CN108883492A - 超声波接合装置和超声波接合方法 - Google Patents

超声波接合装置和超声波接合方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供如下装置等：通过提高作为超声波接合的对象的导体的包覆部去除结束的推定精度来实现该焊接的品质提高。基于焊头(11)在下述期间中的至少一部分期间中的位移量(基准位移量(△Z))的多少，调节焊头(11)的超声波振动能量，上述期间是指：在FFC和PCB被夹持在焊头(11)与底砧(12)之间的状态起，在焊头(11)的位移速度(v)逐渐增加的过程中，经过该位移速度(v)在第一速度区域中处于稳定的“第一稳定状态”，至该位移速度(v)在处于与第一速度区域相比为更高速区域的第二速度区域中处于稳定的“第二稳定状态”为止的期间。

Description

超声波接合装置和超声波接合方法
技术领域
本发明涉及通过超声波振动能量将导体彼此进行焊接的技术。
背景技术
被提案有用于将由合成树脂包覆的一个导体与另一个导体进行接合的超声波接合方法(例如参照专利文献1～2)。根据该方法，在焊头与底砧之间夹持焊接对象物的状态下，通过焊头的超声波振动能量首先将包覆至少一个导体的合成树脂熔融从而从两个导体间将其去除，接着将该两个导体相互焊接。
还提供有以下一种方法：用于在实现防止源于该超声波振动能量的不恒定而导致的两个导体的接合强度不恒定的同时，实现超声波接合的方法(例如参照专利文献3)。根据该方法，将对振动元件施加的用于使焊头振动的电压和在振动元件中流通的电流的积作为经由焊头而赋予焊接对象物的功率而被算出。并且，在该功率的变化率在成为第一规定值以下的值之后且达到比第一规定值大的第二规定值以上的值时，判断为从导体间去除了包覆部。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000－263248号公报
专利文献2：日本特开2006－024590号公报
专利文献3：日本专利第4456640号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，由于存在导体接合开始的同时仍然在进行包覆部去除的过渡期间，因此有可能难以基于功率的变化来判断该包覆部的去除是否结束。因此，除了存在因超声波振动能量的过小而导致导体的接合强度不充分的可能性之外，还存在因超声波振动能量过大而导致导体损伤等的可能性。
因此，本发明的目的在于，提供通过实现提高构成超声波接合的对象的导体的包覆部去除结束的推定精度从而能够实现该焊接的品质提高的装置等。
用于解决问题的手段
本发明涉及超声波接合装置，其具备：通过压电元件实施振动的焊头、与所述焊头相对配置的底砧、以及控制装置，在隔着合成树脂重叠的一个导体和另一个导体受所述焊头和所述底砧夹持的状态下，一边对所述焊头实施超声波振动，一边使该焊头沿着所述一个导体和所述另一个导体的重叠方向位移，由此使所述合成树脂熔融，从而将其从所述一个导体和所述另一个导体之间去除，并且对所述一个导体和所述另一个导体进行焊接。
本发明的超声波接合装置的特征在于，所述控制装置具备：测定要素，其测定基准期间中的所述焊头的位移量作为基准位移量，所述基准期间是下述期间中的至少一部分期间：从隔着合成树脂重叠的一个导体和另一个导体受所述焊头和所述底砧夹持的状态起，在所述焊头的位移速度逐渐增加的过程中，经过该位移速度在第一速度区域中处于稳定的第一稳定状态，到该位移速度在处于与所述第一速度区域相比为更高速区域的第二速度区域中稳定的第二稳定状态为止的期间；以及调节要素，其调节所述焊头的超声波振动能量，以使得通过所述测定要素测定的所述基准位移量越多、越使连接在所述基准期间之后的期间中的所述焊头的超声波振动能量阶段性或连续性地变小。
发明效果
“第一稳定状态”是焊头的位移速度在第一速度区域中处于稳定的状态，相当于通过焊头的超声波振动能量而使两个导体间的合成树脂熔融和去除的开始前阶段或初期阶段。“第二稳定状态”是焊头的位移速度处于与第一速度区域相比为更高速区域的第二速度区域中处于稳定的状态，相当于将两个导体间的合成树脂熔融和去除的末期阶段或结束后。
从用于对一个导体和另一个导体进行焊接的焊头的位移开始、在该位移速度的增加过程中经过第一稳定状态而到达第二稳定状态为止的期间中的焊头的位移量表示两个导体间的合成树脂的熔融和去除的进行状况。因此，从基于该期间之中至少一部分期间(基准期间)中的焊头的位移量(基准位移量)的多少来控制焊头的超声波振动能量的大小由此实现两个导体的焊接的充分的接合强度的观点来看，能够适当地调节该两个导体转换到焊接的能量的大小。
附图说明
图1是作为本发明的一个实施方式的超声波接合装置的构成说明图。
图2是涉及焊头的位移量的变化方式的说明图。
图3是涉及作为本发明的第一实施方式的超声波接合方法的说明图。
图4是涉及作为本发明的第二实施方式的超声波接合方法的说明图。
图5是涉及作为本发明的第三实施方式的超声波接合方法的说明图。
具体实施方式
(构成)
作为图1所示的本发明的一个实施方式的超声波接合装置具备：焊头11(或芯片)、与焊头11相对而在其下方配置的底砧12、将焊头11沿着上下方向驱动的升降驱动装置111、使焊头11超声波振动的压电元件112(超声波振子)、和控制装置20。焊头11的下端部形成为上底面朝向下方的近似截头圆锥状，但根据构成焊接对象的导体的配置方式，其顶端部能够适当变更为带状或具有具备点状的顶端部的多个突起的形状等。底砧12的上端部为近似平面，但也可以配合焊头11的形状适当形成有凹凸。
控制装置20由计算机(由CPU(运算处理装置)、ROM或RAM等存储器(存储装置)和I/O电路等构成)构成。控制装置20控制升降驱动装置111和压电元件112的各自的动作。控制装置20具备测定要素21和调节要素22。各要素21、22由从存储装置中读取所需程序和数据并按照该程序和数据执行后述的运算处理的运算处理装置构成。
作为利用超声波接合装置的焊接对象，采用例如构成FFC(柔性扁平排线)的由金属形成的第一导体C1(一个导体)、和构成PCB(印刷电路基板)的由金属形成的第二导体C2(另一个导体)。FFC除了具备第一导体C1之外，还具备由覆盖该第一导体C1的合成树脂形成的绝缘性包覆部C0。PBC具备支承第二导体C2的基板。
为了简化附图，仅示出单个的第一导体C1，但在FFC中，沿着横向排列且沿着纵向延伸的多个第一导体C1以电性独立的方式受绝缘性包覆部C0覆盖。同样地，仅示出了单个的第二导体C2，但在PCB中可以在基板上设置多个第二导体C2。
需要说明的是，除了构成FFC和PCB各自的导体之外，也可以将构成多个FFC的各个导体、或分别构成FFC和FPC(柔性印刷电路)的各个导体设定成焊接对象。
(超声波能量的调节方法(第一实施方式))
对作为利用具有所述构成的超声波接合装置执行的本发明的第一实施方式的超声波接合方法进行说明。首先，如图1所示那样，在焊头11与底砧12之间，FFC和PCB在上下重叠的状态下被夹持。此时，形成FFC的第一导体C1的各个导体与PCB的第二导体C2的各个导体分别隔着FFC的绝缘性包覆部C0而上下重叠的状态。
由该状态起，通过升降驱动装置111使焊头11以相对于底砧12接近的方式位移，由此对FFC和PCB施加上下方向的载重，并且通过对压电元件112施加高频的交流电压，从而对焊头11(沿着图中左右方向)实施超声波振动，由此开始FFC和PCB(或第一导体C1和第二导体C2)的焊接。
(焊头的位移量的时间变化方式)
在直至第一导体C1和第二导体C2的焊接或接合结束的期间，焊头11的位移量Z按照例如图2中简略所示的时刻t的函数Z(t)而变化。
即，焊头11的位移量Z首先在第一期间[t11，t12]的前期中以较高速增大后，其后以较低速增大。焊头11的位移速度v在第一期间[t11，t12]的后期(或中期及后期)实现在第一速度区域中稳定的“第一稳定状态”。第一速度区域是通过第一期间的后期中的曲线Z＝Z(t)的斜率的下限值和上限值而规定的速度区域。第一期间[t11，t12]中的焊头11的位移量Z的时间变化方式适合于下述关系式(1)。
ε1(t)＝(σ0/E){1－exp(－(t)/(η/E))}‥(1)。
关系式(1)按照Kelvin－Voigt模型近似地表达在时刻t＝0赋予恒定的外力σ0时的由合成树脂形成的绝缘性包覆部C0的应变量ε1(t)(相当于焊头11的位移量Z)。该模型中，合成树脂的弹性及粘性特性通过排列的弹簧(弹性系数：E)和阻尼器(衰减系数：η)来表示。
图2中，用点划线表示第一稳定状态的结束时间点t＝t12处的曲线Z＝Z(t)的切线L1。其斜率按照式(1)大致为(σ0/η)。第一期间中的曲线Z＝Z(t)的斜率大致沿着该切线L1。“第一稳定状态”相当于通过焊头11的超声波振动能量将两个导体C1和C2间的合成树脂(绝缘性包覆部C0)熔融和去除的初期阶段或开始前的状态。
通过焊头11的超声波振动能量，被焊头11和底砧12夹持的部位的FFC和PCB局部性温度上升，FFC的绝缘性包覆部C0局部性熔融。通过受焊头11和底砧12的上下方向的载重，从焊头11和底砧12之间逐渐去除熔融的绝缘性包覆部C0(合成树脂)。此时，存在于第一导体C1和第二导体C2之间的绝缘性包覆部C0也熔融，从第一导体C1和第二导体C2之间逐渐被去除。如图2所示，在该过渡期间[t12，t21]中，焊头11的速度v逐渐增大。
接着，第二导体C2在发生塑性变形的同时与第一导体C1接触。通过焊头11的超声波振动能量而产生该接触部位的摩擦热，第一导体C1和第二导体C2各自的金属表面上生成的氧化覆膜被去除，露出活性面(也称为清洁面)并发生接合反应(也称为固相接合)。
第一导体C1和第二导体C2的固相接合反应进行时，焊头11的位移速度v在第二期间[t21，t22]中实现在第二速度区域中稳定的“第二稳定状态”。第二速度区域是通过第二期间中的曲线Z＝Z(t)的斜率的下限值和上限值而规定的速度区域。第二期间[t21，t22]中的焊头11的位移量Z的时间变化方式整合为下述关系式(2)。
ε2(t)＝A·D·(σ0/G)n×t‥(2)。
关系式(2)使用金属的材料常数A、扩散系数D和系数G近似地表达由该金属构成的第一导体C1和第二导体C2在转变蠕变区域中的应变量ε2(t)。
图2中，以双点划线表示第二稳定状态的开始时间点t＝t21处的曲线Z＝Z(t)的切线L2。按照式(2)，该切线L2的斜率大致为A·D·(σ0/G)n。第二期间中的曲线Z＝Z(t)的斜率大致沿着该切线L2。曲线Z＝Z(t)在第二期间中的斜率明显比在第一期间中的斜率更大，因而第二速度区域是处于比第一速度区域更高的高速区域中。“第二稳定状态”相当于两导体C1和C2间的合成树脂(绝缘性包覆部C0)熔融和去除的末期阶段或结束后的状态。
(超声波能量的调节方法)
通过控制装置20的测定要素21，基于与焊头11的位移量Z对应的来自位移量传感器(省略图示)的输出信号，测定作为“基准期间”的“第一期间”中的焊头11的位移量Z(t12)－Z(t11)(图3/步骤102)，作为基准位移量ΔZ，。例如，以焊头11的位移速度超过第一速度区域的时间点作为第一期间的终点t＝t12进行测定。除了焊接开始时刻之外，同样也可以以焊头11的位移速度v进入第一速度区域的时间点作为第一期间的起始点t＝t11进行测定。
判定焊头11的基准位移量ΔZ是否为a1以下(图3/步骤104)。当该判定结果为否定时(图3/步骤104‥NO)，进一步判定焊头11的基准位移量ΔZ是否大于a1且为b1以下(图3/步骤106)。根据这些判定结果，通过下述方式控制过渡期间和连接在该过渡期间之后的第二期间各自的期间中的焊头11的超声波振动能量E。
当判定为基准位移量ΔZ为a1以下时(图3/步骤104‥YES)，按照基于该基准位移量ΔZ的关系式E＝E11(ΔZ)来控制焊头11的超声波振动能量E(图3/步骤108)。当判定为基准位移量ΔZ大于a1且为b1以下时(图3/步骤106‥YES)，按照基于该基准位移量ΔZ的关系式E＝E12(ΔZ)来控制焊头11的超声波振动能量E(图3/步骤110)。当判定为基准位移量ΔZ为b1以上时(图3/步骤106‥NO)，按照基于该基准位移量ΔZ的关系式E＝E13(ΔZ)来控制焊头11的超声波振动能量E(图3/步骤112)。E11、E12和E13之间存在E11＞E12＞E13这一关系。
并且，第一导体C1和第二导体C2的接合反应结束后，焊头11恢复至原来的位置，其超声波振动也停止。
(超声波接合方法(第二实施方式))
对作为利用具有所述构成的超声波接合装置执行的本发明的第二实施方式的超声波接合方法进行说明。因除了超声波振动能量的控制方法之外其他与第一实施方式共通，因此针对该共通事项，省略说明。
测定作为“基准期间”的“第一期间”和“过渡期间”中的焊头11的位移量Z(t21)－Z(t11)(图4/步骤202)，作为基准位移量ΔZ。例如，可以将焊头11的位移速度v进入第二速度区域的时间点作为过渡期间的终点(第二期间的起始点)t＝t21进行测定。
判定焊头11的基准位移量ΔZ是否为a2以下(图4/步骤204)。当该判定结果为否定时(图4/步骤204‥NO)，进一步判定焊头11的基准位移量ΔZ是否大于a2且为b2以下(图4/步骤206)。根据这些判定结果，通过下述方式控制过渡期间和连接在该过渡期间之后的第二期间各自的期间中的焊头11的超声波振动能量E。
当判定基准位移量ΔZ为a2以下时(图4/步骤204‥YES)，按照基于该基准位移量ΔZ的关系式E＝E21(ΔZ)来控制焊头11的超声波振动能量E(图4/步骤208)。当判定基准位移量ΔZ大于a2且为b2以下时(图4/步骤206‥YES)，按照基于该基准位移量ΔZ的关系式E＝E22(ΔZ)来控制焊头11的超声波振动能量E(图4/步骤210)。当判定基准位移量ΔZ为b2以上时(图4/步骤206‥NO)，按照基于该基准位移量ΔZ的关系式E＝E23(ΔZ)来控制焊头11的超声波振动能量E(图4/步骤212)。E21、E22和E23之间存在E21＞E22＞E23这一关系。
并且，在第一导体C1和第二导体C2的接合反应结束后，焊头11恢复至原来的位置，其超声波振动也停止。
(超声波接合方法(第三实施方式))
对作为利用具有所述构成的超声波接合装置执行的本发明的第三实施方式的超声波接合方法进行说明。由于除了超声波振动能量的控制方法之外与第一实施方式共通，省略该共通事项。
测定“基准期间”中的焊头11的位移量(图5/步骤302)，作为基准位移量ΔZ。具体而言，求出相当于下述交点的时间点t＝t20：曲线Z＝f(t)在第一稳定状态向第二稳定状态的过渡期间[t12，t21]的结束时间点t＝t21(第二稳定状态的开始时间点)处的切线L2与时间轴的交点。将以该时间点t＝t20作为开始时间点、以第二稳定状态的开始时间点t＝t21作为结束时间点的期间[t20，t21]设定为基准期间。
判定焊头11的基准位移量ΔZ是否为a3以下(图5/步骤304)。当该判定结果为否定时(图5/步骤304‥NO)，进一步判定焊头11的基准位移量ΔZ是否大于a3且为b3以下(图5/步骤306)。根据这些判定结果，通过下述方式控制第二期间中的焊头11的超声波振动能量E。
当判定基准位移量ΔZ为a3以下时(图5/步骤304‥YES)，按照基于该基准位移量ΔZ的关系式E＝E31(ΔZ)来控制焊头11的超声波振动能量E(图5/步骤308)。当判定基准位移量ΔZ大于a3且为b3以下时(图5/步骤306‥YES)，按照基于该基准位移量ΔZ的关系式E＝E32(ΔZ)来控制焊头11的超声波振动能量E(图5/步骤310)。当判定基准位移量ΔZ为b3以上时(图5/步骤306‥NO)，按照基于该基准位移量ΔZ的关系式E＝E33(ΔZ)来控制焊头11的超声波振动能量E(图5/步骤312)。E31、E32和E23之间存在E31＞E32＞E33这一关系。
并且，在第一导体C1和第二导体C2的接合反应结束后，焊头11恢复至原来的位置，其超声波振动也停止。
(效果)
焊头11从其与底砧12之间上下夹持FFC和PCB的状态起，在焊头11的位移速度v的增加过程(位移加速度α＝dv/dt＝d2Z/dt2为0以上的状态)中经过第一稳定状态直至第二稳定状态为止的期间中的焊头的位移量表示构成两个导体C1和C2之间的绝缘性包覆部C0的合成树脂的熔融和去除的进行状况。该期间之中至少一部分期间(基准期间)中的焊头11的位移量(基准位移量ΔZ)较多这一情况暗示了该期间中构成绝缘性包覆部C0的合成树脂的弹性和粘性低、或温度高、进而焊头11的超声波振动能量E较高。
因此，在基准位移量ΔZ较多时，进行控制以使得焊头11的超声波振动能量E变得较低，由此防止两个导体C1和C2的焊接时的该超声波振动能量E的过大，因此可靠地实现了它们的充分的接合强度。与此相反地，基准位移量ΔZ较少时，进行控制以使得焊头11的超声波振动能量E变得较高，由此防止两个导体C1和C2的焊接时的该超声波振动能量E过小，因此可靠地实现它们的充分的接合强度。
(本发明的其他实施方式)
在第一～第三实施方式的各实施方式中，根据基准位移量ΔZ的多少，按3个阶段调节超声波振动能量E，但作为其他实施方式，也可以根据基准位移量ΔZ的多少，按2个阶段或4个阶段以上的多阶段调节超声波振动能量E，或连续性地调节超声波振动能量E。
基准期间只要是从焊头11的位移开始时刻t＝t11起到从第一稳定状态向第二稳定状态过渡的过渡期间的结束时刻t＝t21为止的期间之中的至少一部分期间，则也可以采用例如期间[t11，t20]或期间[t12，t20]等其他形态的期间。
在第一～第三实施方式的各实施方式中，也可以设定成从焊头11的位移开始时刻t＝t11起其位移量Z达到规定量Z0后开始基准期间。在该情况下，也可以将第一～第三实施方式的各实施方式中的基准位移量ΔZ替代成ΔZ－Z0，并在此基础上根据该替代后的基准位移量的多少，如所述方式调节超声波振动能量E。
符号说明
11 焊头
12 底砧
111 升降驱动装置
112 压电元件(超声波振子)
20 控制装置
21 测定要素
22 调节要素
C1 第一导体(一个导体)
C2 第二导体(另一个导体)
R 绝缘性包覆部(合成树脂)。

Claims (6)

1.一种超声波接合装置，其具备：通过压电元件实施振动的焊头、与所述焊头相对配置的底砧、以及控制装置，在隔着合成树脂重叠的一个导体和另一个导体受所述焊头和所述底砧夹持的状态下，一边对所述焊头实施超声波振动一边使该焊头沿着所述一个导体和所述另一个导体的重叠方向位移，由此使所述合成树脂熔融，从而将其从所述一个导体和所述另一个导体之间去除，并且对所述一个导体和所述另一个导体进行焊接，
该超声波接合装置的特征在于，所述控制装置具备：
测定要素，其测定基准期间中的所述焊头的位移量作为基准位移量，所述基准期间是下述期间中的至少一部分期间：从隔着合成树脂重叠的一个导体和另一个导体受所述焊头和所述底砧夹持的状态起，在所述焊头的位移速度逐渐增加的过程中，经过该位移速度在第一速度区域中处于稳定的第一稳定状态，到该位移速度在处于与所述第一速度区域相比为更高速区域的第二速度区域中稳定的第二稳定状态为止的期间；以及
调节要素，其调节所述焊头的超声波振动能量，以使得通过所述测定要素测定的所述基准位移量越多、越使连接在所述基准期间之后的期间中的所述焊头的超声波振动能量阶段性地或连续性地变小。
2.根据权利要求1所述的超声波接合装置，其特征在于，
所述测定要素以下述期间为所述基准期间测定所述基准位移量，所述期间是指：从隔着合成树脂重叠的一个导体和另一个导体受所述焊头和所述底砧夹持的状态起，至所述第一稳定状态结束的期间。
3.根据权利要求1所述的超声波接合装置，其特征在于，
所述测定要素以下述期间为所述基准期间测定所述基准位移量，所述期间是指：从隔着合成树脂重叠的一个导体和另一个导体受所述焊头和所述底砧夹持的状态起，至从所述第一稳定状态向所述第二稳定状态过渡的过渡期间结束为止的期间。
4.根据权利要求1所述的超声波接合装置，其特征在于，
所述测定要素以下述期间为所述基准期间测定所述基准位移量，所述期间是指：在从所述第一稳定状态向所述第二稳定状态过渡的过渡期间中，至少包含终点的一部分期间。
5.根据权利要求4所述的超声波接合装置，其特征在于，
所述测定要素以下述时间点为开始时间点设定所述基准期间，该时间点是指：相当于曲线的所述过渡期间的结束时间点处的切线与时间轴的交点的时间点，所述曲线是在分别以时刻和所述焊头的位移量为坐标值的二维坐标系中表示所述焊头的位移量的时间变化方式的曲线。
6.一种超声波接合方法，在通过由压电元件实施振动的焊头和与所述焊头相对配置的底砧夹持隔着合成树脂重叠的一个导体和另一个导体的状态下，一边对所述焊头实施超声波振动，一边沿着所述一个导体和所述另一个导体的重叠方向位移，由此使所述合成树脂熔融，从而将其从所述一个导体和所述另一个导体之间去除，并且对所述一个导体和所述另一个导体进行焊接，
该超声波接合方法的特征在于，具备：
测定步骤，测定基准期间中的所述焊头的位移量作为基准位移量，所述基准期间是下述期间中的至少一部分期间：从隔着合成树脂重叠的一个导体和另一个导体受所述焊头和所述底砧夹持的状态起，在所述焊头的位移速度逐渐增加的过程中，经过该位移速度在第一速度区域中处于稳定的第一稳定状态，到该位移速度在处于与所述第一速度区域相比为更高速区域的第二速度区域中稳定的第二稳定状态为止的期间；以及
调节步骤，调节所述焊头的超声波振动能量，以使得通过所述测定要素测定的所述基准位移量越多、越使连接在所述基准期间之后的期间中的所述焊头的超声波振动能量阶段性地或连续性地变小。
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