CN214978469U - 焊接接头和扭矩式超声波焊接机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了用于扭矩式超声波焊接机的焊接接头，包括用于将所述焊接接头安装到超声波焊接机上的安装部和用于与焊接工件接触的焊接部，所述焊接部与所述安装部固定连接，所述焊接部包括用于与焊接工件接触的长方形底面，所述焊接接头的旋转中心设置在所述长方形底面的中心上。同时本实用新型还公开了一种扭矩式超声波焊接机。本实用新型提供的技术方案，可以使得在进行超声波焊接时，旋转中心离开焊接区，保证焊接区的焊接效果，使得待焊接工件之间结合更加牢固。

Description

焊接接头和扭矩式超声波焊接机

技术领域

本实用新型涉及超声波焊接技术领域，特别地，本实用新型涉及应用在扭矩式超声波焊接机上的焊接接头，以及一种扭矩式超声波焊接机。

背景技术

随着超声波焊接技术的发展，超声波焊接已经广泛应用到需要将不同部件焊接起来的各个领域。

其中，超声波金属焊接被广泛应用到半导体行业。超声波金属焊接是通过超声波焊接机产生的超声波，带动焊接接头产生高频的机械振动，从而带动与焊接接头接触的非铁磁性金属物料工件相对于固定工件在两个工件的接触表面进行循环往复的振动，同时对工件施加压力。从而在两个工件之间产生高频摩擦，工件表面熔化并形成牢固的结合，达到了分子级别的焊接效果。

超声波金属焊接根据其作用原理可以分为线性焊接和扭矩式焊接。其中扭矩式焊接的原理是将超声波发生器产生的能量，以一个中心点为圆心的扭矩振动方式传递到焊接接头，并通过焊接接头将扭矩式振动作用在焊接工件表面上。由于扭矩式焊接在需要焊接工件表面的旋转扭矩，使得焊接效率得到了提升。

但是，在对焊接后的半导体封装器件进行冷热循环实验时发现，半导体的基板和管脚之间存在脱开的风险。经过进一步的分析发现，如图9、图10所示，基板和管脚之间的焊接区存在焊接不牢固的问题。

因此，需要对上述扭矩式焊接方式做一些改进，以改善现有扭矩式焊接过程中存在基板和管脚之间结合不牢固的问题。

实用新型内容

本实用新型实施例针对现有超声波扭矩式焊接过程中，存在两个焊接工件之间结合不牢固的问题，提供了一种应用于超声波焊接机的焊接接头，通过对焊接接头进行改进，使得使用所述焊接接头进行扭矩式焊接后，两个焊接件之间的结合更加牢固。

本实用新型实施例提供的焊接接头，用于扭矩式超声波焊接机，包括用于将所述焊接接头安装到超声波焊接机上的安装部和用于与焊接工件接触的焊接部，所述焊接部与所述安装部固定连接，所述焊接部包括用于与焊接工件接触的长方形底面，所述焊接接头的旋转中心设置在所述长方形底面的中心上。

本实用新型实施例提供的焊接接头，由于其焊接部与焊接工件接触的底面为长方形底面，同时设置焊接接头的旋转中心在长方形底面的中心上。在进行焊接时，首先将第一个待焊接工件固定，然后将第二个待焊接工件放置在第一个待焊接工件上，焊接接头压在第二个待焊接工件上。使得长方形底面覆盖在待焊接区上，并以长方形底面的长边方向作为旋转半径的方向并可绕旋转中心做一定角度的旋转。使得旋转中心可以离开待焊接区。然后通过扭矩式超声波焊接机的超声波发生器产生高频交流电能，通过换能器将高频交流电能转换为高频机械振动并带动焊接接头做高频机械振动，由焊接接头将高频机械振动作用在第一待焊接工件与第二待焊接工件接触面上。同时给焊接接头提供一个从第二待焊接工件压向第一待焊接工件的压力，并给焊接头提供一个绕旋转中心旋转的扭矩。这样焊接之后的第一待焊接工件与第二待焊接工件之间结合牢固，在冷热循环实验中没有发现有管脚脱开的问题，同时，在做破坏性验证(即通过其他作用力将第一焊接件(即第一待焊接件焊接后的状态)与第二焊接件(即第二待焊接件焊接后的状态)之间强行分离)时发现，焊接区之间不存在结合空洞。

优选地，所述焊接接头长方形底面的长为a,宽为b,其中，0<b<a,且1.2≤a/b≤1.6。

优选地，所述长方形底面设置有网格状的突起。

优选地，所述焊接部通过连接部与所述安装部固定连接，所述安装部、连接部与焊接部一体成型。

优选地，所述安装部的截面为圆形，其半径为R，所述连接部的截面也为圆形，其半径为r，其中，a<r<R。

优选地，所述焊接接头用于将芯片的基板和框架的管脚焊接在一起，其中，a＝5mm,b＝4mm。所述连接部与所述焊接部之间设置有由所述连接部延伸到所述焊接部的过渡部，所述过渡部的侧面与所述连接部的中心轴的夹角不小于15度且不大于45度。

优选地，所述夹角为30度。

基于相同的发明目的，本实用新型实施例提供一种扭矩式超声波焊接机，所述扭矩式超声波焊接机包括如上述实施例提供的焊接接头。

对本实用新型提供的扭矩式超声波焊接机的工作原理及使用本扭矩式超声波焊接机能达到的技术效果的描述，具体可参见对焊接接头的描述，他们的作用原理和能达到的效果是一致的，换句话说，本扭矩式超声波焊接机之所以能解决现有技术存在的问题，本质上也是由于采用了新的焊接接头带来的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的焊接接头结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的焊接接头长方形底面示意图；

图3是本实用新型优选实施例提供的焊接接头前视图；

图4是图3中B区域的放大效果示意图；

图5是图3中沿剖面线A-A剖切后的示意图；

图6是图5中C区域的放大效果示意图；

图7是现有技术提供的焊接接头的底面为正方形时焊接工作时作用原理分析图；

图8是本实用新型提供的焊接接头的底面为长方形时焊接工作时作用原理分析图；

图9是现有技术提供的扭矩式超声波焊接机焊接后产品的外观示意图；

图10是现有技术提供的扭矩式超声波焊接机焊接后，将第一焊接件和第二焊接件分离后接合面的状态。

图11是本实用新型实施例提供的扭矩式超声波焊接机焊接后产品的外观；

图12是本实用新型实施例提供的扭矩式超声波焊接机焊接后，将第一焊接件和第二焊接件分离后接合面的状态。

图中：11、基板；12、管脚；13、焊接区；31、安装部；32、焊接部；33、连接部。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本申请实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本申请的技术方案，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本实用新型的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

作为本实用新型改进的基础，扭矩式超声波焊接机示例性说明如下，包括：

机架，提供各种组成部件的安装平台；

超声波模具，用于固定并定位待焊接工件；

超声波发生器，用于将五十赫兹的工频交流电转换为不低于二十千赫兹的高频交流电；

换能器，用于将高频交流电能转换成高频机械振动；

与换能器连接的变幅杆，提供固定焊接套件至压力装置的位置，同时放大换能器产生的机械振动并将振动传给焊接接头；

与变幅杆固定连接的焊接接头，主要作用在待焊接工件表面，以将机械振动作用在两个待焊接工件的表面上，使得两个待焊接工件表面产生摩擦，同时将两个待焊接工件压紧，并将焊接接头上的扭矩传递到与之接触的待焊接工件上，使得该待焊接工件相对于另一个待焊接工件产生扭矩；

压力装置，与换能器连接，通过换能器将压力提供给焊接接头；

旋转电机，与换能器连接，并通过换能器带动焊接接头以一定角度做反复旋转；

控制系统，整个扭矩式超声波焊接机的大脑，控制超声波焊接机工作，包括设置频率，设置焊接作用时间，施加的压力，以及旋转的角度等，在此不一一详述。

发明人在进行半导体器件封装时，使用现有技术提供的扭矩式超声波焊接机对基板和管脚进行超声波焊接。由于焊接的基板和管脚面积都很小，同时为了避免焊接接头碰触到其他器件，现有技术提供的用于扭矩式超声波焊接机的焊接接头其底面设置为圆形或者正方形。

而发明人在对使用现有技术提供的扭矩式超声波焊接机焊接后的半导体器件进行冷热循环实验时发现，有些半导体器件存在基板和管脚脱开的问题，经过进一步的失效分析发现，如图10所示，在管脚和基板的焊接区存在焊接空洞(即没有焊接到的地方)，如图10中黑色部分E。

发明人经仔细分析并多次验证发现，在扭矩式超声波焊接中，振动的半径与振幅呈现正比例的关系，即离振动中心越远，其振动幅度越大，产生的摩擦越激烈，从而使得两个待焊接工件的表面在这个区域融化状态更充分，两个待焊接工件之间的结合也越牢固。而上述焊接空洞的地方，正是处于旋转中心的地方(如图7中的旋转中心O所示)，即这个地方的振幅很小，使得他们之间的摩擦不够，两个待焊接工件接触面之间的融化程度不够，最后导致结合不够牢固。

基于这个发现，本发明人想到可以通过改变旋转中心，即通过改变焊接接头底面中心与管脚的位置，使得旋转中心远离焊接区的方法来改善焊接区的焊接情况(即如图7中，将焊接接头往右移，使得焊接接头的旋转中心位于管脚12的边缘或者在边缘之外，即使得与宽平行的线l在管脚边缘或者位于管脚边缘之外)。但是，在不改变焊接接头底面形状的情况下，上述操作方法的改变会导致两个待焊接工件之间的焊接区减少，同样会带来焊接不够牢固的问题(即如图7中当焊接接头往右移后，焊接接头底面与管脚12接触的面积必然减少)。

第一实施例：

在基于上述发现和改进的原理之后，本实用新型实施例提供了一种用于扭矩式超声波焊接机的焊接接头，如图1所示，包括用于将所述焊接接头安装到超声波焊接机上的安装部31和用于与焊接工件接触的焊接部32，所述焊接部32与所述安装部31固定连接，所述焊接部32包括用于与焊接工件接触的长方形底面(图1种的区域D所示，以及图2所示)，并将焊接接头的旋转中心设置在所述长方形底面的中心上。其中，长方形底面的中心通过两条对角线相交来确定。

本实用新型实施例提供的焊接接头，由于其焊接部与焊接工件接触的底面为长方形底面，同时设置焊接接头的旋转中心在长方形底面的中心上。在具体设计长方形底面的长a和宽b时，可以保持宽b与原有的设计尺寸不变，而调节长a的长度，如使a满足1.2≤a/b≤1.6。

在进行焊接时，首先将第一个待焊接工件固定，然后将第二个待焊接工件放置在第一个待焊接工件上，焊接接头压在第二个待焊接工件上。此时，在长方形底面的长a满足设置条件的情况下，如图8所示，可以使得经过中心o’并与宽平行的线l’位于管脚的边缘或者处于管脚边缘之外，而处于管脚内区域的长方形底面覆盖面并不会比现有技术提供的焊接接头提供的覆盖面减少，即焊接区13的面积不会减少。从而可以使得旋转中心远离焊接区。然后通过扭矩式超声波焊接机的超声波发生器产生高频交流电能，通过换能器将高频交流电能转换为高频机械振动并带动焊接接头做高频机械振动，由焊接接头将高频机械振动作用在第一待焊接工件与第二待焊接工件接触面上。同时给焊接接头提供一个从第二待焊接工件压向第一待焊接工件的压力，并给焊接头提供一个绕旋转中心旋转的扭矩。

由于这样设置之后，焊接区13均与旋转中心有一定的距离，其振幅均能满足要求，从而保证了焊接区13内两个待焊接工件之间的充分摩擦融化，相互之间的结合更充分，达到了分子级别的焊接效果。这样焊接之后的第一待焊接工件与第二待焊接工件之间结合牢固，在冷热循环实验中没有发现有管脚脱开的问题，同时，在做破坏性验证时发现，如图12所示，焊接区13之间不存在结合空洞。其中，图11位经本申请提供的焊接接头做扭矩式超声波焊接后半导体器件的外观图，与图9中经现有技术提供的焊接接头做扭矩式超声波焊接后半导体器件的外观图相比，其焊接区13也更加匀称，带来更好的产品效果。

如图2所示，本申请的一个优选实施例中，长方形底面上设置有网格状的突起，突起的形状可以设置为等边三棱锥，即使得三棱锥的一个底面与长方形底面固定，一个顶点突出于底面。三棱锥的排列可以按分别沿长和宽形成阵列。通过设置网格状的突起，更有利于将焊接接头的高频机械振动传递到两个待焊接工件的接触平面上，提高焊接效率。

同时，如图1、图3、图5所示，焊接接头还设置有连接部33，连接部33固定连接焊接部32和安装部31。焊接部32、连接部33和安装部31可以一体成型制作，以提高他们之间的连接刚性，有利于各个部分对高频机械振动、压力和扭矩的传导。参阅图1至图6，安装部31整体截面成圆形，设其半径为R，连接部33的截面也为圆形，其半径为r，其中，a<r<R。即设置从安装部到焊接部，其截面尺寸越来越小，截面面积越来越小。本申请提供的用于扭矩式超声波焊接的接头，尤其是用于对半导体封装过程中对基板11和管脚进行焊接。要求与管脚接触的焊接面面积比较小，否则有可能卡在其他地方而不能接触到管脚面，这使得长方形底面的长和宽的尺寸都偏小。但如果整个焊接接头都设置与焊接部相同的尺寸，必然导致安装部与超声波焊接机的固定安装接触面积太小，不利于安装的稳定，以及将高频机械振动、压力及扭矩等传导到焊接接头。因此设置为三段，同时他们的尺寸逐级降低，即满足焊接部对尺寸的要求，也满足安装部对安装的要求，同时可以在中间避开一些有可能的阻碍物。如图4和图6所示，一个优选的实施例中，a的长度设置为5mm，b的宽度设置为4mm。

同时，在焊接部32与连接部33之间设置由所述连接部延伸到所述焊接部的过渡部，所述过渡部的侧面与所述连接部的中心轴的夹角不小于15度且不大于45度。一个优选的实施例中，如图4和图6所示，所述夹角取30度。通过设置过渡部，使得焊接部和连接部之间的连接更加牢固。

第二实施例：

本实施例提供一种扭矩式超声波焊接机，包括：现有技术提供的扭矩式超声波焊接机的主要部分，如机架、超声波发生器、换能器、变幅杆、控制系统等必要组成部分。其各部分的连接关系也与上述描述的相类似，在此不予赘述。其中，本实施例提供的扭矩式超声波焊接机的焊接组件采用了第一实施例中的焊接接头。该焊接接头的具体结构可参见第一实施例中的说明。

本实施例提供的扭矩式超声波焊接机，在对待焊接工件进行超声波焊接时，可以使得旋转中心位于焊接区边缘或者远离焊接区，从而使得焊接区内的振幅满足焊接的需求，使得摩擦效果更好，两个待焊接工件之间的结合更加牢固。

上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.焊接接头，其特征在于：所述焊接接头用于扭矩式超声波焊接机，包括用于将所述焊接接头安装到超声波焊接机上的安装部和用于与焊接工件接触的焊接部，所述焊接部与所述安装部固定连接，所述焊接部包括用于与焊接工件接触的长方形底面，所述焊接接头的旋转中心设置在所述长方形底面的中心上。

2.如权利要求1所述的焊接接头，其特征在于，所述长方形底面的长为a,宽为b,其中，0<b<a,且1.2≤a/b≤1.6。

3.如权利要求2所述的焊接接头，其特征在于，所述长方形底面设置有网格状的突起。

4.如权利要求1或2或3所述的焊接接头，其特征在于，所述焊接部通过连接部与所述安装部固定连接，所述安装部、连接部与焊接部一体成型。

5.如权利要求4所述的焊接接头，其特征在于，所述安装部的截面为圆形，其半径为R，所述连接部的截面也为圆形，其半径为r，其中，a<r<R。

6.如权利要求5所述的焊接接头，其特征在于，所述焊接接头用于将芯片的基板和框架的管脚焊接在一起，其中，a＝5mm,b＝4mm。

7.如权利要求5所述的焊接接头，其特征在于，所述连接部与所述焊接部之间设置有由所述连接部延伸到所述焊接部的过渡部，所述过渡部的侧面与所述连接部的中心轴的夹角不小于15度且不大于45度。

8.如权利要求7所述的焊接接头，其特征在于，所述夹角为30度。

9.扭矩式超声波焊接机，其特征在于，所述扭矩式超声波焊接机包括焊接接头，所述焊接接头为如权利要求1至8任一所述的焊接接头。

Images