CN103658963B - 焊接劈刀 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种可以长期维持足够的接合强度的焊接劈刀。具体为，提供一种焊接劈刀，其特征为，具备具有进行丝焊的顶端面的本体部，所述顶端面具有微小的凹凸形状，所述凹凸形状中的凸部顶端的尖比所述凹凸形状中的凹部顶端的尖小。该焊接劈刀中，在垂直于顶端面的方向观察时的所述凸部的顶端面积比所述凹部的顶端面积大。

Description

焊接劈刀
技术领域
本发明的形态涉及一种焊接劈刀，具体而言，涉及一种适合于用铜等硬的焊丝进行结线时的焊接劈刀。
背景技术
在用金属细线将半导体元件与引线框架的引线进行结线的丝焊中，使用焊接劈刀将金属细线（焊丝）的一端压接于电极垫（第一焊点），接下来拉着金属细线压接于引线（第二焊点）。在压接金属细线时，在用焊接劈刀按压金属细线的状态下施加超声波，由此实现牢固的压接。
近年来，使用成本比金低的铜作为焊丝材料的尝试有所扩大。但是，在铜线的焊接中，由于铜线硬所以难以得到高的接合强度，且焊接劈刀的顶端部容易磨损。因此，存在焊接劈刀的更换频率与使用金线的情况相比变高的问题。
在专利文献1中公开了一种焊接劈刀，由于在焊接劈刀的顶端面形成圆形的凸凹，因此在顶端面的付着物变少，从而可以使寿命延长。另外，在专利文献2中公开了以下构成，作为可以使寿命延长的焊接劈刀，材料的粒子结构在焊接劈刀的顶端部的局部露出。
但是，在专利文献1、2中的任一个技术中，都在为了提高对焊丝的夹紧力或长期维持初期的接合强度方面存在改善的余地。尤其在使用铜线等比金线硬的焊丝的情况下，接合强度的降低或磨损所导致的寿命降低的问题变得显著。
专利文献1：日本国实开昭62－190343号公报
专利文献2：日本国特表2009－540624号公报
发明内容
本发明是基于这样的课题认识而进行的，其目的在于提供一种能够长期维持足够的接合强度的焊接劈刀。
第1个发明是一种焊接劈刀，其特征为，具备具有进行丝焊的顶端面的本体部，所述顶端面具有微小的凹凸形状，所述凹凸形状中的凸部顶端的尖比所述凹凸形状中的凹部顶端的尖小。
根据该焊接劈刀，能够在确保初期的接合强度的同时，即使反复进行焊接也可以长期维持该接合强度。
而且，第2个发明是，在第1个发明的焊接劈刀中，其特征为，在垂直于所述顶端面的方向观察时的所述凸部的面积比所述凹部的面积大。
根据该焊接劈刀，因为与细丝接触的面积增加，同时朝向凹部成为陡坡，所以顶端表面与焊丝之间的夹紧力增加。
而且，第3个发明是，在第2个发明的焊接劈刀中，其特征为，所述顶端面的偏斜度为－0.3以下，且所述顶端面的平均高度为0.06微米以上0.3微米以下。
根据该焊接劈刀，伴随使用中的磨损而产生的形状变化少，即使反复进行焊接也可以长期维持初期的接合强度。
而且，第4个发明是，在第2个发明的焊接劈刀中，其特征为，所述顶端面的偏斜度为－0.43以下，且所述顶端面的平均高度为0.16微米以上0.3微米以下。
根据该焊接劈刀，伴随使用中的磨损而产生的形状变化更少，即使反复进行焊接也可以长期维持初期的接合强度。
而且，第5个发明是，在第3或第4个发明的焊接劈刀中，其特征为，所述顶端面的最大波峰高度为所述平均高度的0.9倍以下。
根据该焊接劈刀，伴随使用中的磨损而产生的形状变化少，即使反复进行焊接也可以长期维持初期的接合强度。
而且，第6个发明是，在第1～第5的任意1个发明的焊接劈刀中，其特征为，在所述顶端面上露出的结晶的平均粒径为1.2微米以下。
根据该焊接劈刀，当陶瓷结晶的平均粒径为1.2微米以下时，可以减少顶端面的磨损。
而且，第7个发明是，在第1～第6的任意1个发明的焊接劈刀中，其特征为，所述本体部具有：孔，设置在所述顶端面侧，使焊丝穿过；及倒角部，设置在所述孔与所述顶端面之间，在所述顶端面中，从所述倒角部的边缘沿着所述顶端面在离开所述孔的方向至少20微米的表面区域中，通过测定至少100微米长度的粗糙度曲线而求出所述顶端面的所述凹凸形状。
根据该焊接劈刀，关于第1～第6的任意1个发明的每一个，如果是在所述表面区域中通过测定至少100微米长度的粗糙度曲线而求出的凹凸形状，则可以长期维持足够的接合强度。
根据本发明的形态，可提供一种能够长期维持足够的接合强度的焊接劈刀。
附图说明
图1是例示本实施方式涉及的焊接劈刀的模式图。
图2是例示本实施方式涉及的焊接劈刀的顶端形状的放大模式图。
图3是例示本实施方式涉及的焊接劈刀的顶端面的放大模式图。
图4是例示丝焊状态的模式剖视图。
图5（a）及（b）是例示本实施方式中的顶端面的凹凸形状的图。
图6（a）及（b）是例示参考例（1）中的顶端面的凹凸形状的图。
图7（a）及（b）是例示参考例（2）中的顶端面的凹凸形状的图。
图8是表示实施例及对比例的评价结果的图。
图9是例示测定区域的模式立体图。
图10是表示接合强度的判定结果的图。
图11（a）及（b）是表示根据焊接次数而Cpk发生变化的图。
图12（a）及（b）是例示焊接劈刀的一部分制造方法的图。
图13是例示陶瓷结晶的平均粒径的测定方法的图。
图14是例示陶瓷结晶的平均粒径与寿命的关系的图。
符号说明
10-本体部；11-圆筒部；11h-孔；12-圆锥部；13-瓶颈部；13c-倒角部；50-顶端面；50r-表面区域；110-焊接劈刀；200-引线；BW-细丝；CIR-圆。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，在各附图中，对于同样的构成要素标注相同的符号，适当省略详细说明。
（实施方式）
图1是例示本实施方式涉及的焊接劈刀的模式图。
图2是例示本实施方式涉及的焊接劈刀的顶端形状的放大模式图。
图3是例示本实施方式涉及的焊接劈刀的顶端面的放大模式图。
图1表示焊接劈刀110的整体。图2表示图1中所示的A部的放大图。图3表示从斜下方观察顶端面时的立体图。
如图1所示，焊接劈刀110具有本体部10，本体部10具有顶端面50。本体部10具有：圆筒部11，具有用于被机械性固定在焊接装置上的直径；圆锥部12，设置于圆筒部11的顶端侧；及瓶颈部13，用于避开所靠近的配线完毕的金属细线而在目标位置进行焊接。顶端面50为瓶颈部13的顶端侧的端面。
焊接劈刀110的内部设置有在轴向上贯穿的用于使金属细线（焊丝）穿过的孔。圆筒部11具有可以被机械性固定在焊接装置上的直径。圆锥部12的直径朝向顶端侧越来越小。圆锥部12例如呈圆锥台形，圆筒部11侧的直径与圆筒部11的直径大致相等。
如图2所示，瓶颈部13设置于圆锥部12的焊接进行侧。瓶颈部13具有能够避开已经配线的旁边的金属细线而在规定的结合位置上进行丝焊的直径。例如，瓶颈部13的直径从根侧（圆锥部12侧）朝向顶端面50侧逐渐变小。尤其是根侧的直径以曲线形变小。
通过使瓶颈部13的外径细，可以应对进行结合位置（接合位置）的间距例如为50微米（μm）以下的小的、高密度的丝焊。即，如果使瓶颈部13的直径小，那么即使在接合位置的间隔窄的情况下（进行高密度的丝焊的情况），也可以防止已经配线的旁边金属细线与瓶颈部13干涉。
如图3所示，在焊接劈刀110的顶端面50侧设置有使焊丝穿过的孔11h。在孔11h与顶端面50之间设置有倒角部13c（倒棱部）。倒角部13c具有从孔11h的边缘到顶端面50例如设置为曲面状的面。
图4是例示丝焊状态的模式剖视图。
图4表示第二次焊接的状态。
穿过焊接劈刀110的孔11h的焊丝（以下称为细丝）BW被进行第一次焊接。然后，将焊接劈刀110按规定的轨道拉至引线200上从而使细丝BW形成环形。
当焊接劈刀110按压在引线200上时，细线BW则被夹在顶端面50与引线200之间。由于顶端面50至倒角部13c是倾斜的，因此顶端面50与引线200的间隔从顶端面50的外侧到内侧变窄。因此，夹在顶端面与引线200之间的细丝BW的厚度从顶端面50的外侧到内侧变薄。细丝BW在倒角部13c的边缘位置被截断。
在细线BW夹在顶端面50与引线200之间的状态下，对焊接劈刀110例如施加超声波。由此，将细丝BW压接于引线200。在压接细丝BW之后，使焊接劈刀110上升。由此，细丝BW连接在电极垫与引线200之间。
在这样的丝焊中，由于焊接劈刀110在对细丝BW施加按压力的状态下施加超声波，因此顶端面50与细丝BW之间的夹紧力变得重要。当夹紧力弱时，则超声波的振动不能高效地施加在细丝BW与引线200之间，细丝BW与引线200的接合力容易变弱。
另一方面，当将按压力或超声波振幅增大来确保接合力时，则顶端面50变得容易磨损。当顶端面50磨损而无法得到所希望的夹紧力时，则有必要更换焊接劈刀110。当焊接劈刀110的更换频率高时，则必须频繁地停止焊接装置，从而对制造时间产生影响。
如图3所示，本实施方式涉及的焊接劈刀110的顶端面50具有微小的凹凸形状。该凹凸形状中凸部顶端的尖比凹凸形状中凹部顶端的尖小。由此，焊接劈刀110可长期维持所希望的夹紧力。
在此，对顶端面的凹凸形状进行说明。
图5（a）及（b）是例示本实施方式中的顶端面的凹凸形状的图。
图6（a）及（b）是例示参考例（1）中的顶端面的凹凸形状的图。
图7（a）及（b）是例示参考例（2）中的顶端面的凹凸形状的图。
在图5～图7中，（a）表示通过三维扫描式电子显微镜测定的顶端面的凹凸形状的值，（b）表示粗糙度曲线的影像图。
顶端面的凹凸形状例如用平均高度Rc及偏斜度（偏度）Rsk表示。
平均高度Rc及偏斜度Rsk根据JIS（日本工业标准）B0601－2001而算出。
在本实施方式中，通过以下的条件测定了顶端面的粗糙度曲线。
测定仪器：激光显微镜（日本奥林巴斯公司制，OLS4000）
测定倍率：50倍
Cutoff（相位补偿形高通滤波器）λc：25μm
根据按照上述条件测定的粗糙度曲线，通过下式（1）求出平均高度Rc，通过下式（2）求出偏斜度Rsk。
式1
式2
式（1）中，m为轮廓曲线要素的数量，Zti为轮廓曲线要素的平均高度值。
式（2）中，Zq为平方平均平方根高度，Zn为粗糙度曲线的高度值。
图5（a）及（b）表示的本实施方式中的顶端面50的平均高度Rc为60纳米（nm）以上，偏斜度Rsk为约－1.2以上、－0.3以下。
图6（a）及（b）表示的参考例（1）中的顶端面51的平均高度Rc为10nm～15nm，偏斜度Rsk为0.3～－0.5。
图7（a）及（b）表示的参考例（2）中的顶端面52的平均高度Rc为150nm～280nm，偏斜度Rsk为0.2～－0.25。
如此，本实施方式中的顶端面50的偏斜度Rsk为－0.3以下。另外，可以使偏斜度Rsk为－1.2以上。偏斜度Rsk表示凹凸形状的峰（凸）与谷（凹）的对称性。如果凹凸形状为正弦分布，则偏斜度Rsk为0。偏斜度Rsk为负数表示在垂直于顶端面50的方向观察时的峰（凸）的面积比谷（凹）的面积大（凸部的尖比凹部的尖小）。
具有顶端面50的本实施方式的焊接劈刀110其初期的接合强度及寿命都良好。另一方面，具有参考例（1）中的顶端面51的焊接劈刀其初期的接合强度不足。而且，具有参考例（2）中的顶端面52的焊接劈刀虽然其初期的接合强度良好，但是寿命短。
由于顶端面50的凹凸形状中的凸部顶端的尖比凹凸形状中的凹部顶端的尖小，因此能够在确保初期的接合强度的同时，即使反复进行焊接也可以长期维持该接合强度。
而且，顶端面50的偏斜度Rsk为负数，由于峰（凸）的面积比谷（凹）的面积大，因此顶端面50与细丝BW的接触面积增加，同时朝向凹部成为陡坡，因此顶端面50与细丝BW之间的夹紧力增加。
即，具有顶端面50的焊接劈刀110能够在充分确保初期的接合强度的同时，实现耐磨损性优异的寿命长的制品。本实施方式的焊接劈刀110尤其是即使在用铜等硬的细丝BW进行焊接的情况下，也可以得到足够的接合强度。而且，因为顶端面50的耐磨损性优异，所以即使用铜等硬的细丝BW反复进行焊接，也可长期维持初期的接合强度。
（实施例）
接着，对本实施方式涉及的焊接劈刀110的实施例进行说明。
图8是表示实施例及对比例的评价结果的图。
图9是例示测定区域的模式立体图。
图8表示实施例1～6及对比例1～8的顶端面中的平均高度Rc、偏斜度Rsk及最大波峰高度Rp。
各个例中的平均高度Rc、偏斜度Rsk及最大波峰高度Rp为在图9表示的表面区域50r中测定的值。即，如图9所示，表面区域50r是在顶端面50中从倒角部13c的边缘沿着顶端面50在离开孔11h的方向上的长度L1的区域。长度L1至少为20μm。测定长度L2在表面区域50r的范围内约为100μm。在本实施方式中，在表面区域50r内的3个部位测定100μm的测定长度L2上的线粗糙度，并求出其平均值。
图8表示的接合强度的Cpk为制程能力指数。在图8表示的各例中，在细丝BW的接合强度的平均为Ave、接合强度的下限规格为3克重（gf）的情况下，用Cpk＝（Ave－3gf）/3σ来计算。接合强度为第二焊点的拉力测试的强度。样品个数为30。一般为，丝焊中的接合强度的Cpk要求为1.67以上。
如图8所示，在实施例1～6及对比例1～8中，各自的平均高度Rc、偏斜度Rsk及最大波峰高度Rp的组合都不同。其中，在实施例1～6及对比例4～8中，接合强度的Cpk为1.67以上。
图10是表示接合强度的判定结果的图。
图10表示对图8所示的例中的接合强度的Cpk为1.67以上的实施例1～6及对比例4～6的接合强度的判定结果。
接合强度判定是根据初始Cpk、丝焊次数50万次后及100万次后的Cpk是否各自低于1.67而进行的。在图10的接合强度判定中，各自的Cpk在1.67以上时用“是”表示，小于1.67时用“否”表示。
如图10所示，在实施例1～6及对比例4～6中，初期的接合强度判定全部为“是”。丝焊50万次后，虽然实施例1～6为“是”，但是对比例4～6全部为“否”。丝焊100万次后，实施例1～3、5及6为“是”，实施例4及对比例4～6为“否”。丝焊150万次后，实施例5及6为“是”，实施例1～4及对比例4～6为“否”。
图11（a）及（b）是表示根据焊接次数而Cpk发生变化的图。
图11（a）中表示图8及图10所示的实施例2的Cpk的变化，图11（b）中表示图8及图10所示的对比例6的Cpk的变化。
如图11（a）所示，具有实施例2的顶端面的焊接劈刀自焊接初期开始即使超过100万次后也维持着初期的接合强度，Cpk维持在1.67以上。
另一方面，如图11（b）所示，具有对比例6的顶端面的焊接劈刀虽然焊接初期的Cpk为1.67以上，但是从大约超过30万次时开始Cpk显著降低，变为低于1.67。
从以上的结果得出，优选顶端面50的偏斜度Rsk约为－1.2以上、－0.3以下，且顶端面50的平均高度Rc为0.06μm以上0.3μm以下。平均高度Rc小于0.06μm时夹紧力小，尤其在使用铜线的细丝BW时无法得到足够的接合强度。而且，当平均高度Rc超过0.3μm时，则难以形成作为偏斜度Rsk在－0.3以下的凹凸。而且，更优选顶端面50的偏斜度Rsk约为－1.2以上、－0.43以下，且顶端面50的平均高度Rc为0.16μm以上0.3μm以下。由此，自焊接初期开始即使在150万次后也可以维持初期的接合强度。
而且，优选顶端面50的最大波峰高度Rp为平均高度Rc的0.9倍以下（Rp/Rc≤0.9）。而且，Rp/Rc可以为0.5倍以上。当Rp/Rc超过0.9时，则难以长期维持初期的接合强度。另一方面，当Rp/Rc为0.9以下时，则伴随使用中的磨损而产生的形状变化少，从而可长期维持初期的接合强度。
（制造方法）
接着，对本实施方式涉及的焊接劈刀110的制造方法进行说明。
图12（a）及（b）是例示焊接劈刀的一部分制造方法的图。
图12（a）及（b）表示在焊接劈刀110的制造方法中形成顶端面50的凹凸形状的步骤。
在本实施方式涉及的焊接劈刀110的材料中含有例如氧化铝（Al2O3）及二氧化锆（ZrO2）。如图12（a）所示，在焊接劈刀110中，在大粒径的氧化铝（Al2O3）上散布着小粒径的二氧化锆（ZrO2）。当研磨顶端面50时，则成为以下状态，即在顶端面50上二氧化锆（ZrO2）的结晶在氧化铝（Al2O3）母材的表面露出。
在该状态下，对顶端面50实施喷砂。喷砂条件的一个例子为研磨粒种类、喷射压、喷射时间。通过优化喷砂条件，比氧化铝（Al2O3）软的二氧化锆（ZrO2）结晶会从氧化铝（Al2O3）母材的表面脱落。由此，如图12（b）所示，在顶端面50的平坦面的局部上形成凹部。此时，由于二氧化锆（ZrO2）相对于氧化铝（Al2O3）母材的比率少，因此二氧化锆（ZrO2）结晶脱落而形成的凹部的面积不会大于凸部（平坦面）的面积。
另外，上述制造方法为一个例子，也可以用喷砂以外的方法进行制造。
（结晶粒径）
接着，对焊接劈刀的结晶粒径进行说明。
在本实施方式涉及的焊接劈刀110中，露出于顶端面50的陶瓷结晶的平均粒径为1.2μm以下。另外，陶瓷结晶的平均粒径可以为0.3μm以上。当陶瓷结晶的平均粒径为1.2μm以下时，顶端面50的磨损变少，焊接劈刀110的寿命变长。
图13是例示陶瓷结晶的平均粒径的测定方法的图。
图13表示将陶瓷制的试料的平面研磨后，为了明确粒子间的边界而实施了热蚀刻的状态的SEM（Scanning Electron Microscope）图像。
首先，用10000倍～30000倍左右的倍率对试料的任意部位进行SEM观察，取得SEM图像。然后，根据取得的SEM图像，例如用平面测量法计算出平均粒径。
平均粒径的计算按以下步骤进行。
首先，在取得的SEM图像上画出面积A（μm2）的已知的圆CIR。接着，对圆CIR的内侧包含的粒子数nc与在圆CIR上（圆周上）的粒子数ni进行计数。然后，使用该nc及ni通过以下的式子计算平均粒径。
N＝（nc＋（1/2）ni）/（A/倍率2）
平均粒径（μm）＝2/（π·N）1/2
图14是例示陶瓷结晶的平均粒径与寿命的关系的图。
图14表示关于几种平均粒径根据焊接次数对焊接劈刀的寿命进行判定的结果。焊接次数为50万次及100万次。在寿命的判定中，如果Cpk为1.67以上则用“是”表示，如果小于1.67则用“否”表示。
从图14表示的结果得出，为了即使焊接次数是50万次也维持Cpk在1.67以上，优选陶瓷结晶的平均粒径约为0.3μm以上、1.2μm以下。而且，更优选平均粒径约为0.3μm以上、0.7μm以下。当平均粒径为0.7μm以下时，即使焊接次数是100万次也维持Cpk在1.67以上。
如果采用具有如此平均粒径的结晶的陶瓷来构成焊接劈刀110，顶端面50的磨损则会变少。由此，焊接劈刀110的寿命变长，从而可实现降低更换频率。
如以上说明所示，根据本实施方式，能够在丝焊时得到细丝BW与引线200的足够的接合强度，同时即使在反复进行焊接的情况下也可以长期维持初期的接合强度。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明并不局限于这些记述内容。只要具备本发明的特征，本领域技术人员对上述实施方式适当加以设计变更后的技术也包含在本发明的范围内。例如，焊接劈刀110的形状、大小、材料等均不局限于所例示的内容，可进行适当变更。

Claims (8)

1.一种焊接劈刀，其特征为，
具备具有进行丝焊的顶端面的本体部，
所述顶端面具有微小的凹凸形状，
所述凹凸形状中的凸部顶端的尖比所述凹凸形状中的凹部顶端的尖小，
在垂直于所述顶端面的方向观察时的所述凸部的面积比所述凹部的面积大，
所述顶端面的偏斜度为－0.3以下，且所述顶端面的平均高度为0.06微米以上0.3微米以下。
2.一种焊接劈刀，其特征为，
具备具有进行丝焊的顶端面的本体部，
所述顶端面具有微小的凹凸形状，
所述凹凸形状中的凸部顶端的尖比所述凹凸形状中的凹部顶端的尖小，
在垂直于所述顶端面的方向观察时的所述凸部的面积比所述凹部的面积大，
所述顶端面的偏斜度为－0.43以下，且所述顶端面的平均高度为0.16微米以上0.3微米以下。
3.根据权利要求1或2所述的焊接劈刀，其特征为，
所述顶端面的最大波峰高度为所述平均高度的0.9倍以下。
4.根据权利要求1或2所述的焊接劈刀，其特征为，
在所述顶端面上露出的结晶的平均粒径为1.2微米以下。
5.根据权利要求1或2所述的焊接劈刀，其特征为，
所述本体部具有：孔，设置在所述顶端面侧，使焊丝穿过；及倒角部，设置在所述孔与所述顶端面之间，
在所述顶端面中，从所述倒角部的边缘沿着所述顶端面在离开所述孔的方向至少20微米的表面区域中，通过测定至少100微米长度的粗糙度曲线而求出所述顶端面的所述凹凸形状。
6.根据权利要求1或2所述的焊接劈刀，其特征为，
所述顶端面的偏斜度为－1.2以上。
7.根据权利要求3所述的焊接劈刀，其特征为，
所述顶端面的最大波峰高度为平均高度的0.5倍以上。
8.根据权利要求4所述的焊接劈刀，其特征为，
在所述顶端面上露出的结晶的平均粒径为0.3μm以上。
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