CN1496302A - 超声波振动熔敷装置和超声波振动头 - Google Patents

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Abstract

提供确保熔敷作业用的足够通过线、不产生纵向分量超声波振动而且有效完成熔敷处理的超声波熔敷装置(1000)和超声波振动头(2000、2000’、2000”)。其中，超声波振动头(2000、2000’、2000”)装在超声波振动熔敷装置中，该装置压接含热可塑性树脂材料等热熔融性材料的接合材料，赋予超声波振动，进行熔敷处理，该超声波振动头的对沿纵向中心轴线(L)呈对称断面形状的接合动作部(2100)对称状配置倾斜成尖状的工作面(2110)和对置面(2110X)，该工作面(2110)和对置面(2110X)对称状形成连续凹入部(2133)，并且使该工作面(2110)仅产生平行于接合工作面(2110)的超声波振动。

Description

超声波振动熔敷装置和超声波振动头
技术领域
本发明所属技术领域为超声波振动焊接技术，利用超声波横振动，使成为谐振体的超声波头产生横振动，对热可塑性树脂和金属进行熔敷、焊接。本发明涉及超声波振动熔敷装置和超声波振动头。
背景技术
历来，超声波振动熔敷技术中使谐振体(超声波头)接触接合构件，诱发超声波振动，利用与超声波头中心轴线平行的侧面的横振动方式，在该中心轴方向产生微细伸缩，使构件与被接合构件相互接合。这种技术，已众所周知(已有技术)。
还可举出本申请人先前申请的发明：日本专利申请2001-7240号(在先技术)。
在该在先技术的发明中，确保熔敷处理作业所需的通过线，而且不产生成为熔敷作业欠缺点的垂直于工作面的振动分量(纵振动分量)，仅产生平行于工作面的方向的振动分量(横振动)，可进行高熔敷质量的振动熔敷作业。
然而，在先技术的发明中，超声波振动头使超声波振动装置朝下倾斜，承载成悬臂状，而且用支持装置200支持其支柱部上的节点。可以说，其形式为：在2个部位将接合熔敷部支撑成悬臂状。
因此，对接合构件施加的压力比较小(例如10kg f左右)时，可忽略工作面倾斜，不影响熔敷处理，但随着工作面的使用面积扩大，所加压力大时，工作面产生几微米程度的倾斜，难以保障高质量熔敷处理。
当然，这时如果不用半波长振动头而用1波长振动头，就不产生工作面倾斜，消除该缺陷，但对装置小型化不理想，可以说不能避免重量大，各部分精密调整费事的缺点。
同样，美国专利第4088257号的说明书(公知技术)揭示的发明形式为：对工作面正上方加压。构件公知例，能防止发生上述工作面倾斜，但超声波振动是圆弧振动，因而不能避免发生成为熔敷处理欠缺的关键因素的纵分量超声波振动。
本发明根据上述已有技术，完成改善上述在先技术和公知技术欠缺点的创造发明。
因此，列举本发明要解决的课题如下。
即，本发明要解决的第1课题是提供确保足够的通过性并且能谋求熔敷处理作业方便的有关创造发明。
本发明要解决的第2课题是提供排除超声波头工作面上的纵向超声波振动分量，仅产生平行于工作面的振动，并且使接合构件间的接合精度大幅度提高的有关创造发明。
本发明要解决的第3课题是提供加高压时工作面不产生倾斜的有关创造发明。
本发明要解决的第4课题是提供利用超声波头的弯曲振动减小其前端振幅衰减，能使深度方向延长，提高工作频率，并使波长为1波长以下，能小型化的有关创造发明，。
发明内容
本发明着眼于规定超声波振动头的形状，努力使其节点上不发生超声波，并且将该节点配置在工作面正上方，支持成可加压。
即，本发明内容如下。
(1)一种超声波振动熔敷装置，压接含热可塑性树脂材料等热熔融性材料的接合材料，赋予超声波振动，进行熔敷处理，超声波振动头产生超声波振动时，使不诱发振动的节点(NP)处在所述熔敷处理的工作面的正上方并且在该节点(NP)附近支持超声波振动头。
(2)上述(1)的超声波振动熔敷装置，将超声波振动头配置成超声波振动头的中心轴线对工作面为倾斜20度至50度的状态。
因此，能赋予工作面足够的外加压力，有效进行熔敷。
又，也能确保足够的通过线。
(3)一种超声波振动头，装在超声波振动熔敷装置中，该装置压接含热可塑性树脂材料等热熔融性材料的接合材料，赋予超声波振动，进行熔敷处理，其对沿纵向中心轴线(L)呈对称断面形状的接合动作部对称状配置倾斜成尖状的工作面和对置面，该工作面和对置面上对称状形成连续凹入部，并且使该工作面仅产生平行于接合工作面的超声波振动。
(4)上述(3)的超声波振动头，所述凹入部的夹角为钝角状。
(5)上述(4)的超声波振动头，夹角为90度～180度。
因此，工作面仅产生与工作面平行的超声波振动，能有效执行熔敷处理。
附图说明
图1是实施的发明用的最佳形态1电能超声波振动熔敷装置的功能框图。
图2是图1中超声波振动头和节点支持装置的正视图。
图3是图1中超声波振动头的幅度侧视图。
图4是模拟图2中超声波振动头振动矢量的压缩状态振动矢量的示意侧视图。
图5是模拟图2中超声波振动头振动矢量的扩展状态振动矢量的示意侧视图。
图6是超声波振动头的振幅分布图。
图7是图4的最佳形态2的示意侧视图。
图8是图4的最佳形态3的示意侧视图。
图9是图8中超声波头的加压装置的说明图。
实施发明的最佳形态
下面，参照附图说明本发明的超声波振动熔敷装置(本装置)1000及其超声波振动头(本振动头)2000的最佳形态。
最佳形态1
1、总体组成
如图1所示，本装置1000中，由节点支持装置200保持本振动头的节点NP，并使其中心轴线(L)对放置被接合构件W2的工作台装置400的支持面410倾斜成倾斜角A为约20度～50度，将超声波振动发生器(供给装置)500连接成悬臂状。本振动头2000结构上做成利用后文说明的计算机等控制装置600启动超声波振动。
2、各部分组成
(1)本装置1000
[1]节点支持装置200
如图1和图2所示，本装置1000的框体1100上设置的升降位置改变装置1200连接的节点支持装置200在垂直于主框210的支撑脚211之间设置后文所述本振动头2000，并且使配置成贯通本振动头2000在节点NP位置的接纳孔212的方形断面支撑杆220的两端插穿所述支撑脚211，通过纵向的第1调整螺丝213和涉及横向的第2调整螺丝214，将所述支撑杆220的位置可调整的方式固定在所述支撑脚211之间。
[2]超声波振动供给装置500
该超声波振动供给装置500由超声波振动发生器、变换器、增压器等组成，以振动头中心轴线L对后文所述接合工作面(S)倾斜的悬臂状连接并承载后文所述的本振动头2000，同时可借助供电装置(图中未示出)产生超声波振动，对本振动头2000供给该超声波振动。
[3]真空吸附装置300
本装置1000配备的真空吸附装置300使真空动力源(图中未示出)连通后文所述振动头2000的吸引孔2111后面连接的通气孔2134，使接合构件W1可装卸，并且与被接合构件W2对置。
[4]工作台装置400
根据需要，在X-Y方向可移动的此工作台装置400上承载被接合构件W2，使其与所述本振动头2000吸附的被接合构件W1准直对置后，可进行超声波振动熔敷。
[5]控制装置600
如图1所示，此控制装置600用具有数据处理功能的个人计算机等组成，可借助操作板(装置)700进行人工操作，对所述各装置命令动作。其动作状况可在液晶板等显示装置上显示。
[6]超声波振动头(本振动头)2000
例如用钽合金或SKD材料等金属构成的本振动头2000如图3至图5所示，其组成部分包含外观上扁平且为多角形的接合动作部和形成所述超声波振动供给装置500的连接杆510连接的内端面2220的支柱部2200。
结构上做成：该接合动作部2100的外端倾斜状地形成工作面2110，同时设置吸引孔2111，可在进行振动熔敷处理时接触接合构件，吸附并承载该构件。此吸引孔与真空吸附装置300连通，能吸附接合构件W1。
附图中，2110X是对中心轴线(L)形成与工作面2110对称的对置面。该接合动作部2100的外断面形成将支柱部2200的中心轴线(L)位置作为最深中心部的凹入面2120，该中心部的凹入角度B为约90度～180度。所述工作面2110与所述支柱部2200之间的接合动作部2100形成将所述中心轴线(L)作为方向的凹凸部2130。较详细地说明该凹凸部2130如下。
(a)用与相邻工作面2110相连而且平行于就中心轴线(L)对置的对置面2110X的第1短凹入面2131以及与该第1凹入面2131相连并且平行于所述相邻工作面2110的第1凸出面2132，形成第1凹入部2133。
(b)用与所述第1凸出面2132相连而且平行于就所述中心轴线(L)对称的对置面2110X的第2长凹入面2134以及与该第2长凹入面2134相连的所述支柱部2200的外周面2210，形成第2凹入部2135，并且在第1与第2凹入部2133与2135之间形成凸出角约110度的凸出部2136。
(c)使所述第1凹入面2131与所述第1凸出面2132的第1夹角C为约90度～180度，所述第1凸出面2132与所述支柱部2200的外周面2210的第2夹角D为约140度。
(d)支柱部2200形成与所述外周面2210相连而且垂直于所述中心轴线(L)的内端面2220。
进而，开通使本振动头2000的所述工作面2110设置的吸引孔2111连通所述真空吸附装置300的连通孔2140。
本振动头2000是工作时用半波长振幅产生超声波振动的半波长振动头，做成利用超声波振动供给装置500产生的规定频率产生振幅约5μm的横振动，后文说明图4和图5中箭头号表示的振动矢量。
3、超声波振动熔敷处理
(1)熔敷处理的程序
如图1所示，将本振动头2000装到超声波振动发生器(供给装置)500，在使工作面处在工作台装置400上的被接合构件W2上方的状态下，人工操作操作板(装置)700，利用控制装置600使节点支持装置200动作，并调整所述真空吸附装置300吸附接合构件W1的本振动头2000的位置，由超声波振动发生器在本振动头2000例如诱发半波长超声波振动，压接并焊接被接合构件W2后，使工作台装置400在箭头号M-M’的方向移动，以进至下一熔敷工序。
(2)振动熔敷的要点
该要点为：本振动头2000的工作面2110中，本振动头2000仅产生与该工作面2110平行的振动(横振动分量)，能高效执行振动熔敷处理；这时，即使确保接合构件W1用的足够通过线，也几乎不发生与工作面2110垂直的振动(纵振动分量)，因而接合精度提高。
即，对本振动头2000纵向中心轴线(L)倾斜，确保接合构件W1的通过线G，因而能充分确保本振动头2000可工作的深度。
下面详细说明其原理和作用。
即，如图5所示，本振动头2000中，离开其前端的距离与本振动头2000振幅大小的关系作近似于COS波形地变化，因而离开前端1/8波长的位置上振幅一般降低70％，危及熔敷处理质量下降。
然而，本振动头2000中，其要点为：通过规定其接合动作部2100的形状，有效利用本振动头2000本身产生的弯曲振动，将振幅衰减率抑制到10％以下，而且能得到不含纵振动分量的超声波振动。
图4和图5所示的箭头号表示矢量分析器分析所得的振动矢量，下面将其长度和方向分别作为振幅值和振动模式进行说明。
即，这种振动头中，为了确保通过线G，一般将该振动头配置成对作业面倾斜时，该作业面上产生纵振动分量，因而造成接合质量降低的缺陷。
与此相反，如图3至图5所示，通过使本振动头2000为上述规定形状，本振动头2000中，在超声波振动时，本振动头2000的接合动作部2100产生弯曲振动，去除超声波纵振动分量，接合作业时的振动矢量能成为与工作面2110完全平行的状态。
即，如图4所示，对本振动头2000而言，赋予其内端面2220对中心轴线(L)为压缩方向的振动矢量(CV)时，该振动矢量指向远离本振动头2000前端的凹入面2120的方向，而且这时与工作面2110一致，仅在平行于该工作面的方向产生振动。此状态可从图4中(甲)区内振动矢量(CV)群的状况判明。
进而，该振动矢量(CV)从所示第1凹入面2131发出(乙)，其余振动矢量指向上述凸出部2136的方向并且发出(丙)。
接着，如图5所示，可知对本振动头2000赋予扩展方向的振动矢量(PV)时，该矢量(PV)与上述振动矢量等效地指向反方向产生振动，这时也与工作面2110一致，由平行于该工作面的振动矢量(PV)产生振动。
而且，产生这种振动矢量CV、PV的期间，本振动头2000借助支撑杆220稳定地支撑在节点(MP)，因而振动矢量不产生损耗，能有效执行接合作业，并且振动不传给支撑杆220，能℃支撑本振动头2000。
即使是半波长振动头，前端的振幅衰减也比较小，能使深度取得足够长，因而当然能提高频率。
关于接合动作部2100的形状，将工作面2110配置成在180度对置的位置上为双叉状，也属于变换设计的范围。
如上文所述，可确认在从工作面2110的正上方往工作面2110的方向充分提供外加压力的状态下，仅对工作面2110提供与工作面2110平行的横振动矢量(CV)、(PV)，因而能对接合构件W1和被接合构件W2有效地进行熔敷处理。
列举上述最佳形态的具体实例如下，仅供参考。
W1：半导体芯片部件
W2：电路板
超声波振动头：钽合金制
倾斜角度A：约20度～50度
凹入角度B：约155度
第1夹角C：约105度
第2夹角D：约145度
凸出角：约110度
振荡器频率：40kHz
振幅：5微米
时间：0.1秒～0.3秒
外加压力：5～30kg重
最大工作面积：20mm见方
(其中，振幅分布：90％以上，
纵分量比：5％以下，
振荡频率：40kHz)
最佳形态2
1、外观形状
图7所示的本振动头2000’的特征是：部分改变所述本振动头2000的外观形状。
即，与本振动头2000的不同点是做成：支柱部2200’后续的接合动作部2100’中，第1凹入面2131’后续的倾斜面2137’与所述支柱部2200’相连，并且第1凹入面2131’与倾斜面2137’凹入成钝角状，其第3夹角F为约160度，外观上与本振动头2000的第1凹入部的第1夹角C相比，凹度浅，因而不扩宽，原样连到支柱部2200’。
2、功能
与上述本振动头2000相同，因而省略重复说明。
最佳形态3
1、外观形状
图8所示的本振动头2000”与上述本振动头2000和2000’的不同点是：本振动头2000”的凸出部2136”与支柱部2200”之间形成略为隆起的隆状部2138”。
2、加压装置200”
如图9所示位于本振动头2000”的工作面2110”正上方的节点NP的上方，在对工作面2110”呈平行状的支持面2110Y连接设置加压面230”的谐振棒240”，该谐振棒240”连接升降驱动装置。
3、功能
与上述本振动头2000和2000’相同，因而省略重复说明。
工业上的实用性
以上说明的本发明在生产上的实用性如下。
(1)超声波振动头的工作面不产生纵振动分量，因而接合质量大为提高。
(2)在超声波振动焊接装置与加工材料(接合构件等)之间能形成足够的通过线(作业空间)，因而作业性提高。
(3)加高压的接合作业时，工作面也不产生倾斜，能达到高质量的接合处理。
(4)使超声波振动头的振幅衰减减小，延长深度，因而能提高频率，即使超声波振动为1波长以下，也不产生焊接效果欠佳，能谋求超声波振动焊接装置体积小、重量轻。
(5)如上所述，不产生纵振动分量，因而接合构件不可能破损。

Claims (5)

1.一种超声波振动熔敷装置(1000)，压接含热可塑性树脂材料等热熔融性材料的接合材料，赋予超声波振动，进行熔敷处理，其特征在于，
超声波振动头(2000、2000’、2000”)产生超声波振动时，使不诱发振动的节点(NP)处在所述熔敷处理的工作面(2110)的正上方并且在该节点(NP)附近支持超声波振动头(2000、2000’、2000”)。
2.如权利要求1所述的超声波振动熔敷装置，其特征在于，
将超声波振动头(2000、2000’、2000”)配置成超声波振动头(2000、2000’、2000”)的中心轴线对工作面(2110)为倾斜20度至50度的状态。
3.一种超声波振动头(2000、2000’、2000”)，装在超声波振动熔敷装置中，该装置压接含热可塑性树脂材料等热熔融性材料的接合材料，赋予超声波振动，进行熔敷处理，其特征在于，
其对沿纵向中心轴线(L)呈对称断面形状的接合动作部(2100)对称状配置倾斜成尖状的工作面(2110)和对置面(2110X)，该工作面(2110)和对置面(2110X)对称状形成连续凹入部(2133)，并且使该工作面(2110)仅产生平行于接合工作面(2110)的超声波振动。
4.如权利要求3所述的超声波振动头(2000、2000’、2000”)，其特征在于，
所述凹入部(2133)的夹角为钝角状。
5.如权利要求4所述的超声波振动头(2000、2000’、2000”)，其特征在于，
夹角为90度～180度。
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