专利名称：部件安装方法,部件安装装置及超声波焊接头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种方法和装置，它通过施加超声波振动来将诸如在其一表面上具有多个隆起电极的电子部件的多个安装部件安装到一诸如一基底的安装物体上，本发明还涉及用来焊接各种部件的超声波焊接头。
背景技术：
例如，如日本专利公开出版物No.2000-68327所揭示的，一利用超声波振动的传统的部件安装装置通常包括一装备有一喇叭角和一抽吸嘴的安装头，用来将电子部件输送到安装头的装置，一保持安装物体的支承底座，以及一定位装置，其沿水平方向对着支承底座相对地移动安装头，以便将电子部件放到安装物体上的确切的地方。该喇叭角与水平地固定在支承支架上的超声波振动发生器的输出相连，支承支架垂直可移动地支承在诸如一音圈电机的移动机构上，而保持电子部件的抽吸嘴安装在喇叭角端部上。
当多个形成在电子部件的一面上的隆起的电极用超声波方法焊接在形成在安装物体上的多个引线上时，合适地采用这种类型的部件安装装置。抽吸嘴保持已被馈送的电子部件的顶面，使电子部件隆起的电极面向下，同时，支承底座将安装物体固定在其上。通过对着支承底座相对地移动安装头，将电子部件放到安装物体上的确切的地方，然后，电子部件的隆起的电极接触安装物体的引线。用一预定压力的载荷施加到部件上，抽吸嘴通过带有由超声波振动发生器产生的超声波振动的喇叭角沿水平方向发生振动。超声波振动的能量提供到电子部件和安装物体之间的接触面，通过扩散和熔化它们粘结在一起。
然而，在这些年中，人们需要减少电子部件(芯片)的数量来减小电子线路的尺寸，电子部件的功能和密度已大大地得到改进。其结果，各个电子部件已变得较大和具有比以往更多的电极。例如，电子部件(裸露的IC芯片)每边约为0.3至5mm并具有约2至30个隆起的电极。然而，在不久的将来它们有望是每边10-20mm并具有50-100或甚至1000或更多的隆起的电极。
当这样的电子部件用一传统的部件安装装置安装在一线路上时，施加到抽吸嘴的压力必须很大，以便通过超声波振动一次将许多隆起的电极焊接到安装物体的多个引线上。此外，保持部件的抽吸嘴的底面必须平行于安装物体的粘结面精确地对齐，以确保所有隆起的电极和安装物体的引线之间的焊接。例如，当安装这样一大的裸露IC芯片时，抽吸嘴的部件保持面在全部的面积上必须保持平行于安装物体的粘结面，沿超声波振动的方向公差保持在5μm内。
然而，在上述的结构中，如果一大的压力载荷通过支承支架施加到超声波振动发生器和喇叭角之间的连接附近，则由于抽吸嘴紧固在喇叭角的端部，因此，抽吸嘴的底面远离接受这样压力载荷的位置，一弯矩作用在喇叭角上。然后，由于压力载荷引起的喇叭角变形使部件保持面倾斜，因而不能获得精确的平行。其间，人们有一种想法，在喇叭角和抽吸嘴的部件保持面之间插入一弹性单元，以确保其间的平行。这又显著地降低超声波振动传播的效率。然后，粘结效率变得低下，且不能提供可靠的粘结。
当芯片具有许多隆起电极时，即使保持部件保持面和安装物体的粘结面之间的平行，并连同超声波振动还施加一大的压力载荷，由超声波振动提供的粘结能量也可能不足。然后，它变得难于以高的可靠性实施焊接。
还存在的另一问题是，因为在焊接之后需要额外的步骤，在芯片和安装物体之间填充一密封材料，然后热固化密封材料，所以，加工过程的成本变得提高。
另一方面，有一超声波焊接头，其中，起作喇叭角的一振荡器的一端连接到超声波振动发生器的输出上，而另一端具有一平行于粘结面设置的工作面。
然而，根据该方法，如果焊接区域大，或多个隆起的电极的全部的焊接区域大，则压力载荷必须很大以确保焊接。此时，这样一工作单元的工作面和安装物体的焊接面之间平行度必须保持良好，以在全部的焊接区域上确保焊接。
然而，事实上，因为当一大的压力载荷施加时，一弯矩作用在振荡器上，且因为由于振荡器的弯曲引起工作面的倾斜，所以不能提供良好的平行度。尤其是当多个隆起的电极布置在一宽的焊接面上时，它难于确保平行度。另一方面，如果在不造成工作面内这种倾斜问题的压力载荷的作用下，提供超声波振动，则超声波振动的焊接能量可能不够高，不足以提供一可靠焊接的条件。
本发明的一个目的是提供一部件安装方法和装置，以及一超声波焊接头，即使当部件具有许多隆起的电极时，超声波焊接头也能用超声波的方法以高可靠性焊接部件，因此，部件和安装物体之间的焊接区域可以较大。
发明内容
一根据本发明的第一方面的部件安装方法，是一用来将一在其一表面上具有多个隆起电极的部件安装到安装物体的多个引线上的方法。该方法包括一步骤，保持与具有隆起电极的面相对的部件的后面，将部件与设置在一支承底座上的安装物体对齐，以及将部件的各个隆起的电极接触安装物体的各个引线，该方法还包括一步骤，从直接在部件上方的一位置沿垂直于部件的方向将压力载荷施加到部件的后面，同时，提供超声波振动，超声波的振动方向基本上与其平行。
由于压力载荷垂直于电子部件的后面作用，所以，即使施加大的压力载荷，也能以高的精确度保持部件的多个隆起的电极和安装物体的焊接面之间的平行。由于允许一大的压力载荷，所以，即使电子部件具有许多隆起的电极，也可连同一均匀地施加到个别隆起的电极上的预定压力载荷，提供超声波振动。然后，所有隆起的电极以高的可靠性进行焊接。
一根据本发明的第二方面的部件安装方法，是一包括以下步骤的方法，该方法包括一步骤，保持与具有隆起电极的面相对的部件的后面，将部件与设置在一支承底座上的安装物体对齐，以及将部件的各个隆起的电极接触安装物体的各个引线，该方法还包括一步骤，将压力载荷施加到部件的后面，同时，提供超声波振动，超声波的振动方向基本上与其平行，并将热能提供到部件和安装物体之间的一焊接区域。
即使电子部件具有许多隆起的电极，所有隆起的电极也能以高可靠性焊接。在此结构中，由于密封材料预先施加到安装物体的焊接地方上，所以，在提供超声波振动的步骤中，焊接材料填充在电子部件和安装物体之间，且通过热能密封材料固化。因此，不需要一单独的密封过程。
一根据本发明的第三方面的部件安装方法，是一包括以下步骤的方法，该方法包括一步骤，用一振荡器的工作面保持一部件，振荡器构造成使供应到振荡器一端面的振动致使振动基本上平行于工作面，并使振荡模式的节点形成在一垂直于工作面的轴线上，该方法还包括一步骤，将安装物体设置在一支承底座上，一将部件与安装物体对齐并将部件接触到安装物体上的步骤，一从振荡器的节点施加一压力载荷同时从振荡器的一端面提供超声波振动的步骤。
在此结构中，当从振荡器的一端提供超声波振动时，工作面的超声波振动近似地与其平行，以及一压力载荷垂直于其作用。由于一大的超声波能量可在大的压力载荷下施加，同时在工作面和焊接面之间保持一精确的平行，所以，即使焊接区域较大，全部的焊接面也可以高的可靠性进行焊接。
一根据本发明的第四方面的部件安装装置，是一用来将一在其一表面上具有多个隆起电极的部件安装到安装物体的多个引线上的装置。该安装装置包括一部件馈送器，用来馈送带有其面向下的隆起的电极的部件，一用来保持部件并将其安装到安装物体上的安装头，一用来固定安装物体的支承底座，以及一定位装置，其用来对着支承底座相对地移动安装头，以便将部件与安装物体对齐。该安装头包括一超声波振动发生器，一超声波振动传播件，其用来在平行于工作面振动时、将由超声波振动发生器提供的超声波振动传输到一保持部件的工作面，以及一压力加载器，其用来从一直接在工作面上方的位置沿垂直于工作面的方向将一压力载荷施加到传播件的工作面上。根据该结构，提供超声波振动，同时，即使电子部件具有许多隆起的电极，也能将一预定的压力载荷均匀地施加到隆起的电极上。然后，所有隆起的电极以高的可靠性进行焊接。
一根据本发明的第五方面的部件安装装置包括一部件馈送器，用来馈送带有其面向下的隆起的电极的部件，一用来保持部件并将其安装到安装物体上的安装头，一用来固定安装物体的支承底座，以及一定位装置，其用来对着支承底座相对地移动安装头，以便将部件与安装物体对齐。该安装头包括一超声波振动发生器，一超声波振动传播件，其用来在平行于工作面振动时、将由超声波振动发生器提供的超声波振动传输到一保持部件的工作面，一压力加载器，其用来将一压力载荷施加到传播件的工作面上，以及一用来加热工作面附近的加热器。
根据该结构，即使电子部件具有许多隆起电极，所有隆起的电极也可以高的可靠性进行焊接。
一根据本发明的第六方面的部件安装装置包括一部件馈送器，一用来保持一已馈送的部件并将其安装到安装物体上的安装头，一用来紧固安装物体的支承底座，以及一定位装置，其用来对着支承底座相对地移动安装头，以便将部件与安装物体对齐。该安装头包括一超声波振动发生器，一振荡器，其一端面连接到超声波振动发生器，而另一端面用作为一工作面工作，振荡器构造成提供到端面的振动致使沿一基本上平行于工作面的方向在工作面内发生振动，一振荡模式的节点形成在垂直于该面的一轴线上，以及一压力加载器，其用来将一压力载荷施加到振荡器的节点上。
一根据本发明的第七方面的超声波焊接头包括一超声波振动发生器，一振荡器，其一端面连接到超声波振动发生器，而另一端面起作一工作面，以及一用来加热工作面附近的加热器。
根据该结构，从工作面给予焊接面一超声波振动能量，从振荡器的一端提供超声波振动，而一压力载荷施加到振荡器工作面不倾斜的范围，同时，由一加热器加热工作面。一大的超声波振动能和热能同时供应，即使焊接区域大，也可以高的可靠性焊接全部的焊接面。一非接触的间接加热器特别地适用，因为它加热工作面和其附近而不影响振荡器的振荡模式。
附图的简要说明
图1是示出根据本发明的第一实施例的一部件安装装置的示意结构的立体图；图2是示出部件安装装置的一安装头的立体图；图3是示出根据本实施例的安装头的主要部分的前视截面图；图4是示出根据第二实施例的安装头的主要部分的前视截面图；图5是示出根据第三实施例的安装头的主要部分的前视截面图；图6是沿图5的线VI-VI截取的截面图；图7是示出根据实施例的焊接结构的视图；图8A是示出根据实施例的加热器的第一变体的立体图，而图8B是其改进实例的侧视图；图9A是示出根据实施例的加热器的第二变体的立体图，而图9B是其改进实例的侧视图；图10A是示出根据实施例的加热器的第三变体的立体图，而图10B是其改进实例的侧视图；图11是示出根据实施例的加热器的第四变体的振荡器的前视图；图12是示出根据实施例的加热器的第五变体的立体图；图13是示出根据本发明的第四实施例的安装头的主要部分的前视图；图14是沿图13的线XIV-XIV截取的截面图；图15是沿图13的线XV-XV截取的截面图；图16是示出根据实施例的振荡器的操作的视图；图17A是示出根据实施例的加热器的第一变体的立体图，而图17B是其改进实例的侧视图；图18A是示出根据实施例的加热器的第二变体的立体图，而图18B是其改进实例的侧视图；
图19A是示出根据实施例的加热器的第三变体的侧视图，而图19B是其改进实例的侧视图；图20是示出根据实施例的加热器的第四变体的振荡器的前视图；图21是示出根据实施例的加热器的第五变体的立体图；图22是示出振荡器的一变体的主要部分前视图。
具体实施例方式
下面将参照诸附图来描述部件安装方法、部件安装装置，以及其中使用的超声波焊接头。
(第一实施例)现参照图1-3来描述根据第一实施例的部件安装方法和装置。
首先，参照图1-2描述部件安装装置的总体结构。部件安装装置1将部件2(裸露IC芯片)安装到一基底3上(安装物体，见图3)。部件2具有多个布置在其一面上的隆起的电极2a。基底3内的组件安装部位具有多个将与隆起电极2a焊接的引线。例如，部件2是每边10-20mm，且具有50-100个或更多个的隆起电极2a。一特别大的部件2可具有1000个或更多个的隆起电极。
在部件安装装置1的底座4的后面位置中，安装有一X向台6，其保持一安装头5沿X方向移动。安装头5保持部件2并将其安装到基底3上。一Y向台7沿Y方向可移动地安装在—在X向台6下的特殊部分和台6的一向前的位置之间，而Y向台7具有一安装基底3的支承底座8。在X向台6的前面，安装有一加载器9，它承载基底3从底座4的一端到Y向台7，以及一卸载器10，它承载基底3从Y向台7到底座4的另一端。加载器9和卸载器10各具有一对支承基底3的两侧的轨道。支承底座8在其前和后侧上具有运输轨道11，它们可连接到上述成对的轨道上并可作垂直移动，支承底座8接纳基底3放到运输轨道11上，然后，将其固定到支承底座8上。
在X向台6的前面位置中，在底座4上的卸载器10的侧面上，设置这样一部件仓盒13，其容纳半导体晶片12，其中，多个部件2已经形成并切割好放置在一扩展片上。安装一仓盒提升器14来将要求的半导体晶片12提升到规定的高度，一扩展台15设置在仓盒提升器14和Y向台7之间。扩展台15有间距地排列诸部件2，扩展用于由仓盒提升器14供应的各半导体晶片12的扩展片。扩展台15安装在一X-Y台16上，它将部件2定位在一第一部件供应位置。一识别照相机17识别出放置在第一部件供应位置上的部件2。
一部件抓手18抓住在第一部件供应位置上的部件2，使用另一X向台将部件2运输到一第二部件供应位置，并将部件2转过180度使其面向上。在一半导体晶片12中，部件2的隆起的电极2a形成在其顶面上。当形成隆起电极2a的顶面被部件抓手18抓住并转过180度时，形成隆起电极2a的部件2的顶面面向下，部件2被安装头5接纳在第二部件供应位置上。这样一仓盒提升器14、扩展台15和部件抓手18构成一部件馈送器20，它将部件2馈送到安装头5。一分配器19将一密封材料施加到部件2或将安装部件2的基底3的部分上。
现参照图2，安装头5在一花键轴(未示出)的底端处具有一超声波焊接头21，通过一诸如一音圈电机的移动装置22，花键轴沿轴向方向垂直地移动。超声波焊接头21由一超声波振动发生器24和一振荡器25形成，它们固定在一支承支架23上。振荡器25或抽吸嘴保持住部件2。
下面描述这样一部件安装装置的安装操作。在部件馈送器20将带有面向下的隆起电极2a的部件2供应到第二部件供应位置，安装头5的振荡器25或固定在其上的抽吸嘴保持住部件2，使用X向台6，安装头5沿X方向移动到一将要安装部件2的基底3上的一位置。另一方面，在由加载器9提供的基底3移动到附连在Y向台7的运输轨道11上之后，运输轨道11下降到一规定的高度，而基底3安装在支承底座8上。接下来，Y向台7沿着Y方向移动，直到基底3坐落在对应于安装头5下的部件2的合适的地方。接着，在分配器19按要求已施加一密封材料之后，安装头5的移动装置22下降部件2，以使其隆起的电极2a接触定位在安装位置的基底3的引线。致动超声波振动发生器24，同时移动装置22施加一预定的压力载荷，超声波振动能提供到隆起电极2a和基底3的引线之间的焊接面，以便通过扩散和熔化进行焊接。由分配器19施加的密封材料填充在基底3和部件2之间的空间内，然后，即完成部件2与基底3的安装。当部件2的安装已经完成之后，运输轨道11上升，基底3被接纳到运输轨道11上，当运输轨道11连接到卸载器10时，卸载器10移去基底3。
接下来，将参照图3描述超声波焊接头21的结构，它是安装头5的主要部分。固定振荡器25的一对支承块26a、26b安装到支承支架23，使它们的轴线水平地对齐，而放大振动幅值的喇叭角27的输出端27a同心地连接到振荡器25的一端，而超声波振动发生器24连接到喇叭角27的另一端。振荡器25具有一轴28，它是 长，其中， 是振荡模式M的波长。支承单元29a、29b分别位于离一端和另一端处的 处，它们对应于振动模式的节点，支承单元29a、29b被支承块26a、26b支承。一抽吸嘴30这样进行安装，即，在支承单元29a、29b之间的中心、对应于振动模式的反节点的位置垂直地穿过轴28。标号30a表示一形成在抽吸嘴30的轴内的抽吸通道。在抽吸嘴30的底部，形成一尺寸对应于待保持的部件2的工作单元31，诸如一加热筒式的加热器32嵌入在工作单元31内，其底面起作一保持部件2的工作面33。振荡器25的轴28和抽吸嘴30构成一超声波传播件34，它将超声波振动发生器24产生的超声波振动传递到工作面33。
安装头5具有一调整机构(未示出)，它在工作面33和支承底座8的顶面之间保持平行在5μm或不到。由超声波振动发生器24产生并通过超声波传播件34传输到工作面33的超声波振动，在工作面33内受到控制，以使其垂直分量小于与工作面33平行的侧向分量的3％。通过诸如一音圈电机的移动装置22和一缸而施加到工作面33上的压力载荷，根据部件2的各隆起电极2a的直径和其数量进行调整。尽管它随各隆起电极2a的直径而变化，通常每隆起电极2a呈现30-50g，但施加的压力载荷是该每隆起电极2a的单位载荷和隆起电极的数量的乘积。另一方面，在计算压力载荷时，每隆起电极2a的单位载荷可假定为30-200g。
在上述的结构中，使基底3安装在支承底座8上，而部件2被超声波焊接头21的工作面33保持住，移动装置22朝向支承底座8下降抽吸嘴30，将基底3和部件2夹在工作面33和支承底座8的顶面之间。在此状态下，规定的压力载荷通过支承支架23施加到工作面33上，成对的支承块26a、26b和轴28构成振荡器25以及抽吸嘴30。此时，压力载荷垂直于工作面33沿其垂直轴线向下施加。在此条件下，超声波振动发生器24提供超声波振动，而致动加热器32进行加热。
因为压力载荷从一直接向上的位置垂直地施加到部件2的后面，所以，部件2的多个隆起电极2a的诸端部平行于基底3的焊接面而被精确地保持，即使在施加一大的压力载荷时。因此，即使部件2具有许多隆起电极2a和施加的压力载荷很大，超声波振动也能提供到隆起电极2a，并均匀地对其施加一规定的压力载荷。由此，所有隆起电极2a以高的可靠性进行焊接。
此外，通过用加热器32从其后面将热能供应到部件2，同时将超声波能供应到隆起电极2a和基底3的引线之间，所有的隆起电极2a有效地进行焊接，即使部件2具有许多隆起电极2a和焊接区域较大。应注意到，加热可以横贯焊接前和焊接后连续地进行。
在这样的情形中，另外的加热器(未示出)可安装在支承底座8的一侧上，以同样从基底3侧供应热能。在支承底座8侧上的这样一加热器不是关键的。或者，一加热器可仅安装在支承底座8侧上来提供热能。
密封材料通过分配器19已经施加到基底3上的安装部位，并填充在部件2和安装有部件2的基底3之间，在上述加热过程中，密封材料被加热而固化，然后，完成密封，同时，实现部件2的焊接。其结果，其后的密封过程变得不再必要，因此，降低了制造成本。
如上所述，由于超声波振动的垂直分量控制为小于平行于工作面33的侧向分量的3％，所以，在一大的压力载荷下进行超声波焊接的过程中，可防止损坏隆起电极2a和其严重的变形。因此，可提供一合适的焊接条件。如果超声波振动能的垂直分量小于侧向分量的10％(较佳地小于5％)，则甚至在隆起电极2a的数量颇为大的时候，焊接也能合适地进行。相反，垂直分量变得10％或以上，则有这样的问题如果施加一大的压力载荷，则隆起电极2a可显著地发生变形。
在其面上具有50个或更多隆起电极2a的这样的部件2中，如果施加到各隆起电极2a上的一单位载荷控制到30-50g，而该单位载荷和隆起电极2a的数量的乘积，作为压力载荷施加，则没有过度的载荷作用在隆起电极2a上，且隆起电极2a不发生变形。
(第二实施例)现参照图4来描述本发明的部件安装装置的第二实施例。在下面的实施例中，与上述实施例中采用的零件相同的零件在全部的附图中具有相同的标号，并省略对其的描述。相反，下面将只描述其差别。
在该实施例中，超声波振动发生器24具有一相当大刚性的喇叭角27，一抽吸嘴30通过离喇叭角27的输入端面为 的位置垂直地安装。
在此结构下，通过从嵌入在工作单元31内的加热器32供应热能，可减小待提供的超声波能和压力载荷。然后，工作面33和支承底座8之间的平行保持在一规定的范围内，同时，施加一压力载荷，超声波振动能的垂直分量限制到小于工作面33内的侧向分量的10％。其结果，所有的隆起电极2a精确地焊接。
(第三实施例)现参照图5-12来描述本发明的部件安装装置的第三实施例。
参照图5和6，超声波焊接头21通过一固定单元36和一平行调整机构37附连到花键轴35的底端，花键轴35被安装头5的移动装置22沿垂直方向驱动。平行调整机构37通过一中心连接杆37c将一上板37a连接到一下板37b，平行调整机构37接触三个调整螺杆37d的底端，调整螺杆通过上板37a旋入到下板37b的顶面，以通过变化各调整螺杆37d的深度来控制下板37b的倾斜。
超声波焊接头21包括一超声波振动发生器24，一振荡器38，以及一支承支架39，支承支架39的顶端39a固定到平行调整机构37的底面。振荡器38具有一块体的形状，在其一端处的基部面40与超声波振动发生器24连接，而一工作面41形成在另一端。振荡器38设置成向上倾斜，使其工作面41保持水平，一形成在对应于振荡器38的振荡模式的一节点的位置内的固定单元38a，固定在支承支架39上。较佳地，振荡器38具有的一形状能使提供到基部面40的超声波振动在大致与其平行的方向在工作面41内振动。然而，该振动不需平行于工作面；相反，振动的方向可倾斜约5-35°。
支承支架39在其顶侧的中心具有一定位孔39b，与花键轴35共有轴线，而支架39在其下部具有一振荡器38将插入的槽45，一对相对的板46位于其两侧上。用作加热器的加热筒47嵌入在各相对的板46的下部内，以面向振荡器38的端部。该加热器47加热各板46的下部，而振荡器38的工作面41的附近通过辐射热进行加热。因为加热器离振荡器38设置，所以，超声波振动系统不受加热器的影响。
一用作一冷却单元或一温度保持单元的冷却腔室43，其设置成包围连接杆42，连接杆连接超声波振动发生器24和振荡器38。通过从一入口43a引入冷却空气并从一出口43b排出，连接杆42和超声波振动发生器24得到冷却，耗散来自加热的振荡器38的热量，由此，在超声波振动发生器24内防止温度上升，以避免性能失效和损坏。将用作为温度控制件的热电偶44嵌入在连接杆42内，可防止因温升引起的焊接失效和超声波振动性能的变劣。
在如图7所示的上述的结构中，基底3安装在支承底座8上，将要焊接的部件2安装在基底上。另一方面，用安装在振荡器38内的一抽吸装置(未示出)来保持住部件2，花键轴35下降，向下移动超声波焊接头21到支承底座8。振荡器38的工作面41和支承底座8的顶面将部件2和基底3夹在中间，同时，一预定的压力载荷施加到支承支架39。在此条件下，超声波振动发生器24将超声波振动提供到振荡器38的基部面40，致动加热筒47进行加热。
保持平行于焊接面的工作面41用超声波振动，而支承支架39施加一压力载荷到振荡器38上。加热筒47加热相对板46的下部，从中辐射的热量加热工作面41的附近。如图中虚线所示，该热量传输到部件2，然后，热能供应到基底3和部件2之间的焊接面。
这样，保持工作面41和介于部件2和基底3之间的焊接面之间的平行，并施加压力载荷，可施加超声波振动以提供超声波能，同时，也提供热能。然后，即使焊接区域大，也可以高的可靠性焊接全部的焊接面。如果预先在基底3和部件2之间放置密封材料，则在焊接的同时得到固化。不需准备单独的密封填充/固化过程，由此，降低制造成本。
由于安装在相对的板46内(面向振荡器38的两侧)的加热筒47辐射热量到振荡器38上，所以，超声波振动系统不受影响。此外，使用加热筒47可导致一价廉、低成本的系统。
由于冷却腔室43冷却超声波振动发生器24，加热筒47的热量不到达超声波振动发生器24，所以，可防止其性能的失效和损坏。此外，因为诸如热电偶44的温度控制件安装在设置在超声波振动发生器24和振荡器38之间的连接杆42内，所以，高温不会到达超声波振动发生器24。因此，可防止性能的失效和焊接失败。
尽管嵌入在相对板46内的加热筒47是示范的，但本发明的加热器不局限于该种类型。
例如，与图8A所示的第一变体相同，成对的相对板46中的至少一个可拆卸地附连到支承支架39上，而加热筒47可嵌入在该板46内。如图8B所示，热传导翅片48较佳地至少安装在振荡器38和板46之间的相对面的任一侧上，以从相对板46通过辐射增加对振荡器38的热传导。
另一方面，与图9A所示的第二变体相同，一板样的陶瓷加热器49代替加热筒47，可安装在面对振荡器38的相对板46的面上。然后，目标区域均匀地加热。其间，如图9B所示，如果热传导翅片48至少安装在振荡器38和陶瓷加热器49之间的相对面的任一侧上，则可提高通过辐射的热传导。
如图10A的第三变体所示，一热空气鼓风机50替代加热筒47和陶瓷加热器49，它可安装在面对振荡器38的相对板46的面上。由于热空气直接地接触振荡器38，所以，达到一快速的均匀的加热。如图10B所示，如果热传导翅片48安装在振荡器38的两侧上，则提高与吹出的热空气的热交换，由此，提高对振荡器38的热传导。
其间，如图11的第四变体所示，如果加热介质通道51形成在振荡器38内，而使用一加热介质馈送器52，如图箭头所示将诸如热空气的加热介质供应到该通道51，则振荡器38直接从其内部进行加热。然后，目标区域进一步有效地加热。加热介质馈送器52较佳地设置在工作面41的附近。
如图12的第五变体所示，可安装一热射线发射器53(用一中空箭头表示)，它发射诸如激光的热射线到振荡器38的工作面41的附近。工作面41附近以非接触的方式有效地得到加热。代替热射线发射器53，如果设置用来将电磁波发射到工作面41的附近，且振荡器38用铁磁性材料形成，则工作面41附近可用电磁感应进行加热。
(第四实施例)现将参照图13-21来描述本发明的部件安装方法和装置的第四实施例。
参照图13-16描述实施例的安装头5的主要部分。在图13中，超声波焊接头21包括一超声波振动发生器24、一振荡器54，以及一支承支架55。参照图16，振荡器54具有一Y形单元，其具有一底座单元54a和一对分支54b以及在底座单元54a的两侧上的突出件54c，而超声波振动发生器24连接到底座单元54a的基部面56。振荡器54和超声波振动发生器24以向上倾斜的姿势固定到支承支架55，以使一个分支54b的端面位于水平，并作为一工作面57工作。
如图13和16所示，振荡器54的形状设计成工作面57沿如箭头B所示的水平方向用超声波进行振动，当超声波振动发生器24如箭头A所示将规定频率的垂直振动模式的超声波振动施加到基部面56时，振荡模式的一节点58出现在其垂直轴线上的工作面57的上方。振荡器54具有棱柱样的加载单元59，它在对应于节点58的位置处从振荡器的两侧突出，这些加载单元59连接到支承支架55。
如图13-15所示，支承支架55具有一形成在顶部中心与花键轴35同心的定位孔60，一槽61，其中，振荡器54从下部插入槽中，一对支承板62位于槽61的两侧上。各个支承板62在其底部中心具有一方形槽63，使加载单元59从底侧插入到其中。加热筒47嵌入在一固定在各支承板62的底侧上的盖64内，加热板62的下部。从中辐射的热又加热振荡器54的工作面57的附近。
在如图16所示的上述结构中，基底3放置在支承底座8上。用承载在超声波焊接头21的振荡器54上的一抽吸装置(未示出)保持住部件2，花键轴35下降而向下将超声波焊接头21移动到支承底座8。振荡器54的工作面57和支承底座8的顶面将基底3和部件2夹在中间，而一规定的压力载荷通过花键轴35提供到支承支架55。在此条件下，超声波振动发生器24将超声波振动提供到振荡器54的基部面56，而且加热筒47致动进行加热。
然后，振荡器54的工作面57基本上与其平行地用超声波进行振动，一压力载荷65从支承支架55施加到加载单元59，如中空箭头所示，加载单元各定位在振荡器54的振荡模式的的节点58处。由于加载单元59直接地定位在工作面57的上方，所以，压力载荷100％垂直于工作面57作用。加热筒47加热各支承板62的下部，而辐射热加热工作面57的附近。如虚线所示，这样的热到达部件2，由此，热能提供到部件2的隆起电极2a和基底3的引线之间的焊接面。
这样，通过超声波振动提供一大的超声波能量，良好地保持工作面57和部件2和基底3的焊接面之间的平行，一大的压力载荷施加到其中，同时，提供热能。在部件2具有多个隆起电极2a的情形中，因此，焊接区域较大，所有的隆起电极2a以高的可靠性与基底3的引线焊接。此时，密封材料施加到将要安装部件2的基底3上，并填充在部件2和基底3之间的空间内，安装后，部件2通过热能进行固化。由此，部件2的安装和密封在同一时间内完成。
由于采用的加热器是嵌入在支承板62内的加热筒47，而产生的热量辐射到振荡器54上，所以，超声波振动系统不受加热器的影响，且加热筒47的采用导致一价廉、低成本的系统。
此外，如同第三实施例的情形，一冷却单元66冷却超声波振动发生器24，或如图13中的虚线所示，较佳地安装一温度保持单元，此外，一温度控制件67可安装在超声波振动发生器24内或其附近，以便防止超声波振动发生器24暴露在因加热振荡器54由加热筒47造成的高温前。作为冷却单元66，这样一单元是较佳的，它将凉风吹到超声波振动发生器24的附近，因为它不可能影响振动系统。对于温度控制件67，最好将一热电偶安装在不影响振动系统的位置。
因为冷却单元66防止超声波振动发生器24的过热，所以，可防止焊接的失败。此外，如果安装温度控制件67，则可防止因超声波振动性能变劣引起的焊接失败。
作为加热器，显示了一实例，其中，加热筒47嵌入在固定在支承支架55的支承板62上的盖64内。然而，本发明不局限于示范的加热器，但与用于第三实施例的如图8A-12所示的加热器相同的变体也可适用。
例如，与图17A所示的第一变体相同，支承板62之一可拆卸地附连到支承支架55，而从振荡器54的两侧突出的加载单元59可通过一热绝缘体68配装在形成在支承板62内的支承孔内，同时将加热筒47嵌入在各支承板62内。其间，如图17B所示，通过将热传导翅片48安装在振荡器54的至少任一侧面上，或面向振荡器的支承板62的面上，可提高通过辐射从支承板62到振荡器54的热传导。
如图18A所示的第二变体的情形，一板状的陶瓷加热器49替代加热筒47，它可安装在支承板62的面上而面向振荡器54。然后，均匀地加热目标区域。如图18B所示，通过将热传导翅片48安装在振荡器54的至少任一侧面上，或面向振荡器的陶瓷加热器49的面上，可提高通过辐射从陶瓷加热器49到振荡器54的热传导。
另一方面，与图19A所示的第三变体相同，代替加热筒47和陶瓷加热器49，一热空气鼓风机50可安装在支承板62的面上而面向振荡器54。由于热空气接触振荡器54，所以，达到一快速的均匀的加热。而且，如图19B所示，通过将热传导翅片48安装在振荡器54的两侧面上，可提高与吹出的热空气的热交换，由此，提高对振荡器54的热传导。
与图20所示的第四变体相同，通过在振荡器54内形成一加热介质通道51，并如箭头所示，使用加热介质馈送器52，将诸如热空气的加热介质馈送到该通道51内，振荡器54可直接地从内部加热。然后，目标区域进一步有效地加热。加热介质馈送器52较佳地设置在工作面57的附近。
如图21的第五变体所示，可安装一热射线发射器53(用一中空箭头示出)，它发射诸如激光的热射线到振荡器54的工作面57的附近。工作面57附近以非接触的方式有效地得到加热。代替这样的热射线发射器53，如果设置用来将电磁波发射到工作面57的附近，且振荡器54用铁磁性材料形成，则工作面57附近可用电磁感应进行加热。
在上述实施例的超声波焊接头21中，振荡器38、54是一体的。然而，为了提供对应于待安装的部件2的形状和尺寸的最佳工作面41、57，当部件2的规格已经改变时，全部的超声波焊接头21必须交换。由于超声波焊接头21昂贵，所以，如果准备多个超声波焊接头21来满足各部件2的多种规格，则机器的成本将变得很高。因此，如图22所示，最好用可拆卸的分离件41a、57a来构成振荡器38、54的工作面41、57的附近。
如图22所示，这样一分离件41a、57a可用螺栓70可拆卸地固定到振荡器38、54。如果使用多个螺栓70来固定分离件，则接触区域，以及与振荡器38、54的接触强度放大，由此，提高超声波传播的效率。尽管图22示出一实例，其中，分离件和振荡器之间的接触面平行于超声波振动，较佳地，准备垂直于振动方向的接触面，并将分离件与一个以上的面固定。代替这样的紧固件螺栓，可采用压力螺栓，压力螺栓和倾斜面的组合来进行配装，或用一楔一起来固定分离件。
尽管以上实施例描述的实例，其中，具有多个隆起电极2a的部件2安装在基底3上，但本发明不限于这样的实例。例如，当将任意的部件安装在安装物体上时，或当使用一超声波焊接头通过超声波振动将各种部件焊接到一任意的物体上时，可采用本发明。
工业应用性根据本发明的部件安装方法和部件安装装置，即使当一大的压力载荷施加到电子部件的后面上时，电子部件的隆起电极端部也能平行于安装物体的焊接面被精确地保持。因此，本发明在焊接具有许多隆起电极的电子部件，以及因此焊接面较大的焊接中是有效的。
权利要求
1.一用来将一在其一表面上具有多个隆起电极的部件安装到安装物体的多个引线上的部件安装方法，该方法包括保持部件(2)的后面，后面与具有隆起电极的面相对，将部件与设置在一支承底座(8)上的安装物体(3)对齐，以及将部件的各个隆起的电极(2a)接触安装物体的各个引线；以及从直接在部件上方的一位置沿垂直于部件的方向将压力载荷施加到部件的后面，同时，提供超声波振动，超声波的振动方向基本上与其平行。
2.一用来将一在其一表面上具有多个隆起电极的部件安装到安装物体的多个引线上的部件安装方法，该方法包括保持部件(2)的后面，后面与具有隆起电极的面相对，将部件与设置在一支承底座(8)上的安装物体(3)对齐，以及将部件的各个隆起的电极(2a)接触安装物体的各个引线；以及将压力载荷施加到部件的后面，同时，提供超声波振动，超声波的振动方向基本上与其平行，并将热能提供到部件和安装物体之间的一焊接区域。
3.如权利要求2所述的部件安装方法，其特征在于，压力载荷沿垂直于部件后面的方向从就在其上方的位置施加到部件(2)的后面。
4.如权利要求2所述的部件安装方法，其特征在于，热能提供到部件(2)的后面。
5.如权利要求1或2所述的部件安装方法，其特征在于，垂直于部件(2)的后面的超声波振动的分量小于平行于该后面的超声波振动分量的10％。
6.如权利要求1或2所述的部件安装方法，其特征在于，压力载荷是隆起电极(2a)的数量和部件(2)的每隆起电极(2a)的30-200g范围内的单位载荷的乘积。
7.如权利要求1或2所述的部件安装方法，其特征在于，部件(2)具有50或更多个隆起电极(2a)。
8.一部件安装方法，包括用一振荡器(54)的工作面(57)保持一部件(2)，振荡器构造成使供应到振荡器一端面(56)的振动致使振动基本上平行于工作面，并使振荡模式的节点(58)形成在一垂直于工作面的轴线上；将安装物体(3)设置在一支承底座(8)上；将部件与安装物体对齐，并将部件接触到安装物体；以及从振荡器的节点施加一压力载荷(65)，同时从振荡器的端面提供超声波振动。
9.如权利要求8所述的部件安装方法，其特征在于，在提供超声波振动步骤的过程中，加热振荡器(54)的工作面(57)的附近。
10.一用来将一在其一表面上具有多个隆起电极的部件安装到安装物体的多个引线上的部件安装装置，该装置包括一部件馈送器(20)，用来馈送带有其面向下的隆起的电极的部件(2)；一用来保持部件并将部件安装到安装物体(3)上的安装头(5)；一用来固定安装物体的支承底座(8)；以及一定位装置(6、7)，其用来对着支承底座相对地移动安装头，以便将部件与安装物体对齐，其中，所述安装头包括一超声波振动发生器(24)，一超声波振动传播件(34、38、54)，其用来在平行于工作面振动时、将由超声波振动发生器提供的超声波振动传输到一保持部件的工作面(33、41、57)，以及一压力加载器(22、23、39、55、59)，其用来从一直接在工作面上方的位置沿垂直于工作面的方向将一压力载荷施加到超声波振动传播件的工作面上。
11.一用来将一在其一表面上具有多个隆起电极的部件安装到安装物体的多个引线上的部件安装装置，该装置包括一部件馈送器(20)，用来馈送带有其面向下的隆起的电极的部件(2)；一用来保持部件并将部件安装到安装物体(3)上的安装头(5)；一用来固定安装物体的支承底座(8)；以及一定位装置(6、7)，其用来对着支承底座相对地移动安装头，以便将部件与安装物体对齐，其中，所述安装头包括一超声波振动发生器(24)，一超声波振动传播件(34、38、54)，其用来在平行于工作面振动时、将由超声波振动发生器提供的超声波振动传输到一保持部件的工作面(33、41、57)，一压力加载器(22、23、39、55、59)，其用来将一压力载荷施加到超声波振动传播件的工作面上，以及一用来加热工作面附近的加热器(32、47、49、50、51、52、53)。
12.如权利要求11所述的部件安装装置，其特征在于，所述压力加载器(22、23、39、55、59)从一直接在工作面上方的位置沿垂直于工作面的方向将压力载荷施加到超声波振动传播件(34、38、54)的工作面(33、41、57)上。
13.如权利要求11所述的部件安装装置，其特征在于，所述加热器(32、51、52)安装成与所述超声波振动传播件(34、38、54)接触。
14.如权利要求11所述的部件安装装置，其特征在于，所述加热器(47、49、50、53)安装成与所述超声波振动传播件(34、38、54)不接触。
15.一部件安装装置，包括一部件馈送器(20)；一用来保持部件(2)并将部件安装到安装物体(3)上的安装头(5)；一用来固定安装物体的支承底座(8)；以及一定位装置(6、7)，其用来对着支承底座相对地移动安装头，以便将部件与安装物体对齐，其中，所述安装头包括一超声波振动发生器(24)；一振荡器(54)，其一端面(56)连接到超声波振动发生器，而另一端面用作为一工作面(57)工作，振荡器构造成提供到端面(56)的振动致使沿基本上平行于端面的方向在工作面内发生振动，并使一振荡模式的节点(58)形成在其中；以及一压力加载器(59、55、22)，其用来将一压力载荷(65)施加到振荡器的节点。
16.一部件安装装置，包括一部件馈送器(20)；一用来保持部件(2)并将部件安装到安装物体(3)上的安装头(5)；一用来固定安装物体的支承底座(8)；以及一定位装置(6、7)，其用来对着支承底座相对地移动安装头，以便将部件与安装物体对齐，其中，所述安装头包括一超声波振动发生器(24)；一振荡器(54)，其一端面(56)连接到超声波振动发生器，而另一端面用作为一工作面(57)工作，振荡器构造成提供到端面(56)的振动致使沿基本上平行于端面的方向在工作面内发生振动，并使一振荡模式的节点(58)形成在垂直于工作面的一轴线上；以及一压力加载器(59、55、22)，其用来将一压力载荷(65)施加到振荡器的节点。
17.如权利要求16所述的部件安装装置，其特征在于，安装一加热器(47、49、50、51、52、53)来加热振荡器(54)的工作面(57)的附近。
18.如权利要求17所述的部件安装装置，其特征在于，加热器(47、49)设置在支承振荡器(54)的节点(58)的支承支架(55)的各段内，诸段面向振荡器的两侧，而振荡器通过从加热器发出的辐射热被加热。
19.如权利要求14或18所述的部件安装装置，其特征在于，一热传导翅片(48)安装在振荡器(38、54)的至少任一侧壁上，或面向振荡器的支承支架(39、55)的一面上。
20.如权利要求13或17所述的部件安装装置，其特征在于，加热器包括一形成在振荡器(38、54)内的加热介质通道(51)，以及一用来将加热介质供应到加热介质通道的装置(52)。
21.如权利要求11或17所述的部件安装装置，其特征在于，超声波振动发生器(24)具有一冷却单元(43、66)，或一温度保持单元。
22.如权利要求11或17所述的部件安装装置，其特征在于，一温度控制器(44、67)安装在超声波振动发生器(24)内或其附近。
23.一超声波焊接头，包括一超声波振动发生器(24)，一振荡器(38、54)，其一端面连接到超声波振动发生器，而另一端面用作为一工作面工作，以及一加热器(47、49、50、51、52、53)，其用来在工作面(33、41、57)的附近提供热量。
24.如权利要求23所述的超声波焊接头，其特征在于，加热器(47、49)设置在各个面向振荡器(38、54)的两侧的位置内，而振荡器通过从加热器发出的辐射热被加热。
25.如权利要求24所述的超声波焊接头，其特征在于，加热器是一加热筒(47)，其设置在各个面向振荡器(38、54)的两侧的位置内。
26.如权利要求24所述的超声波焊接头，其特征在于，加热器是一陶瓷加热器(49)，其设置在各个面向振荡器(38、54)的两侧的位置内。
27.如权利要求23所述的超声波焊接头，其特征在于，加热器是热空气鼓风机(50)，其设置在各个面向振荡器(38、54)的两侧的位置内，以便将热空气吹到振荡器。
28.如权利要求24或27所述的超声波焊接头，其特征在于，热传导翅片(48)安装在振荡器(38、54)的至少任一侧壁上，或面向振荡器的一位置上。
29.如权利要求23所述的超声波焊接头，其特征在于，加热器包括一形成在振荡器(38、54)内的加热介质通道(51)，以及一用来将加热介质供应到加热介质通道的装置(52)。
30.如权利要求23所述的超声波焊接头，其特征在于，加热器是一用来将热射线发射到振荡器(38、54)的工作面(41、57)附近的装置(53)。
31.如权利要求23所述的超声波焊接头，其特征在于，加热器是一通过电磁感应来加热振荡器(38、54)的工作面(41、57)附近的装置。
32.如权利要求23所述的超声波焊接头，其特征在于，超声波振动发生器(24)具有冷却单元(43、66)和温度保持单元中的任何一个。
33.如权利要求23所述的超声波焊接头，其特征在于，一温度控制器(44、67)安装在超声波振动发生器(24)内或其附近。
34.如权利要求23所述的超声波焊接头，其特征在于，振荡器(38、54)的工作面(41、57)的附近由一可拆卸的分离片(41a、57a)形成。
35.如权利要求10、11和16中任何一项所述的部件安装装置，其特征在于，超声波振动传播件(38、54)的工作面(41、57)的附近由一可拆卸的分离片(41a、57a)形成。
全文摘要
一部件安装装置包括一部件馈送器(20)，其用来馈送带有其面向下的隆起电极的部件(2)，一用来将部件安装到一基底(3)上的安装头(5)，一用来固定基底的支承底座(8)，以及一定位装置(6、7)，其用来将部件与基底对齐。安装头包括一超声波振动发生器(24)，一超声波振动传播件(34、38、54)，其用来在平行于工作面振动时，将由超声波振动发生器提供的超声波振动传输到一保持部件的工作面(33、41、57)，一压力加载器(22、23、39、55、59)，其用来沿垂直于工作面的方向从一直接在工作面上方的一位置将一压力载荷施加到工作面上，以及一用来加热工作面附近的加热器(32、47、49、50、51、52、53)。由此，即使部件在其一表面上具有多个隆起电极(2a)，也可以高的可靠性实施超声波焊接。
文档编号B23K20/10GK1643652SQ0380713
公开日2005年7月20日 申请日期2003年3月27日 优先权日2002年3月27日
发明者南谷昌三, 前贵晴, 上野康晴, 山田晃, 金山真司, 秋田诚, 渡边展久, 毛利晃, 内藤浩幸, 丸茂伸也, 森川诚 申请人:松下电器产业株式会社