上的接合焊盘45位于PCB孔27的底部之下。在PRT管芯25与PCB 15上的电连接焊盘35之间的电连接通过由金制成的四个被拉长的接合线30和31来提供。在ASIC 20与PCB 15上的连接焊盘35之间的其它电连接通过相对短的接合线40来进行。关于长接合线，所述长接合线中的在外侧上的两个通过参考数字30来标识，并且比两个内部接合线31更长。接合线30、31和40把ASIC 20电连接到PCB 15和PRT管芯25。在附图中所示的接合线(包括接合线30、31和40)相当细，这些接合线具有在大约I密耳(O. 001英寸)到大约2密耳(O. 002英寸)之间的平均直径。在图IA和图IB中所示的长接合线30已经预确定长度和形状，以便实现在线30连接在一起的焊盘之间的电连接。在优选的实施例中，长的线30被确定大小、被成形并被布置，使得长的接合线30具有在压力传感器10在工作期间可能遭受的最高振动频率之上的第二固有频率。通过将接合线的固有频率提高到扰动频率以上，振动弓I起的疲劳故障可以被显著地减少。接合线30的固有频率部分地通过线的长度以及线30的在PCB 15上的金连接焊盘35与PRT管芯25上的接合焊盘45之间的路径或外形来影响。接合线30的外形被认为是接合线30的在接合线的到接合焊盘的连接点之间的形状或路径。如在现有技术中所公知的那样，接合线的形状或路径由线接合设备来确定和控制，所述线接合设备在使用接合线的半导体或其它装置被制造时被用来施加接合线。如上面所提到的那样并且如在附图中可以看出的那样，PCB 15上的连接焊盘35(也被称为接合焊盘)在被定位在PRT管芯25上的接合焊盘45之上或者高于PRT管芯25上的接合焊盘45的高度处。使用激光测振仪的实验测量和使用有限元分析(FEA)的计算机模型表明当线30遭受振动时，如果接合线30具有被选择来有效地缩短的长度和外形并且因此提高接合线的水平部分的频率，那么在接合线30的每端处的连接都更不可能故障。通过使接合线30的部分类似于垂直支撑部(vertical support)起作用，接合线的水平部分的频率可以被增加。接合线30的一个部分或段(所述接合线30的一个部分或段是相对垂直的段)充当针对相邻的第二段的支撑部，所述相邻的第二段是相对水平的。这两段的相对垂直的部分因此使得能够使用被缩短的水平部。缩短水平部有效地提高了其固有频率。为了简洁，位于PCB 15上的连接焊盘35在后面被称为接合焊盘。在图IA和图IB中均可以看出，针对传感器10，管芯25上的第一接合焊盘45和PCB上的第二接合焊盘35垂直地并且水平地彼此间隔。第二接合焊盘35是比第一接合焊盘45更高的高度或位置。在接合线的平面上，两个接合焊盘35和45水平地也彼此间隔比垂直分离距离更大的距离。图2示出了线的侧视图。点A和点B是该线的开始离开或向上延伸并且远离相对应的接合焊盘45和35的点。点A和B还用作针对固定边界条件的点。点P和点Q是接合线的实际结束点。在使用有限元法的模态分析中，线段PA和BQ被忽略，因为这些线段PA和BQ被接合到接合焊盘上并且并不移动。·接合线具有特定的振动模式特征。当从为诸如第一模式、第三模式等之类的奇数编号模式形状的接合线的顶视图中来观察时，线30在平面外振动并且来回侧摆(或侧对侧“触发”)地振动，而如果从侧视图来观察，那么线在面内振动并且上下和左右振动。当接合线遭受振动时，图3A描绘了接合线如何在第一振动模式中移动，而图3B示出了接合线如何在第五振动模式中移动。如在图3A中所示，在模式I中，当从线的顶部来观察时，接合线30以半个波30-1移动来回侧摆地移动。如在图3B中所示，在模式5中，接合线30以I. 5个波30-5来回侧摆地移动。图4A、4B和4C是具有不同外形的接合金线30在这些接合金线30遭受振动时并且在线在模式2振动时的侧视图。表I列出了针对在图4A、4B和4C中所示的每个线的接合线30的直径、其长度和通过使用有限元分析来确定的模式2固有频率。表I
g||4A |4B |4C —
线直径 2密耳_ 2密耳 2密耳线长度 2.69mm 2. 39mm 2.41mm 莫式 2 频率丨25. 7kHz 丨42. IkHz |l9. 8kHT"图4A示出了线的水平段的相对大的垂直位移和线的垂直段的小很多的水平位移。表I表明了相对低的模式2固有频率。图4B示出了彼此更类似的水平段和垂直段中的位移，并且所述位移比在图4A中所示的线的水平段的相对更大的垂直位移小。表I还表明了高很多的模式2固有频率。水平部的在图4A和4B以及表I中的数据中所示的长度的比较表明图4B的水平段的长度比图4A的水平段的长度短。在图4B中所示的段的固有频率因此将比在图4A中所示的段的固有频率高。为了提升接合线的固有频率，通过使用具有相等的或基本上相等的长度的两个线段(参见图4B)，线外形可以被优化，因为图4A中的接合线的较长段中的大的振动移动可以被再分配并且通过图4B中的接合线的两个更短的并且因此更硬的段来减少。图4C示出了，如果水平段被制得甚至更短，则线的振动模式转变到倾斜的移动并且频率显著下降。图4A、4B和4C因而证明，线外形实际上在线上的刚度分布中起到非常重要的作用，线外形影响振动频率和振动模式形状。这些图还表明，较短的接合线在第二模式振动中不总是将具有较高的固有频率，因为接合线不是直的线。在附图中，参考数字50标识理想化的段交汇点，所述理想化的段交汇点是线30的在其第二振动模式中的理论上静止的节点或零位移的点。理想化的段交汇点50相对于第一接合焊盘45在与第二接合焊盘相同的高度处。理想化的段交汇点50的相对精确的定位可以通过在图5A、5B和5C中所描绘的几何作图方法而被确定。图5A通过使用两 个正交线段描绘了两个接合焊盘35和45彼此的垂直和水平分离以及它们的彼此连接。在图5A中，正交段中的一个从第一接合焊盘45垂直地延伸到它与第二段交汇的高度，所述第二段从第二接合焊盘35水平地延伸。在图5B中，第一接合点通过字母A来标识；第二接合点通过字母B来标识。前述的垂直线和水平线的顶点通过字母V来标识。为了找到理想化的段交汇点50，线段ED被画在两个接合点A和B之间。线段ED被构建为线段AB的中垂线。中垂线段ED与水平线段BC在点F处相交。线段BC和点F在与PCB 15上的第二接合焊盘45相同的高度处。点F是理想化的段交汇点50的定位。欧几里得平面几何的边角边(SAS)定理确定了线段AF和FB在长度上相等。理想化的段交汇点F因而被定位在理想化的接合线AFB的两段AF与FB之间的顶点或点F。对SAS定理来说，给定线段AD=DB,因为ED 二等分AB。还给定角ADF=角BDF=90度，因为ED被给定为垂直于AB。由于线段FD是针对两个三角形的边，所以SAS定理认为，三角形AFD和三角形BFD是全等的。由于三角形是全等的，所以线AF=FB。虽然两个接合焊盘35和45在不同的高度处并且水平地彼此被间隔，但是通过使用如在图5C中被成形的线(该线对应于两个线段AF和FB)把它们连接起来将在理想化的段交汇点50处创建应力点。通过使用如在图5B中所示被成形的线连接它们对于实际线接合工艺也会难以实施。针对接合线30的优选的形状因此通过实际的段交汇点连接两个接合焊盘35和45，其中所述实际的段交汇点可以不是正好在理想化的段交汇点上，而是其基本上与理想化的段交汇点相符，以便避免不得不创建应力点而同时提供线的在第二模式振动期间的近零位移点。图6描绘了 S形曲线，所述S形曲线是众所周知的并且由如下等式来限定
Y(x) = ^ ^
' 0+0
经过修改的S形曲线的段可以被展开并用于根据如下公式的线段
I7(X) = -^1-
1 + e 1 + e
其中a、b和c是正实数a是放大系数和范围，X被指定从_b到C。针对优选的实施例，a、b和c的值被选择，使得S形曲线部分的外形或路径与(放置接合线30的)线接合机器将允许一样紧密地遵循在点A与51之间的倾斜线段。具有通过上面的公式所表示的形状的经修改的S形曲线紧密地接近接合线30的第一段的形状。在优选的实施例中，接合线30的S形曲线段位于较低的或第一接合焊盘45与前述的实际的段交汇点之间。在图7中可以看出的是，经修改的S形曲线具有段的第一部分，其中该曲线的斜率从接合焊盘45到拐点55连续地增加，所述拐点55在经修改的S形曲线的中点附近。经修改的S形曲线还具有第二段，所述第二段从拐点55延伸到在图7中通过参考数字51标识的实际的段交汇点，其中该曲线的斜率连续地减少。在图7中，参考数字50标识理想化的段交汇点，所述理想化的段交汇点是线30的在其第二振动模式中的静止的节点(即零位移点或近零位移点)。由于线30不能总是被形成来穿过理想化的段交汇点50这一事实，实际的段交汇点51在理想化的段交汇点50附近，而不总是与理想化的段交汇点50相符。理想化的段交汇点50相对于第一接合焊盘45在与第二接合焊盘35相同的高度处，而实际的段交汇点比第二接合焊盘35稍微更高或更低。理想化的段交汇点50还介乎第一接合焊盘35与第二接合焊盘45之间。用另一种方式陈述，理想化的段交汇点50与接合线30的两个端点距离相等或基本上距离相等。图7描绘了针对接合线30的优选的形状以及线30的在实际的交汇点51的任一侧 上的两段的实际的交汇点51的侧视图。接合线30的在实际的段交汇点51与第二接合焊盘35之间的右手段是微微凸出的。在优选的实施例中，第二段是具有在第二接合焊盘端处的斜率的几乎线性的抛物曲线，所述在第二接合焊盘端处的斜率优选地小于10度或更少，但是在可替换的实施例中，所述在第二接合焊盘端处的斜率可以和45度一样多或更少。图8至10描绘了接合线30形状的确定，所述确定将提高固有频率并且连接具有比它们的水平分离距离更大的垂直分离距离的两个接合焊盘。如在图9中可以被看出的那样，在两个接合焊盘之间被画出的线段AB用中垂线ED被二等分。中垂线ED与直角三角形ACB的较长的直角边(leg)、即线段AC的相交限定了理想化的段交汇点50。在图10中，具有经修改的S形曲线的形状的第一倾斜S线段从第一接合焊盘45延伸到实际的段交汇点51，所述实际的段交汇点51在接合线30的第二模式振动期间位于静止的节点或零位移点处或在静止的节点或零位移点附近。在优选的实施例中，第二段是具有在第二接合焊盘端处的斜率的抛物曲线，所述在第二接合焊盘端处的斜率优选地小于10度或更少，但是在可替换的实施例中，所述在第二接合焊盘端处的斜率可以和45度一样多或更少。重要的是提到第一段具有基本上如在附图中所示的形状。接合线30不应该延伸远离第一接合焊盘45、远离第二接合焊盘35。接合线30的形状和长度而是应该沿着其长度从第一接合焊盘被引向第二接合焊盘35，以便保持该线尽可能短。除了上面所提到的优点之外，被优化的接合线的另一优点是，所述被优化的线减少了接合线疲劳故障，而不必把接合线嵌入到粘胶中。现有技术的粘胶可以减慢或者甚至阻止由铝或其它活性金属制成的接合焊盘的氧化，然而，半导体器件以及压力传感器的优选实施例是使用被优化的接合线，其中所述被优化的接合线没有被嵌入到除了可能被用来给被物理地附着到接合焊盘的接合线的端涂层的胶以外的粘胶中。这样的接合线(即被附着到接合焊盘的端并且被涂有胶的被附着的部分)不被认为被嵌入到粘胶中。之前的描述仅仅用于说明的目的。本发明的真实的范围在附属的权利要求书中被陈述。
权利要求
1.一种设备，所述设备包括 第一接合焊盘； 在第一接合焊盘之上的高度处并且与第一接合焊盘水平地被间隔开的第二接合焊盘； 在所述第一接合焊盘之上的高度处并且与第一接合焊盘和第二接合焊盘基本上距离相等的理想化的段交汇点； 接合线，所述接合线连接第一接合焊盘和第二接合焊盘并且穿过实际的段交汇点，其中所述实际的段交汇点与理想化的段交汇点基本上相符，所述线包括 在第一接合焊盘与实际的段交汇点之间的弯曲的第一段，其中第一段具有拐点和形状，使得第一段的斜率从第一接合焊盘到拐点连续地增加，并且从拐点到实际的段交汇点具有连续地减少的斜率；以及 在实际的段交汇点与第二接合焊盘之间的基本上线性的第二段。
2.如权利要求I所述的设备，其中，接合线穿过在所述接合线的第二模式振动期间具有零位移的第三点。
3.如权利要求I所述的设备，其中，第一段并不在远离第二接合焊盘的方向上从第一接合焊盘延伸。
4.如权利要求I所述的设备，其中，弯曲的第一段是一般S形曲线成形的。
5.如权利要求I所述的设备，其中，第二段是一般抛物曲线成形的。
6.如权利要求I所述的设备，其中，第二段的斜率朝着第二接合焊盘大于零且小于约45度。
7.如权利要求I所述的设备，其中，第二段的斜率朝着第二接合焊盘大于零且小于约10度。
8.如权利要求I所述的设备，其中，接合线并不被嵌入到粘胶中。
9.一种压力传感器，所述压力传感器包括 压阻式(PRT)管芯； PRT管芯上的第一接合焊盘； 具有集成电路的电路板； 电路板上的第二接合焊盘；其中第二接合焊盘在第一接合焊盘之上的高度处并且与第一接合焊盘水平地被间隔开； 在所述第一接合焊盘之上的高度处并且与第一接合焊盘和第二接合焊盘基本上距离相等的理想化的段交汇点； 接合线，所述接合线连接第一接合焊盘和第二接合焊盘并且穿过实际的段交汇点，其中所述实际的段交汇点与理想化的段交汇点基本上相符，所述线包括 在第一接合焊盘与实际的段交汇点之间的弯曲的第一段，其中第一段具有拐点和形状，使得第一段的斜率从第一接合焊盘到拐点连续地增加，并且从拐点到实际的段交汇点具有连续地减少的斜率；以及 在实际的段交汇点与第二接合焊盘之间的基本上线性的第二段。
10.如权利要求9所述的压力传感器，其中，接合线穿过在所述接合线的第二模式振动期间具有零位移的第三点。
11.如权利要求9所述的压力传感器，其中，第一段并不在远离第二接合焊盘的方向上从第一接合焊盘延伸。
12.如权利要求9所述的压力传感器，其中，弯曲的第一段是一般S形曲线成形的。
13.如权利要求9所述的压力传感器，其中，第二段是一般抛物曲线成形的。
14.如权利要求9所述的压力传感器，其中，第二段的斜率朝着第二接合焊盘大于零且小于约45度。
15.如权利要求9所述的压力传感器，其中，第二段的斜率朝着第二接合焊盘大于零且小于约10度。
16.如权利要求9所述的压力传感器，其中，接合线并不被嵌入到粘胶中。
17.一种压力传感器，所述压力传感器包括 压阻式(PRT)管芯； 集成电路； 连接PRT管芯上的接合焊盘与集成电路上的接合焊盘的接合线； 在第一接合焊盘之上的高度处并且与第一接合焊盘水平地被间隔开的第二接合焊盘； 在所述第一接合焊盘之上的高度处并且与第一接合焊盘和第二接合焊盘基本上距离相等的理想化的段交汇点； 接合线，所述接合线连接第一接合焊盘和第二接合焊盘并且穿过实际的段交汇点，其中所述实际的段交汇点与理想化的段交汇点基本上相符，所述线包括 在第一接合焊盘与实际的段交汇点之间的弯曲的第一段，其中第一段具有拐点和形状，使得第一段的斜率从第一接合焊盘到拐点连续地增加，并且从拐点到实际的段交汇点具有连续地减少的斜率；以及 在实际的段交汇点与第二接合焊盘之间的基本上线性的第二段。
18.根据权利要求17所述的压力传感器，其中，接合线穿过在所述接合线的第二模式振动期间具有零位移的第三点。
19.根据权利要求17所述的压力传感器，其中，弯曲的第一段是一般S形曲线成形的。
20.根据权利要求17所述的压力传感器，其中，第二段是一般抛物曲线成形的。
全文摘要
被接合在不同高度处的两个接合焊盘上的线的任何两个段都可以在其第二模式振动期间通过静止的节点(或零位移)被区别。为了提升这样的接合线的固有频率以避免在面内振动中以最低的频率发生的第二模式谐振，通过连接两个被均衡的(最短可能的)线段以替换由较大的段和较短的段组成的线，线可以被优化。目的是将任意接合线的具有较低刚度的较长段中的较大振动移动再分配为被优化的线的两个较小的被均衡的段，以减少面内振动，以显著改进线的固有频率和在诸如在30KHz以上之类的苛刻的振动环境中的可靠性。
文档编号G01L9/06GK102884622SQ201180024013
公开日2013年1月16日 申请日期2011年5月13日 优先权日2010年5月14日
发明者J-H.A.仇 申请人:大陆汽车系统公司