超声焊接系统及其使用方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年11月28日提交的美国临时申请no.62/772,113的优先权，该申请的内容通过引用以其整体纳入本文。

本发明涉及超声焊接系统，且更特别地，涉及用于进行超声焊接操作的改进系统和方法。

背景技术：

超声能量被广泛用于在两种或更多种材料之间形成互连。例如，线材键合机/焊线机(如球键合机、楔键合机、带键合机等)被用来将线材或带结合至结合位置。然而，线材键合采用相对较低的能量水平(例如，结合力、超声能量等)。示例性的线材键合机由宾夕法尼亚州华盛顿堡的库利克和索夫工业公司(kulickeandsoffaindustries,inc.)销售。

特定应用涉及线材以外的材料的连接。焊接已经被考虑用于此类应用。超声焊接也是一种广泛使用的技术。超声焊接可以使用超声转换器(例如，承载超声焊极(sonotrode))，用于将电能转换为机械运动/擦拭(例如，直线运动/擦拭、扭转运动/擦拭等)。然而，现有的超声焊接技术和设备在其提供能够满足就成本、操作效率、灵活性、便携性和相关因素而言的市场需求的解决方案的能力方面是有限的。

因此，期望能改进超声焊接技术，以克服潜在市场的现有障碍。

技术实现要素：

根据本发明的示例性实施例，提供了一种超声焊接系统。该超声焊接系统包括用于支撑工件的支撑结构。该超声焊接系统还包括焊头组件，该焊头组件包括承载超声焊极的超声转换器。超声焊接系统还包括承载焊头组件的z轴运动系统。z轴运动系统包括(i)用于使焊头组件沿着超声焊接系统的z轴移动的z轴驱迫器/驱动器(z-axisforcer)，以及(ii)设置在z轴驱迫器和焊头组件之间的z轴超程机构。

根据本发明的另一个示例性实施例，提供了一种超声焊接系统。该超声焊接系统包括用于支撑工件的支撑结构。该超声焊接系统还包括焊头组件，该焊头组件包括承载超声焊极的超声转换器。超声焊接系统还包括承载焊头组件的z轴运动系统。z轴运动系统包括：(i)用于使焊头组件沿着超声焊接系统的z轴移动的z轴驱迫器，z轴驱迫器包括用于使焊头组件沿着超声焊接系统的z轴移动的滚珠螺杆系统，以及(ii)设置在z轴驱迫器和焊头组件之间的z轴超程机构，z轴超程机构包括内联弹簧。该超声焊接系统还包括(a)z轴编码器，用于感测(i)z轴驱迫器的可移动部分相对于(ii)z轴驱迫器的固定部分沿着超声焊接系统z轴的运动；以及(b)超程编码器，用于感测(i)z轴驱迫器的可移动部分相对于(ii)焊头组件沿着超声焊接系统z轴的运动。

根据本发明的另一个示例性实施例，提供了一种将导电端子超声焊接至工件的方法。该方法包括以下步骤：(a)将工件支撑在超声焊接系统的支撑结构上，导电端子与工件的导电区域对准；(b)提供焊头组件，包括承载超声焊极的超声转换器，焊头组件被配置为使用超声焊接系统的z轴运动系统的z轴驱迫器而沿着超声焊接系统的z轴运动；(c)提供在z轴驱迫器和焊头组件之间设置的z轴超程机构，该z轴驱迫器承载焊头组件和z轴超程机构；(d)使z轴驱迫器的可移动部分沿着超声焊接系统的z轴向下移动，直到超声焊极的焊接末梢与导电端子接触；(e)在步骤(d)之后，使z轴驱迫器的可移动部分沿着超声焊接系统的z轴进一步向下移动，以激活z轴超程机构；以及(f)向超声焊极的焊接末梢施加超声能量，以将导电端子焊接至工件的导电区域。

附图说明

当结合附图阅读时，从下面的详细描述中可以最好地理解本发明。需要强调的是，根据通常的实践，附图中的各种特征不是按比例绘制的。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意扩大或缩小。附图中包括以下视图：

图1a是根据本发明的示例性实施例的超声焊接系统的框图侧视图；

图1b是根据本发明的示例性实施例的另一个超声焊接系统的框图侧视图；

图2a是根据本发明的示例性实施例的又一个超声焊接系统的框图侧视图；

图2b是根据本发明的示例性实施例的又一个超声焊接系统的框图侧视图；

图3a是根据本发明的示例性实施例的又一个超声焊接系统的框图侧视图；

图3b是根据本发明的示例性实施例的又一个超声焊接系统的框图侧视图；

图4是根据本发明的示例性实施例的又一个超声焊接系统的框图侧视图；

图5是根据本发明的示例性实施例的又一个超声焊接系统的框图侧视图；以及

图6a至图6d是图3a的超声焊接系统的框图侧视图，其图示了根据本发明的示例性实施例将导电端子超声焊接至工件的方法。

具体实施方式

国际专利申请号pct/us2018/025941(其优先权日期为2017年4月4日)的内容通过引用以其整体纳入本文。

根据本发明，在可实现高效批量生产的焊接系统(和对应的方法)中提供超声焊接能力。本发明的各方面涉及包括z轴运动系统的超声焊接系统，该z轴运动系统具有(i)用于使焊头组件沿着超声焊接系统的z轴移动的z轴驱迫器(例如直线电机驱动驱迫器、滚珠/螺杆系统驱动驱迫器、气动缸驱动驱迫器等)，以及(ii)z轴超程机构(例如基于内联弹簧的超程机构、基于气动缸的超程机构等)。在本发明的特定实施例中，可以加入次要z轴驱迫器(例如，在其他变体中包括气动缸)，以提供沿着超声焊接系统的z轴的可变力。

示例性的电动伺服电机系统(例如，滚珠/螺杆驱动系统)沿着z轴被控制，以提供大的结合/焊接力(例如，大于1500n)，驱动系统的额定功率小于1千瓦连续。例如，滚珠螺杆可用于产生齿轮减速并转换为直线运动，所述直线运动然后对被包括在产生实际焊接力的z轴超程机构中的内联弹簧(例如，刚性内联弹簧)的压缩进行控制。

在滚珠螺杆驱动的系统中，滚珠螺杆推动内联弹簧以产生所期望的焊接/结合力。在这样的系统中，可以采用两个位置反馈传感器(例如，z轴编码器和超程编码器)来组合信号，以确定焊接期间的期望变形信号。在焊接期间可以动态地控制z轴位置，从而使z轴在超声焊接过程期间保持基本恒定的结合/焊接力。

根据本发明的各方面，提供了单独的超程机构，以使焊接操作期间的冲击力最小化。

进一步地，根据本发明的各方面，z轴电机力都是相互一致的(以及超声焊极)，以使在结合/焊接力施加期间的移位最小化。

根据本发明的另外的方面，可以采用次要驱迫器电机，其能够微调用主要z轴驱迫器施加的结合/焊接力。这种方法考虑到经由安装至超程机构的附加驱迫器的精确力校准加上精细力调节能力。

现在参考附图，图1a图示了超声焊接系统100a。超声焊接系统100a包括支撑工件104的支撑结构102。工件包括基底104a，以及配置为超声焊接至基底104a的导电区域的导电端子104b。超声焊接系统100a还包括焊头组件106，所述焊头组件包括超声转换器106a和由超声转换器106a承载的超声焊极106b。

超声焊接系统100a还包括承载焊头组件106的z轴运动系统108a。z轴运动系统108a包括(a)用于使焊头组件106沿着超声焊接系统100a的z轴移动的z轴驱迫器110(见图1a附近的x、y、z轴图例)，以及(b)设置在z轴驱迫器110和焊头组件106之间的z轴超程机构112。z轴轴承没有显示在任何这些图中(为了简单和清晰)，但也可以在任何实施的机构中出现。这种z轴轴承将约束可移动部分110b相对于固定部分110a在z方向上移动。

在图1a中，z轴驱迫器110是滚珠螺杆驱动驱迫器，并且包括(i)固定部分110a(即，固定在于它不随可移动部分110b移动)、可移动部分110b(包括z轴编码器110b1)和运动系统110c。运动系统110c相对于固定部分110a驱动可移动部分110b。运动系统110c包括旋转电机110c1、螺纹轴110c2、用于沿螺纹轴110c2移动的滚珠组件110c3，以及用于将螺纹轴110c2安装至固定部分110a的安装座110c4。正如本领域技术人员所理解的那样，旋转电机110c1使螺纹轴110c2旋转，从而使滚珠组件110c3移动。由于滚珠组件110c3承载可移动部分110b，可移动部分110b与滚珠组件110c3一起移动。当然，本文将z轴驱迫器110作为简单的滚珠螺杆驱动驱迫器进行图示和描述；然而，能理解的是，可以预想到不同的螺杆驱动驱迫器。

在图1a中，z轴超程机构112包括(i)z轴止挡部112a(直接或间接地与焊头组件106耦接)、内联弹簧112b、超程编码器112c和z轴对准结构112d(例如，提供z轴对准的一个或多个销、屈曲部、轴承等，使得z轴止挡部112a相对于可移动部分110b的运动基本上沿着z轴(而不是x轴或y轴))。

焊头组件106(由z轴运动系统108a承载)也可沿着多个基本水平轴移动。在图1a所示的示例中，焊头组件106被配置为通过使用x轴运动系统118和y轴运动系统116沿着超声焊接系统100a的x轴和y轴移动。更具体地说，y轴运动系统116包括经由y轴轴承116b与机器框架114耦接的y轴起重架116a。x轴运动系统118由y轴运动系统116承载。x轴运动系统118包括经由x轴轴承118b与y轴起重架116a耦接的x轴起重架118a。固定部分110a耦接至x轴起重架118a。值得注意的是，对于本发明的所有实施例，固定部分110a可以是与x轴起重架118a相同的元件/结构的一部分；然而，它们在概念上被说明为单独的元件。

因此，在图1a所示的示例性超声焊接系统100a(以及本文图示和描述的其他示例性焊接系统)中，x轴运动系统由y轴运动系统承载，并且z轴运动系统(以及焊头组件)由x轴运动系统承载。当然，这些配置的变化是可以预想的。例如，y轴运动系统可以由x轴运动系统承载，而z轴运动系统(和焊头组件)由y轴运动系统承载。

图1b图示了超声焊接系统100b。超声焊接系统100b与超声焊接系统100a(关于图1a被图示和描述)相比，包括多个相同的部件/元件，例如包括：支撑结构102、工件104、焊头组件106、z轴驱迫器110、机器框架114、y轴运动系统116和x轴运动系统118。因此，关于图1b，此类部件/元件的特定细节不再重复。

(图1b的)超声焊接系统100b与(图1a的)超声焊接系统100a不同的是，(图1b的)z轴超程机构132取代了(图1a的)z轴超程机构112。z轴超程机构132，与z轴驱迫器110一起，是超声焊接系统100b的z轴运动系统108b的一部分。z轴超程机构132包括(i)z轴止挡部132a(直接或间接地与焊头组件106耦接)、气动缸132b、超程编码器132c和z轴对准结构132d(例如，提供z轴对准的一个或多个销、屈曲部、轴承等，使得z轴止挡部112a相对于可移动部分110b的运动基本上沿着z轴(而不是x轴或y轴))。

图2a图示了超声焊接系统200a。超声焊接系统200a与超声焊接系统100a(关于图1a图示和描述)相比，包括多个相同的部件/元件，例如包括：支撑结构102、工件104、焊头组件106、z轴驱迫器110的特定元件(即固定部分110a、可移动部分110b)、z轴超程机构112、机器框架114、y轴运动系统116、以及x轴运动系统118。因此，关于图2a，此类部件/元件的特定细节不再重复。

(图2a的)超声焊接系统200a与(图1a的)超声焊接系统100a的不同之处在于，(图2a的)z轴驱迫器210的z轴运动系统210c取代了(图1a的)z轴驱迫器110的z轴运动系统110c。z轴运动系统210c是z轴驱迫器210的一部分，所述z轴驱迫器是超声焊接系统200a的z轴运动系统208a的一部分。z轴运动系统210c包括气动缸210c1(直接或间接地与固定部分110a耦接)，以及活塞杆210c2(与气动缸210c1中的活塞耦接，为简单起见未显示，并直接或间接地与可移动部分110b耦接)。因为活塞杆210c2承载可移动部分110b，可移动部分110b与活塞杆210c2一起移动。

图2b图示了超声焊接系统200b。超声焊接系统200b与各个超声焊接系统100a、100b、200a(相对于图1a、图1b和图2a图示和描述)相比，包括多个相同的部件/元件，例如包括：支撑结构102、工件104、焊头组件106、z轴驱迫器210、z轴运动系统210c、机器框架114、y轴运动系统116和x轴运动系统118。因此，关于图2b，此类部件/元件的特定细节不再重复。

(图2b的)超声焊接系统200b与(图2a的)超声焊接系统200a的不同之处在于，z轴超程机构132(图2b的，关于图1b的先前描述)取代了(图2a的)z轴超程机构112。z轴超程机构132，与z轴驱迫器210一起，是超声焊接系统200b的z轴运动系统208b的一部分。z轴超程机构132包括(i)z轴止挡部132a(直接或间接地与焊头组件106耦接)、气动缸132b、超程编码器132c和z轴对准结构132d(例如，提供z轴对准的一个或多个销、屈曲部、轴承等，从而使z轴止挡部132a相对于可移动部分110b的运动基本上沿着z轴(而不是x轴或y轴))。

图3a图示了超声焊接系统300a。超声焊接系统300a与超声焊接系统100a(关于图1a图示和描述)相比，包括多个相同的部件/元件，例如包括：支撑结构102、工件104、焊头组件106、z轴驱迫器110的特定元件(即固定部分110a、可移动部分110b)、z轴超程机构112、机器框架114、y轴运动系统116、以及x轴运动系统118。因此，关于图3a，此类部件/元件的特定细节不再重复。

(图3a的)超声焊接系统300a与(图1a的)超声焊接系统100a不同的是，(图3a的)z轴驱迫器310的直线电机310c取代了(图1a的)z轴驱迫器110的z轴运动系统110c。直线电机310c是z轴驱迫器310的一部分，该z轴驱迫器是超声焊接系统300a的z轴运动系统308a的一部分。直线电机310c包括固定部分310c1(直接或间接地与固定部分110a耦接)，和可移动部分310c2(直接或间接地与可移动部分110b耦接)。由于可移动部分310c2承载可移动部分110b，可移动部分110b与可移动部分310c2一起移动。

图3b图示了超声焊接系统300b。超声焊接系统300b与各个超声焊接系统100a、100b、300a(相对于图1a、图1b和图3a图示和描述)相比，包括多个相同的部件/元件，例如包括：支撑结构102、工件104、焊头组件106、z轴驱迫器310、直线电机310c、机器框架114、y轴运动系统116和x轴运动系统118。因此，关于图3b，此类部件/元件的特定细节不再重复。

(图3b的)超声焊接系统300b与(图3a的)超声焊接系统300a的不同之处在于，(图3b的)z轴超程机构132取代了(图3a的)z轴超程机构112。z轴超程机构132，与z轴驱迫器310一起，是超声焊接系统300b的z轴运动系统308b的一部分。z轴超程机构132包括(i)z轴止挡部132a(直接或间接地耦接至焊头组件106)、气动缸132b、超程编码器132c和z轴对准结构132d(例如，提供z轴对准的一个或多个销、屈曲部、轴承等，以使得z轴止挡部112a相对于可移动部分110b的运动基本上沿着z轴(而不是x轴或y轴))。

图4图示了超声焊接系统100a1。超声焊接系统100a1基本上类似于超声焊接系统100a(关于图1a被图示和描述)，并且与超声焊接系统100a相比，包括多个相同的部件/元件。因此，关于图4，此类部件/元件的特定细节不再重复。

(图4的)超声焊接系统100a1与(图1a的)超声焊接系统100a不同的是，(图4的)z轴运动系统108a1包括用于检测由超声焊接系统100a1沿着超声焊接系统100a1的z轴施加的z轴力的力检测机构120(例如，测压传感器(loadcell)120)。在图4中，力检测机构120被定位在内联弹簧112b和可移动部分110b之间。针对力检测机构120的替代位置是可以预想的，例如：在内联弹簧112b和z轴止挡部112a之间；z轴止挡部112a和超声转换器106a之间，以及其他位置，只要可以完成力测量。

图5图示了超声焊接系统100a2。超声焊接系统100a2基本上类似于超声焊接系统100a(关于图1a被图示和描述)，并且与超声焊接系统100a相比，包括多个相同的部件/元件。因此，关于图5，此类部件/元件的特定细节不再重复。

(图5的)超声焊接系统100a2与(图1a的)超声焊接系统100a不同的是，(图5的)z轴运动系统108a2包括由z轴驱迫器110的可移动部分110b承载的次要z轴驱迫器122(例如，气动缸122或其他驱迫器)。在图5中，次要z轴驱迫器122提供沿着超声焊接系统100a2的z轴的可变力。

图6a至图6d图示了根据本发明的特定示例性实施例的超声焊接系统的示例性操作。图6a至图6d中图示的操作是关于超声焊接系统300a(来自图3a)而被显示和描述。然而，可以理解的是，图6a至图6d的操作同样适用于本文图示和描述的任何超声焊接系统(例如，超声焊接系统100a、100b、200a、200b、300a、300b、100a1、100a2)，或本发明范围内的任何其他超声焊接系统。

现在参考图6a，工件104被支撑在超声焊接系统300a的支撑结构102上。工件104包括与工件104的基底104a的导电区域对准的导电端子104b。在图6a，在将导电端子104b超声焊接至基底104a的导电区域之前，焊头组件106(包括承载超声焊极106b的超声转换器106a)被定位在工件104上方。焊头组件106被配置为使用z轴运动系统308a的z轴驱迫器310沿着超声焊接系统300a的z轴运动。在图6b，焊头组件106已被使用z轴驱迫器310沿着z轴向下移动(通过z轴运动系统308a的可移动部分110b的运动，其中可移动部分110b承载焊头组件106)，使得超声焊极106b的焊接末梢与导电端子104b接触。在图6c，z轴驱迫器310的可移动部分110b沿着z轴进一步向下移动以激活z轴超程机构112。也就是说，z轴超程机构112的内联弹簧112b在图6c中被压缩。在这个位置，利用现在经由超声焊极106b向导电端子104b施加所期望的结合力水平，超声能量被施加至超声焊极106b的焊接末梢，以将导电端子104b焊接至工件104的基底104a的导电区域。在超声焊接操作完成后，可移动部分110b被升高，从而使超声焊极106b不再与导电端子104b接触。

为了图示z轴运动系统308a的(i)可移动部分110b相对于z轴运动系统308a的(ii)固定部分110a的运动，图6a至图6c包括标记d1、d2和d3。这些标记、对应的高度/距离、以及用于划定这些标记的相对部件/元件，都是在一定程度上任意选择的。但所述标记图示了相对运动的重要一点。在图6a中，固定部分110a的上边缘与可移动部分110b之间设置高度差“d1”。在图6b中，在将可移动部分110b向下降低以使得超声焊极106b的焊接末梢与导电端子104b接触后，这个高度差已增加至“d2”。在图6c中，在进一步向下降低可移动部分110b以激活z轴超程机构112(从而压缩内联弹簧112b)后，这个高度差已进一步增加至“d3”。在图6b和图6c之间，显示了另一个可变高度(即可移动部分110b的下表面与超程编码器112c之间的高度)，对应于弹簧间隙。更具体地，在图6b中，该高度/间隙显示为“h1”，但在图6c中，由于可移动部分110b的进一步降低(以及内联弹簧112b的对应弹簧压缩)，该高度/间隙已减少至“h2”。

根据本发明的特定示例性实施例，在超声焊接操作期间，示例性技术规格包括：(i)超声焊极被配置为以5-500kg之间的结合力操作，或者超声焊极被配置为以5-300kg之间的结合力操作，或者超声焊极被配置为以5-100kg之间的结合力操作；(ii)超声焊极末梢运动幅度在5-150微米之间，或者超声焊极末梢运动幅度在5-120微米之间，或者超声焊极末梢运动幅度在5-100微米之间；(iii)超声焊极被配置为在工件的第一部分和工件的第二部分之间形成超声焊接，所述超声焊接的面积在1.5-30mm²之间的范围；或者超声焊极被配置为在工件的第一部分和工件的第二部分之间形成超声焊接，所述超声焊接的面积在1.5-16mm²之间的范围；以及(iv)超声焊极被配置为以15-40khz之间范围的频率操作，或者超声焊极被配置为以20-35khz之间范围的频率操作，或者超声焊极被配置为以20-30khz之间范围的频率操作。接触元件的导电触点(所述工件被超声焊极接触的那部分)的示例性厚度包括：在0.2-3mm之间；在0.2-1.5mm之间；以及在0.2-1.2mm之间。

与传统的线材或带式键合机(其利用诸如来自线轴的连续线材供应)相比，超声焊接机通常用于将工件的第一部分(例如，导电端子)焊接至工件的第二部分。例如，导电端子是一块独立的材料(与线轴上的一部分线材相对比)，并且该端子可以在被接收到焊接区域(例如，焊头组件下面的区域)之前与工件的第二部分呈现(和/或对准)。

各种类型的工件可以使用本文图示和描述的超声焊接系统(或具有本发明范围的其他系统)进行焊接。这样的工件可以包括工件的第一部分(例如本文图示和描述的导电端子104b)，其配置为被焊接至工件的第二部分(例如本文图示和描述的基底104a的导电区域)。这种工件可特别适用于功率模块。当然，任何其他类型的工件都可以根据本发明进行焊接。

示例性导电端子可以是铜端子、包括作为铜母线的一部分的端子、或配置用于所需应用的任何其他导电端子。示例性基底包括dbc(直接敷铜)组件、铜板、铜条或配置用于所需应用的任何其他基底。

可以理解的是，本文使用的术语“功率模块”(有时称为功率电子模块)涉及用于容纳一个或多个功率部件(例如，功率半导体装置)的模块。示例性的功率部件包括mosfet、igbt、bjt、晶闸管、gtp和jfet。这样的模块通常还包括用于承载功率部件的功率电子基底。与分立功率半导体相比，功率模块倾向于提供更高的功率密度。

本文所描述的超声焊接操作可采用(i)直线超声运动、(ii)扭转超声运动、(iii)直线和扭转超声运动的组合、以及(iv)其他类型的超声运动。

虽然本文没有详细说明，但预想到将θ(theta)运动作为与超声焊接系统有关的选项。如本文所述，焊头组件可沿x轴、y轴和/或z轴移动。但也可以提供围绕θ轴的额外运动。可以只为焊头组件提供θ运动系统，或者θ运动系统也可以承载z轴运动系统的特定元件，等等。

尽管本文参照具体实施例对本发明进行了图示和描述，但本发明并不旨在局限于所示的细节。相反，在权利要求书的范围和等同物的范围内且在不背离本发明的情况下，可以对细节进行各种修改。