CN111659996B - 超声接合方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于接合至少两个接合配对件(10、20)的方法，包括：执行直接连续的多个超声接合操作，其中，执行超声接合操作包括使用第二接合工具(42)向与第一接合配对件(10)相邻布置的第二接合配对件(20)施加压力，由此使所述第二接合配对件(20)压靠所述第一接合配对件(10)，并且，利用所述第二接合工具(42)，向所述接合配对件(10、20)施加高频超声振动。所述方法还包括在两个直接连续的超声接合操作之间的至少一个中间时间间隔期间，执行以下至少之一：主动冷却和加热所述第二接合工具(42)。

Description

超声接合方法和装置
技术领域
本公开总体上涉及一种超声接合方法和装置。
背景技术
超声接合技术，例如超声焊接或结合，被广泛地用于机械地连接两个接合配对件(partner)。从而，以超声频率振动的接合工具以压力将第二接合配对件机械地压靠第一接合配对件。例如，第一接合配对件可以是半导体衬底或电子电路板，而第二接合配对件可以是接触销或允许电接触衬底或电路板的任何种类的连接元件。通常，使用相同的接合设备直接连续执行多个接合操作。但是，一个或多个工艺参数可能会在连续的接合操作中意外改变。通常，需要在两个(或更多)接合配对件之间建立可靠的机械和电气连接。然而，当一个或多个工艺参数改变时，这可能导致连接质量的下降。
因此，需要一种方法和设备，即使使用相同的接合装置直接连续地形成多个连接，也允许在接合配对件之间创建可靠的连接。
发明内容
一个方面涉及一种用于接合至少两个接合配对件的方法。所述方法包括：执行直接连续的多个超声接合操作，其中，执行超声接合操作包括使用第二接合工具向与第一接合配对件相邻布置的第二接合配对件施加压力，由此使所述第二接合配对件压靠所述第一接合配对件，并且，利用所述第二接合工具，向所述接合配对件施加高频超声振动。并且所述方法还包括在两个直接连续的超声接合操作之间的至少一个中间时间间隔期间，执行以下至少之一：主动冷却和加热所述第二接合工具。
另一个方面涉及一种超声接合装置，该超声接合装置包括：第一接合工具，包括第一支撑表面；以及第二接合工具，被配置成执行直接连续的多个超声接合操作，其中，执行超声接合操作包括向在所述第一支撑表面上堆叠在彼此上的第二接合配对件和第一接合配对件施加压力，从而使所述第二接合配对件压靠所述第一接合配对件，并向所述接合配对件施加高频超声振动。所述第二接合工具包括温度单元，所述温度单元被配置为至少在两个直接连续的超声接合操作之间的一个中间时间间隔期间，执行以下至少之一：主动冷却和加热所述第二接合工具。
参考以下附图和描述可以更好地理解本发明。附图中的组件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在附图中，贯穿不同的视图，相似的附图标记指代对应的部分。
附图说明
图1示意性地示出了用于在两个接合配对件之间形成连接的超声接合装置。
图2示出了当执行多个连续的接合操作时，接合工具的温度随时间的变化。
图3示出了当执行多个连续的接合操作时，加热的接合工具相对于常规接合工具的温度随时间的变化。
图4示出了当执行多个连续的接合操作时，冷却的接合工具相对于常规接合工具的温度随时间的变化。
图5(包括图5A至5C)示意性地示出了示例性接合工具的不同视图。
图6示出了示例性的接合工具。
图7示出了超声接合方法。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考了附图。附图示出了可以实践本发明的具体示例。应该理解的是，除非另外特别指出，否则关于各种示例描述的特征和原理可以彼此组合。在说明书以及权利要求书中，某些元件的命名为“第一元件”、“第二元件”、“第三元件”等不应被理解为是计数的。相反，此类名称仅用于处理不同的“元件”。即，例如，“第三元件”的存在不要求“第一元件”和“第二元件”的存在。本文所述的半导体本体可以由(掺杂的)半导体材料制成，并且可以是半导体芯片或者可以被包括在半导体芯片中。半导体本体具有电连接垫并且包括至少一个具有电极的半导体元件。
图1示意性地示出了根据一个示例的接合装置。接合装置包括诸如例如砧座的第一接合工具41和诸如超声焊极的第二接合工具42。第一接合工具41包括第一支撑表面401。第一接合配对件10和第二接合配对件20可以堆叠到彼此之上并且可以布置在第一支撑表面401上。第二接合工具42可以包括或者可以耦合到超声换能器43和温度单元421。温度单元421可以被配置为至少加热或冷却在接合过程中与第二接合配对件20直接接触的第二接合工具42的区域。根据一个示例，可以首先将第二接合配对件20布置在第一接合配对件10上，并且然后可以将由接合配对件10、20形成的堆叠体布置在支撑表面401上。在此上下文中，“在……上”不一定限定接合配对件10、20相对于地表面的顺序，而是相对于第一支撑表面401的顺序。“倒置”的接合装置是已知的，其中，第一支撑表面401“向下”朝向地表面(未具体示出)。根据另一示例，第一接合配对件10可以被布置在支撑表面401上，并且然后第二接合配对件20可以被布置在第一接合配对件10上，使得第一接合配对件10被布置在第二接合配对件20与第一支撑面401之间。堆叠体由两个以上彼此连接的接合配对件形成也是可能的。
超声换能器43使第二接合工具42以超声频率，例如绕竖直轴y扭转(旋转)地振动(扭转运动)。但是，这仅是示例。其他第二接合工具42也是可能的，例如具有锤状形式的线性超声焊极。超声频率可以例如在15kHz和79kHz之间。在图1中，双箭头示意性地示出了振动的方向。超声换能器43机械地耦合到第二结合工具42，使得超声换能器43将超声幅度引入第二结合工具42。超声换能器43被配置为以共振频率激励第二结合工具42。第二接合工具42的共振频率可以在接合过程期间改变。因此，可能有必要在接合过程期间调节超声频率。例如，可以使用锁相环(PLL)或脉冲宽度调制(PWM)来调节超声频率。
在接合装置的接合操作期间，即，当接合装置在第一接合配对件10和第二接合配对件20之间形成连接(例如，焊接的或结合的)时，第一接合配对件10被(直接或间接)放置成与第一接合工具41的支撑表面401相邻(在支撑表面401上、或下方)，并可选地固定(例如，夹紧、吸附、粘附等)到第一接合工具41的支撑表面401。第二接合配对件20(即第二接合配对件20的至少一部分)被布置成与第一接合配对件10相邻，使得第一接合配对件10被布置在第二接合配对件20和支撑表面401之间。第二接合工具42朝向第二接合配对件20移动，使得其接触第二接合配对件20并且以压力F1使第二接合配对件20压靠第一接合配对件10。从而，第二接合配对件20物理地接触第一接合配对件10。根据一个示例，第一接合配对件10可以是半导体衬底或印刷电路板，并且第二接合配对件20可以是接触销或允许电接触衬底或电路板，半导体芯片或半导体本体的任何种类的连接元件。然而，任何其他类型的接合配对件10、20可以布置在第一接合工具41上，并且可以通过执行超声接合操作而永久地彼此连接。接合配对件10、20可以包括例如任何种类的金属或硬或软(热)塑性材料。例如，在两个或更多第一接合配对件10和单个第二接合配对件20之间，或在两个或更多第二接合配对件20和单个第一接合配对件10之间形成连接，是可能的。
随着施加第一按压力F1时，超声换能器43开始，例如，围绕竖直轴y或在横向方向x上(这取决于使用的超声焊极的种类)以超声波频率f1振动，并迫使第二接合工具42也以共振频率振动，例如围绕竖直轴y或在横向方向x上。以这种方式，能量被传递到第一和第二接合配对件10、20之间的界面区域中，并且在第一和第二接合配对件10、20之间形成紧密连接。如果第一和第二接合配对件10、20均是导电的，则也可以在第一和第二接合配对件10、20之间形成电连接。
图1仅示出了可以如何实现第二接合工具42和超声换能器43的一个可能示例。通常已知其他种类的接合装置，例如，线性超声焊极、挠曲超声焊极(也称为线性挠曲焊接超声焊极)、扭转焊接超声焊极或弯曲共振器。如图1所示，第二接合工具42可以绕竖直轴y振动。已知其他接合工具42，其例如在水平方向x上振动(例如，线性焊接)。第二接合工具42在任何其他合适的方向上或围绕任何其他合适的轴的振动也是可能的。
通常，直接连续地执行多个接合操作。也就是说，在接合操作期间，第一和第二接合配对件10、20彼此连接，然后第二接合工具42移动到另一第一和第二接合配对件10、20，并且在随后的接合操作期间形成另一接合部。如上所述，在一个接合操作期间，两个或更多第一接合配对件10也可以与一个第二接合配对件20接合，或者两个或更多第二接合配对件20可以与一个第一接合配对件10连接。通过这种方式，可以执行多个接合操作，在两个直接连续的接合操作之间有中间时间间隔。在两个直接连续的接合操作之间的每个中间时间间隔期间，第二接合工具42可移动到要连接的接下来的接合配对件10、20。已知其他接合装置，其中例如第二接合工具42保持静止并且接下来的接合配对件10、20布置在第一支撑表面401上。第一接合工具41例如可以是活动的。在这些中间时间间隔期间，不施加压力。第二接合工具42在中间时间间隔期间可以振动或可以不振动。换句话法，在中间时间间隔期间，第二接合工具42实际上未激活。在此上下文中，“实际上未激活”是指不执行任何接合操作。然而，第二接合工具42在中间时间间隔期间仍可以振动，例如以清洁第二接合工具42。由于该振动，任何污染物都可能从第二接合工具42上被甩出。此外，例如，在中间时间间隔期间确定第二接合工具42的固有共振频率和空闲功率是可能的。
每个接合操作通常花费一定的时间，例如，在50ms(毫秒)和10s(秒)之间。在此期间，第二接合工具42的温度通常由于例如施加到接合配对件10、20的振动和压力，并且特别是由于在接合配对件10、20之间以及在第二接合工具42和接合配对件10、20之间产生的摩擦，而升高。在中间时间间隔期间，当第二接合工具42实际上未激活时(如上所述)，第二接合工具42的温度再次降低。每个中间时间间隔可能要花费一定的时间，例如在200ms和30s之间。例如，中间时间间隔的长度可以取决于将接下来的接入配对件10、20布置在第一接合工具41上并且将第二接合工具42定位在开始位置中所需的时间。在开始位置，第二接合工具42可以布置在由接合配对件10、20形成的堆叠体上方。在开始位置，第二接合工具42可以接触第二接合配对件20，但是仍不施加任何大的力并且例如没有振动。
在图2的示意图中示意性地示出了常规第二接合工具42(例如，超声焊极)的加热和冷却。在图2中以实线示出的第一曲线示出了第二接合工具42在四个连续的接合操作期间的加热和冷却，每个接合操作的持续时间为500毫秒。在图2的示例中，直接连续的接合操作之间的中间时间间隔为4s。温度轴未示出实际温度。该图仅用于示意性地示出常规接合装置的一般问题。在每次接合操作期间，第二接合工具42被加热一定量。例如，由于振动和施加到接合配对件10、20上的力，第二接合工具42可能会加热200℃。在图2所示的温度轴上，该特定量用1.0表示。但是，图2中的1.0也可能表示任何其他温度。在随后的中间时间间隔期间，第二接合工具42在一定程度上冷却。但是，4s的中间时间间隔可能不是足够长以使第二接合工具42冷却至其初始温度(初始温度＝第一次接合操作之前的温度，在图2中标记为0)。因此，当接下来的接合操作开始时，第二接合工具42的温度高于初始温度。但是，在接下来的接合操作期间，第二接合工具42的温度升高可与第一接合操作期间的升高相当(假设在多个连续的接合操作期间工艺参数相似)。因此，第二接合操作之后的第二接合工具42的温度可以高于第一接合操作之后的第二接合工具42的温度。接下来的中间时间间隔可能再次太短，以至于无法将第二接合工具42冷却到其初始温度。因此，随着每次接合操作，第二接合工具42加热越来越多。
如果连续执行多个(例如3到25个或更多)接合操作，并且两个直接连续的接合操作之间的中间时间间隔短且不允许第二接合工具42冷却到其初始温度，则在多个接合操作的过程中，工艺条件可能会改变。因此，在开始(例如，第一10个接合操作)时形成的连接可能与在将近多个接合操作的结束(例如，最后10个接合操作)时形成的接合处显著不同。但是，用于形成超声连接的要求通常很高。通常，持续形成可靠的连接至关重要。但是，第二接合工具42的温度差可以导致不同连接之间的变化。
通常，一种提高接合过程可靠性的可能性是增大中间时间间隔的持续时间。这在图2中以虚线示例性地说明。500ms的处理时间保持相同，但是，在此示例中，中间时间间隔均具有8s的持续时间。在8秒的中间时间间隔之后，第二接合工具42可能已经基本冷却至或接近其初始温度。因此，在每个连续的接合操作开始时，温度相同或至少相似。因此，对于多个连续的接合操作中的所有接合操作而言，工艺条件相同或至少相似。但是，形成多个接合操作所需的总时间增加。在第一个示例(图2中的实线)中，可以在(100*500ms)+(99*4s)＝446s的总时间后形成100个连接，其中在第二示例(图2中的虚线)中，在(100*500ms)+(99*8s)＝842s的总时间后可以形成100个连接。然而，通常，出于成本和效率的原因，期望使总时间尽可能短。因此，在许多情况下增加中间时间间隔的持续时间是不可接受的。
根据一个示例，第二接合工具42包括或耦合至温度单元421，该温度单元421被配置为主动调节第二接合工具42的温度，例如加热或冷却第二接合工具42。例如，温度单元421可以包括加热单元。加热单元可以任何合适的方式实现。例如，温度单元421可以包括激光单元，该激光单元被配置为使用激光加热第二接合工具42。根据另一个示例，温度单元421可以包括用于感应加热第二接合工具42的感应单元。为了感应加热第二接合工具42，可以将线圈布置成包围第二接合工具42的至少一部分，例如，与第二接合配对件20接触的超声焊极的尖端。例如，可以以例如100kHz的频率将交流电施加到线圈。这可能导致第二接合工具42中，例如第二接合工具42的尖端中的涡流，这导致第二接合工具42加热。根据在图5A中示意性地示出的另一示例，第二接合工具42可包括缝隙422。图5A示出了第二接合工具42的俯视图。从上方看，第二接合工具42一般可以为U形。U形第二接合工具42的一条腿可以被耦合到正电位，而U形第二接合工具42的第二条腿可以被耦合到负电位。可以施加例如100A的高电流，从而加热第二接合工具42。
温度单元421可以被配置为在中间时间间隔中的至少一个时间间隔期间主动加热第二接合工具42。然而，温度单元421在接合操作期间可能未激活。温度单元421可以被配置为在多个连续的接合操作中的两个连续的接合操作之间的所有中间时间间隔期间主动加热第二接合工具42。然而，可能不必在所有中间时间间隔期间主动加热第二接合工具42。在一些装置中，仅在一些中间时间间隔期间主动加热第二接合工具42可能就足够了。例如，如果在少于多个中间时间间隔的10％、25％、40％或50％期间主动加热第二接合工具42，可能是足够的。仅在多个中间时间间隔中的单个中间时间间隔期间加热第二接合工具42对于某些装置可能也是足够的。
例如，第二接合工具42可以仅在多个接合操作的开始时被主动加热，而在将近多个接合操作的结束时可以不被主动加热。将近多个接合操作的结束时，可能不必主动加热第二接合工具42，因为例如由于施加的频率和压力，被主动加热的第二接合工具42的温度在各个接合操作期间仍可能会在一定程度上升高。因此，在一定数量的接合操作之后，第二接合工具42的温度可能已经增加到某个阈值温度以上，并且随后可能不会降至该温度阈值以下，这可能使第二接合工具42的主动加热变得多余。
可选地，也可以在执行多个接合操作中的第一接合操作之前，主动地加热第二接合工具42。以这种方式，可以在执行多个接合操作中的第一接合操作之前将第二接合工具42的初始温度升高到限定的初始温度。这在图3的示意图中被示例性地示出。图3中的实线所示的曲线对应于图2中的实线所示的曲线(第二接合工具42未被主动加热，每个中间时间间隔为4s，持续时间为每个接合操作500ms)。当第一次接合操作之前的初始温度较高时，与在较低的初始温度下开始的接合操作相比，在第一接合操作期间为了形成可靠的接合所需的初始能量可以较小。以这种方式的工艺条件可以在多个随后的接合操作中基本保持恒定。这在图3中以虚线示例性地示出。在该示例中，第二接合工具42被加热到在该示例中的大约0.5的初始温度(例如80℃)。多个接合操作中的每一个之前的初始温度基本上是恒定的。在每个接合操作之后达到的最高温度也基本恒定。在多个接合操作中，初始温度可能不会保持恒定。然而，与没有主动加热第二接合工具42的装置相比，将近多个接合操作中的最后的接合操作时的初始温度的升高可能很小并且可以忽略。
根据另一示例，在至少一个中间时间间隔期间，第二接合工具42被主动冷却。虽然在常规超声接合装置中，第二接合工具42被动地冷却(温度对准环境温度)，但是在图1的装置中可以使用主动冷却单元。以这种方式，第二接合工具42可以在每个中间时间间隔期间被主动冷却到其初始温度，而不会增加中间时间间隔的持续时间。相反，通过有效的冷却，与常规超声接合装置相比，甚至可以减少中间时间间隔的持续时间。
这在图4中示例性地示出。图4中的实线所示的曲线对应于图2和3中的实线所示的曲线。该曲线示出了在4s的中间时间间隔期间未被主动冷却的第二接合工具42的温度。图4中的虚线示出了主动冷却的第二接合工具42的温度。在每个接合操作之后，第二接合工具42的温度被冷却至其初始值或什至低于其初始值。在图4的示例中，中间时间间隔的持续时间没有增加，而是保持在4s。因此，从多个接合操作的第一接合操作到最后的接合操作，工艺条件基本上保持恒定。但是，4s的中间时间间隔的持续时间仅是示例。中间时间间隔的持续时间通常可以短于或长于4s。
用于主动冷却第二接合工具42的温度单元421可以仅在中间时间间隔期间是激活的。在多个接合操作的每一个期间，温度单元421可以是未激活的。
如果温度单元421包括冷却单元，则第二接合工具42的冷却可以任何合适的方式实现。根据一个示例，可产生指向第二接合工具42并被配置为冷却第二接合工具42的气流。例如，超声接合装置可包括至少一根管，例如，钢管或塑料管。这种管的出口可以指向第二接合工具42。空气可以通过管朝向第二接合工具42，空气具有期望的温度并产生使第二接合工具42冷却的气流。根据另一示例，接合装置可以包括风扇，该风扇产生朝向第二接合工具42的气流。但是，这种管或风扇通常相当大，并且可能会阻碍第二接合工具42的运动。
温度单元421可以替代地或附加地包括例如任何种类的散热器或冷却器。温度单元421包括至少一个珀耳帖元件也是可能的。例如，可以在冷却器和第二接合工具42之间布置至少一个珀耳帖元件。可以使用其他冷却介质来冷却第二接合工具42，诸如例如水、防冻剂或酒精。根据另一示例，可以通过蒸发冷却来冷却第二接合工具42。例如，这在图5B的侧视图中示例性地示出。冷却液可以流过毛细管424。在冷却液的出口426附近，毛细管424的直径可以沿冷却液的流动方向从较小的直径增大到较大的直径。由于此增大的直径，起初为液态的冷却液利用空气中的热能将其相转变为其气相，导致较低的空气温度，从而冷却了第二接合工具42。毛细管424直径的增大导致的气体的扩展可能导致这种蒸发冷却效应。这种效应与理想气体定律相对应。
通常，可以在第二接合工具42内部形成毛细管424，如图5B中示例性地示出的。然而，根据另一示例，也可以以任何合适的方式将毛细管424附接到第二接合工具42。毛细管424可以例如通过钎焊、铜焊或胶粘直接附接到第二接合工具42。但是，毛细管424也可以不直接附接到第二接合工具42。例如，毛细管424可以靠近第二接合工具42布置，其输出指向第二接合工具42。例如，毛细管424的输出可以布置在距第二接合工具42的尖端5mm或10mm的范围内，其中第二接合工具42的尖端配置为接触最上面的接合配对件(例如第二接合配对件20)。被引导通过毛细管424的冷却液可包括例如CO2、FCKW、四氟乙烷R-134a或C3F8。在优选地低的压力下液化的任何其他合适的冷却液也是可能的。
图5C示意性地示出了包括用于蒸发冷却的毛细管424的第二接合工具42(例如，线性焊接超声焊极)的示例。毛细管424的第一部分可以在竖直方向y上延伸穿过第二接合工具42。毛细管424的第二部分可以在水平方向x上延伸穿过第二接合工具42。第一部分可以包括一个或多个出口，冷却液可以通过该出口离开毛细管424。冷却液的出口和流动方向示例性地在图5C中用箭头示出。第二部分可以耦接至第一部分，使得插入第二部分中的冷却液进一步流入第二部分中。第二部分的直径可以小于第一部分的直径。因此，在第二部分和第一部分之间的过渡处，冷却液改变其相，从而冷却第二接合工具42。在图5C中以箭头示出了施加压力F1和以振荡频率f1进行振荡所在的方向。
现在参考图6，示例性地示出了包括弯曲共振器的第二接合工具42。压力F1和以振动频率f1振动所在的方向在图6中以箭头示出。该第二接合工具42可包括沿水平方向x延伸的毛细管424。毛细管424的直径朝着毛细管424的出口增大。如上所述，冷却液改变其相，并冷却弯曲共振器。与例如在图1或图5C中示意性示出的第二接合工具42相比，弯曲共振器执行弯曲振动或挠曲振动。这种弯曲共振器是众所周知的，并且因此在此将不再详细描述。通常可以忽略毛细管424对弯曲共振器的机械性能的影响，特别是如果毛细管424在弯曲共振器的喇叭的垂直方向y上居中布置的话。
用于第二接合工具42的蒸发冷却的冷却液可选地在接合操作期间还可以用作保护气体。保护气体可能会对接合操作产生积极影响。此外，通过蒸发冷却过程产生的气体可以通过压缩气体并使其相变回到其液体形式而被再利用。
例如，温度单元421可以包括温度传感器。这种温度传感器(未具体示出)可以确定第二接合工具42的温度。温度单元421可以进一步包括控制或调节电路。这样的控制或调节电路可以从温度传感器接收与第二接合工具42的实际温度有关的信息。控制或调节电路可以被配置为将第二接合工具42的实际温度升高或降低到期望温度。
根据一个示例，控制或调节电路包括PID(比例积分微分)调节器。根据一个示例，可以使用蒸发冷却技术主动地冷却第二接合工具42。如果温度传感器检测到第二接合工具42的温度太低，则可以使用控制或调节电路来加热第二接合工具42。
温度传感器可以包括非接触式传感器，诸如例如红外温度传感器。除了蒸发冷却单元之外，温度单元还可以包括加热器，诸如例如激光单元。在许多情况下，加热过程比冷却过程更易于控制。
所描述的方法可以在配置成借助于超声波在至少两个接合配对件10、20之间形成接合的所有种类的超声接合装置和技术中实施。例如，该方法和技术可以进一步用于超声接合。该方法通常对于线性挠曲焊接技术非常有效，因为这种装置的第二接合工具42(例如，超声焊极)的几何形状通常被设计成使得通常加热朝向第二接合工具42的较冷部分的大部分的超声焊极尖端(与第二接合配对件20接触的超声焊极的尖端)的热传递相对较差。如果从超声焊极尖端向外的传热很差，则在接合操作期间，超声焊极尖端通常会比较快地加热。
第二接合工具42的冷却可以具有多个优点。多个接合操作中的每一个结束时的温度与随后的中间时间间隔结束时的温度之间的差增大。然而，与常规装置相比，第二接合工具42的尖端与被温度单元421冷却的温度单元421的位置之间的导热率增大。因此，与没有主动冷却的常规装置相比，可以减少冷却第二接合工具42的与接合配对件10、20接触的尖端所需的时间。
例如，如果使用蒸发冷却单元冷却第二接合工具42，则冷却介质也可以在例如超声接合过程中用作保护气体。被冷却到非常低的温度，例如-25℃或甚至-60℃，的第二接合工具42对接合过程可能会有更多优势。例如，被冷却到低于0℃的温度的第二接合工具42可以具有增加的寿命，因为第二接合工具42的材料在较低温度下变得更鲁棒。此外，如果将第二接合工具42冷却至非常低的温度，则执行接合过程所需的初始能量可能会增加。这可以延长接合过程的持续时间。这可以使控制接合过程和识别材料偏差变得更加容易。接合配对件10、20的材料范围以及可能的材料组合的范围可以增加。例如，当主动冷却第二接合工具42时，接合配对件10、20可以包括通常可能不会被加热到某一阈值温度以上的任何材料。许多材料可能不会用于常规超声接合过程中，因为如果第二接合工具42变得太热，则接合配对件可能容易熔化。例如，IMS衬底(绝缘金属衬底)通常不可用作常规超声接合过程中的接合配对件。然而，如果仅将第二接合工具42主动冷却至某一阈值温度以下，则可以在超声接合过程中使用IMS衬底，仅举出一个示例。在一些布置中，除了第二接合工具42之外，还可以主动地冷却第一接合配对件10和/或第二接合配对件20。
如果加热到某一阈值温度以上，则诸如铝或铝合金的其他材料例如可以与第二接合工具42互连。因此，在常规的超声接合过程中，这种材料不能用于接合配对件10、20。但是，如果将第二接合工具42主动冷却至某个阈值温度以下，使得防止在接合配对件和第二接合工具42之间形成相互接合，则可以使用这种材料。甚至进一步，可以通过主动冷却第二接合工具42来防止在接合配对件10、20或在接合配对件之间形成的接合处内形成缺陷。
但是，主动加热第二接合工具42也可以具有某些优点。通常，可以通过增高接合操作开始时的初始温度来减小接合操作开始时的温度与相同接合操作结束时的温度之间的差。这也减少了第二接合工具42在随后的中间时间间隔期间再次冷却所需的时间。在接合操作结束时达到的最高温度可以通过主动加热第二接合工具42来稳定化。例如，如上所述，可以减少接合操作所需的初始能量，因为第二接合工具42的能量水平已经提高。这可以减少单独的接合操作的持续时间。以这种方式，可以减少由接合操作引起的机械损伤。例如，这对于比较薄的接合配对件10、20可能是有利的。
接合装置可以被配置为调节第一接合配对件10的温度曲线、第二接合配对件20的温度曲线、第一接合工具41的温度曲线以及第二接合工具42的温度曲线，使得对于一序列的接合操作中的每个超声接合操作，每个温度曲线是相同的或至少相似的。
接合装置可被配置为在两个直接连续的超声接合操作之间的中间时间间隔期间，调节第一接合配对件10的初始温度和第二接合配对件20的初始温度，以使得在在一系列接合操作中形成的每个接合操作的开始处，第一接合配对件10的初始温度和第二接合配对件20的初始温度均相同或至少相似。
接合装置可以进一步包括温度传感器，该温度传感器被配置为确定第二接合工具42的温度，其中，该装置可以被进一步配置为借助于温度单元421来调节第二接合工具42的温度曲线，使得在一系列接合操作中的每个接合操作的开始时，第二接合工具42的初始温度是相同的或至少相似的。
接合装置可以进一步包括比例积分微分调节器，该调节器被配置为基于由温度传感器确定的温度来调节第二接合工具42的温度曲线。
现在参考图7，示出了用于接合至少两个接合配对件10、20的方法。该方法包括执行直接连续的多个超声接合操作(步骤701)，其中执行超声接合操作包括利用第二接合工具42向布置成与第一接合配对件10相邻的第二接合配对件20施加压力，由此使第二接合配对件20压靠第一接合对接件10，并且利用第二接合工具42将高频超声振动施加到接合配对件10、20。该方法还包括在两个直接连续的超声接合操作之间的至少一个中间时间间隔期间，执行以下至少之一：主动冷却和加热第二接合工具42(步骤702)。

Claims (16)

1.一种用于接合至少两个接合配对件(10、20)的方法，包括：
执行直接连续的多个超声接合操作，其中，执行超声接合操作包括使用第二接合工具(42)向与第一接合配对件(10)相邻布置的第二接合配对件(20)施加压力，由此使所述第二接合配对件(20)压靠所述第一接合配对件(10)，并且，利用所述第二接合工具(42)，向所述接合配对件(10、20)施加高频超声振动；以及
在两个直接连续的超声接合操作之间的至少一个中间时间间隔期间，执行以下至少之一：主动冷却和加热所述第二接合工具(42)，其中，通过温度单元(421)加热或冷却所述第二接合工具(42)，并且其中，所述温度单元(421)在所述多个超声接合操作中的每一个期间是未激活的。
2.如权利要求1所述的方法，其中，
在两个直接连续的超声接合操作之间的至少一个中间时间间隔期间，所述第二接合工具(42)被主动冷却至预定温度。
3.如权利要求1所述的方法，其中，
在执行所述多个超声接合操作中的第一个之前，将所述第二接合工具(42)主动加热到预定温度。
4.如权利要求1所述的方法，其中，
在少于所述多个超声接合操作的中间时间间隔的10％、25％、40％或50％期间，主动加热所述第二接合工具(42)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述多个超声接合操作中的每一个具有在50ms和10s之间的持续时间。
6.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述中间时间间隔中的每个具有在200ms和30s之间的持续时间。
7.一种超声接合装置，包括：
第一接合工具(41)，包括第一支撑表面(401)；以及
第二接合工具(42)，被配置成执行直接连续的多个超声接合操作，其中，执行超声接合操作包括向在所述第一支撑表面(401)上堆叠在彼此上的第二接合配对件(20)和第一接合配对件(10)施加压力，从而使所述第二接合配对件(20)压靠所述第一接合配对件(10)，并向所述接合配对件(10、20)施加高频超声振动，其中，
所述第二接合工具(42)包括温度单元(421)，所述温度单元(421)被配置为至少在两个直接连续的超声接合操作之间的一个中间时间间隔期间，执行以下至少之一：主动冷却和加热所述第二接合工具(42)，其中，所述温度单元(421)在所述多个超声接合操作中的每一个期间是未激活的。
8.如权利要求7所述的超声接合装置，其中，所述第二接合工具(42)包括温度传感器，所述温度传感器被配置为检测所述第二接合工具(42)的温度。
9.如权利要求7所述的超声接合装置，其中，所述温度单元(421)包括被配置为主动加热所述第二接合工具(42)的激光单元或感应单元。
10.如权利要求7所述的超声接合装置，其中，所述温度单元(421)包括被配置为主动冷却所述第二接合工具(42)的蒸发冷却单元或风扇单元。
11.如权利要求10所述的超声接合装置，其中，
所述温度单元(421)包括蒸发冷却单元，
所述蒸发冷却单元包括毛细管(424)，所述毛细管(424)包括具有第一直径的第一部分和具有第二直径的第二部分，所述第二直径小于所述第一部分的直径；以及
通过所述毛细管(424)的冷却液通过所述第二部分，并且当到达具有增大的直径的所述第一部分时，其相变成气态。
12.如权利要求7至11中任一项所述的超声接合装置，其中，所述第二接合工具(42)包括超声焊极。
13.如权利要求7至11中任一项所述的超声接合装置，所述超声接合装置被配置为调节所述第一接合配对件(10)的温度曲线、所述第二接合配对件(20)的温度曲线、所述第一接合工具(41)的温度曲线、和所述第二接合工具(42)的温度曲线，使得对于一系列接合操作中的每个超声接合操作，每个温度曲线相同或至少相似。
14.如权利要求7至11中任一项所述的超声接合装置，所述超声接合装置被配置为在两个直接连续的超声接合操作之间的中间时间间隔期间，调节所述第一接合配对件(10)的初始温度和所述第二接合配对件(20)的初始温度，使得所述第一接合配对件(10)的所述初始温度和所述第二接合配对件(20)的所述初始温度均在一系列接合操作中的每个接合操作的开始时相同或至少相似。
15.如权利要求13所述的超声接合装置，还包括温度传感器，所述温度传感器被配置为确定所述第二接合工具(42)的温度，其中，所述超声接合装置还被配置为借助于所述温度单元(421)来调节所述第二接合工具(42)的温度曲线，使得所述第二接合工具(42)的初始温度在一系列接合操作中的每个接合操作开始时相同或至少相似。
16.如权利要求15所述的超声接合装置，还包括比例积分微分调节器，所述比例积分微分调节器被配置为基于由所述温度传感器确定的温度来调节所述第二接合工具(42)的温度曲线。
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