CN111774752B - 一种铜线焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铜线焊接装置，包括打火杆、超声波换能器和保护气体吹气装置，所述超声波环能器端部设置有瓷嘴，打火杆和吹气装置分别设置在所述瓷嘴的两侧，所述瓷嘴内设置有供铜线穿过的内腔，所述内腔包括由上至下依次相连通的通孔部一、通孔部二和通孔部三，所述通孔部一为圆柱形通孔，通孔部三为圆台型通孔，通孔部二位于通孔部一和通孔部三之间，为由朝通孔部三中心外凸的过渡曲线形成的过渡通孔。本发明提供一种引线不易折断、焊点键合强度高的铜线焊接装置及其铜线焊接工艺。
Description
技术领域
本发明涉及LED焊接技术领域，特别涉及一种铜线焊接装置及其铜线焊接工艺。
背景技术
平面LED封装是把LED芯片放置在平面支架的反射杯中，经过金线球焊接后，用环氧树脂封而成。完整的封装工艺需经历点胶、固晶、焊线、树脂封装、切脚、检测等十多道工序，相应的加工设备有固晶机、焊线机、注塑机、荧光粉涂覆机、塑封机、测试机等。其中，焊线工序是通过焊线机将铜线焊接在LED支架上形成LED导通电路。但是现有技术中的LED焊接技术存在以下缺陷：1、采用铜线焊接时，需要高压电火花使铜线端部熔成球形，在熔融成球形的同时铜线本身的金相结构会发生变化，重新排列，熔融成的自由球的晶格粗大并且与熔融自由球相连接的铜线也存在晶格变大的现象，从而导致铜线的脆性变大，熔球与铜线连接的颈部脆性变大，而现有技术中的熔球端与铜线通常为转折结构，导致引线颈部极易断线的缺陷；2、通常采用的超声波焊接的方式，仅是采用打火杆产生几千伏的高压电，产生高温将铜线尾丝熔化形成种球，再通过控制瓷嘴向下移动，将金属熔融种球接触焊盘，最后形成圆环形的焊接点，但是这种圆环形键合方式的结合强度仍然需要提高。
因此，需要研究一种引线不易折断、焊点键合强度高的铜线焊接装置及其铜线焊接工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种引线不易折断、焊点键合强度高的铜线焊接装置及其铜线焊接工艺。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种铜线焊接装置，包括打火杆、超声波换能器和保护气体吹气装置，所述超声波环能器端部设置有瓷嘴，打火杆和吹气装置分别设置在所述瓷嘴的两侧，所述瓷嘴内设置有供铜线穿过的内腔，所述内腔包括由上至下依次相连通的通孔部一、通孔部二和通孔部三，所述通孔部一为圆柱形通孔，通孔部三为圆台型通孔，通孔部二位于通孔部一和通孔部三之间，为由朝通孔部三中心外凸的过渡曲线形成的过渡通孔。
作为本发明的进一步设置，瓷嘴底部外侧还设置有向外凸的圆弧形的推展部。
作为本发明的进一步设置，推展部与通孔部三侧壁之间设置有向下凸的圆弧形的下压部。
作为本发明的进一步设置，通孔部一的高度BH为5-10μm，通孔部一的孔径H为1.1-1.2倍铜线直径，所述通孔部三的直径CD为12-15μm。
作为本发明的进一步设置，通孔部三的外锥角CDA为90°。
作为本发明的进一步设置，通孔部二的过渡曲线为圆弧形曲线，所述过渡曲线与竖直平面的夹角α为5°-10°，所述过渡曲线的弧半径为40-45μm。
作为本发明的进一步设置，推展部与水平平面的夹角β为30°-45°，所述推展部的弧半径为10-15μm。
作为本发明的进一步设置，下压部为向下凸出的圆弧形，所述下压部的弧半径为40-50μm。
本发明还提供一种铜线焊接工艺，包括以下步骤：
步骤S1：向加工工作端、瓷嘴吹送保护气体，保护气体为体积分数95-98%的氮气和体积分数为2-5%的氢气构成，吹送20-30s后，对焊盘集中吹送5s保护气体；
步骤S2：启动换能器和打火杆，利用打火杆将穿过瓷嘴的铜线烧熔成熔球，此时熔球处于与焊盘接触的临界点，下降垂直高度G=0；
步骤S3：将瓷嘴下移至下降垂直高度G=5μm，对铜线熔球进行压焊；
步骤S4：对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二、通孔部三、推展部对熔球进行水平铺展；
步骤S5：再将瓷嘴下移5μm至下降垂直高度G=10μm，对铜线熔球进行进一步压焊；
步骤S6：对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二、通孔部三、推展部对熔球进行水平铺展；
步骤S7：重复S5和步骤S6直到下降垂直高度G=25μm，此时对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二、通孔部三、推展部和下压部对熔球进行水平铺展和垂直下压，形成焊接点。
作为本发明的进一步设置，保护气体的温度为65℃-70℃，所述换能器的功率为50-100DAC。
本发明的有益效果是：
1. 本发明铜线焊接装置包括吹气装置，在铜线端部形成熔融种球之前、键合焊接的过程中对铜线进行保护气体保护作用，有效降低铜在高温下的氧化生成氧化物的影响，提高焊点键合的结合强度。
2. 本发明的焊接工艺区别于传统的熔球、压焊的铜线焊接工艺，本方案在熔球之前采用热的保护气体进行充吹，并且用热保护气体将焊盘进行预热，再焊接时并不是一步成型下压熔球形成焊点，而是采用分布压焊的形式，在每一步压焊时采用以位移幅值为标准进行横向振动将熔融焊球在横向进行擀匀、铺开，将键合区进行一定的扩展，最终形成圆形键合面，相比圆环性键合面，键合面积更大，键合结合力更强，有效提高焊点与焊盘之间的结合力。
3. 本发明的瓷嘴设计有相连接的通孔部一、通孔部二和通孔部三，通孔部一为圆柱形通孔，通孔部三为圆台型通孔，通孔部二位于通孔部一和通孔部三之间，为由朝通孔部三中心外凸的过渡曲线形成的过渡通孔，通孔部二一方面能在形成熔球时因为改变了自由球与铜线的过渡结构，因此改变了晶格分布的结构，降低了自由球与铜线相连接的部位的晶格大小，减小了晶格变大的影响，提高最终焊点与铜线相连接处也就是引线颈部的韧性，降低引线颈部断线的概率，另一方面，通孔部二使最后形成的铜线的自由端与铜线之间的引线颈部为过渡曲线结构，相比于现有折线型颈部，受到有害的拉伸力时，容易将有害拉伸力均匀分散，在增加颈部铜线厚度的同时，提高引线颈部的抗拉伸、抗撕裂能力，再者通孔部二结合焊接工艺中对瓷嘴进行位移幅值的横向振动时，能为熔球提供向熔球中心的斜向下的推力，提高熔球中心与焊盘的结合接触面积，最终形成圆形键合区，提高熔球与焊盘的结合强度。
4. 本发明的瓷嘴在外侧还设置有圆弧形的推展部，推展部在瓷嘴横向振动对熔球进行擀匀、铺开时，能对熔球提供向瓷嘴外部并且斜向下的作用力，能扩展熔球与焊盘接触的外缘的边界，提高焊球与焊盘的接触面积，提高键合强度，同时，推展部与通孔部三之间形成向下凸的下压部，能在瓷嘴对熔球进行铺开的同时对熔球施加向下的压力，使形成的圆形焊点的内部形成一圈环形强力键合区，进一步提高焊接点与焊盘的结合强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明瓷嘴的结构示意图；
图2是图1中A处的放大结构示意图；
图3是采用普通瓷嘴高温铜线熔球的晶格结构示意图；
图4是采用本发明瓷嘴高温铜线熔球的晶格结构示意图；
图5是现有技术中产生的圆环形焊接点；
图6是本发明工艺产生的圆形焊接点。
图中，1、通孔部一，2、通孔部二，3、通孔部三，4、过渡曲线，5、推展部，6、下压部，7、环形强力键合区，8、圆环形焊接点，9、圆形焊接点。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一、实施例
实施例1
一种铜线焊接装置，包括打火杆、超声波换能器和保护气体吹气装置，所述超声波环能器端部设置有瓷嘴，打火杆和吹气装置分别设置在所述瓷嘴的两侧，所述瓷嘴内设置有供铜线穿过的内腔，所述内腔包括由上至下依次相连通的通孔部一1、通孔部二2和通孔部三3，所述通孔部一1为圆柱形通孔，通孔部三3为圆台型通孔，通孔部二2位于通孔部一1和通孔部三3之间，为由朝通孔部三3中心外凸的过渡曲线4形成的过渡通孔，瓷嘴底部外侧还设置有向外凸的圆弧形的推展部5，推展部5与通孔部三3侧壁之间设置有向下凸的圆弧形的下压部6。
作为本发明的进一步设置，通孔部一1的高度BH为5μm，通孔部一1的孔径H为1.1倍铜线直径，所述通孔部三3的直径CD为12μm，通孔部三3的外锥角CDA为90°，通孔部二2的过渡曲线4为圆弧形曲线，所述过渡曲线4与竖直平面的夹角α为5°，所述过渡曲线4的弧半径为40μm，推展部5与水平平面的夹角β为30°，所述推展部5的弧半径为10μm，下压部6为向下凸出的圆弧形，所述下压部6的弧半径为40μm。
本发明还提供一种铜线焊接工艺，包括以下步骤：
步骤S1：向加工工作端、瓷嘴吹送保护气体，保护气体为体积分数95%的氮气和体积分数为5%的氢气构成，吹送20s后，对焊盘集中吹送5s保护气体，保护气体的温度为65℃；
步骤S2：启动换能器和打火杆，利用打火杆将穿过瓷嘴的铜线烧熔成熔球，此时熔球处于与焊盘接触的临界点，下降垂直高度G=0；
步骤S3：将瓷嘴下移至下降垂直高度G=5μm，对铜线熔球进行压焊；
步骤S4：对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二2、通孔部三3、推展部5对熔球进行水平铺展；
步骤S5：再将瓷嘴下移5μm至下降垂直高度G=10μm，对铜线熔球进行进一步压焊；
步骤S6：对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二2、通孔部三3、推展部5对熔球进行水平铺展；
步骤S7：重复S5和步骤S6直到下降垂直高度G=25μm，此时对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二2、通孔部三3、推展部5和下压部6对熔球进行水平铺展和垂直下压，形成焊接点；所述换能器的功率为50DAC。
实施例2
一种铜线焊接装置，包括打火杆、超声波换能器和保护气体吹气装置，所述超声波环能器端部设置有瓷嘴，打火杆和吹气装置分别设置在所述瓷嘴的两侧，所述瓷嘴内设置有供铜线穿过的内腔，所述内腔包括由上至下依次相连通的通孔部一1、通孔部二2和通孔部三3，所述通孔部一1为圆柱形通孔，通孔部三3为圆台型通孔，通孔部二2位于通孔部一1和通孔部三3之间，为由朝通孔部三3中心外凸的过渡曲线4形成的过渡通孔，瓷嘴底部外侧还设置有向外凸的圆弧形的推展部5，推展部5与通孔部三3侧壁之间设置有向下凸的圆弧形的下压部6。
作为本发明的进一步设置，通孔部一1的高度BH为10μm，通孔部一1的孔径H为1.2倍铜线直径，所述通孔部三3的直径CD为15μm，通孔部三3的外锥角CDA为90°，通孔部二2的过渡曲线4为圆弧形曲线，所述过渡曲线4与竖直平面的夹角α为10°，所述过渡曲线4的弧半径为45μm，推展部5与水平平面的夹角β为30°，所述推展部5的弧半径为15μm，下压部6为向下凸出的圆弧形，所述下压部6的弧半径为50μm。
本发明还提供一种铜线焊接工艺，包括以下步骤：
步骤S1：向加工工作端、瓷嘴吹送保护气体，保护气体为体积分数98%的氮气和体积分数为2%的氢气构成，吹送20s后，对焊盘集中吹送5s保护气体，保护气体的温度为70℃；
步骤S2：启动换能器和打火杆，利用打火杆将穿过瓷嘴的铜线烧熔成熔球，此时熔球处于与焊盘接触的临界点，下降垂直高度G=0；
步骤S3：将瓷嘴下移至下降垂直高度G=5μm，对铜线熔球进行压焊；
步骤S4：对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二2、通孔部三3、推展部5对熔球进行水平铺展；
步骤S5：再将瓷嘴下移5μm至下降垂直高度G=10μm，对铜线熔球进行进一步压焊；
步骤S6：对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二2、通孔部三3、推展部5对熔球进行水平铺展；
步骤S7：重复S5和步骤S6直到下降垂直高度G=25μm，此时对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二2、通孔部三3、推展部5和下压部6对熔球进行水平铺展和垂直下压，形成焊接点；所述换能器的功率为100DAC。
实施例3
一种铜线焊接装置，包括打火杆、超声波换能器和保护气体吹气装置，所述超声波环能器端部设置有瓷嘴，打火杆和吹气装置分别设置在所述瓷嘴的两侧，所述瓷嘴内设置有供铜线穿过的内腔，所述内腔包括由上至下依次相连通的通孔部一1、通孔部二2和通孔部三3，所述通孔部一1为圆柱形通孔，通孔部三3为圆台型通孔，通孔部二2位于通孔部一1和通孔部三3之间，为由朝通孔部三3中心外凸的过渡曲线4形成的过渡通孔，瓷嘴底部外侧还设置有向外凸的圆弧形的推展部5，推展部5与通孔部三3侧壁之间设置有向下凸的圆弧形的下压部6。
作为本发明的进一步设置，通孔部一1的高度BH为8μm，通孔部一1的孔径H为1.15倍铜线直径，所述通孔部三3的直径CD为13μm，通孔部三3的外锥角CDA为90°，通孔部二2的过渡曲线4为圆弧形曲线，所述过渡曲线4与竖直平面的夹角α为8°，所述过渡曲线4的弧半径为43μm，推展部5与水平平面的夹角β为40°，所述推展部5的弧半径为13μm，下压部6为向下凸出的圆弧形，所述下压部6的弧半径为45μm。
本发明还提供一种铜线焊接工艺，包括以下步骤：
步骤S1：向加工工作端、瓷嘴吹送保护气体，保护气体为体积分数96%的氮气和体积分数为4%的氢气构成，吹送25s后，对焊盘集中吹送5s保护气体，保护气体的温度为68℃；
步骤S2：启动换能器和打火杆，利用打火杆将穿过瓷嘴的铜线烧熔成熔球，此时熔球处于与焊盘接触的临界点，下降垂直高度G=0；
步骤S3：将瓷嘴下移至下降垂直高度G=5μm，对铜线熔球进行压焊；
步骤S4：对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二2、通孔部三3、推展部5对熔球进行水平铺展；
步骤S5：再将瓷嘴下移5μm至下降垂直高度G=10μm，对铜线熔球进行进一步压焊；
步骤S6：对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二2、通孔部三3、推展部5对熔球进行水平铺展；
步骤S7：重复S5和步骤S6直到下降垂直高度G=25μm，此时对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二2、通孔部三3、推展部5和下压部6对熔球进行水平铺展和垂直下压，形成焊接点；所述换能器的功率为80DAC。
实施例4
采用与实施例1-3同样的铜丝，现有技术中的常见的仅含有圆柱形通孔和圆台形通孔结构的瓷嘴，焊接工艺为：步骤S1：向加工工作端、瓷嘴吹送保护气体，保护气体为体积分数96%的氮气和体积分数为4%的氢气构成，吹送25s后，对焊盘集中吹送5s保护气体，保护气体的温度为68℃；
步骤S2：启动换能器和打火杆，利用打火杆将穿过瓷嘴的铜线烧熔成熔球；
步骤S3：将瓷嘴下移至下降垂直高度G=25μm，对铜线熔球进行压焊，形成焊接点；所述换能器的功率为80DAC。
将实施例1-3和对比例焊接形成的焊接点进行焊点拉力测试和使用寿命的测试，测试结果如下表1：
表1 各个实施例的芯层的焊点拉力和使用寿命测试结果
本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种铜线焊接工艺，其特征在于，使用铜线焊接装置，所述铜线焊接装置包括打火杆、超声波换能器和保护气体吹气装置，所述超声波环能器端部设置有瓷嘴，打火杆和吹气装置分别设置在所述瓷嘴的两侧，所述瓷嘴内设置有供铜线穿过的内腔，所述内腔包括由上至下依次相连通的通孔部一（1）、通孔部二（2）和通孔部三（3），所述通孔部一（1）为圆柱形通孔，通孔部三（3）为圆台型通孔，通孔部二（2）位于通孔部一（1）和通孔部三（3）之间，为由朝通孔部三（3）中心外凸的过渡曲线（4）形成的过渡通孔，所述瓷嘴底部外侧还设置有向外凸的圆弧形的推展部（5），所述推展部（5）与通孔部三（3）侧壁之间设置有向下凸的圆弧形的下压部（6），铜线焊接装置的铜线焊接工艺包括以下步骤：步骤S1：向加工工作端、瓷嘴吹送保护气体，保护气体为体积分数95-98%的氮气和体积分数为2-5%的氢气构成，吹送20-30s后，对焊盘集中吹送5s保护气体；
步骤S2：启动换能器和打火杆，利用打火杆将穿过瓷嘴的铜线烧熔成熔球，此时熔球处于与焊盘接触的临界点，下降垂直高度G=0；
步骤S3：将瓷嘴下移至下降垂直高度G=5μm，对铜线熔球进行压焊；
步骤S4：对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二（2）、通孔部三（3）、推展部（5）对熔球进行水平铺展；
步骤S5：再将瓷嘴下移5μm至下降垂直高度G=10μm，对铜线熔球进行进一步压焊；
步骤S6：对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二（2）、通孔部三（3）、推展部（5）对熔球进行水平铺展；
步骤S7：重复S5和步骤S6直到下降垂直高度G=25μm，此时对瓷嘴施加位移幅值为P=1μm的超声波水平振动，通孔部二（2）、通孔部三（3）、推展部（5）和下压部（6）对熔球进行水平铺展和垂直下压，形成焊接点。
2.根据权利要求1所述的铜线焊接工艺，其特征在于，所述通孔部一（1）的高度BH为5-10μm，通孔部一（1）的孔径H为1.1-1.2倍铜线直径，所述通孔部三（3）的直径CD为12-15μm。
3.根据权利要求2所述的铜线焊接工艺，其特征在于，所述通孔部三（3）的外锥角CDA为90°。
4.根据权利要求2所述的铜线焊接工艺，其特征在于，所述通孔部二（2）的过渡曲线（4）为圆弧形曲线，所述过渡曲线（4）与竖直平面的夹角α为5°-10°，所述过渡曲线（4）的弧半径为40-45μm。
5.根据权利要求1所述的铜线焊接工艺，其特征在于，所述推展部（5）与水平平面的夹角β为30°-45°，所述推展部（5）的弧半径为10-15μm。
6.根据权利要求1所述的铜线焊接工艺，其特征在于，所述下压部（6）为向下凸出的圆弧形，所述下压部（6）的弧半径为40-50μm。
7.根据权利要求1所述的铜线焊接工艺，其特征在于，所述保护气体的温度为65℃-70℃，所述换能器的功率为50-100DAC。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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