专利名称：Ic芯片安装方法及带ic芯片的磁头悬置体组件的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种IC(集成电路)芯片的安装方法，该IC芯片例如用于磁盘设备的薄膜磁头元件，并且涉及一种带IC芯片的磁头悬置体组件(HSA)的制造方法。
在磁盘设备中，用于从磁盘写入磁信息和／或读出磁信息的一种薄膜磁头元件通常形成在磁头滑动块上，磁头滑动块在工作时快速浮动在旋转的磁盘上。滑动块由一个悬置体支撑，悬置体由从磁盘设备的每一个可动臂的一端伸出的弹性薄金属板构成。
近来，磁盘的记录频率迅速增加以满足对现今磁盘设备不断增长的数据存储能力与密度的要求。为了实现更高频率的记录，提出了一种带悬置体的HSA结构，该悬置体既用于支持磁头滑动块也用于支持磁头元件的驱动电路的驱动IC芯片。按照这种结构，由于从驱动电路到磁头元件的追踪导体的长度可以缩短，追踪导体产生的不必要噪声可以被有效地抑制，导致高频记录特性得以改善。
然而，这种IC芯片可能由于在记录操作期间流过其中的写入电流而被加热到高温。为了利用从旋转的磁盘产生的气流来冷却被加热的IC芯片，IC芯片将被安装到悬置体的一个表面上，该表面在运转时与磁盘表面相对。
带IC芯片的HSA会有较大的厚度，厚度是由于IC芯片的安装高度而增加的。通常，在磁盘设备中，为增加每个磁盘的记录能力，盘的两面都用于记录，而且，大多数这样的磁盘沿轴向装配。因此，在两个磁盘间将存在两个用于写／读磁信息的HSA，从而使配备带有IC芯片的HSA的磁盘设备的整体厚度变大。这种磁盘设备的高厚度将成为大问题，尤其是当磁盘设备安装在薄笔记本型个人计算机内时。
因此，需要将这种芯片制造得比通用的IC芯片薄。即通用的IC芯片具有约0．3～0．4mm的厚度，而用于薄膜磁头的IC芯片具有小于0．25mm的厚度，例如，约0．12mm的厚度。
C4(受控塌陷芯片连接)工艺是用于在悬置体上安装这类芯片的一种典型工艺。在C4工艺中，首先，将用于焊料的焊剂施加到IC芯片的凸球上，然后通过回流热焊接将IC芯片焊接到连接盘上。
如果通过使用焊剂的回流焊接实现IC芯片的安装，需要在焊接后进行清洁处理。即在C4焊接过程中，将焊剂施加到悬置体上IC芯片焊接的位置，以便促进焊料的熔化并在回流焊接期间暂时将IC芯片粘结在悬置体上。由于施加的焊剂可能产生不利影响，例如产生出气体，因此焊接后必须清洁该清洁过程将对悬置体产生影响。也就是说，尽管悬置体的弯曲角需要高精度，该弯曲角在清洁过程中可能会意想不到地改变。因此，使用C4工艺在悬置体上安装IC芯片是很困难的。
超声波焊接工艺是一种可行的而不需清洁处理的焊接方法。在超声波焊接工艺中，不使用焊料凸块而使用形成在IC芯片上的金(Au)凸块。也就是说，通过对与悬置体上各自Au盘接触的Au凸块施加适当的压力和超声波振荡，以便熔化Au而进行焊接。由于在超声波焊接工艺中不利用焊剂，因此不需要清洁处理。
然而，在超声波焊接工艺中为了进行安装，如果大压力及大超声波功率施加到非常薄且小的用于薄膜磁头元件的IC芯片上，则在IC芯片表面上可能会产生诸如划痕或裂纹损伤。
即使在IC芯片表面上几乎不发生诸如划痕或裂纹损伤，也可能发生硅颗粒从该芯片掉落。这在磁盘设备中是决不允许的。也就是说，在磁盘设备中，通常由于磁头滑动块在进行读／写操作时在旋转的盘上以极低的高度浮动，因此不允许存在灰尘。因此，很难确定使用超声波焊接工艺安装IC芯片的条件。
因此本发明的一个目的是提供一种安装IC芯片的方法以及一种制造带有IC芯片的HSA的方法，从而，即使该IC芯片很薄很小，在IC芯片体上也不发生损伤。
根据本发明，提供一种将IC芯片安装到悬置体的方法。该悬置体具有连接盘，且该IC芯片具有用于薄膜磁头元件的电路以及连接在电路上的连接端。该安装方法包括增加施加到芯片上的压力使得形成在连接端的金属凸块分别压住形成在悬置体上的连接盘的步骤，以及施加到芯片上的压力增加期间开始向IC芯片施加超声波振荡的步骤。
此外，根据本发明，提供一种带有悬置体与IC芯片的HSA的制造方法。该悬置体具有连接盘，且该IC芯片具有用于薄膜磁头元件的电路以及连接在电路上的连接端。该制造方法包括在连接端上形成金属凸块的步骤，定位IC芯片使得金属凸块分别与形成在悬置体上的连接盘相对的步骤，增加施加到芯片上的压力使得金属凸块压住形成在悬置体上的连接盘的步骤，以及施加到芯片上的压力增加期间开始向IC芯片施加超声波振荡以将IC芯片安装到悬置体的步骤。
如果施加到芯片上的压力增加期间开始向IC芯片施加超声波振荡，具凸状的金属凸块的顶端被超声波振荡软化，并由施加的压力推向悬置体的连接盘。同时，施加到IC芯片的该压力也在增加。由此，金属凸块随着熔化与挤压其顶端而与连接盘焊在一起。结果，尽管用于薄膜磁头元件的IC芯片很薄很小，但不必对IC芯片体施加不必要的大压力就可以获得足够的安装强度。
换句话说，根据本发明，可以实施超声波焊接而不会在IC芯片表面产生损伤。即使IC芯片很薄很小，由于在较低的超声波功率与压力下也可以安装，因此可以期望在实际装配时减少检查项目并提高质量。由此，生产量可以大大提高。
压力优选地被增加到一个预定值，在一个预定的时间段内保持在该预定值，然后下降。
而且，压力优选地被增加到第一预定值，在第一预定时间段内保持在第一预定值，增加到第二预定值，在第二预定时间段内保持在第二预定值，然后下降。
优选地在向IC芯片施加压力期间完成对IC芯片施加超声波振荡。
而且。优选地在增加向IC芯片施加的压力期间完成对IC芯片施加超声波振荡。
金属凸块优选为金凸块或铜凸块。此外，连接盘优选为由金或铜制成。
悬置体优选地通过形成追踪导体部件和在一个弹性挠性部件上形成连接于该追踪导体部件的连接盘，以及通过将该挠性部件固定于一个弹性负荷梁而构成。
通过以下对本发明的带附图的优选实施例的描述将使本发明的其他目的与优点变得清楚。
图1示出了根据本发明的HSA优选实施例的平面图；图2a至2e示出了描述根据图1所示实施例中的HSA的一部分制造过程的剖视图；图3示出了根据常规技术的超声波焊接条件的曲线图；图4示出了根据图1所示实施例的超声波焊接条件的曲线图；以及图5示出了根据本发明另一个实施例的超声波焊接条件的曲线图。
图1示意性地图示了一个作为本发明优选实施例的磁头悬置体组件(HSA)。
如图所示，HSA通过将一个具有薄膜磁头元件的滑动块11安装于悬置体10的顶端部分，并将一个驱动IC芯片12安装于该悬置体10的中间位置组装而成。滑动块11与驱动IC芯片12固定在悬置体10的一个表面上，该表面在工作中将相对于磁盘表面。悬置体的这个表面在下文中将称为滑动块附着表面。
悬置体10基本上由一个弹性挠性部件13(用于在位于接近其顶端部分的舌片上携带滑动块11并在其中间部分支持驱动IC芯片)，一个用于支持并固定挠性部件13的弹性负荷梁14，以及一个构成在负荷梁14的底端部分的底板15构成。
负荷梁14具有弹性，用于在工作中向磁盘方向压滑动块11。挠性部件13有可弯曲的舌片，通过一个形成在负荷梁14上的凹窝定位，挠性部件13具有弹性，用于由该可弯曲舌片弹性地支持滑动块11。如同将要指出的，在本实施例中，悬置体10具有三件式结构，由单独零件挠性部件13、负荷梁14以及底板15构成。在此三件式结构中，挠性部件13的刚度设定为比负荷梁14的刚度低。
在驱动IC芯片12中，形成一个构成磁头元件的磁头放大器的集成驱动电路。仅作为举例，IC芯片12的尺寸可以为1．0mm×1．0mm×0．15mm或者1．5mm×1．5mm×0．25mm。在此实施例中，IC芯片12在悬置体10上的固定位置的确定要使得改善散热特性与电磁特性并使IC芯片容易安装。
在此实施例中，挠性部件13由厚度约25μm的不锈钢板(例如SUS304TA)制成。该挠性部件13具有均匀的比负荷梁14窄的宽度。
构成必要数量的输入／输出信号线的薄膜型追踪导体层16沿其长度方向构成在挠性部件13上。追踪导体16的一端连接至滑动块连接盘，用于与构成在挠性部件13的顶端部分的磁头滑动块11形成电连接，追踪导体16的另一端经由IC芯片12连接至外部连接盘17，外部连接盘17将连接至外部电路。
负荷梁14在此实施例中由约60～65μm厚的弹性不锈钢板制成并沿其全长支持挠性部件13。该负荷梁14具有随着趋近其顶端宽度逐渐变窄的形状。通过许多焊点实现将挠性部件13固定于负荷梁14。
底板15由不锈钢或铁制成并通过焊接固定于负荷梁14的底端部分。悬置体10通过将底板15的附属部件18固定于可动臂而附着到可动臂(未示出)上。
在改进型式中，悬置体可以形成带底板与弯曲负荷梁的两件式结构，替代具有挠性部件13、负荷梁14及底板15的三件式结构。
如前所述，带有磁头元件的滑动块11在悬置体10的顶端部分安装在挠性部件13的舌片上。包括必要数量的输入／输出信号线的追踪导体层16经过滑动块11的两边，在挠性部件13的顶端部分返回至滑动块连接盘，以便与滑动块11的输入／输出电极电连接。由树脂制成的绝缘材料层覆盖连接的部分。
驱动IC芯片12在悬置体10的中间长度位置安装在滑动块附着表面上。IC芯片12在此实施例中由耐焊芯片形成，并通过超声波焊接安装与连接在芯片连接盘上，芯片连接盘形成在追踪导体层16的路径上，追踪导体层16经由一个绝缘材料层形成在悬置体10的挠性部件13上。
将底层填料填充于IC芯片12的底表面与追踪导体层表面之间的空隙中以便改善散热性能，改善此区域的机械强度，并且覆盖一部分IC芯片12。
以下，将参照附图2a至2e描述根据本发明将IC芯片安装到悬置体的安装过程。
如图2a所示，在由不绣钢板制成的挠性部件13上，通过类似于在薄金属板上形成印刷电路板，例如柔性印制电路(FPC)构图方法的公知方法，构成薄膜导电图案。
例如，导电图案通过连续淀积由诸如聚酰亚胺的树脂形成的约5μm厚的第一绝缘材料层20、约4μm厚的图案Cu(铜)层(导电层)21、以及诸如聚酰亚胺的树脂制成的约5μm厚的第二绝缘材料层22，以此顺序在挠性部件13上构成。在接至磁头滑动块的滑动块连接盘、接至外部电路的外部连接盘以及接至IC芯片12的芯片连接盘23区域内，只有一个Au层24淀积到Cu层21上，且在Au层24上没有第二绝缘材料层。
如图2b所示，Au球凸块25预先制成在IC芯片12底面上形成的连接端(未示出)上。该IC芯片12由超声波焊接头或管嘴26拾取，由焊接头接触IC芯片的顶面，如图2b所示，并同薄膜导电图案的芯片连接盘23对准。
然后，管嘴26向下移动直到IC芯片12的Au球凸块25开始分别与薄膜导电图案的芯片连接盘23相接触，并朝如图2c所示方向压IC芯片12，以便向IC芯片12施加一个压力，所施加的该压力逐渐增大。
在压力增大期间，由超声波焊头26施加沿箭头28方向(横向)的超声波振荡，如图2c所示。
由压力施压以及超声波振荡的施加导致IC芯片12的Au球凸块25与芯片连接盘23的Au层24熔融焊接。
由此，如图2d所示，IC芯片12的连接端与芯片连接盘23之间建立了电连接。
然后，如图2e所示，将液态底层填料29注入IC芯片12的底面与薄膜导电图案表面之间的空隙，用于改善散热性能，改善此区域的机械强度，并且覆盖一部分IC芯片12。底层填料29为良好导热材料，例如由诸如环氧树脂的树脂与具有良好导热性的绝缘材料的混合物制成。底层填料29在随后进行的加热与烘干过程中固化。
构成底层填料29的具有良好导热性能的底层填充树脂，例如可以是诸如含熔凝石英(热传导率约为50．4×10-6W／m·℃)的环氧树脂，含氧化铝(热传导率约为168×10-6W／m·℃)的树脂，含晶状硅(热传导率约为147×10-6W／m·℃)的树脂，或含氮化铝(热传导率约为168×10-6W／m·℃)的树脂。
根据本发明，由于芯片12的Au球凸块25通过超声波熔焊而与芯片连接盘23的Au层24电连接且机械结合，不需对IC芯片作临时固定或回流焊接。
现在将对比常规超声波焊接工艺详细描述根据本实施例的超声波焊接工艺。
图3示意常规超声波焊接技术的超声波焊接条件。在图中，(A)表示超声波焊接头与芯片连接盘的相对高度或位置相对于时间的特性，(B)表示施加到IC芯片的压力相对于时间的特性，以及(C)表示施加到IC芯片的超声波功率相对于时间的特性。
超声波焊接头向下移动，由此IC芯片的凸块开始在如图3(A)所示Vd1位置与芯片连接盘相接触。如图3(B)所示，此时的压力呈现定压Pc。压力从此接触压力Pc上升一段时间T2′。当压力达到一预定压力Pb2′(约等于13．72N)后，此压力在预定时间段T5′内保持此值。
如图3(C)所示，当压力从接触压力Pc开始变化时，一个计时器开始计时，随后，当计时器越过时间段T7′时，开始以Pw′=1．4W的超声波功率施加超声波振荡，用于超声波焊接。施加超声波振荡的起始时间设置在当压力保持在Pb2′期间之内。超声波振荡的施加持续T8′，然后结束。
预定时间T5′经过之后，压力经时间段T6′减至接触压力Pc，随后超声波焊接头上移而结束焊接过程。
图4示意前述实施例的超声波焊接条件。在图中，(A)表示超声波焊接头26与芯片连接盘23的相对高度或位置相对于时间的特性，(B)表示施加到IC芯片12的压力相对于时间的特性，以及(C)表示施加到IC芯片12的超声波功率相对于时间的特性。
超声波焊接头26向下移动，由此IC芯片12的凸块25开始在如图4(A)所示Vd1位置与芯片连接盘23相接触。如图4(B)所示，此时的压力呈现定压Pc。压力从此接触压力Pc上升一段时间T2。当压力达到第一预定压力Pb1(约等于1．96N)后，此压力Pb1在第一预定时间段T3内保持此值。第一预定时间T3经过之后，压力从值Pb1上升一段时间T4。随后当压力达到第二预定压力Pb2(约等于4．9N)后，此压力Pb2在第二预定时间段T5内保持此值。
如图4(C)所示，当压力从接触压力Pc开始变化时，一个计时器开始计时，随后，当计时器越过时间段T7时，开始以Pw′=0．2W的低超声波功率施加超声波振荡，用于超声波焊接。施加超声波振荡的起始时间设置在当压力从第一预定压力Pb1增加至第二预定压力Pb2期间之内。即在时间段T4期间。超声波振荡的施加持续T8，然后结束。在此实施例中，施加超声波焊接的结束时间也设置在当压力从第一预定压力Pb1增加至第二预定压力Pb2期间之内。即在时间段T4期间。
预定时间T5经过之后，压力经时间段T6减至接触压力Pc，随后超声波焊接头26上移而结束焊接过程。
如上详述，按照常规超声波焊接方法，当压力达到并保持在值Pb2′时开始施加超声波焊接。对于大而厚的通用IC芯片，因其有足够的功率承载面积并能够经受大压力施加于其上，使用这种常规超声波焊接条件将不会发生问题。然而，由于用于薄膜磁头的IC芯片非常薄且非常小，如果采用常规超声波焊接条件，在IC芯片表面可能会产生诸如划痕或裂纹的严重损伤。
而按照本实施例的超声波焊接方法，超声波振荡的施加起始于压力从第一预定压力Pb1增加至第二预定压力Pb2期间之内。由此，因受到超声波振荡而处于软化状态的IC芯片12的Au凸块25开始与芯片连接盘23的Au层24相接触并被推向芯片连接盘23。即Au凸块25与Au层24熔融接合。由于用于薄膜磁头元件的IC芯片很薄很小，而且，IC芯片上凸块不多，如果凸块被熔融接合，可以通过仅施加很小的超声波功率而实现焊接。多亏有最低限度超声波振幅，可以期望IC芯片准确的安装定位。还有，因较小的超声波功率与施加到IC芯片的压力，可以防止IC芯片表面损伤。结果，当然可以防止因表面损伤引起的硅颗粒从IC芯片掉落，而这在磁盘设备中是决不允许的。
图5示意根据本发明另一个实施例的超声波焊接条件。除超声波焊接条件外，此实施例的配置、操作与优点与图1所示实施例一样。因此，在此实施例中，使用与图1的实施例同样的附图标记。
在图5中，(A)表示超声波焊接头26与芯片连接盘23的相对高度或位置相对于时间的特性，(B)表示施加到IC芯片12的压力相对于时间的特性，以及(C)表示施加到IC芯片12的超声波功率相对于时间的特性。
超声波焊接头26向下移动，由此IC芯片12的凸块25开始在如图5(A)所示Vd1位置与芯片连接盘23相接触。如图5(B)所示，此时的压力呈现定压Pc。压力从此接触压力Pc上升一段时间T2加T4′。当压力达到一预定压力Pb2(约等于4．9N)后，此压力Pb2在一预定时间段T5内保持此值。
如图5(C)所示，当压力从接触压力Pc开始变化时，一个计时器开始计时，随后，当计时器越过时间段T7时，开始以Pw′=0．2W的低超声波功率施加超声波振荡，用于超声波焊接。施加超声波振荡的起始时间设置在当压力从接触压力Pc增加至预定压力Pb2期间之内，即在时间段T2加T4′期间。超声波振荡的施加持续T8，然后结束。在此实施例中，施加超声波焊接的结束时间也设置在当压力从接触压力Pc增加至预定压力Pb2期间之内。即在时间段T2加T4′期间。
预定时间T5经过之后，压力经时间段T6减至接触压力Pc，随后超声波焊接头26上移而结束焊接过程。
按照本实施例的超声波焊接方法，超声波振荡的施加起始于压力从接触压力Pc增加至预定压力Pb2期间之内。由此，因受到超声波振荡而处于软化状态的IC芯片12的Au凸块25开始与芯片连接盘23的Au层24相接触并被推向芯片连接盘23。即Au凸块25与Au层24熔融接合。由于用于薄膜磁头元件的IC芯片很薄很小，而且，IC芯片上凸块不多，如果凸块被熔融接合，可以通过很小的超声波功率而实现焊接。多亏有最低限度超声波振幅，可以指望IC芯片准确的安装定位。还有，因较小的超声波功率与施加到IC芯片的压力，可以防止IC芯片表面损伤。结果，当然可以防止因表面损伤引起的硅颗粒从IC芯片掉落，而这在磁盘设备中是决不允许的。
在前述实施例中，施加超声波振荡的结束时间设置在压力增加期间之内。然而，该结束时间可以设置在焊接实际实施之后的任何时间。
在前述实施例中，IC芯片12的Au球凸块25与芯片连接盘23的Au层24通过超声波焊接。然而，本发明也可以使用Cu球与Cu层或使用其他金属球与其他金属层来代替Au球与Au层通过超声波焊接而实现。在改进型式中，凸块可以构成在薄膜导电图案的芯片连接盘上。
此外，根据实施例，由于使用超声波焊接，不需焊剂转变过程，也不需回流焊接工艺，因此不需要清洁处理。还有，由于超声波振荡的施加起始于压力增加期间，在安装过程期间IC芯片的硅体表面上不会发生损伤，从而可以有效地防止硅颗粒因损伤从IC芯片掉落。
很明显，根据本发明的超声波焊接条件中，施加到IC芯片的压力与超声波功率相对于时间的特性不限于前述实施例。可以采用任何压力与超声波功率特性，只要超声波振荡的施加起始于压力增加期间从而通过施加较小的压力与较小的超声波功率而实现焊接。
可以在不偏离本发明精神与范围的情况下构造本发明的多种不同的实施方案。应当理解的是，本发明除了所附的权利要求书中的限定外，不受限于本说明书中描述的具体实施例。
权利要求
1．一种将IC芯片安装到带有连接盘的悬置体上的方法，所述IC芯片具有用于薄膜磁头元件的电路以及连接于所述电路的连接端，所述方法包括步骤增加施加到芯片上的压力，使得形成在所述连接端的金属凸块分别压住形成在所述悬置体上的所述连接盘；以及在施加到所述芯片上的压力增加期间开始向所述IC芯片施加超声波振荡。
2．根据权利要求1的方法，其中，所述压力被增加到一个预定值，在一个预定的时间段内保持在该预定值，然后下降。
3．根据权利要求1的方法，其中，所述压力被增加到第一预定值，在第一预定时间段内保持在该第一预定值，增加到第二预定值，在第二预定时间段内保持在该第二预定值，然后下降。
4．根据权利要求1的方法，其中，在向所述IC芯片施加压力期间结束向所述IC芯片施加所述超声波振荡。
5．根据权利要求1的方法，其中，在增加向所述IC芯片施加的压力期间结束向所述IC芯片施加所述超声波振荡。
6．根据权利要求1的方法，其中，所述金属凸块为金凸块或铜凸块。
7．根据权利要求1的方法，其中，所述连接盘由金或铜制成。
8．一种带有悬置体和IC芯片的悬置体组件的制造方法，该悬置体具有连接盘，该IC芯片具有用于薄膜磁头元件的电路以及连接在所述电路上的连接端，所述方法包括步骤在所述连接端上形成金属凸块；定位所述IC芯片，使得所述金属凸块分别与形成在悬置体上的所述连接盘相对；增加施加在所述芯片上的压力，使得所述金属凸块压住形成在所述悬置体上的所述连接盘；以及在施加到所述芯片上的压力增加期间开始向所述IC芯片施加超声波振荡，以将所述IC芯片安装到所述悬置体。
9．根据权利要求8的方法，其中，所述压力被增加到一个预定值，在一个预定的时间段内保持在该预定值，然后下降。
10．根据权利要求8的方法，其中，所述压力被增加到第一预定值，在第一预定时间段内保持在该第一预定值，增加到第二预定值，在第二预定时间段内保持在该第二预定值，然后下降。
11．根据权利要求8的方法，其中，在向所述IC芯片施加压力期间结束向所述IC芯片施加所述超声波振荡。
12．根据权利要求8的方法，其中，在增加向所述IC芯片施加的压力期间结束向所述IC芯片施加所述超声波振荡。
13．根据权利要求8的方法，其中，所述金属凸块为金凸块或铜凸块。
14．根据权利要求8的方法，其中，所述悬置体通过形成一个追踪导体部件和在一个弹性挠性部件上形成连接于所述追踪导体部件的所述连接盘，以及通过将所述挠性部件固定到一个弹性负荷梁而构成。
15．根据权利要求8的方法，其中，所述连接盘由金或铜制成。
全文摘要
一种将IC芯片安装到带有连接盘的悬置体上的方法。该IC芯片有用于薄膜磁头元件的电路以及连接于电路的连接端。该方法包括增加施加到芯片上的压力使得形成在连接端的金属凸块分别压住形成在悬置体上的连接盘的步骤,以及施加到芯片上的压力增加期间开始向IC芯片施加超声波振荡的步骤。
文档编号G11B5/31GK1295320SQ0013293
公开日2001年5月16日 申请日期2000年11月8日 优先权日1999年11月9日
发明者松本孝雄, 和田健, 白石一雅, 广濑笃, 川合满好 申请人:Tdk株式会社