CN102077334A - 焊接装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的焊接装置包括：与超声波振子(13)的振动共振、沿着中心轴(15)方向纵向振动的超声波模具(12)，安装在超声波模具(12)的振动波腹的毛细管(17)，设在超声波模具(12)的振动波节的凸缘(14)，焊接臂(21)，安装在焊接臂(21)的回转中心(43)和凸缘安装面(22)之间的载荷传感器(31)，以及振动载荷检测部(50)，由带通滤波器从载荷传感器(31)取得的信号，抽出处于超声波振子的振动频率附近的频带的信号，检测施加在毛细管(17)前端(17a)的超声波模具(12)的中心轴(15)方向的振动载荷。由此，在焊接装置中能以简单构成检测施加在焊接工具前端的振动载荷。

Description

焊接装置
技术领域
本发明涉及焊接装置的结构。
背景技术
在半导体装置的制造工序中，大多使用以金属细线的引线连接作为半导体芯片电极的焊接点(pad)和作为引脚框电极的引脚之间的引线焊接装置。引线焊接装置大多设有由驱动电机驱动回转的焊接臂，安装在焊接臂的超声波模具(horn)，安装在超声波模具前端的毛细管，以及安装在超声波模具的超声波振子，驱动焊接臂回转，使得毛细管相对焊接点或引脚沿接离方向移动，将形成在毛细管前端的初始球压焊在焊接点，引线压焊在引脚，同时，通过超声波振子使得超声波模具共振，将超声波振动赋与毛细管前端，进行焊接。
引线焊接装置的控制部分别控制施加到驱动电机的电流值及施加到超声波振子的电流值，控制在焊接动作时赋与预先设定的所定的焊接载荷、超声波输出。
在这种引线焊接装置中，为了进行良好的焊接，在焊接动作中，需要检测从毛细管赋与焊接点、引脚的焊接载荷、超声波输出等进行反馈。
为此，在专利文献1中，提出在超声波模具安装应变仪，用该应变仪检测焊接载荷和超声波输出，控制驱动电机以及向超声波振子的施加电压。
在专利文献2中，提出在毛细管和超声波振子之间的相同面上设置使用压电材料的载荷检测用传感器以及超声波振动检测用传感器，根据各自输出，检测焊接载荷和超声波振动的输出。
[专利文献1]日本特开平10-256320号公报
[专利文献2]日本专利第3530139号公报
另一方面，焊接时，毛细管前端的超声波振动状态，从接合开始到初始球接合中途、初始球接合结束的各时刻变化，施加到毛细管前端的振动载荷也变化。但是，在专利文献1及2记载的以往技术中，尽管能检测超声波模具本身的超声波输出变化，但不能检测与超声波模具整体振动相比为非常微小振动的毛细管前端的振动变化。
又，专利文献1及2记载的以往技术哪一个都是将载荷传感器安装在超声波模具的产生超声波振动振幅的部位，由于安装在超声波模具的传感器会对超声波振动给与影响，因此，存在因安装传感器对焊接性能产生影响的问题。再有，更换超声波模具时也需要更换传感器，每当更换超声波模具，需要调整校准等，存在维修保养化费时间问题。
发明内容
本发明的目的在于，在焊接装置中，以简单结构检测施加到焊接工具前端的振动载荷。
为了达到上述目的，本发明的焊接装置的特征在于，包括：
基体部；
超声波模具，与超声波振子振动共振，沿着长度方向纵向振动；
焊接工具，安装在超声波模具的振动波腹；
凸缘，设在超声波模具的振动波节；
焊接臂，包含固定超声波模具凸缘的凸缘安装面，安装成基体部回转自如，使得焊接工具前端相对焊接对象沿着接离方向动作；
载荷传感器，安装在焊接臂的回转中心和凸缘安装面之间；
振动载荷检测部，由使得处于超声波振子的振动频率附近的频带的信号通过的滤波器，从载荷传感器取得的信号，抽出处于超声波振子的振动频率附近的频带的信号，根据所抽出的信号，检测施加在焊接工具前端的超声波模具长度方向的振动载荷。
在本发明的焊接装置中，较好的是，振动载荷检测部设有接合状态判定装置，根据所检测到的施加到焊接工具前端的超声波模具长度方向的振动载荷的振幅变化，判定形成在焊接工具前端的初始球和焊接对象之间的接合状态，输出接合状态信号。又，较好的是，振动载荷检测部的接合状态判定装置将焊接开始后施加在焊接工具前端的超声波模具长度方向的振动载荷的振幅增大的振幅增大期间以及振幅增大期间后振幅成为大致一定的振幅稳定期间，判定为形成在焊接工具前端的初始球压塌、与焊接对象接合的接合中途状态，输出接合中途状态信号，当振幅比振幅稳定期间的振幅增大后，经过所定时间场合，判定为接合结束，输出接合结束信号。
在本发明的焊接装置中，较好的是，包括与振动载荷检测部连接、使得超声波振子输出变化的控制部；控制部设有超声波振动停止装置，当从振动载荷检测部向控制部输入接合结束信号场合，该超声波振动停止装置使得超声波振子输出停止。又，较好的是，控制部设有超声波振动变化装置，当由振动载荷检测部检测出的振幅稳定期间的振幅比所定值小的场合，使得超声波振子输出比预先设定的输出增大，当振幅稳定期间的振幅比所定值大的场合，使得超声波振子输出比预先设定的输出减少。
下面说明本发明效果。
本发明具有在焊接装置中能以简单构成检测施加在焊接工具前端的振动载荷的效果。
附图说明
图1是表示本发明实施形态的引线焊接装置结构的说明图。
图2(a)是表示本发明实施形态的引线焊接装置的焊接臂的上面的平面图，图2(b)是表示本发明实施形态的引线焊接装置的焊接臂的下面的平面图。
图3是表示本发明实施形态的引线焊接装置的超声波振动的模式图。
图4是表示本发明实施形态的引线焊接装置的振动载荷检测部的信号处理的说明图。
图5(a)是表示本发明实施形态的引线焊接装置的焊接时的初始球状态变化的说明图，图5(b)是表示本发明实施形态的引线焊接装置的焊接时的初始球状态变化的说明图。
图6是表示本发明实施形态的引线焊接装置的超声波振子的输出调整的流程图。
符号说明如下：
10    引线焊接装置
11    焊接头
12    超声波模具
13    超声波振子
14    凸缘
15，28    中心轴
16    螺栓
17    毛细管
17a   前端
18    初始球
19    压焊球
21    焊接臂
21a   前端侧部分
21b   后端侧部分
22    凸缘安装面
23，25    缝隙
24    连接部
26    槽
27    螺钉
29    凹部
30    回转轴
31    载荷传感器
33    焊接台
34    半导体芯片
35    基板
41    焊接面
43    回转中心
45    驱动电机
50    振动载荷检测部
51    狭带通滤波器
60    控制部
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的较佳实施形态。如图1所示，本实施形态的引线焊接装置10包括作为基体部的焊接头11，超声波振子13，超声波模具12，作为焊接工具的毛细管17，设在超声波模具12的凸缘14，焊接臂21，载荷传感器31，驱动电机45，振动载荷检测部50，控制部60，吸附固定作为焊接对象的半导体芯片34及基板35的焊接台33。
在焊接头11上设有驱动焊接臂21回转的驱动电机45。超声波振子13系叠合多片压电元件构成，安装在超声波模具12的后端侧。又，在超声波模具12前端安装毛细管17。凸缘14设在后文说明的成为超声波模具12的振动波节的位置，凸缘14由螺栓16固定在焊接臂21前端的凸缘安装面22上。
焊接臂21安装为绕设在焊接头11的回转轴30回转自如。焊接臂21的回转中心43与吸附在焊接台33上的基板35的表面或安装在基板35的半导体芯片34的表面位于同一面上。
焊接臂21沿着超声波模具12的中心轴15的方向延伸，大致呈长方体，包括具有凸缘安装面22的前端侧部分21a，以及包含回转中心43的后端侧部分21b，薄板状连接部24设在包含超声波模具12的中心轴15的高度方向位置(Z方向位置)，通过该连接部24连接前端侧部分21a和后端侧部分21b。在连接部24的焊接面41侧以及焊接面41的相反侧，在焊接臂21的前端侧部分21a和后端侧部分21b之间，设有细的缝隙23，25。在焊接臂21的与焊接面41相反侧、即Z方向上侧，设有用于安装载荷传感器31的槽26。槽26设置为与焊接臂21的前端侧部分21a和后端侧部分21b之间对向。安装在槽26的载荷传感器31构成为由从焊接臂21的前端侧部分21a向着后端侧部分21b拧入的螺钉27，夹入前端侧部分21a和后端侧部分21b之间被加压。载荷传感器31的中心轴28安装为从超声波模具12的中心轴15沿着焊接面41和毛细管17的前端17a的接离方向即Z方向偏离距离L。
如图2(a)所示，载荷传感器31安装在焊接臂21的宽度方向中央部，螺钉27设在载荷传感器31的两侧。又，如图2(b)所示，在焊接臂21的焊接面41侧，设有收纳超声波模具12和超声波振子13的凹部29。
如图3所示，超声波模具12因超声波振子13沿着中心轴15方向、即长度方向共振，进行纵向振动。在此，所谓纵向振动是指振动传递方向和振幅方向为同一方向的振动。如图3模式所示，超声波模具12因安装在后端的超声波振子13的振动，在安装超声波振子13的后端和安装毛细管17的前端之间，以后端和前端成为振动波腹的共振模式振动。并且，在后端和前端之间产生的振动波节，也就是即使处于共振状态也不振动的部位，设有将超声波模具12固定在焊接臂21的凸缘14。凸缘14由螺栓16固定在焊接臂21的凸缘安装面22上。凸缘14不因超声波模具12共振而振动，因此，因超声波模具12共振引起的超声波振动不传递到焊接臂21的凸缘安装面22。因此，因超声波模具12共振引起的超声波振动也不会传递到设在焊接臂21的载荷传感器31。图3是用于说明焊接臂21和超声波模具12、凸缘14、螺栓16的关系的模式图，凸缘14从超声波模具12朝着作为水平面的XY面方向延伸，将该凸缘14表示为纵方向。又，图3(b)模式表示超声波模具12的振幅，将沿中心轴15方向的振幅作为与中心轴15垂直方向的振幅表示。
如图1所示，载荷传感器31与振动载荷检测部50连接，在其内部包含使得处于超声波振子的振动频率附近的频带的信号通过的带通滤波器，从载荷传感器31检测到的信号，能检测施加在毛细管17前端17a的超声波模具12的沿中心轴15方向的振动载荷。又，超声波振子13，驱动电机45，以及振动载荷检测部50与控制部60连接，根据控制部60的指令，控制超声波振子13的输出以及驱动电机45的回转方向及输出，由振动载荷检测部50检测到的振动载荷输入控制部60。
振动载荷检测部50及控制部60既可以由内部包含CPU及存储器等的计算机构成，也可以由电气电路构成检测、控制系统构成。
说明在上述构成的引线焊接装置10的焊接动作中施加在毛细管17前端17a的超声波模具12的沿中心轴15方向的振动载荷的检测动作。
图1所示控制部60通过没有图示的放电焊枪等使得从毛细管17前端17a伸出的引线前端形成环状的初始球18。接着，控制部60输出驱动上述驱动电机45的指令。驱动电机45根据该指令开始回转，使得毛细管17向着半导体芯片34上开始下降。又，控制部60输出使得超声波振子13开始振动的指令。根据该指令，对超声波振子13施加能与焊接条件对应输出预先设定的振动输出的电压。
毛细管17前端形成的初始球18与半导体芯片34表面相接前，如图3所示，超声波模具12与超声波振子13振动共振，实行安装毛细管17的前端和安装超声波振子13的后端为振动波腹的纵向振动。凸缘14配置在振动的波节位置，因此，在超声波模具12的共振中不振动，载荷传感器31也没有检测到载荷。
若焊接臂21下降，初始球18接触到半导体芯片34焊接点上，则毛细管17将初始球18向着焊接点开始推压。于是，因施加到毛细管17的Z方向的推压力，对超声波模具12施加弯曲力矩。该弯曲力矩从凸缘14传递到焊接臂21的前端侧部分21a。并且，焊接臂21的前端侧部分21a将薄板状的连接部24作为回转枢纽，朝着顺时钟方向回转。因该回转弯矩，载荷传感器31压缩，载荷传感器31开始检测毛细管17的接地载荷。
如图5(a)所示，毛细管17因超声波模具12振动沿着超声波模具12的中心轴15方向振动，因此，初始球18与半导体芯片34的焊接点相接，则焊接点和初始球18之间产生摩擦力，因该摩擦力，振动载荷施加到毛细管17的前端17a。该振动载荷在毛细管17传递，使得超声波模具12整体沿中心轴15方向振动，因此，没有受到因超声波模具12共振引起的振动传递的凸缘14也同样沿中心轴15方向振动。由此，焊接臂21的凸缘安装面22也同样沿超声波模具12的中心轴15方向振动，其振动载荷由载荷传感器31检测。此时，超声波模具12的沿中心轴15方向的共振频率和在毛细管17的前端17a产生的超声波模具12的沿中心轴15方向的振动频率大致相同。
在毛细管17的前端17a产生的沿超声波模具12的中心轴15方向施加的振动载荷，与在毛细管17前端的沿与超声波模具12的中心轴15垂直方向即Z方向的接地载荷相比非常小，因此，由载荷传感器31检测到的载荷如图4(a)所示，几乎成为接地载荷信号。另一方面，在毛细管17的前端17a产生的沿超声波模具12的中心轴15方向施加的振动载荷与超声波模具12振动频率大致相同，因此，如图4(b)所示，若使其通过包含在振动载荷检测部50的将超声波模具12的振动频率fo设为中心频率的狭频带滤波器51，仅仅抽出处于超声波模具12的振动频带附近的信号，则如图4(c)所示，可以从载荷传感器31的输出抽出在毛细管17的前端17a产生的沿超声波模具12的中心轴15方向施加的振动载荷信号。接着，根据抽出信号的振幅，能检测出振动载荷的大小。
下面，说明超声波振动停止手段(装置)和超声波振动变化手段(装置)，其根据上述检测到的振动载荷，检测初始球18和半导体芯片34的焊接点之间的接合状态的变化，以及焊接中途调整超声波振子13的输出。
如图6的步骤S101所示，若开始焊接动作，则振动载荷检测部50取得来自载荷传感器31的信号。接着，如图6的步骤S102所示，使得检测到的信号通过狭频带滤波器51，仅仅抽出处于超声波模具12的振动频带附近的信号，如图6的步骤S103所示，检测振动载荷。
如图5(a)所示，若毛细管17的前端17a的初始球18与半导体芯片34的焊接点相接，则在初始球18和焊接点之间施加毛细管17的沿超声波模具12的中心轴15方向的振动载荷。如图4(c)的期间A所示，初始球18接地前为零的由狭频带滤波器51抽出的振动载荷的振幅，随着初始球18由毛细管17的前端17a推压在焊接点上，毛细管17的接地载荷变大而增大。接着，如图4(c)的期间B所示，若初始球18沿毛细管17的前端17a的形状压塌，则振动载荷的振幅增大停止，在一段时间里该振幅状态持续。接着，如图5(b)所示，若初始球18与半导体芯片34的焊接点接合，成为压焊球19，则毛细管17的前端17a沿超声波模具12的中心轴15方向的移动被限制，因此，振动载荷再次增大。图4(c)所示期间A为振幅增大期间，图4(c)所示期间B为振幅稳定期间。
从振动载荷检测部50取得检测到的振动载荷，振动载荷检测部50判断其振动载荷的振幅是否从零增大的振幅增大期间还是振幅稳定期间。关于是否振幅增大期间，可以计算振幅相对时间的增加比例，该增加比例超过阈值场合，判断为振幅增大期间。又，关于是否振幅稳定期间，当振幅相对时间的变化率超过阈值场合，可以判断振幅进入上限及下限的阈值。
如图6的步骤S104所示，振动载荷检测部50判断焊接中的毛细管17的沿超声波模具12的中心轴15方向的振动载荷振幅变化处于振幅增大期间或振幅稳定期间，当判断为处于振幅增大期间或振幅稳定期间场合，如图6的步骤S105所示，振动载荷检测部50输出表示焊接状态为接合中途的接合中途信号。又，当振动载荷检测部50判断毛细管17的沿超声波模具12的中心轴15方向的振动载荷振幅变化既不处于振幅增大期间也不处于振幅稳定期间场合，如图6的步骤S109所示，判断是否经过所定时间，若没有经过所定时间，如图6的步骤S105所示，输出接合中途信号。并且，当振动载荷检测部50判断毛细管17的沿超声波模具12的中心轴15方向的振动载荷振幅变化既不处于振幅增大期间也不处于振幅稳定期间场合，且在步骤S109判断经过所定时间场合，如图6的步骤S110所示，输出接合结束信号。
控制部60与振动载荷检测部50连接，当从振动载荷检测部50向控制部60输入接合中途信号场合，如图6的步骤S106所示，控制部60比较检测到的振动载荷的振幅和预先设定的与超声波振子13输出对应的振动载荷的振幅，当检测到的振动载荷的振幅比预先设定的与超声波振子13输出对应的振动载荷的振幅小场合，判断接合时的超声波振子13的输出不足，如图6的步骤S107所示，增大超声波振子13的输出。另一方面，当检测到的振动载荷的振幅比预先设定的与超声波振子13输出对应的振动载荷的振幅大场合，判断接合时的超声波振子13的输出过剩，如图6的步骤S108所示，降低超声波振子13的输出(超声波振动变化手段)。
又，当从振动载荷检测部50输入接合结束信号场合，初始球18压焊结束，判断没有必要由超声波振子13进行超声波加振，如图6的步骤S111所示，停止向超声波振子13供给电压，停止超声波振子13(超声波振动停止手段)。
如上所述，本实施形态的引线焊接装置10能通过简单结构检测焊接中施加到毛细管17的前端17a的振动载荷，因此，具有能常时确认焊接中途的毛细管17的动作的效果。又，本实施形态能判断焊接中途的初始球18和焊接对象的接合状态，因此，具有能根据接合状态增加或减少超声波振子13的输出、合适地控制焊接条件提高焊接质量的效果。再有，能根据施加在毛细管17的前端17a的振动载荷变化判断接合结束，接合结束后立刻停止超声波振子13输出，移到下一工序，因此，具有能实行更正确的接合、且能缩短焊接时间的效果。
又，通过常时比较检测到的施加在毛细管17的前端17a的振动载荷变化和通常状态的振动载荷变化，能迅速把握发生异常振动，具有能检测焊接异常的效果。
在本实施形态中，说明使用以超声波振动频率为中心频率的狭频带的带通滤波器，作为从载荷传感器31的信号仅仅抽出处于超声波模具12的振动频带附近的信号的滤波器，但是，本发明并不局限于此，也可以构成为组合在超声波振动频率附近有截止频率的低通滤波器和高通滤波器，仅仅抽出处于超声波模具12的振动频带附近的信号。
又，在上述实施形态说明中，说明引线焊接装置，但是，本发明并不局限于引线焊接装置，也可以适用于凸块(bump)焊接装置等其他焊接装置。
本发明并不局限于上述说明的实施形态，包含不脱离由权利要求书规定的本发明技术范围或本质的全部变更及修正，它们都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种焊接装置，包括：
基体部；
超声波模具，与超声波振子振动共振，沿着长度方向纵向振动；
焊接工具，安装在超声波模具的振动波腹；
凸缘，设在超声波模具的振动波节；
焊接臂，包含固定超声波模具凸缘的凸缘安装面，安装成基体部回转自如，使得焊接工具前端相对焊接对象沿着接离方向动作；
载荷传感器，安装在焊接臂的回转中心和凸缘安装面之间；
振动载荷检测部，由使得处于超声波振子的振动频率附近的频带的信号通过的滤波器，从载荷传感器取得的信号，抽出处于超声波振子的振动频率附近的频带的信号，根据所抽出的信号，检测施加在焊接工具前端的超声波模具长度方向的振动载荷。
2.根据权利要求1中所述的焊接装置，其特征在于：
振动载荷检测部设有接合状态判定装置，根据所检测到的施加到焊接工具前端的超声波模具长度方向的振动载荷的振幅变化，判定形成在焊接工具前端的初始球和焊接对象之间的接合状态，输出接合状态信号。
3.根据权利要求2中所述的焊接装置，其特征在于：
振动载荷检测部的接合状态判定装置将焊接开始后施加在焊接工具前端的超声波模具长度方向的振动载荷的振幅增大的振幅增大期间以及振幅增大期间后振幅成为大致一定的振幅稳定期间，判定为形成在焊接工具前端的初始球压塌、与焊接对象接合的接合中途状态，输出接合中途状态信号，当振幅比振幅稳定期间的振幅增大后，经过所定时间场合，判定为接合结束，输出接合结束信号。
4.根据权利要求3中所述的焊接装置，其特征在于：
包括与振动载荷检测部连接、使得超声波振子输出变化的控制部；
控制部设有超声波振动停止装置，当从振动载荷检测部向控制部输入接合结束信号场合，该超声波振动停止装置使得超声波振子输出停止。
5.根据权利要求3中所述的焊接装置，其特征在于：
控制部设有超声波振动变化装置，当由振动载荷检测部检测出的振幅稳定期间的振幅比所定值小的场合，使得超声波振子输出比预先设定的输出增大，当振幅稳定期间的振幅比所定值大的场合，使得超声波振子输出比预先设定的输出减少。
6.根据权利要求4中所述的焊接装置，其特征在于：
控制部设有超声波振动变化装置，当由振动载荷检测部检测出的振幅稳定期间的振幅比所定值小的场合，使得超声波振子输出比预先设定的输出增大，当振幅稳定期间的振幅比所定值大的场合，使得超声波振子输出比预先设定的输出减少。
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