CN116913813A - 一种功率半导体组件的装配设备 - Google Patents

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郭珏
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Abstract

本发明公开了一种功率半导体组件的装配设备，用于功率半导体组件的自动装配，所述功率半导体组件包括芯片、位于芯片两侧的水冷板、连接水冷板的水嘴以及固定板，所述装配设备包括转盘及围绕所述转盘的多个装配工位，对应各装备工位在所述转盘上设置有组件定位槽，所述组件定位槽包括在所述转盘径向上相对两个可相对移动的槽壁，其中至少一个所述槽壁由伸缩装置控制移动，所述转盘转动使得所述组件定位槽在各装配工位间切换。本发明围绕转盘设置有六个装配工位，转盘不断的转动，在各工位完成不同的装配，实现功率半导体组件自动化的连续生产。

Description

一种功率半导体组件的装配设备
技术领域
本发明涉及技术领域，特别涉及一种功率半导体组件的装配设备。
背景技术
电机控制器(Motor Controller Unit，MCU)，又称逆变器，是纯电动或混动汽车的关键零部件(核心三电)之一。作为功率半导体的绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)是MCU关键器件之一，也是MCU中发热量最大的器件。IGBT的散热能力极大的决定了MCU的最大输出功率，为此，IGBT组件通常设置有水冷构件，水冷构件通常包括水冷板及水嘴等，使得IGBT功率半导体组件结构复杂，不利于人工装配。
发明内容
为解决IGBT功率半导体组件的装配问题，本发明提出一种功率半导体组件的装配设备，采用自动化的机械设备实现对功率半导体组件的自动化装配。
本发明采用的技术方案是，设计一种功率半导体组件的装配设备，用于功率半导体组件的自动装配，所述功率半导体组件包括芯片、位于芯片两侧的水冷板、连接水冷板的水嘴以及固定板，所述装配设备包括转盘及围绕所述转盘的多个装配工位，对应各装配工位在所述转盘上设置有组件定位槽，所述组件定位槽包括在所述转盘径向上相对两个可相对移动的槽壁，其中至少一个所述槽壁由伸缩装置控制移动，所述转盘转动使得所述组件定位槽在各装配工位间切换。
在某些实施方式中，所述装配工位包括功率半导体及水冷板上料工位，所述功率半导体及水冷板上料工位包括工件承载盘及传送所述工件承载盘的传送带，所述工件承载盘上分布有工件定位槽，所述传送带上方设置有工件翻转机构，所述工件翻转机构包括翻转架，所述翻转架上设置有与所述工件承载盘上的工件定位槽对应的夹具，所述翻转架由水平转动装置转动，使得夹具将从工件定位槽上夹取的工件向上翻转。
在某些实施方式中，还包括上料机械手，所述上料机械手将翻转向上的工件传送到转盘上相应的装配工位上。
在某些实施方式中，所述工件翻转机构由升降装置控制相对所述传送带的高度。
在某些实施方式中，在组件定位槽一侧设置有水嘴定位座，所述水嘴定位座顶端设置有放置水嘴的水嘴定位槽。
在某些实施方式中，远离转盘中心的槽壁为第一槽壁，靠近转盘中心的槽壁为第二槽壁，所述伸缩装置包括位于所述转盘上的气缸，所述第一槽壁上设置有与所述气缸活塞对应的顶推架，所述顶推架与所述转盘之间连接有复位弹簧。
在某些实施方式中，转盘上还设置有与所述组件定位槽在径向上相邻的上固定板定位槽。
在某些实施方式中，所述顶推架为套在所述组件定位槽及所述上固定板定位槽外的框架，所述第一槽壁与所述顶推架连接。
在某些实施方式中，所述装配工位包括以下任一种或多种工位：螺栓紧固工位、硅油涂覆工位、水嘴压装工位、水嘴气密检测工位。
在某些实施方式中，所述水嘴压装工位包括位于所述组件定位槽上方的上水嘴压装装置及下水嘴压装装置，下水嘴压装装置包括位于转盘下方的顶升机构及下水嘴上料工位，所述顶升机构设置在滑轨机构上，所述滑轨机构在下水嘴上料工位及所述组件定位槽之间移动所述顶升机构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明本围绕所述转盘设置有六个装配工位，依次是固定板及水冷板上料工位、功率半导体及水冷板上料工位、螺栓紧固工位、硅油涂覆工位，水嘴压装工位、水嘴气密检测工位，转盘不断的转动，在各工位完成不同的装配，实现功率半导体组件自动化的连续生产。
附图说明
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细的说明，为了展示细节，便于理解其原理，其不一定是按比例绘制的，相似的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的实施例。其中：
图1是功率半导体组件的示意图。
图2是下固定板上放置了下水冷板的示意图。
图3是下水冷板上放置了下层IGBT芯片的示意图。
图4是水嘴的示意图。
图5是实施例的装配设备的示意图。
图6是转盘上的组件定位槽的示意图。
图7是图6的A处的放大示意图。
图8是工件翻转机构的示意图。
图9是螺丝安装机的示意图。
图10是螺栓紧固工位的压板的示意图。
图11是硅油涂覆工位的示意图。
图12是上水嘴压装装置的示意图。
图13是上水嘴压装装置的另一个角度的示意图。
图14是气密检测装置的示意图。
图15是下水嘴压装装置的示意图。
图中，1、下层IGBT芯片；2、上层IGBT芯片；3、下水冷板；4、上水冷板；5、中水冷板；6、下水嘴；7、上水嘴；401、上水道端口；402、下水道端口；8、上固定板；9、下固定板；20、螺栓；10、转盘；11、组件定位槽；111、第一槽壁；112、第二槽壁；12、顶推气缸；13、顶推架；14、复位弹簧；31、上固定板定位槽；15、传送带；16、上料机械手；17、工件承载盘；171、工件定位槽；18、工件翻转机构；181、翻转架；182、夹具；183、水平转动装置；184、升降装置；19、螺丝安装机；21、压板；22、上下导轨；23、硅油涂覆工位；231、上硅油喷嘴；232、下硅油喷嘴；24、水嘴定位座；25、上水嘴压装装置；251、上水嘴夹爪；252、上水嘴下压块；26、下水嘴压装装置；261、顶升机构；262、组件压固装置；263、滑轨机构；2611、下水嘴定位槽；2621、组件下压块；28、气密检测装置；281、气密堵头；282、伸缩机构。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例，以下实施方式并不限制权利要求书所涉及的发明。此外，实施方式中说明的特征的所有组合未必是发明的解决方案所必须的。
下面结合附图以及实施例对本发明的原理及结构进行详细说明。
实施例一
一种功率半导体组件的装配设备，用于功率半导体组件的自动装配，如图1、2、3、4所示，所述功率半导体组件包括IGBT芯片、位于IGBT芯片两侧的水冷板、连接水冷板的水嘴以及固定板，包括两层IGBT芯片，每层设置有三个IGBT芯片，每层IGBT芯片的两侧夹有水冷板，所述IGBT芯片的引脚从所述水冷板之间露出，固定板包括位于组件两侧的上固定板8及下固定板9之间，以便保护所述水冷板。IGBT芯片表面与水冷板表面之间涂有散热硅脂，保障IGBT双面散热的高效性。所述水冷板内设置有水冷流道，水从所述水冷流道流过将热量带走，提高散热效率，所述水冷板上设置有连通水冷流道内外的水道端口，相邻所述水冷板的水道端口通过对接连通。组件两侧分别设置有用于与外部连通的两个水嘴，水嘴包括两个端口，其中一个端口与水冷板的水道端口连接。
为说明方便，如图所示，定义位于下层的IGBT芯片为下层IGBT芯片1，位于上层的IGBT芯片为上层1GBT芯片2；定义位于所述IGBT芯片下方的水冷板为下水冷板3，位于上方的水冷板为上水冷板4，位于两侧所述IGBT芯片之间的水冷板为中水冷板5；定义位于下方的水嘴为下水嘴6，位于上方的为上水嘴7。
位于上水冷板4上的水道端口为上水道端口401及位于下水冷板3上的水道端口送下水道端口402，上水道端口401从上固定板8穿出，下水道端口402从下固定板9穿出，上水嘴7一个端口插入到上水道端口401内，下水嘴6一个端口插入到下水道端口402内。所述水冷板及固定板的边侧分布有螺栓孔，使得所述水冷板及上下固定板9之间能够通过螺栓20锁紧。
所述装配工位包括以下任一种或多种工位：螺栓紧固工位、硅油涂覆工位、水嘴压装工位、水嘴气密检测工位，如图5所示，装配设备包括转盘10及围绕所述转盘10的多个装配工位，本实施例围绕所述转盘10设置有六个装配工位，依次是固定板及水冷板上料工位、功率半导体及水冷板上料工位、螺栓20紧固工位、硅油涂覆工位23，水嘴压装工位、水嘴气密检测工位。
如图6、7所示，对应六个工位在所述转盘10上设置有六个组件定位槽11，所述组件定位槽11包括在所述转盘10径向上相对两个可相对移动的槽壁，其中至少一个所述槽壁由伸缩装置控制移动，以便于对工件的夹持固定或松开。所述转盘10转动使得所述组件定位槽11在各装配工位间切换，从而利用各装配工位实现的组件的依次组装，远离转盘10中心的槽壁为第一槽壁111，靠近转盘10中心的槽壁为第二槽壁112，所述第一槽壁111与所述第二槽壁112夹持组件的水冷板及固定板侧面凹陷处，所述伸缩装置包括位于所述转盘10上的顶推气缸12，所述第一槽壁111上设置有与所述顶推气缸12活塞对应的顶推架13，所述顶推架13与所述转盘10之间连接有复位弹簧14，气缸活塞伸出顶推顶推架13使得所述第一槽壁111克服所述复位弹簧14的拉力远离所述第二槽壁112，使得所述组件定位槽11打开，当所述气缸活塞缩回时，所述复位弹簧14的复位拉力使得所述第一槽壁111靠近所述第二槽壁112，从而夹持住定位槽内的水冷板及固定板的侧面。所述水嘴组件定位槽11底部设置有与所述下水道端口402对应的通孔，使得所述下水道端口402朝向，以便下水嘴6在所述组件定位槽11底部下方安装到所述下水道端口402。
转盘10上还设置有与所述组件定位槽11在径向上相邻的上固定板定位槽31，所述上固定板定位槽31用于放置上固定板8。所述顶推架13为套在所述组件定位槽11及所述上固定板定位槽31外的框架，所述第一槽壁111与所述顶推架13连接，使得所述上固定板定位槽31不影响气缸对所述第一槽壁111的顶推。
在固定板及水冷板上料工位，可以由工人或其他的机械传送设备例如机械臂等将下固定板9及下水冷板3放置到所述组件定位槽11内，本实施例采用的是人工上料，同时将上固定板8放置到上固定板定位槽31，然后转盘10转动使得该组件定位槽11转动到功率半导体及水冷板上料工位。
如图5所示，所述功率半导体及水冷板上料工位包括工件承载盘17，传送所述工件承载盘17的传送带15以及上料机械手16，所述工件承载盘17上分布有工件定位槽171，所述工件定位槽171包括下层IGBT芯片定位槽、上层IGBT芯片定位槽、下水冷板定位槽，及下水冷板定位槽，所述下层IGBT芯片1位于所述下层IGBT芯片定位槽，所述上层IGBT芯片2位于所述上层IGBT芯片定位槽，所述下水冷板3位于所述下水冷板定位槽内，所述上水冷板4位于所述上水冷板定位槽内，所述IGBT芯片上表面及所述中水冷板5及上水冷板4的上表面涂覆有散热硅脂。
如图8所示，所述传送带15上方设置有工件翻转机构18，所述工件翻转机构18包括翻转架181，所述翻转架181上设置有与所述工件承载盘17上的工件定位槽171对应的夹具182，所述工件承载盘17上的IGBT芯片、中水冷板5及上水冷板4在涂覆完散热硅脂后由传送带15传送到翻转架181下方与所述夹具182对应，夹具182夹取所述工件承载盘17上的IGBT芯片、中水冷板5及上水冷板4，然后所述翻转架181由水平转动装置183转动，所述水平转动装置183为电机，使得夹具182将从定位槽上夹取的工件向上翻转，使得所述工件承载盘17上的IGBT芯片、中水冷板5及上水冷板4未涂散热硅脂的表面朝上，所述上料机械手16将翻转向上的工件传送到转盘10上组件定位槽11上方，此时所述气缸使得所述组件定位槽11打开，所述上料机械手16使得下层IGBT芯片1、中水冷板5、上层1GBT芯片2及上水冷板4由下至上依次堆叠在下水冷板3的上方，然后上料机械手16再将位于上固定板8定位槽内的上固定板8取出放置到上冷水板的上方，然后所述气缸收缩使得所述组件定位槽11内组件固定。
所述工件翻转机构18由升降装置184控制相对所述传送带15的高度，以便于所述夹具182的高度调节，以便于对IGBT芯片、中水冷板5及上水冷板4的夹取。
如图9、10所示，然后转盘10转动使得该组件定位槽11再转动到螺栓20紧固工位，所述螺栓20紧固工位包括压板21及螺丝安装机19，所述压板21由下压气缸控制在上下导轨22上进行上下移动，使得所述压板21压在所述组件定位槽11内的上固定板8上，所述压板21上设置有与所述固定板及水冷板的螺栓20孔对应的定位孔，然后螺丝自动装配机自动的将螺栓20安装到螺栓20孔并拧紧螺栓20，从而使得所述固定板及水冷板固定连接在一起。
如图11所示，然后转盘10转动使得该组件定位槽11转动到硅油涂覆工位23，所述硅油涂覆工位23用于在上、下水道端口402内喷涂上硅油，以利于所述水嘴端部的插入，包括分别与上下，所述硅油涂覆工位23包括与所述组件定位槽11内的上、下水道端口402对应的上硅油喷嘴231及下硅油喷嘴232，所述硅油喷嘴由气缸等伸缩机构控制相对上、下水道端口402伸缩，从而将硅油喷嘴插入所述上、下水道端口402内然后喷涂上硅油，如此为所述水嘴端部插入时提供润滑，有利于插入。在组件定位槽11一侧设置有水嘴定位座24，所述水嘴定位座24顶端设置有放置水嘴的水嘴定位槽。
如图12、13所示，然后转盘10转动使得该组件定位槽11转动到水嘴压装工位，所述水嘴压装工位包括上水嘴压装装置及下水嘴压装装置，所述上水嘴压装装置包括上水嘴夹爪251及上水嘴下压块252，所述上水嘴夹爪将所述水嘴定位槽上的水嘴夹起后移动，然后使得所述水嘴的一端口与上水道端口401对应，并使得水嘴端部少许的插入所述上水道端口401实现临时固定，然后上水嘴下压块移动到所述水嘴上方后下压水嘴，使得水嘴被压入到上水道端口401内。
如图15所示，下水嘴压装装置包括位于转盘10下方的顶升机构261、组件压固装置262以及下水嘴上料工位，所述顶升机构261设置在滑轨机构263上，所述滑轨机构263在下水嘴上料工位及所述组件定位槽11之间移动所述顶升机构261。所述顶升机构261上设置有下水嘴定位槽2611，所述顶升机构261移动到下水嘴上料工位处，由人工或自动上料装置将所述下水嘴6放置到所述下水嘴定位槽2611上，然后所述滑轨机构263使得所述顶升机构261带着所述下水嘴6移动到所述下水嘴定位槽2611下方使得所述下水嘴6与所述下水道端口402对应，然后所述顶升机构261上升将所述下水嘴6向上顶压进所述下水道端口402内。
所述组件压固装置262包括组件下压块2621，水嘴压装时，所述下压块由气缸下压，使得所述组件下压块2621压在组件上的上固定板8上，克服所述顶升机构261的上顶力，使得所述组件定位槽11内的各部件固定，以便于所述顶升机构261将所述下水嘴6顶入所述下水道端口402。
上、下水嘴压装后，上、下水嘴的端口背离转盘10中心朝向转盘10的外侧。
如图14所示，然后转盘10转动使得该组件定位槽11转动到水嘴气密检测工位，水嘴气密检测工位包括气密检测装置28，所述气密检测装置28包括与上、下水嘴的端口对应的气密堵头281，通过伸缩机构282控制所述气密堵头281伸出堵住上、下水嘴的端口，所述气密堵头281连通气压检测装置，所述气压检测装置通过所述气密堵头281向所述组件的水冷流道内打入一定压力的气体，然后保压一定时间，检测压力是否有变化，如果有变化则说明水冷流道漏气，不合格，如果压力无变化则说明产品合格。
如此，转盘10不断的转动，在各工位完成不同的装配，实现功率半导体组件自动化的连续生产。
本实施例中的升降、下压、伸缩等动作机构都可以采用气缸作为动力，转动的结构可采用电机作为动力，这些都是本领域公知的技术，这里不做赘述。
尽管本文较多地使用了一些术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。说明书及附图中所示的装置及方法中的动作、步骤等执行顺序，只要没有特别明示顺序的限定，只要前面处理的输出并不用在后面的处理中，则可以任意顺序实现。为描述方便起见而使用的类似次序性的用语(例如，“首先”、“接着”、″其次″、″再次″、″然后″等)，并不意味着必须依照这样的顺序实施。
本领域的普通技术人员应理解，所有的定向参考(例如，上方、下方、向上、上、向下、下、顶部、底部、左、右、垂直、水平等)描述性地用于附图以有助于读者理解，且不表示(例如，对位置、方位或用途等)对由所附权利要求书限定的本发明的范围的限制，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
另外，一些模糊性的术语(例如，基本上、一定的、大体上等)可以是指条件、量、值或尺寸等的轻微不精确或轻微偏差，其中的一些在制造偏差或容限范围内。需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
本文中所描述的具体实施例，仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例，做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种功率半导体组件的装配设备，用于功率半导体组件的自动装配，所述功率半导体组件包括芯片、位于芯片两侧的水冷板、连接水冷板的水嘴以及固定板，其特征在于，所述装配设备包括转盘(10)及围绕所述转盘(10)的多个装配工位，对应各装配工位在所述转盘(10)上设置有组件定位槽(11)，所述组件定位槽(11)包括在所述转盘(10)径向上相对两个可相对移动的槽壁，其中至少一个所述槽壁由伸缩装置控制移动，所述转盘(10)转动使得所述组件定位槽(11)在各装配工位间切换。
2.根据权利要求1所述的功率半导体组件的装配设备，其特征在于，所述装配工位包括功率半导体及水冷板上料工位，所述功率半导体及水冷板上料工位包括工件承载盘(17)及传送所述工件承载盘(17)的传送带(15)，所述工件承载盘(17)上分布有工件定位槽(171)，所述传送带(15)上方设置有工件翻转机构(18)，所述工件翻转机构(18)包括翻转架(18)，所述翻转架(181)上设置有与所述工件承载盘(17)上的工件定位槽(171)对应的夹具(182)，所述翻转架(181)由水平转动装置(183)转动，使得夹具(182)将从工件定位槽(171)上夹取的工件向上翻转。
3.根据权利要求2所述的功率半导体组件的装配设备，其特征在于，还包括上料机械手(16)，所述上料机械手(16)将翻转向上的工件传送到转盘(10)上相应的装配工位上。
4.根据权利要求3所述的功率半导体组件的装配设备，其特征在于，所述工件翻转机构(18)由升降装置(184)控制相对所述传送带(15)的高度。
5.根据权利要求1所述的功率半导体组件的装配设备，其特征在于，在组件定位槽(11)一侧设置有水嘴定位座(24)，所述水嘴定位座(24)顶端设置有放置水嘴的水嘴定位槽。
6.根据权利要求1所述的功率半导体组件的装配设备，其特征在于，远离转盘(10)中心的槽壁为第一槽壁(111)，靠近转盘(10)中心的槽壁为第二槽壁(112)，所述伸缩装置包括位于所述转盘(10)上的气缸，所述第一槽壁(111)上设置有与所述气缸活塞对应的顶推架(13)，所述顶推架(13)与所述转盘(10)之间连接有复位弹簧(14)。
7.根据权利要求6所述的功率半导体组件的装配设备，其特征在于，转盘(10)上还设置有与所述组件定位槽(11)在径向上相邻的上固定板定位槽(31)。
8.根据权利要求7所述的功率半导体组件的装配设备，其特征在于，所述顶推架(13)为套在所述组件定位槽(11)及所述上固定板定位槽(31)外的框架，所述第一槽壁(111)与所述顶推架(13)连接。
9.根据权利要求1所述的功率半导体组件的装配设备，其特征在于，所述装配工位包括以下任一种或多种工位：螺栓紧固工位、硅油涂覆工位、水嘴压装工位、水嘴气密检测工位。
10.根据权利要求9所述的功率半导体组件的装配设备，其特征在于，所述水嘴压装工位包括位于所述组件定位槽(11)上方的上水嘴压装装置(25)及下水嘴压装装置(26)，下水嘴压装装置(26)包括位于转盘(10)下方的顶升机构(261)及下水嘴上料工位，所述顶升机构(261)设置在滑轨机构(263)上，所述滑轨机构(263)在下水嘴上料工位及所述组件定位槽(11)之间移动所述顶升机构(261)。
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