CN115427161A - 超声波焊头 - Google Patents

Abstract

一种超声波焊头(100)，包含：纵向振动产生部(10)，在内部安装有第一超声波振子(13)；焊头部(20)，从纵向振动产生部(10)朝向前方延伸，对由纵向振动产生部(10)产生的超声波振动进行放大，在前端部(21)安装有焊针(51)；以及扭转振动产生部(30)，从纵向振动产生部(10)朝向后方延伸，其中，扭转振动产生部(30)包含：棒状体(31)；振动构件(32a、32b)，绕中心轴(101)呈轴对称地配置；第二超声波振子(33a、33b)，以振动方向成为周向的方式夹入至棒状体(31)与振动构件(32a、32b)之间；以及螺栓(34a、34b)，对第二超声波振子(33a、33b)进行增压。

Description

超声波焊头

技术领域

本发明涉及一种使安装在前端的接合工具进行超声波振动的超声波焊头的结构与超声波焊头的驱动方法。

背景技术

利用导线将半导体裸片的电极与引线框架的引线之间加以连接的引线接合装置被广泛使用。引线接合装置在通过焊针将导线按压在电极上的状态下使焊针进行超声波振动来将导线与电极加以接合，然后将导线架设至引线上，在将架设后的导线按压在引线上的状态下使焊针进行超声波来将导线与引线加以接合。

另一方面，为了应对接合品质的提高与接合强度的提高，提出了使接合工具的前端在多个方向上振动的方法。例如，在专利文献1中提出了如下方法，即，将层叠有压电元件的超声波振子安装在超声波焊头上，所述压电元件形成有因槽口而在与电极面平行的方向上分离的两个区域，对压电元件的各区域供给不同频率的电力，使安装在超声波焊头上的接合工具的前端在多个方向上振动，从而产生刷磨运动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第6180736号公报

发明内容

发明所要解决的问题

但是，在专利文献1所记载的方法中，由于使用特殊的超声波振子，因此存在超声波振子的结构或驱动装置变得复杂的问题。

因此，本发明的目的在于提供一种以简便的结构使安装在前端的接合工具在多个方向上振动的超声波焊头。

解决问题的技术手段

本发明的超声波焊头包含：纵向振动产生部，以振动方向成为前后方向的方式在内部安装有第一超声波振子；焊头部，从纵向振动产生部朝向前方延伸，对由纵向振动产生部产生的超声波振动进行放大，在前端部安装有接合工具；以及扭转振动产生部，从纵向振动产生部朝向后方延伸，所述超声波焊头的特征在于，扭转振动产生部包含：棒状体，从纵向振动产生部朝向后方延伸；一对振动构件，绕棒状体的长边方向的中心轴呈轴对称地配置，且质量比棒状体小；一对第二超声波振子，绕棒状体的长边方向的中心轴呈轴对称，且以振动方向成为周向的方式夹入棒状体与各振动构件之间；以及一对增压机构，对夹入至棒状体与各振动构件之间的各第二超声波振子进行压缩而分别对各第二超声波振子进行增压。

由此，通过利用第一超声波振子使接合工具的前端在超声波焊头的前后方向上进行超声波振动，并且利用第二超声波振子使扭转振动产生部产生扭转振动，可使接合工具的前端在与前后方向正交的横向上进行超声波振动。

在本发明的超声波焊头中，可为，棒状体的一对切口部绕长边方向的中心轴呈轴对称地形成，各振动构件是与棒状体不同的构件，且分别嵌入至各切口部中，增压机构是拧入至棒状体或振动构件并对夹入至棒状体与振动构件之间的第二超声波振子进行压缩的螺栓。

将振动构件设为与棒状体不同的构件，在其间夹着第二超声波振子并利用螺栓进行紧固，因此可简化整体结构。

在本发明的超声波焊头中，可为，各振动构件是由绕棒状体的长边方向的中心轴呈轴对称地设置且沿半径方向延伸的狭缝分别划分出的部分，一部分分别与棒状体连接，一对第二超声波振子分别配置在棒状体与各振动构件之间的各凹部中，增压机构是插入至凹部中的第二超声波振子与棒状体之间或第二超声波振子与振动构件之间的楔子。

由于通过狭缝来划分振动构件，因此可减少零件数量而形成简便的结构。

在本发明的超声波焊头中，可为，第二超声波振子是将在施加高频电力时沿厚度方向振动的压电元件层叠多枚而构成。

由此，可在不使用特殊的压电元件的情况下在横向上对接合工具的前端进行超声波励振。

发明的效果

本发明可提供一种以简便的结构使安装在前端的接合工具在多个方向上振动的超声波焊头。

附图说明

[图1]是实施方式的超声波焊头的平面图。

[图2]是表示实施方式的超声波焊头的前端部的立视图。

[图3]是实施方式的超声波焊头的扭转振动产生部的轴向的剖面图，即图1的A-A剖面。

[图4]是实施方式的超声波焊头的扭转振动产生部的长边方向的剖面图，即图3所示的B-B剖面。

[图5]是实施方式的超声波焊头的扭转振动产生部的长边方向的剖面图，即图3所示的C-C剖面。

[图6]是另一实施方式的超声波焊头的平面图。

[图7]是另一实施方式的超声波焊头的扭转振动产生部的轴向的剖面图，即图6的D-D剖面。

[图8]是另一实施方式的超声波焊头的扭转振动产生部的长边方向的剖面图，即图7所示的E-E剖面。

[图9]是另一实施方式的超声波焊头的扭转振动产生部的长边方向的剖面图，即图7所示的F-F剖面。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式的超声波焊头100进行说明。如图1所示，超声波焊头100包含纵向振动产生部10、焊头部20、及扭转振动产生部30。此外，在以下的说明中，将超声波焊头100的长边方向的中心轴101延伸的方向设为Y方向或前后方向，将在水平面内与Y方向呈直角的方向设为X方向或横向，将上下方向设为Z方向，另外，将焊头部20侧设为前方或Y方向正侧，将扭转振动产生部30侧设为后方或Y方向负侧进行说明。此外，中心轴101为假想轴。

纵向振动产生部10包含壳体11、第一超声波振子13、及楔子14。

壳体11为钛等金属制且在中央设置有容纳第一超声波振子13的开口12。另外，在壳体11的外表面设置有分别沿X方向正侧与X方向负侧延伸的安装臂15。

第一超声波振子13是将当施加电压时沿厚度方向振动的压电(piezo)元件等压电元件层叠多枚而构成。第一超声波振子13以振动方向即层叠方向成为前后方向的方式安装在壳体11的开口12中。然后，在开口12的后端面与第一超声波振子13的后端面之间插入楔子14。楔子14在前后方向上对第一超声波振子13进行压缩而对第一超声波振子13赋予前后方向上的增压。

焊头部20是从纵向振动产生部10的壳体11朝向前方延伸，对由纵向振动产生部10产生的前后方向的超声波振动进行放大的部分。焊头部20是与纵向振动产生部10的壳体11一体形成的金属制，且从与壳体11的前端连接的根部朝向前端部21而宽度或直径变细。如图2所示，在焊头部20的前端部21安装有作为接合工具的焊针51。

如图1、图3所示，扭转振动产生部30包含棒状体31、一对振动构件32a、32b、一对第二超声波振子33a、33b、及作为一对增压机构的一对螺栓34a、34b。此外，在图3中，点划线102是穿过中心轴101并沿水平方向延伸的线，点划线103是穿过中心轴101并沿上下方向或Z方向延伸的线。点划线102、点划线103是用于表示中心轴101的位置的假想线。在图7中也同样如此。

棒状体31是从纵向振动产生部10的壳体11的后端向后方延伸的圆柱状的金属构件，与壳体11、焊头部20一体地形成。棒状体31在后端部形成有剖面为扇形且沿长边方向延伸的一对切口部35a、35b。如图3所示，一对切口部35a、35b以绕棒状体31的长边方向的中心轴101呈轴对称的方式形成。此外，棒状体31的长边方向的中心轴101与参照图1所说明的超声波焊头100整体的长边方向的中心轴101相同，是沿Y方向或前后方向延伸的轴。

如图3、图4所示，在其中一个切口部35a的上表面配置有其中一个第二超声波振子33a。其中一个第二超声波振子33a是将在施加高频电力时沿厚度方向进行超声波振动的压电元件等压电元件层叠多枚而构成。其中一个第二超声波振子33a以成为振动方向的压电元件的层叠方向成为周向的方式配置在其中一个切口部35a上。

在其中一个第二超声波振子33a上配置有其中一个振动构件32a。其中一个振动构件32a是剖面为四边形的柱状构件，且嵌入至其中一个切口部35a中。其中一个振动构件32a为金属制且质量比棒状体31小的构件。另外，振动构件32a是与棒状体31不同的构件。

其中一个振动构件32a通过将穿过设置在其中一个振动构件32a上的孔与设置在其中一个第二超声波振子33a上的孔的其中一个螺栓34a的外螺纹部拧入至棒状体31的内螺纹部，而与其中一个第二超声波振子33a一起固定在棒状体31上。因此，当利用其中一个螺栓34a将其中一个振动构件32a与其中一个第二超声波振子33a固定在棒状体31的其中一个切口部35a上时，其中一个螺栓34a对夹入至棒状体31的其中一个切口部35a与其中一个振动构件32a之间的其中一个第二超声波振子33a如箭头95a、箭头96a那样进行压缩而对其中一个第二超声波振子33a进行增压。如此，其中一个第二超声波振子33a在周向上被增压。

如图3、5所示，另一个切口部35b与其中一个切口部35a绕中心轴101呈轴对称地形成。与其中一个第二超声波振子33a、其中一个振动构件32a、其中一个螺栓34a同样地，另一个第二超声波振子33b与另一个振动构件32b通过另一个螺栓34b固定在下表面。此处，另一个第二超声波振子33b、另一个振动构件32b、另一个螺栓34b分别与其中一个第二超声波振子33a、其中一个振动构件32a、及其中一个螺栓34a为相同结构。

如此，另一个第二超声波振子33b、另一个振动构件32b、及另一个螺栓34b分别与其中一个第二超声波振子33a、其中一个振动构件32a、及其中一个螺栓34a绕中心轴101呈轴对称地配置。另外，另一个第二超声波振子33b如图3、图5中的箭头95b、箭头96b那样被压缩并沿周向被增压。

接着，对以如上方式构成的超声波焊头100的动作进行说明。当对第一超声波振子13施加高频电力时，第一超声波振子13如图1中的箭头91那样在前后方向上进行超声波振动。焊头部20对由纵向振动产生部10产生的前后方向上的超声波振动进行放大，以使前端部21如图1中的箭头92所示那样在前后方向上进行超声波振动。由此，焊针51的前端52(参照图2)在前后方向上进行超声波振动。

另外，当对其中一个第二超声波振子33a施加高频电力时，其中一个第二超声波振子33a在周向上进行超声波振动。所述超声波振动传递至夹着其中一个第二超声波振子33a的棒状体31与其中一个振动构件32a。由于其中一个振动构件32a的质量比棒状体31小，因此其中一个振动构件32a相对于棒状体31在周向上进行超声波振动。

同样地，当对另一个第二超声波振子33b施加高频电力时，另一个第二超声波振子33b进行超声波振动，另一个振动构件32b相对于棒状体31在周向上进行超声波振动。

其中一个振动构件32a与另一个振动构件32b相对于中心轴101呈轴对称地配置，因此一对振动构件32a、32b相对于中心轴101呈轴对称地在周向上振动。另外，由于施加至一对第二超声波振子33a、33b的高频电力的相位、大小相同，因此如图3中箭头97、箭头98所示那样，通过一对振动构件32a、32b的周向的振动，对棒状体31施加绕中心轴101的相同方向的扭转力矩。由此，棒状体31如图1的箭头93所示那样绕中心轴101沿扭转方向进行超声波振动。

所述扭转振动从棒状体31传递至壳体11，使焊头部20绕中心轴101进行扭转振动。由此，如图2中箭头94所示那样，安装在焊头部20的前端部21的焊针51的前端52在X方向或横向上振动。

如以上所说明那样，超声波焊头100可通过第一超声波振子13的超声波振动与第二超声波振子33a、第二超声波振子33b的超声波振动，使安装在焊头部20的前端部21的焊针51的前端52在作为前后方向的Y方向与作为横向的X方向这两个方向上振动。由此，可实现引线接合部的接合品质的提高与接合强度的提高。

另外，超声波焊头100的扭转振动产生部30中相对于棒状体31的中心轴101呈轴对称地形成一对切口部35a、35b，且一对振动构件32a、32b、一对第二超声波振子33a、33b、及一对螺栓34a、34b以相对于中心轴101呈轴对称的方式安装在一对切口部35a、35b上，因此棒状体31绕中心轴101稳定地进行扭转振动。因此，超声波焊头100可抑制横向振动等扭转振动以外的振动成分，使焊针51的前端52稳定地在X方向上进行超声波振动。

进而，由于第二超声波振子33a、第二超声波振子33b是将在施加高频电力时沿厚度方向进行超声波振动的压电元件等一般的压电元件层叠多枚而构成，因此无需使用特殊的压电元件而可抑制成本。

另外，超声波焊头100利用螺栓34a、螺栓34b对第二超声波振子33a、第二超声波振子33b进行压缩并增压，因此可自由地调整增压载荷，可使第二超声波振子33a、第二超声波振子33b的超声波振动稳定。

此外，在以上的说明中，施加至一对第二超声波振子33a、33b的高频电力的相位、大小设为相同并进行了说明，但也可考虑到超声波焊头100的各部分的尺寸的偏差，使施加至一对第二超声波振子33a、33b的高频电力的相位、大小稍微偏移。此时，也可以通过试验等来决定相位、大小的偏差量。

另外，其中一个振动构件32a包括内螺纹部，且可通过使其中一个螺栓34a穿过设置在棒状体31上的孔与设置在其中一个第二超声波振子33a上的孔，将其中一个螺栓34a的外螺纹部拧入至其中一个振动构件32a的内螺纹部而固定在棒状体31上。另一个振动构件32b也同样如此。

接着，参照图6～9，对另一实施方式的超声波焊头200进行说明。对与之前参照图1～5进行了说明的超声波焊头100的相同的部分标注相同的符号而省略说明。

如图6～8所示，在棒状体131设置有一对水平狭缝136a、136b、一对纵向狭缝137a、137b、及一对扇形狭缝137c、137d。其中一个水平狭缝136a与另一个水平狭缝136b是从棒状体131的中央部水平地朝向半径方向外侧延伸的狭缝。其中一个纵向狭缝137a是从自棒状体131的后端面遍及长边方向的中央而形成的中央部向上方朝向半径方向外侧延伸的狭缝。另外，另一个纵向狭缝137b是从自棒状体131的后端面遍及长边方向的中央而形成的中央部向下方朝向半径方向外侧延伸的狭缝。其中一个扇形狭缝137c是在棒状体131的长边方向的中央从中央部朝向斜上方向呈扇形扩展的狭缝。另外，另一个扇形狭缝137d是在棒状体131的长边方向的中央从中央部朝向斜下方向呈扇形扩展的狭缝。

其中一个水平狭缝136a、其中一个纵向狭缝137a、及其中一个扇形狭缝137c分别与另一个水平狭缝136b、另一个纵向狭缝137b、及另一个扇形狭缝137d相对于中心轴101呈轴对称地配置。

其中一个振动构件132a是由其中一个水平狭缝136a、其中一个纵向狭缝137a、及其中一个扇形狭缝137c划分出的扇形剖面部分。振动构件132a在中央部与棒状体131连接。同样地，如图7、图9所示，另一个振动构件132b是由另一个水平狭缝136b、另一个纵向狭缝137b、及另一个扇形狭缝137d划分出的扇形剖面部分，并在中央部与棒状体131连接。

如之前所说明那样，其中一个水平狭缝136a、其中一个纵向狭缝137a、及另一个扇形狭缝137c分别与另一个水平狭缝136b、另一个纵向狭缝137b、及另一个扇形狭缝137d相对于中心轴101呈轴对称地配置。因此，其中一个振动构件132a与另一个振动构件132b相对于中心轴101呈轴对称地配置。

另外，在棒状体131的与其中一个振动构件132a相向的面上设置有其中一个凹部138a，在其中一个凹部138a中以成为振动方向的层叠方向成为周向的方式安装有其中一个第二超声波振子133a。而且，在其中一个凹部138a的棒状体131与其中一个第二超声波振子133a之间插入其中一个楔子139a而对其中一个第二超声波振子133a进行增压。同样地，在棒状体131的与另一个振动构件132b相向的面上设置有另一个凹部138b，其中安装有另一个第二超声波振子133b与另一个楔子139b。

此处，其中一个振动构件132a、其中一个凹部138a、其中一个第二超声波振子133a、及其中一个楔子139a与另一个振动构件132b、另一个凹部138b、另一个第二超声波振子133b、及另一个楔子139b分别相对于中心轴101呈轴对称地配置。

超声波焊头200的动作与之前说明的超声波焊头100的动作相同，通过第一超声波振子13的超声波振动与第二超声波振子133a、第二超声波振子133b的超声波振动，可使安装在焊头部20的前端部21的焊针51的前端52在作为前后方向的Y方向与作为横向的X方向这两个方向上振动。

另外，由于超声波焊头200中由水平狭缝136a、水平狭缝136b、纵向狭缝137a、纵向狭缝137b、扇形狭缝137c、扇形狭缝137d划分各振动构件132a、132b，因此可减少零件数量而形成简便的结构。

进而，由于可利用楔子139a、楔子139b来对第二超声波振子133a、第二超声波振子133b的增压进行调整，因此可自由地调整增压载荷，可使第二超声波振子133a、第二超声波振子133b的超声波振动稳定。

此外，其中一个楔子139a可插入至其中一个振动构件132a与其中一个第二超声波振子133a之间而对其中一个第二超声波振子133a进行增压。另一个楔子139b也同样如此。

另外，安装有其中一个第二超声波振子133a的其中一个凹部138a也可设置在其中一个振动构件132a的与棒状体131相向的面上而非棒状体131上。另一个凹部138b也同样如此。

由此，超声波焊头200与超声波焊头100同样地可实现引线接合部的接合品质的提高与接合强度的提高。

符号的说明

10：纵向振动产生部

11：壳体

12：开口

13：第一超声波振子

14、139a、139b：楔子

15：安装臂

20：焊头部

21：前端部

30：扭转振动产生部

31、131：棒状体

32a、32b、132a、132b：振动构件

33a、33b、133a、133b：第二超声波振子

34a、34b：螺栓

35a、35b：切口部

51：焊针

52：前端

100、200：超声波焊头

101：中心轴

136a、136b：水平狭缝

137a、137b：纵向狭缝

137c、137d：扇形狭缝

138a、138b：凹部

Claims (4)

1.一种超声波焊头，包含：

纵向振动产生部，以振动方向成为前后方向的方式在内部安装有第一超声波振子；

焊头部，从所述纵向振动产生部朝向前方延伸，对由所述纵向振动产生部产生的超声波振动进行放大，在前端部安装有接合工具；以及

扭转振动产生部，从所述纵向振动产生部朝向后方延伸，所述超声波焊头的特征在于，

所述扭转振动产生部包含：

棒状体，从所述纵向振动产生部朝向后方延伸；

一对振动构件，绕所述棒状体的长边方向的中心轴呈轴对称地配置，且质量比所述棒状体小；

一对第二超声波振子，绕所述棒状体的长边方向的所述中心轴呈轴对称，且以振动方向成为周向的方式夹入至所述棒状体与各所述振动构件之间；以及

一对增压机构，对夹入至所述棒状体与各所述振动构件之间的各所述第二超声波振子进行压缩并分别对各所述第二超声波振子进行增压。

2.根据权利要求1所述的超声波焊头，其特征在于，

所述棒状体的一对切口部绕长边方向的所述中心轴呈轴对称地形成，

各所述振动构件是与所述棒状体不同的构件，且分别嵌入至各所述切口部中，

所述增压机构是拧入至所述棒状体或所述振动构件并对夹入至所述棒状体与所述振动构件之间的所述第二超声波振子进行压缩的螺栓。

3.根据权利要求1所述的超声波焊头，其特征在于，

各所述振动构件是由绕所述棒状体的长边方向的所述中心轴呈轴对称地设置且沿半径方向延伸的狭缝分别划分出的部分，一部分分别与所述棒状体连接，

一对所述第二超声波振子分别配置在所述棒状体与各所述振动构件之间的各凹部中，

所述增压机构是插入至所述凹部中的所述第二超声波振子与所述棒状体之间或所述第二超声波振子与所述振动构件之间的楔子。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的超声波焊头，其特征在于，

所述第二超声波振子是将在施加高频电力时沿厚度方向振动的压电元件层叠多枚而构成。

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