CN115255601A - 超声波焊接设备 - Google Patents

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CN115255601A CN202210472518.XA CN202210472518A CN115255601A CN 115255601 A CN115255601 A CN 115255601A CN 202210472518 A CN202210472518 A CN 202210472518A CN 115255601 A CN115255601 A CN 115255601A
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M·查内塔
A·塔克卡奇
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Abstract

一种超声波焊接设备包括超声焊极，其包括结构化工作表面，所述结构化工作表面包括多个顶点、在所述顶点中的紧邻的顶点之间的多个低点以及在低点和顶点之间延伸的平坦侧壁，其中，对于每个顶点，在相应的顶点的两侧上的平坦侧壁沿着以锐角彼此相交的第一和第二平面延伸。

Description

超声波焊接设备
技术领域
本发明涉及超声波焊接设备以及一种焊接方法。
背景技术
焊接是一种用于在电子器件应用中形成电互连的技术。例如，功率电子器件应用可以使用焊接在功率模块中形成机械互连和电互连。为了确保焊接接合部在设备的使用寿命内的电可靠性和机械可靠性，焊接接合部必须具有最小尺寸和强度。此外，必须在焊接接合部的占位区域周围预留一个区域，以允许焊接材料在焊接过程中扩展。满足这些要求所需的总区域由所使用的材料和焊接技术决定。通过减少形成焊接接合部所需的总区域，可以将更大比例的电路板区域专用于电子部件，例如半导体裸片、无源器件等。因此，需要提供一种焊接工艺，以减少焊接接合部的占位区域，而不牺牲电可靠性和机械可靠性。
发明内容
公开了一种超声波焊接设备。根据一个实施例，超声波焊接设备包括超声焊极，所述超声焊极包括结构化工作表面，所述结构化工作表面包括多个顶点、在所述顶点中的紧邻的顶点之间的多个低点以及在低点和顶点之间延伸的平坦侧壁，其中，对于每个顶点，在相应的顶点的两侧上的平坦侧壁沿着以锐角彼此相交的第一和第二平面延伸。
单独地或组合地，所述结构化工作表面还包括多个在相应的两个平坦侧壁之间延伸的弯曲表面，并且每个低点由所述弯曲表面形成。
单独地或组合地，所述弯曲表面形成在相应的两个平坦侧壁之间延伸的圆弧状凹陷。
单独地或组合地，对于每个顶点，在所述顶点的两侧上的平坦侧壁彼此会合以在所述顶点处形成尖锐点。
单独地或组合地，所述圆弧状凹陷的半径等于或小于相应的圆弧状凹陷的两侧上的顶点的间距的0.5倍。
单独地或组合地，所述圆弧状凹陷的半径在所述间距的0.1到0.4倍之间。
单独地或组合地，所述第一平面和第二平面以50度和70度之间的角度彼此相交。
单独地或组合地，所述第一平面和第二平面以55度和60度之间的角度彼此相交。
单独地或组合地，圆弧状凹陷的半径在所述圆弧状凹陷的两侧上的顶点的间距的0.2和0.3倍之间，并且所述第一平面和第二平面以55度和60度之间的角度彼此相交。
单独地或组合地，所述焊接设备还包括换能器，所述换能器机械耦连到超声焊极并且被配置为使所述超声焊极以超声频率振动。
根据另一个实施例，超声波焊接设备包括超声焊极，其包括结构化工作表面，所述结构化工作表面包括多个顶点、在所述顶点中的紧邻的顶点之间的多个低点以及在所述顶点中的紧邻的顶点之间延伸的多个弯曲表面，其中，每个低点由弯曲表面形成。
单独地或组合地，每个低点与相应的低点的两侧上的顶点之间的垂直偏移量大于相应的低点的两侧上的顶点的间距的0.5倍。
单独地或组合地，所述垂直偏移量在所述间距的0.55至0.73倍之间。
单独地或组合地，所述工作表面还包括平坦侧壁，所述平坦侧壁从弯曲表面延伸并且彼此相交以形成所述顶点，其中，所述弯曲表面形成在两个平坦侧壁之间延伸的圆弧状凹陷，并且圆弧状凹陷的半径等于或小于相应的圆弧状凹陷的两侧上的顶点的间距的0.5倍。
公开了一种焊接方法。根据一个实施例，所述方法包括：提供第一和第二接合伙伴；提供包括具有结构化工作表面的超声焊极的焊接设备；布置第一和第二接合伙伴以彼此接触；和通过将第一接合伙伴与结构化工作表面接触并以超声波频率振动超声焊极，在第一和第二接合伙伴之间形成焊接连接，其中，结构化工作表面包括多个顶点、在所述顶点中的紧邻的顶点之间的多个低点以及在低点和顶点之间延伸的平坦侧壁，其中，对于每个顶点，在相应的顶点的两侧上的平坦侧壁沿着以锐角彼此相交的第一和第二平面延伸；或其中，所述结构化工作表面还包括在所述顶点中的紧邻的顶点之间延伸的多个弯曲表面，且每个低点由弯曲表面形成。
单独地或组合地，所述第一接合伙伴是功率模块端子，所述第二接合伙伴是功率模块衬底的结构化金属区域。
单独地或组合地，所述第一和第二接合伙伴中的至少一个包括铜。
单独地或组合地，所述结构化工作表面包括多个弯曲表面，其中，所述弯曲表面中的每一个形成在两个平坦侧壁之间延伸的圆弧状凹陷，所述圆弧状凹陷的半径在所述圆弧状凹陷的两侧上的顶点的间距的0.1到0.4倍之间。
单独地或组合地，对于每个顶点，在相应的顶点的两侧上的平坦侧壁沿着以锐角彼此相交的第一和第二平面延伸，所述锐角在50度和70度之间。
单独地或组合地，每个低点与相应的低点的两侧上的顶点之间的垂直偏移量大于相应的低点的两侧上的顶点的间距的0.5倍。
附图说明
附图的元件不是一定相对于彼此成比例。相同的附图标记表示相应的相似部分。各种所示实施例的特征可以组合，除非它们相互排斥。实施例在附图中被描绘并且在下面的描述中被详细描述。
图1描绘了根据一个实施例的焊接设备和接合伙伴。
图2描绘了根据一个实施例的通过超声波焊接技术形成的焊接接合部。
图3A、3B和3C描绘了根据一个实施例的可用于超声焊接技术的超声焊极的剖视图。图3A描绘了超声焊极的剖视图，图3B描绘了超声焊极的剖视图，其中几何参考与超声焊极的结构化工作表面的间距和垂直深度有关，图3C描绘了根据一个实施例的超声焊极的剖视图，其中几何参考与侧壁的角度和侧壁之间的弯曲表面的半径有关。
图4描绘了根据一个实施例的通过超声波焊接技术形成的焊接接合部。
具体实施方式
本文描述了超声波焊接设备和相应的焊接方法的实施例。本文描述了有利地非常适合可靠地形成具有高机械强度和良好控制的占位区域的焊接接合部的焊接设备和方法。为此，焊接设备包括具有结构化工作表面的超声焊极，该结构化工作表面具有以有利的几何形状布置的顶点和低点。这种几何形状的一个有利方面是在顶点和低点之间延伸的结构化工作表面的平坦壁中的陡峭取向角度。这种几何形状的另一个有利方面是结构化工作表面的平坦壁之间的形成低点的弯曲凹陷。这些特征单独地或组合地为变形材料流入到结构化工作表面的突起之间产生大的容积，从而减少在超声焊接过程期间被推到超声焊极的周边之外的材料量。对于给定的接触区域，所得的焊接接合部具有更高的电气和机械可靠性。这可以增加焊接连接结构的密度和/或减小焊接连接结构与其它电子部件、例如半导体器件之间的间距。
参考图1，焊接设备100包括砧座102、超声焊极104以及换能器106。超声焊极104包括结构化工作表面108。结构化工作表面108具有形成非平坦表面轮廓的突起图案。换能器106机械地耦连到超声焊极104并且被配置为使超声焊极104在将在下文更详细描述的过程中以超声频率振动。砧座102是一个平坦且不可移动的表面，可在其上放置接合伙伴。
焊接设备100可用于根据以下超声波焊接技术形成焊接连接。第一和第二接合伙伴110、112被提供并被布置在砧座102上。一般而言，第一和第二接合伙伴110、112可以包括可以通过热和压力的组合熔合在一起的任何材料。这些材料的示例包括诸如铜、铝、镍、金、银、青铜、锡等以及它们的合金的金属，以及诸如聚碳酸酯、聚乙烯等的热塑性塑料。第一和第二接合伙伴110、112被布置在砧座102上，其中第一接合伙伴110设置在第二接合伙伴112上方。超声焊极104的结构化工作表面108与第一接合伙伴110接触。换能器106使超声焊极104以超声波频率振动。在此上下文中，超声波频率是指等于或高于10KHz(千赫兹)的任何频率。超声波频率的示例性值在10KHz-150KHz的范围内。例如，超声波频率的特定频率值可以是20KHz、30KHz或40KHz。超声焊极104可以在垂直于砧座102的上表面114的上下方向上或在平行于砧座102的上表面114的左右方向上振动。一般来说，振动的幅度可能在0.01mm(毫米)-0.1mm的范围内。超声焊极104的振动使第一和第二接合伙伴110、112相对彼此振荡运动。此时，第一和第二接合伙伴110、112可以通过法向力压在一起。可以使用例如气动(空气)压力、液压系统、心轴、电磁执行器/线性马达等来施加法向力。第一和第二接合伙伴110、112的振荡在第一和第二接合伙伴110、112之间的界面处产生摩擦，进而加热第一和第二接合伙伴110、112之间的界面附近的材料。这样，第一和第二接合伙伴110、112熔合在一起以产生焊接接合部。
参考图2，描绘了根据一个实施例的通过超声波焊接工艺产生的焊接接合部200。在该示例中，焊接接合部200位于两个接合伙伴之间，这两个接合伙伴均是基本上纯铜结构。焊接接合部200是从在焊接过程期间面向超声焊极的上部接合伙伴的上方示出的。这种焊接接合部200具有材料分布不均匀的缺点。特别地，接合伙伴的材料在所示方向208上被挤压到外周边202。此外，毛刺206可能形成在焊接接合部200的外周边202处。焊接接合部200的这种扩展可能导致不期望的电短路并且可在焊接接合部200底下的底下衬底上施加不期望的机械应力。
参考图3A，描绘了根据一个实施例的超声焊极104的结构化工作表面108。结构化工作表面108包括以规则图案布置的多个顶点116和多个低点118。顶点116是结构化工作表面108上形成局部最高的位置。低点118是结构化工作表面108上形成局部最低的位置。多个顶点116中的每个顶点116可以与单个平面共同延伸，使得超声焊极104可以与另一个平坦表面接触并且每个顶点116均接触这个平坦表面。同样，每个低点118可以与从顶点116的平面垂直偏移的单个平面共同延伸。结构化工作表面108还包括在低点118和顶点116之间延伸的平坦侧壁120。平坦侧壁120是基本上平坦的表面。这意味着平坦侧壁120沿单个平面延伸到在用于形成超声焊极104的制造技术的工艺公差内实际上可实现的程度。结构化工作表面108还包括多个在两个平坦侧壁120之间延伸的弯曲表面122。每个低点118由弯曲表面122形成。也就是说，低点118对应于弯曲表面122上的最低点。
图3A-3C中示出的结构化工作表面108的剖面轮廓可以通过在垂直于图的剖面平面的方向上延伸的条形突起的图案来实现。此外，如可以从图3A-3C和4中理解的那样，这些条形突起可以具有交叉图案，使得图3A-3C所示的结构化工作表面108的剖面轮廓存在于彼此横向(例如，垂直)的两个不同剖面平面中。
参考图3B，结构化工作表面108被配置为使得顶点116以一定间距布置。间距指的是两个紧邻的顶点116之间的侧向间隔距离D1。多个顶点116中的每一个可以规则地彼此间隔开该侧向间隔距离D1。一般来说，顶点116的间距可以是0.05mm至5.0mm范围内的任何值。更典型地，顶点116的间距在0.1mm至1.0mm的范围内。在一个特定实施例中，顶点116的间距为0.5mm。
此外，结构化工作表面108被配置为使得顶点116和低点118之间具有垂直偏移量。垂直偏移量是结构化工作表面108的最低点(即，低点118之一)和结构化工作表面108的最高点(即，顶点116之一)之间的垂直间隔距离D2。结构化工作表面108可以在顶点116和低点118的图案上具有相同的垂直偏移量，这意味着每个顶点116与第一平面共同延伸并且每个低点118与第二平面共同延伸，并且垂直偏移量对应于第一和第二平面之间的间隔距离。
根据一个实施例，低点118和顶点116之间的垂直偏移量大于顶点116的间距的0.5倍。在一个实施例中，垂直偏移量可以在间距的0.51和1.0倍之间。在一个实施例中，垂直偏移量在间距的0.55和0.75倍之间。在绝对意义上，结构化工作表面108可以在垂直偏移量和间距之间具有以下关系：0.283mm的垂直偏移量和0.5mm的间距，对应于0.566的比率；0.333mm的垂直偏移量和0.5mm的间距，对应于0.666的比率；或者0.364mm的垂直偏移量和0.5mm的间距，对应于0.728的比率。
参考图3C，结构化工作表面108被配置成使得对于每个顶点116，在相应顶点116的任一侧上的平坦侧壁120沿着以锐角α彼此相交的第一和第二平面124、126延伸。锐角是指小于90度的角度。因此，在该实施例中，结构化工作表面108的形成顶点116的突起包括外表面(即，平坦侧壁120)，外表面定向成比90度更接近彼此。根据一个实施例，第一和第二平面124、126以50度-70度之间的角α彼此相交。在一个特定实施例中，第一和第二平面124、126以55度的角α彼此相交。在一个特定实施例中，第一和第二平面124、126以60度的角α彼此相交。
此外，结构化工作表面108被配置为使得弯曲表面122在两个紧邻的平坦侧壁120之间形成圆弧状凹陷。也就是说，弯曲表面122被配置为与焦点128等距，其中，到焦点128的距离对应于半径130。根据一个实施例，圆弧状凹陷的半径130等于或小于顶点116的间距的0.5倍。根据一个实施例，圆弧状凹陷的半径130在间距的0.1到0.4倍的之间。在绝对意义上，结构化工作表面108可以在圆弧状凹陷的半径130和间距之间具有以下关系：0.15mm的半径130和0.5mm的间距，对应于0.333的比率；或0.1mm的半径130和0.5mm的间距，对应于0.2的比率。
参考图3A-3C描述的结构化工作表面108的几何特征减轻了参考图2描述的焊接接合部的非理想特性。不同的是，超声焊极可以包括具有在尖锐顶点与各个顶点间的尖锐低点之间延伸的完全平坦的侧壁的结构化工作表面，其中，顶点和低点中的每个处的交叉角为90度。在这种情况下，顶点和低点之间的垂直偏移量正好是顶点的间距的0.5倍。如参考图2所述，这样的配置可能导致材料被挤出到焊接接合部200的周边的问题。与在顶点和低点中的每个处的交叉角为90度的上述布置不同，参考图3A-3C描述的结构化工作表面108具有增加的容积以用于使位移材料在突起之间积聚。更详细地说，通过减小第一平面124和第二平面126的交叉角，形成顶点116的突起的宽度变窄，因此每个突起之间的区域增加。在每个突起之间提供弯曲的凹陷还可以允许增加每个顶点116之间的剖面区域。此外，弯曲的凹陷也有利于挤压材料的移动，使得通过单独结合该特征可以观察到下面将参考图4描述的对焊接接合部的均匀性的有利影响。
参考图4，描绘了根据一个实施例的通过超声波焊接工艺产生的焊接接合部400。在这种情况下，焊接接合部400已使用超声焊极104形成，该超声焊极104包括沿以55度角彼此相交的第一和第二平面124、126延伸的平坦侧壁200并且包括圆弧状凹陷，所述圆弧状凹陷的半径130是顶点116的间距的0.2倍。可以看出，图4的焊接接合部400与图2的焊接接合部200相比具有改进的特性。特别地，更少材料会被挤压到焊接接合部400的周边。焊接接合部400具有更高的均匀性并且在其外周边处具有更少的毛刺。因此，与图2的焊接接合部200相比，电短路的可能性和/或施加在焊接接合部400下方的底下衬底上的应力得到降低。
除了参考图3A-3C具体讨论的实施例之外，结构化工作表面108的其它变体也可以获得这样一种布置：垂直偏移量大于间距的0.5倍并且上面讨论的用于容纳挤压材料的有益增加的容积可以实现。这些变体的非详尽示例包括以下内容。作为平坦侧壁120彼此相交以将顶点116形成为尖锐点的配置的替代方式，突起也可以具有形成顶点116的平坦或弯曲表面。在这种情况下，大于间距的0.5倍的垂直偏移量可以通过平坦侧壁120的足够陡峭的倾斜角和/或通过形成低点118的适当加深的弯曲表面122来获得。作为形成低点118的弯曲表面122是完全圆弧状的配置的替代方式，弯曲表面122可以具有带有两个焦点128点的部分椭圆几何形状。在那种情况下，可以通过平坦侧壁120的足够陡峭的倾斜角和/或通过适当地配置弯曲表面122来获得大于间距的0.5倍的垂直偏移量。作为通过弯曲表面形成低点122的配置的替代方式，结构化工作表面108还可以包括设置在顶点116和邻接的平坦侧壁120之间的沟槽状特征(例如，方形沟槽)，从而使低点112进一步远离顶点116并在剖面平面中提供增加的容积。
一般而言，本文所述的超声焊极104与任何超声波焊接方法兼容，并可用于在任何两个接合伙伴之间形成焊接连接。在一个特定实施例中，超声焊极104用于在功率模块衬底的结构化金属区域和功率模块端子之间形成焊接连接。例如，功率模块衬底可以是绝缘金属衬底(IMS)、直接铜接合(DCB)衬底或活性金属钎焊(AMB)衬底。在每种情况下，功率模块衬底包括衬底电绝缘材料(例如陶瓷)和设置在衬底的上表面上的结构化金属化层(例如铜、铝等以及它们的合金)。功率模块端子可以是导电材料(例如铜、铝等以及它们的合金)的条形柱，以用于形成至安装在功率模块衬底上的器件(例如芯片、无源器件等)的外部可访问连接。在该示例中，结构化金属化区域中的电隔离岛可以通过参考图1描述的技术焊接到功率模块端子，其中，金属化结构的隔离区域对应于第二接合伙伴112，功率模块端子的一部分对应于第一接合伙伴110。
诸如“下方”、“下面”、“下部”、“之上”、“上部”等的空间相对术语用于便于描述以解释一个元件相对于第二元件的定位。这些术语旨在涵盖装置的不同取向以及与图中所描绘的取向不同的取向。此外，诸如“第一”、“第二”等术语也用于描述各种元件、区域、部分等，并且也不旨在进行限制。相似或相同的术语在整个描述中指代相似或相同的元件。
如本文所用，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是开放式术语，表示存在所述元件或特征，但并不排除附加元件或特征。冠词“一个”、“一种”和“所述”旨在包括复数和单数，除非上下文另有明确说明。
考虑到上述变化和应用的范围，应该理解本发明不受上述描述的限制，也不受附图的限制。相反，本发明仅受以下权利要求及其法律上的等同替换的限制。

Claims (20)

1.一种超声波焊接设备，包括：
超声焊极，其包括结构化工作表面，所述结构化工作表面包括多个顶点、在所述顶点中的紧邻的顶点之间的多个低点以及在低点和顶点之间延伸的平坦侧壁，
其中，对于每个顶点，在相应的顶点的两侧上的平坦侧壁沿着以锐角彼此相交的第一和第二平面延伸。
2.根据权利要求1所述的焊接设备，其中，所述结构化工作表面还包括多个在相应的两个平坦侧壁之间延伸的弯曲表面，并且每个低点由所述弯曲表面形成。
3.根据权利要求2所述的焊接设备，其中，所述弯曲表面形成在相应的两个平坦侧壁之间延伸的圆弧状凹陷。
4.根据权利要求3所述的焊接设备，其中，对于每个顶点，在所述顶点的两侧上的平坦侧壁彼此会合以在所述顶点处形成尖锐点。
5.根据权利要求3所述的焊接设备，其中，所述圆弧状凹陷的半径等于或小于相应的圆弧状凹陷的两侧上的顶点的间距的0.5倍。
6.根据权利要求5所述的焊接设备，其中，所述圆弧状凹陷的半径在所述间距的0.1到0.4倍之间。
7.根据权利要求3所述的焊接设备，其中，所述第一平面和第二平面以50度和70度之间的角度彼此相交。
8.根据权利要求7所述的焊接设备，其中，所述第一平面和第二平面以55度和60度之间的角度彼此相交。
9.根据权利要求3所述的焊接设备，其中，圆弧状凹陷的半径在所述圆弧状凹陷的两侧上的顶点的间距的0.2和0.3倍之间，并且所述第一平面和第二平面以55度和60度之间的角度彼此相交。
10.根据权利要求1所述的焊接设备，其中，所述焊接设备还包括换能器，所述换能器机械耦连到超声焊极并且被配置为使所述超声焊极以超声频率振动。
11.一种超声波焊接设备，包括：
超声焊极，其包括结构化工作表面，所述结构化工作表面包括多个顶点、在所述顶点中的紧邻的顶点之间的多个低点以及在所述顶点中的紧邻的顶点之间延伸的多个弯曲表面，
其中，每个低点由弯曲表面形成。
12.根据权利要求11所述的超声波焊接设备，其中，每个低点与相应的低点的两侧上的顶点之间的垂直偏移量大于相应的低点的两侧上的顶点的间距的0.5倍。
13.根据权利要求12所述的超声波焊接设备，其中，所述垂直偏移量在所述间距的0.55至0.73倍之间。
14.根据权利要求11所述的超声波焊接设备，其中，所述工作表面还包括平坦侧壁，所述平坦侧壁从弯曲表面延伸并且彼此相交以形成所述顶点，其中，所述弯曲表面形成在两个平坦侧壁之间延伸的圆弧状凹陷，并且圆弧状凹陷的半径等于或小于相应的圆弧状凹陷的两侧上的顶点的间距的0.5倍。
15.一种焊接方法，包括：
提供第一和第二接合伙伴；
提供包括具有结构化工作表面的超声焊极的焊接设备；
布置第一和第二接合伙伴以彼此接触；和
通过将第一接合伙伴与结构化工作表面接触并以超声波频率振动超声焊极，在第一和第二接合伙伴之间形成焊接连接；
其中，结构化工作表面包括多个顶点、在所述顶点中的紧邻的顶点之间的多个低点以及在低点和顶点之间延伸的平坦侧壁，
其中，对于每个顶点，在相应的顶点的两侧上的平坦侧壁沿着以锐角彼此相交的第一和第二平面延伸；或
其中，所述结构化工作表面还包括在所述顶点中的紧邻的顶点之间延伸的多个弯曲表面，且每个低点由弯曲表面形成。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一接合伙伴是功率模块端子，所述第二接合伙伴是功率模块衬底的结构化金属区域。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一和第二接合伙伴中的至少一个包括铜。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述结构化工作表面包括多个弯曲表面，其中，所述弯曲表面中的每一个形成在两个平坦侧壁之间延伸的圆弧状凹陷，所述圆弧状凹陷的半径在所述圆弧状凹陷的两侧上的顶点的间距的0.1到0.4倍之间。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，对于每个顶点，在相应的顶点的两侧上的平坦侧壁沿着以锐角彼此相交的第一和第二平面延伸，所述锐角在50度和70度之间。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，每个低点与相应的低点的两侧上的顶点之间的垂直偏移量大于相应的低点的两侧上的顶点的间距的0.5倍。
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