本发明涉及超声波接合方法、超声波接合夹具和接合结构。
背景技术：
以往，被按压在具有多个突起的触头和砧座之间的电极层压件利用振动而进行超声波接合。多个突起中的配置在最外周的突起例如是进行了倒角的倒角突起，所述倒角突起以在轮廓线上具有半径r的圆弧的方式进行倒角，所述圆弧在其一个方向的外部尺寸为a时，满足r≥a/6。由此，能够抑制超声波熔敷导致的电极层压件的破损(例如参照国际公开第2013/105361号小册子(第6页))。
另外，使用扭转超声波发生器的超声波熔敷接合方法已为公众所知(例如参照日本专利公开公报特表2013-538128号(第3页、图1～图3))。在超声波熔敷处理工艺中，扭转超声波发生器接触面具备沿着与扭转轴实质垂直的方向延伸的平坦的停止面。当从该停止面突出的突起部被压入部件时，接触面与部件结合。并且，由平坦的停止面确定了突起部相对于部件的进入深度。因此，超声波熔敷具有一定的强度。
在国际公开第2013/105361号的技术中，层压件进行超声波接合。在该技术中，对厚度相差较大的单层的部件进行接合时，难以充分抑制薄的部件产生裂纹。
另外，日本专利公开公报特表2013-538128号的技术与使用扭转超声波发生器的超声波熔敷处理工艺相关。将该技术应用于薄的部件时，有可能产生部件的变形和裂纹。
技术实现要素：
本发明的一个目的在于提供对厚度相差较大的部件彼此进行接合时，能够抑制裂纹产生的超声波接合方法、超声波接合夹具和接合结构。
本发明一个方式的超声波接合方法(本接合方法)包括以下步骤：将金属板和基材重叠；利用超声波接合夹具将所述金属板朝向所述基材按压；利用所述超声波接合夹具，在所述金属板上形成多个凹部、凹部之间平坦部和环状平坦部，所述凹部之间平坦部配置在所述多个凹部之间，所述环状平坦部包围所述多个凹部；以及使按压所述金属板的所述超声波接合夹具振动。
按照本接合方法，由于多个凹部不贯穿金属板，所以能够抑制金属板的强度变弱。并且，利用凹部之间平坦部和环状平坦部，能够限制超声波接合时的超声波接合夹具与金属板的相对振动。其结果，能够抑制金属板产生裂纹。
在本接合方法中，优选的是，还包括利用所述超声波接合夹具在所述金属板上进一步形成环状倾斜部的步骤，所述环状倾斜部包围所述环状平坦部并朝向径向外侧逐渐变厚。由此，利用包围环状平坦部的环状倾斜部，缓和了金属板中的由超声波接合夹具按压的部位和非按压部位的边界处的变形。因此，能够抑制金属板产生裂纹。
在本接合方法中，优选的是，形成所述凹部的步骤包含将所述凹部形成为具有大致矩形断面的步骤，使所述超声波接合夹具振动的步骤包含使所述超声波接合夹具沿着与所述凹部的大致矩形断面的一边垂直的方向振动的步骤。由此，能够将超声波振动良好地从突起向金属板传递，并且能够高效地对金属板和基材进行超声波接合。
在本接合方法中，优选的是，所述金属板是薄的单层金属板，所述基材是比所述金属板厚的单层金属板。由此，能够对厚度不同的单层金属板彼此进行超声波接合。
在本接合方法中，优选的是，所述金属板是柔性电路基板，所述基材是汇流条。由此，能够对极薄的柔性电路基板和远厚于柔性电路基板的汇流条进行超声波接合。
本发明一个方式的超声波接合夹具(本接合夹具)包括基部和顶端部，所述顶端部包括：多个突起；突起之间平坦部，形成在所述多个突起之间；以及环状平坦部，包围所述多个突起。
在本接合夹具中，优选的是，多个突起具有不贯穿金属板的高度。此时，能够抑制金属板的强度变弱。并且，边利用突起之间平坦部和包围多个突起的环状平坦部按压金属板边进行超声波接合。其结果，能够抑制金属板产生裂纹。
在本接合夹具中，优选的是，还包括环状退避部，所述环状退避部包围所述环状平坦部并以离开所述环状平坦部的方式倾斜。由此，利用环状退避部，缓和了金属板中的由本接合夹具按压的部位和非按压部位的边界处的变形。因此，能够抑制金属板产生裂纹。
本发明一个方式的接合结构(本接合结构)包括金属板与基材的接合部，所述接合部在所述金属板上具备多个凹部、配置在所述多个凹部之间的凹部之间平坦部以及包围所述多个凹部的环状平坦部。
按照本接合结构，由于多个凹部不贯穿金属板，所以能够抑制金属板的强度变弱。并且，边利用凹部之间平坦部和包围多个凹部的环状平坦部按压金属板边进行超声波接合。其结果，能够抑制金属板产生裂纹。
在本接合结构中，优选的是，所述接合部在所述金属板上还具备环状倾斜部，所述环状倾斜部包围所述环状平坦部并朝向径向外侧逐渐变厚。由此，利用包围环状平坦部且逐渐变厚的环状倾斜部，对接合部进行加强。因此，能够抑制金属板产生裂纹。
在本接合结构中，优选的是，所述金属板是薄的单层金属板，所述基材是比所述金属板厚的单层金属板。由此，能够对厚度不同的单层金属板彼此进行接合。
在本接合结构中，优选的是，所述金属板是柔性电路基板，所述基材是汇流条。由此，能够对极薄的柔性电路基板和远厚于柔性电路基板的汇流条进行接合。
附图说明
图1是表示实施方式1的超声波接合的原理图。
图2是表示实施方式1中使用的头部的顶端部的侧视图。
图3a是实施方式1中使用的头部的顶端部的仰视图，并且是图2的a向视图。图3b表示图3a的b-b断面，图3c表示图3a的c-c断面。
图4a～4c表示实施方式1的超声波接合，图4a表示铜箔与汇流条进行超声波接合的状态，图4b表示超声波接合后的接合部的状态，图4c是图4b的d向视图。
图5用于说明实施方式2的柔性电路基板与汇流条的超声波接合。
图6表示图5的e-e断面。
附图标记说明
1头部(超声波接合夹具)
2突起群
3突起部
4突起之间平坦部
5环状平坦部
6环状退避部
10汇流条(基材)
11铜箔(金属板)
12接合部
13凹部
14凹部之间平坦部
15环状平坦部
16环状倾斜部
20柔性电路基板
21基底膜
22铜箔部
27汇流条
28粘接部
30接合部
40支承台
具体实施方式
在下面的详细说明中，出于说明的目的，为了提供对所公开的实施方式的彻底的理解，提出了许多具体的细节。然而，显然可以在没有这些具体细节的前提下实施一个或更多的实施方式。在其它的情况下，为了简化制图，示意性地示出了公知的结构和装置。
以下，对本发明的超声波接合方法、超声波接合夹具和接合结构的实施方式进行说明。
(实施方式1)
参照图1至图4c，对实施方式1的超声波接合方法、超声波接合夹具和接合结构进行说明。
图1是超声波接合的原理图。铜箔11和汇流条10重叠地承载并固定在支承台40上。铜箔11由头部1朝向汇流条10按压。在该状态下，以规定的频率使头部1在水平方向进行超声波振动。由此，利用头部1的按压力和超声波振动，从铜箔11与汇流条10的接触面去除金属表面的氧化物和其它污垢。并且，在所述接触面中，利用由按压力和超声波振动所产生的摩擦发热，进行金属原子之间的结合。此外，铜箔11相当于本发明的金属板的一例，也可以是薄的单层金属板。汇流条10相当于本发明的基材的一例，也可以是比金属板厚的单层金属板。
以下，对本实施方式的超声波接合中使用的头部1进行说明。头部1相当于本发明的超声波接合夹具的一例。
如图2和图3a～图3c所示，头部1具有基部1a和顶端部1b。该顶端部1b具备突起群2、突起之间平坦部4、环状平坦部5和环状退避部6。突起群2具有呈岛状配置的多个突起部3。突起之间平坦部4是配置在相邻的突起部3之间的平坦面。环状平坦部5在突起群2的外侧沿着全周配置。环状平坦部5包含没有突起的平坦面，所述平坦面具有径向宽度e。环状退避部6在环状平坦部5的外侧沿着全周形成。
如图3a～图3c所示，突起部3具有四棱锥形状，所述四棱锥形状具有底边为q和r的矩形底面(断面)，且具有高度δ。突起部3具有如下的刚度：突起部3能够与支承台40一起向铜箔11和汇流条10在厚度方向赋予足够的夹持力，并且突起部3自身难以因从头部1施加的超声波振动所产生的力而变形。另外，根据铜箔11和汇流条10的材质，决定底边q的长度m、底边r的长度n和高度δ。此外，突起部3的形状只要是能满足突起部3所要求的性能(条件)的形状即可。例如，可以根据条件将底边q的长度m和底边r的长度n设定为相同的尺寸，也可以设定为不同的尺寸。另外，根据条件，高度δ可以比底边q的长度m和底边r更长、更短或者是m＝n＝δ。
此外，突起部3的高度设定为小于铜箔11的厚度。由此，能够抑制在突起群2和支承台40夹持铜箔11和汇流条10时，突起部3贯穿铜箔11。由此，由于突起群2不贯穿铜箔11，所以能够抑制铜箔11的强度变弱。在突起群2与支承台40一起夹持铜箔11和汇流条10时，突起群2能够对铜箔11与汇流条10的接触面赋予较高的接触力。其结果，能够利用超声波振动，高效地从金属表面去除氧化物和其它污垢，并且高效地进行金属原子之间的结合。
但是，即使在将突起部3的高度设定成小于铜箔11的厚度时，因突起部3与铜箔11的相对振动，也有可能在铜箔11上产生裂纹。为了抑制该问题，在相邻的突起部3之间设置有突起之间平坦部4。在突起群2与支承台40一起夹持铜箔11和汇流条10时，突起之间平坦部4与铜箔11接触，起到作为止动件的作用。因此，由于能够抑制突起部3与铜箔11的相对振动，所以能够抑制铜箔11产生裂纹。
突起群2所包含的各突起部3例如设定为底边q或者底边r的方向与超声波振动的方向垂直(大致垂直)。由此，能够使从头部1施加的超声波振动所产生的力良好地传递到铜箔11和汇流条10。并且，能够抑制铜箔11产生裂纹。另外，多个突起部3排列配置成具有纵向间隔t和横向间隔s的网格状。考虑铜箔11的尺寸、汇流条10的材质、夹持铜箔11和汇流条10的力的大小等，来决定纵向间隔t和横向间隔s。因此，纵向间隔t和横向间隔s既可以设定为相同的大小，也可以设定为不同的大小。另外，在图3a中，多个突起部3配置成网格状。也可以取而代之，将多个突起部3配置成交错格子状。
另外，如图2和图3a～图3c所示，在突起群2的外侧设置有环状平坦部5。环状平坦部5在突起群2的外侧沿着全周配置。环状平坦部5包含没有突起的平坦面，所述平坦面具有径向宽度e。环状平坦部5可以形成为与突起之间平坦部4为相同的高度水平。在突起群2和支承台40夹持铜箔11时，环状平坦部5和突起之间平坦部4协同动作，能够抑制突起群2与铜箔11的相对位移。即，突起之间平坦部4按压相邻的突起部3之间的铜箔11，能够抑制该部分的相对位移。并且，环状平坦部5能够抑制配置在突起群2的最外周的突起部3与铜箔11的相对位移。即，突起之间平坦部4和环状平坦部5能够在头部1的顶端部1b的整面按压铜箔11。因此，能够高效地抑制头部1与铜箔11的相对位移。其结果，能够抑制铜箔11产生裂纹。
对环状退避部6进行说明。在突起群2和支承台40夹持铜箔11和汇流条10时，铜箔11的由突起群2按压的部分略微凹陷变形。该凹陷变形在环状平坦部5的外侧敞开。即，在环状平坦部5的附近，铜箔11的形状(表面形状)急剧地变化。这成为铜箔11产生裂纹的原因。因此，如图2所示，为了缓和铜箔11在突起群2的外周边缘部的急剧变形，设置有环状退避部6。
环状退避部6包含以与环状平坦部5平滑地连续的方式形成的倾斜部6a和圆角部6b。倾斜部6a是相对于环状平坦部5倾斜2°～5°程度的面。圆角部6b是与倾斜部6a平滑地连续的曲面。利用具有这样的形状的环状退避部6，能够缓和铜箔11在环状平坦部5的外周边缘部的急剧变形，能够抑制铜箔11产生裂纹。此外，环状退避部6包含倾斜部6a和圆角部6b。也可以取而代之，环状退避部6只由倾斜部6a构成，或者只由圆角部6b构成。环状退避部6也可以构成为包围环状平坦部5且向所述基部1a的侧面倾斜。环状退避部6还可以构成为包围环状平坦部5并以离开环状平坦部5的方式倾斜。
下面根据图1～图4c，对超声波接合的工序进行说明。首先，在支承台40和头部1之间配置铜箔11和汇流条10(配置工序)。接着，利用头部1和支承台40在厚度方向夹入铜箔11和汇流条10(夹持工序)。接着，使头部1进行超声波振动。由此，头部1的按压力和超声波振动借助突起群2作用于铜箔11与汇流条10的接触面。其结果，从铜箔11和汇流条10的表面去除氧化物和其它污垢。并且，利用由按压力和超声波振动所产生的摩擦发热，进行金属原子之间的结合(接合工序)，从而完成了超声波接合。
在此，对夹持工序进一步进行说明。如图4a所示，突起部3的高度δ设定为小于铜箔11的厚度h。因此，在突起群2和支承台40夹持铜箔11时，突起部3不会贯穿铜箔11。图4b表示铜箔11和汇流条10完成接合的状态。如该图4b所示，形成于铜箔11的凹部13的顶端具有非贯穿部g。由此，能够抑制铜箔11的强度变弱。因此，在突起群2和支承台40夹持铜箔11时，能够对铜箔11与汇流条10的接触面赋予较高的接触力。其结果，能够利用超声波振动，高效地从金属表面去除氧化物和其它污垢，并且高效地进行金属原子之间的结合。
另外，凹部13也可以利用头部1而在铜箔11上形成为具有大致矩形断面。并且，头部1也可以沿着与凹部13的矩形断面的一边垂直(大致垂直)的方向进行振动(超声波振动)。
另外，突起之间平坦部4和环状平坦部5形成为相同的高度水平。在突起群2和支承台40夹持铜箔11和汇流条10时，突起之间平坦部4和环状平坦部5协同动作，能够抑制突起群2与铜箔11的相对位移。突起之间平坦部4主要抑制突起群2(突起部3)与夹持在突起部3之间的铜箔11的相对位移。环状平坦部5主要抑制配置在突起群2的最外周的突起部3与铜箔11的相对位移。由此，能够在突起群2的整面上高效地抑制突起部3与铜箔11的相对位移。其结果，能够抑制铜箔11产生裂纹。
并且，如图4a所示，在突起群2和支承台40夹持铜箔11和汇流条10时，铜箔11的表面以深度j凹陷。此时，在环状平坦部5的附近，铜箔11容易在铜箔11的表面11a的凹陷部分和未凹陷部分的边界部处产生裂纹。因此，在环状平坦部5的外周边缘部设置有环状退避部6。利用该环状退避部6，能够缓和铜箔11在环状平坦部5的外周边缘部的急剧变形。其结果，能够抑制铜箔11产生裂纹。
如图4a～图4c所示，在由头部1按压的铜箔11的表面形成有接合部12。接合部12与铜箔11的表面11a相比略微凹陷。利用头部1，在接合部12(铜箔11)上形成有：包含呈岛状配置(形成)的多个凹部13的凹部群、凹部之间平坦部14、环状平坦部15和环状倾斜部16。凹部之间平坦部14形成(配置)在相邻的凹部13之间。环状平坦部15在凹部群的外侧包围全周。环状平坦部15没有形成凹部。环状倾斜部16在环状平坦部15的外侧包围全周。环状倾斜部16的壁厚例如朝向径向外侧逐渐变厚。利用具有这样的形状的接合部12，能够抑制铜箔11产生裂纹，并且能够使铜箔11与汇流条10良好地进行超声波接合。
(实施方式2)
下面参照图5和图6，对实施方式2的超声波接合方法、超声波接合夹具和接合结构进行说明。另外，对与所述实施方式1相同的结构要素采用相同的附图标记，并省略了其说明。
在实施方式2的超声波接合方法和接合结构中，通过由超声波接合形成接合部30，从而将柔性电路基板20和汇流条27接合。此外，在图5中表示了两个接合部30。但是，接合部30的个数不限定于两个。接合部30例如也可以根据流向柔性电路基板20的电流的大小，而设置一个、三个或者四个以上。柔性电路基板20相当于本发明的金属板或者金属薄板的一例。汇流条27相当于本发明的基材的一例。
如图5和图6所示，柔性电路基板20包含构成电路的铜箔部22、23、24、25、26以及使该铜箔部22、23、24、25、26绝缘的基底膜21。铜箔部22、23、24、25、26相当于本发明的金属箔的一例。柔性电路基板20具有已形成在基底膜21上的电路的图案。因此，通过使用柔性电路基板20，能够使布线工作省力化。另外，由于柔性电路基板20极薄且能够自由地弯曲，所以能够配置在设备的细小的间隙中。如此，柔性电路基板20自由弯曲地使用。因此，外力从所有方向作用于接合部30。
柔性电路基板20的基底膜21例如由具有25μm程度的厚度的聚酰亚胺形成。基底膜21包含基底材料21c和覆盖材料21a。柔性电路基板20的铜箔部22、23、24、25、26以下述方式形成。首先，利用粘接剂21b将具有35μm程度的厚度的铜箔粘接在基底材料21c上。通过在该铜箔上应用印刷技术，将构成所期望的电路图案的铜箔部22、23、24、25、26形成在基底材料21c上。并且，根据需要，在铜箔部22、23、24、25、26的上方粘接覆盖材料21a。利用该覆盖材料21a，使构成电路的铜箔部22、23、24、25、26绝缘，并且对极薄的铜箔部22、23、24、25、26进行保护和加强。此外，也可以省略覆盖材料21a。
以下，对铜箔部22与汇流条27的超声波接合的例子进行说明。如图6所示，汇流条27是具有1.5mm程度的厚度的铜板等单层的金属板。另一方面，铜箔是具有35μm程度的厚度的单层的薄板金属。即，两个部件的厚度相差较大。以往难以使用自动化生产线大量、稳定地对这样的具有相差较大的厚度的两个金属部件进行接合。
如图6所示，在柔性电路基板20的覆盖铜箔部22的基底材料21c和覆盖材料21a上，形成有开口部21d和开口部21e。其结果，在柔性电路基板20上形成有铜箔露出部22a(铜箔部22的露出部分)。除了铜箔露出部22a之外，利用粘接部28将柔性电路基板20的基底材料21c与汇流条27固定。并且，使头部1接触柔性电路基板20的铜箔露出部22a。铜箔露出部22a和汇流条27被夹入头部1和支承台40之间。在该状态下使头部1进行超声波振动时，在夹持于头部1和支承台40之间的铜箔露出部22a和汇流条27上形成接合部30。利用该接合部30，将柔性电路基板20的铜箔部22与汇流条27电连接。
在此，进一步对将铜箔露出部22a和汇流条27夹入头部1和支承台40之间的夹持工序进行说明。如图6所示，在铜箔部22的铜箔露出部22a与汇流条27之间，利用基底材料21c和粘接部28形成有间隙。因此，在夹持工序中，薄的铜箔部22大幅变形，对薄的铜箔部22施加较大的压力。因此，在铜箔部22(铜箔露出部22a)上容易产生裂纹。但是，在柔性电路基板20的基底材料21c与汇流条27之间设置有粘接部28。因此，利用粘接部28吸收夹持工序中在铜箔部22上产生的较大的压力。其结果，能够降低夹持工序中的变形的影响。另外，超声波接合部位(接合部30)的周围由粘接部28固定。由此，即使在焊接后，也能够由粘接部28将作用于接合部30的外力分散。其结果，能够降低接合部30所承受的负荷。
另外，在本实施方式中，利用头部1形成的接合部30在铜箔露出部22a上具备：包含呈岛状形成的多个凹部的凹部群、形成于相邻的凹部之间的凹部之间平坦部、在凹部群的外侧包围全周且未形成凹部的环状平坦部、以及在环状平坦部的外侧包围全周的环状倾斜部。因此，能够抑制铜箔部22产生裂纹。并且，柔性电路基板20的基底材料21c与汇流条27之间的粘接部28吸收夹持工序中的变形。因此，能够有效地抑制铜箔部22产生裂纹。
以上根据附图对本发明的实施方式进行了说明。但是本发明的技术的具体构成不限定于这些实施方式。可以在不脱离本发明的技术的要旨的范围内对上述实施方式进行变更，也可以追加其它结构或者工序。
例如，在所述实施方式1、2中，形成于头部1的突起部3具有四棱锥形状。但是，突起部3的形状不限定于此，也可以是三棱锥形状和五棱锥形状等多棱锥形状、三棱锥台形状和四棱锥台形状等棱锥台形状、圆锥形状、以及长方体形状等。
本发明的实施方式也可以是以下的第一～第五超声波接合方法、第一和第二超声波接合夹具以及第一～第四接合结构。
第一超声波接合方法是边使形成有多个突起的头部振动边将所述头部按压抵接于金属板，将金属板与基材接合的超声波接合方法，其特征在于，形成不贯穿所述金属板的多个凹部，在所述多个凹部之间形成凹部之间平坦部，形成包围所述多个凹部的环状平坦部。
第二超声波接合方法在第一超声波接合方法的基础上，还形成环状倾斜部，所述环状倾斜部包围所述环状平坦部，并且使所述金属板的壁厚朝向径向外侧逐渐变厚。
第三超声波接合方法在第一或者第二超声波接合方法的基础上，所述凹部形成为大致矩形，使所述头部在与所述凹部的一边垂直的方向上振动。
第四超声波接合方法在第一～第三超声波接合方法中的任意一种超声波接合方法的基础上，所述金属板是薄的单层金属板，所述基材是比所述金属板厚的单层金属板。
第五超声波接合方法在第一～第四超声波接合方法中的任意一种超声波接合方法的基础上，所述金属板是柔性电路基板，所述基材是汇流条。
第一超声波接合夹具是用于对金属板和基材进行超声波接合的夹具，其包括：多个突起，具有不贯穿所述金属板的高度；突起之间平坦部，形成在所述多个突起之间；以及环状平坦部，包围所述多个突起。
第二超声波接合夹具在第一超声波接合夹具的基础上，还包括环状退避部，所述环状退避部包围所述环状平坦部，并且以相对于所述环状平坦部敞开的方式倾斜。
第一接合结构是将金属板与基材接合的接合结构，其包括：多个凹部，具有不贯穿所述金属板的深度；凹部之间平坦部，形成在所述多个凹部之间；以及环状平坦部，包围所述多个凹部。
第二接合结构在第一接合结构的基础上，还包括环状倾斜部，所述环状倾斜部包围所述环状平坦部，并且使所述金属板的壁厚逐渐变厚。
第三接合结构在第一或者第二接合结构的基础上，所述金属板是薄的单层金属板，所述基材是比所述金属板厚的单层金属板。
第四接合结构在第一～第三接合结构的基础上，所述金属板是柔性电路基板，所述基材是汇流条。
出于示例和说明的目的已经给出了所述详细的说明。根据上面的教导，许多变形和改变都是可能的。所述的详细说明并非没有遗漏或者旨在限制在这里说明的主题。尽管已经通过文字以特有的结构特征和/或方法过程对所述主题进行了说明，但应当理解的是，权利要求书中所限定的主题不是必须限于所述的具体特征或者具体过程。更确切地说，将所述的具体特征和具体过程作为实施权利要求书的示例进行了说明。