JP7090634B2 - 溶接アセンブリの製造方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンタクト基板における第１のコンタクト片と、好ましくは半導体アセンブリとして構成される載置ユニットにおける第２のコンタクト片との間に複数の溶接接続部を備える溶接アセンブリの製造方法に関し、第１および第２のコンタクト片は、該１および第２のコンタクト片を溶接位置において相対的に位置決めするように、重なり合う位置に配置され、ソノトロードは、該ソノトロードを各溶接位置に位置するように位置決め装置によって第２のコンタクト片と重なり合う位置に配置され、溶接接触位置において第２のコンタクト片上に降下され、溶接接続部を形成するように超音波振動を与えられ、ソノトロードは、画像処理装置を備えるカメラ装置によって、第２のコンタクト片に対して位置決めされ、ソノトロードは、該ソノトロードのソノトロード作業面における、溶接プロセスによって基準インプリントキャリア上に生じるソノトロードインプリントの位置偏差の決定に基づいて、第２のコンタクト片に対して位置決めされる。本発明は、さらに、この方法を実施するための装置に関する。

パワーモジュール、特に、半導体アセンブリにおける複数の端子が、回路基板における対応する数の端子面と接触するパワーモジュールを製造するためには、超音波溶接技術においても、接続箇所が大幅に自動化製造され、端子は、軸上に一定の間隔で配置された各溶接位置に向かって順次移動されるソノトロードによって、端子面に溶接され、溶接接触位置においてそれぞれの溶接位置から端子面上に配置された端子に対して移動される。

これにより、溶接プロセスを実行するために、ソノトロードと端子として構成される第２のコンタクト片との接触を、確実かつ正しい相対位置において行う必要がある。端子面同士の間隔は、通常、端子同士の間隔と同一であり、位置決め装置は、その間隔に対応した、タイミングを合わせた送り動作を実行するので、ソノトロードは、端子が外力等によりずれる、例えば曲がるなどしない限り、端子として構成される第２の接触子に対して容易に正しく相対位置決めされる。

半導体アセンブリの端子を基板端子面に自動超音波溶接するためにこれまでに用いられてきた方法では、ソノトロードを端子に対して位置決めするために、画像処理装置を備えるカメラ装置が用いられ、第２のコンタクト片に対するソノトロードの位置偏差が決まると、位置偏差の大きさを判定でき、場合によっては、ソノトロードの端子に対する位置決めの際に対応する補正を行うことができる。

例えば、ソノトロードの交換後に必要な位置決め装置に対するソノトロードの位置決めは、軸測定システムを用いて行われ、該システムにおいて、コンタクト片間の溶接接続部の領域を規定するソノトロード作業面の位置は、位置決め装置における対応する基準エッジから、ソノトロード上に規定された基準エッジまでの軸方向距離を挟んで、間接的に決定される。ソノトロードにおけるソノトロード作業面の位置ずれは、 位置決め装置に対するソノトロードの位置を変化させることにより、つまり、ソノトロードホルダにおけるソノトロードのクランプ方法を変更することによって、補償される。これには、特にソノトロードの交換後、それだけの作業量が必要となる。

本発明の目的は、より少ない作業量でソノトロードの位置ずれを補正できる方法および装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明による方法は、請求項１に記載の特徴を有する。

本発明によれば、ソノトロードは、画像処理装置を備えるカメラ装置によって、第２のコンタクト片に対して位置決めされ、ソノトロードは、ソノトロードのソノトロード作業面における、溶接プロセスによって基準インプリントキャリア上に生じるソノトロードインプリントの位置偏差の決定に基づいて、第２のコンタクト片に対して位置決めされる。

これにより、ソノトロード作業面の位置偏差、例えば、ソノトロード表面において、中央ではなく、横方向にオフセットして配置されるソノトロード作業面の位置偏差を示す、誤った位置にあるソノトロードは、ソノトロードを交換したり、ソノトロードホルダにおけるソノトロードのクランプ方法を変更したりすることなく、ソノトロードを溶接位置に配置する際に補償される。代わりに、ソノトロードのずれは、位置決め装置を用いて補償することができ、必要な補償量は、基準インプリントキャリア上のソノトロードインプリントの規定目標位置からの、ソノトロードインプリントの位置偏差の大きさに依存する。

基準インプリントキャリアは、デザイン、特に材料という点で、第２のコンタクト片に対応する材料ストリップとすることができる。もちろん、第２のコンタクト片を、基準インプリントキャリアとして提供することもできる。

好ましくは、ソノトロードは、第２のコンタクト片に対するソノトロードの位置偏差と、ソノトロードのソノトロード作業面における、溶接プロセスによって基準インプリントキャリア上に生じるソノトロードインプリントの位置偏差と、の双方に基づいて、第２のコンタクト片に対して位置決めされる。位置偏差は、双方とも画像処理装置を備えるカメラ装置を用いて決定される。これにより、いずれの位置偏差も、同じ装置によって検出することができる。

上記位置偏差からなる合計位置偏差が、コンタクト基板における第１のコンタクト片同士の間隔に対応する位置決め装置の送路と重畳する場合、位置偏差の補償と、ソノトロードをある溶接位置から次の溶接位置へ搬送する送り動作とを、１つの送り動作として行うことが可能である。

好ましくは、ソノトロードインプリントの位置偏差は、位置決め装置に対するソノトロードの位置を変更した後、つまり、ソノトロードの交換後に決定され、したがって、一度決定された位置偏差は、異なる溶接位置への次のソノトロードの位置決めにおいて、次の溶接位置へ向かうときに不変値として考慮される。もちろん、必要であれば、各溶接プロセス後にソノトロードインプリントの位置偏差を決定し、次の溶接位置へ向かうときにそれを考慮することもできる。

本発明による装置は、請求項５に記載の特徴を有する。

本発明によれば、画像処理装置を備えたカメラ装置は、位置決め装置が順次接近する各溶接位置において、カメラ装置によって規定される画像平面内にコンタクト片が位置するように、位置決め装置上に配置される。

好ましくは、位置決め装置上に配置されたソノトロードホルダに対するカメラ装置の相対位置は、固定される。

図１は、コンタクト基板受け上に配置され、位置決め装置によって該コンタクト基板に対して移動可能な２つのソノトロードを有するコンタクト基板を示す。 図２は、ソノトロードホルダ内に配置されたソノトロードを示す側面図である。 図３は、溶接開始位置にある図２に記載のソノトロードを示す。 図４は、溶接接触位置にある図２に記載のソノトロードを示す。 図５は、正しく並んだ溶接接合におけるソノトロードインプリントを示す。 図６は、コンタクト片が誤った位置にあるときのソノトロードインプリントを示す。 図７は、ソノトロード位置を誤った位置にあるコンタクト片に適合させた後のソノトロードインプリントを示す。 図８は、誤った位置にあるソノトロードにおけるソノトロードインプリントを示す。 図９は、誤った位置にあるソノトロードにおけるソノトロードインプリントを示す。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態をより詳細に説明する。

図１は、コンタクト列２０に配置され、コンタクト面として構成される複数の第１のコンタクト片１１を備えるコンタクト基板１０と、第２のコンタクト片１３を構成する複数の端子１３を有する半導体アセンブリ１２と、を示す上面模式図である。コンタクト基板１０と半導体アセンブリ１２とから成る溶接アセンブリ１４を製造するには、図１に示す、コンタクト基板１０における第１のコンタクト片１１上の、半導体アセンブリ１２における第２のコンタクト片１３の相対位置に始まり、それぞれソノトロード１５を有しかつコンタクト基板１０の長手方向片側に配置される超音波溶接ユニット１６を、位置決め装置１７によって、図１および図３に示す第２のコンタクト片１３上方における溶接開始位置に順次移動させ、続いて図４に示す溶接接触位置まで降下させる。このため、位置決め装置１７は、ソノトロード１５を、３つの空間軸に沿ってｘ、ｙ、ｚ方向に移動させることできる。

図１は、それぞれコンタクト基板１０の長手方向片側に配置されるソノトロード１５を示し、ソノトロード１５は、第１の溶接接合の完了後、破線で示す次の溶接位置まで移動される。

図１から明らかなように、ソノトロード１５の溶接開始位置は、ｘｙ平面上のソノトロード作業面２２（図２～図４）の対応する位置によって規定される。図３、図４を併せて参照すると明らかなように、溶接開始位置に始まり、ソノトロード１５のソノトロード作業面２２は、所定の接触圧で上側の第２のコンタクト片１３上の溶接位置へ下降され、ソノトロード１５には、溶接プロセスを実行するために超音波振動が与えられる。

溶接プロセスの完了後、特に図５に示すように、ソノトロード作業面２２とともに第２コンタクト片１３に超音波振動が付与された結果、第２のコンタクト片１３上ソノトロードインプリント２４が形成されるが、ソノトロードインプリント２４は、第２のコンタクト片１３におけるコンタクト面２３上にソノトロード作業面２２におけるプロファイル面をインプリントしたことにより生じ、コンタクト面２３上には、プロファイル加工されたソノトロード作業面の陰画が実現される。

図５には、正しく並んだ溶接接合が示されており、第１のコンタクト片１１と第２のコンタクト片１３との間に完全な重複部分が形成されているだけでなく、第２のコンタクト片１３におけるコンタクト面２３上に完全なソノトロードインプリント２４がインプリントされている。

図５とは異なり、図６は、誤って並んだ溶接接合を示している。この溶接接合は、第２のコンタクト片１３におけるコンタクト面２３上に不完全なソノトロードインプリント２７を有しているが、これは、第２のコンタクト片１３が、図５に示す第１のコンタクト片１１に対する目標位置に位置していないことによる。その原因としては、例えば、第２のコンタクト片１３が曲がっていることが挙げられる。

ソノトロード１５がコンタクト列２０に沿ってそれぞれの溶接開始位置に順次搬送される際、ソノトロード１５を備えたソノトロードホルダ２５は、第１のコンタクト片１１同士の間隔ｔにタイミングを合わせた前進動作を行う。同様に、列２０に配置された半導体アセンブリ１２における第２のコンタクト片１３同士の間隔ｔは、典型的には、第１のコンタクト片１１同士の間隔と同一となっており、その結果、正しく並んだ超音波溶接プロセスの実施に必要な第２のコンタクト片１３と第１のコンタクト片１１との重複部分は、典型的には自動的に設定される。

しかしながら、実際には、図１に例示する上側のコンタクト列２０の中央のコンタクトペア２１のように、第２のコンタクト片１３の位置ずれが起こることがあることが分かる。ここでは、第２のコンタクト片１３は、第２のコンタクト片１３における基準エッジ２６の目標位置（図５参照）に対してオフセットΔｘ_ＫＰ（図６参照）を示す。このオフセットΔｘ_ＫＰは、本例においてはｘ方向にのみ存在し、コンタクト列２０に沿ってｘ方向に第１のコンタクト片１１同士の間隔ｔ分、前に移動させられたソノトロード１５を今度は溶接開始位置に位置させ、ソノトロード１５を、図５に示すソノトロードインプリント２４を形成するための溶接接触を可能にする第２のコンタクト片１３に対する相対位置には位置させない。代わりに、図１に示されるような第２のコンタクト片１３に対するソノトロード作業面２２の相対位置から始まる溶接接触が、ソノトロードインプリント２７に対応して、第１のコンタクト片１１と第２のコンタクト片１３との間の溶接接続部がコンタクト片１３における狭いエッジ２８内にのみ形成されるよう、図６に例示されるようなソノトロードインプリント２７の形成に至る。

図１を参照して既述したように、ソノトロード１５は、ソノトロード位置決め装置１７によって、ｘ軸の方向に、すなわちコンタクト基板１０におけるコンタクト列２０に沿って変位可能なソノトロードホルダ２５内に保持される。ソノトロード位置決め装置１７は、好ましくは、ソノトロード１５をソノトロードホルダ２５に対して変位させ、ソノトロード１５およびソノトロード作業面２２を、図２に示される後退位置から、図３に示されるコンタクトペア２１上方の溶接開始位置までｙ方向に変位させ、その後、ソノトロード位置決め装置１７を用いることで、ｚ軸方向の動作によって溶接接合を実行するための溶接接触位置へ変位させる。

カメラ装置２９は、ソノトロードホルダ２５上に配置され、好ましくはソノトロード１５の上方に配置され、カメラ装置２９の光軸３０は、カメラ装置２９と関連する画像処理装置が、第２のコンタクト片１３における基準エッジ２６の既知の目標位置に基づいて位置偏差Δｘ_ＫＰ、Δｙ_ＫＰを決定できるよう、コンタクトペア２１を向いており、位置偏差Δｘ_ＫＰ、Δｙ_ＫＰは、対応する位置信号に変換されて位置決め装置１７に伝達され、この位置決めパラメータを、ソノトロード１５に位置決め経路ｘ_SK、ｙ_SKを移動させるために、ソノトロードホルダ２５に伝達する。簡略化のため、図６および図７は、ｘ方向における位置ずれのみを示している。これにより、ソノトロード１５は、その後、図７に示されるソノトロードインプリント２４を生成する第２のコンタクト片１３とソノトロード作業面２２とが溶接接触できる、補正された溶接開始位置に配置される。

図５は、第２のコンタクト片１３上の実質的に中央に位置するソノトロードインプリント２４を有する理想的な溶接接触の形成を示す。ソノトロードインプリント２４のこのような相対的な位置決めは、ソノトロード１５、特にソノトロードインプリント２４を生成するソノトロード作業面２２の、コンタクト基板１０の接触面によって形成される第１のコンタクト片１１に対する適切な相対的位置決めに依存する。

したがって、ソノトロードの交換後、特にソノトロードホルダ２５内のソノトロード１５の位置決めには、ソノトロードヘッド３３上に形成された接触面３１におけるソノトロード作業面２２の配置における任意の公差を補償するために、今までは調整が必要であった。特に、ソノトロード作業面２２は、接触面３１に平行ではなく、接触面３１に対してずれ角度αだけ傾斜するソノトロード作業面２２のような位置公差を有する。この位置偏差は、図８等に示すように、ソノトロード１５が第１のコンタクト片１１に対して正しく位置決めされ、基準インプリントキャリア３２または第２のコンタクト片１３が第１のコンタクト片１１に対して正しく位置決めされた場合であっても、ソノトロードインプリント２７（つまり、溶接接触）は、ソノトロード作業面２２と基準インプリントキャリア３２または第２のコンタクト片１３との間が溶接接触した後に不完全となる、という効果を有する。

また、図９に示すように、ソノトロード作業面２２が、ソノトロードヘッド３３における接触面３１の中央ではなくオフセットｖを持って配置された場合、不完全な溶接接触が生じることにもなり、不完全なソノトロードインプリント２７が形成されることになる。

ソノトロード１５がソノトロードホルダ２５内で正しく位置合わせされている場合にソノトロード作業面２２とその接触面とが平行ではないことを示す、図８に示される不完全なソノトロードインプリント２７の場合、ソノトロード１５は、典型的には、交換されなければならない。というのも、このソノトロードのずれは、位置決め装置１７によって補償することができないからである。

図９に示される横方向のずれｖがある場合、オフセットｖは、ソノトロード位置決め装置１７によって補償することができる。そのために、上記画像処理装置３０を備えた上述のカメラ装置２９は、身近な場合であればｘ方向にのみ存在する位置偏差Δｘ_ＳＡを決定するために用いることができ、該位置偏差Δｘ_ＳＡは、位置決め装置１７の対応する位置決め経路ｘ_ＳＡの移動を通じた補正のため、ソノトロード１５に送信することができる。

次の溶接プロセスが実行されるとき、位置決め装置１７は、ソノトロード１５の公差ずれを補償するように機能するとともに、各溶接開始位置に向かうときに各第２のコンタクト片１３毎に個別に決定される位置決め経路ｘ_ＫＰに加えて、位置決め経路ｘ_ＳＡを移動する。

Claims (6)

1. コンタクト基板（１０）における第１のコンタクト片（１１）と、半導体アセンブリ（１２）として構成される載置ユニットにおける第２のコンタクト片（１３）との間に複数の溶接接続部を備える溶接アセンブリ（１４）の製造方法であって、
   前記第１および第２のコンタクト片（１１，１３）を、該第１および第２のコンタクト片（１１，１３）を溶接位置において相対的に位置決めするように、重なり合う位置に配置し、
   ソノトロード（１５）を、該ソノトロード（１５）を各溶接位置に位置決めするように位置決め装置（１７）によって前記第２のコンタクト片（１３）と重なり合う位置に移動し、溶接位置において前記第２のコンタクト片（１３）上に前記ソノトロード（１５）を降下し、前記溶接接続部を形成するように前記ソノトロード（１５）に超音波振動を与え、
   画像処理装置を備えるカメラ装置（２９）によって、前記ソノトロード（１５）のソノトロード作業面（２２）における、溶接プロセスによって基準インプリントキャリア（３２）上に生じる、該基準インプリントキャリア（３２）上のソノトロードインプリントの規定目標位置からのソノトロードインプリント（２７）の位置偏差Δｘ _ＳＡ 、Δｙ _ＳＡ を決定し、
   前記ソノトロード（１５）は、前記位置偏差Δｘ_ＳＡ、Δｙ_ＳＡの決定に基づいて、前記第２のコンタクト片（１３）に対して位置決めされる
   ことを特徴とする溶接アセンブリ（１４）の製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法において、
   前記ソノトロード（１５）は、前記第２のコンタクト片（１３）に対する前記ソノトロード（１５）の位置偏差Δｘ_ＫＰ、Δｙ_ＫＰと、前記溶接プロセスによって基準インプリントキャリア（３２）上に生じる前記ソノトロード（１５）の前記ソノトロード作業面（２２）の前記ソノトロードインプリント（２７）の位置偏差Δｘ_ＳＡ、Δｙ_ＳＡと、の双方に基づいて、前記第２のコンタクト片（１３）に対して位置決めされ、
   前記位置偏差Δｘ_ＫＰ、Δｙ_ＫＰ は、画像処理装置を備える前記カメラ装置（２９）を用いて決定される
   ことを特徴とする溶接アセンブリ（１４）の製造方法。
3. 請求項２に記載の製造方法において、
   位置偏差がｘ方向である場合に、
   位置偏差Δｘ _ＫＰ 、Δｘ _ＳＡ からなる合計位置偏差の方向は、前記コンタクト基板（１０）における前記第１のコンタクト片（１１）同士の間隔ｔに対応する前記位置決め装置（１７）の送路の軌跡と重なり合う
   ことを特徴とする溶接アセンブリ（１４）の製造方法。
4. 請求項１～３のいずれか１つに記載の製造方法において、
   前記ソノトロードインプリント（２７）の前記位置偏差Δｘ_ＳＡ、Δｙ_ＳＡは、前記位置決め装置（１７）に対する前記ソノトロード（１５）の前記位置を変更した後、つまり、前記ソノトロード（１５）の交換後に決定される
   ことを特徴とする溶接アセンブリ（１４）の製造方法。
5. 請求項１～４のいずれか１つに記載の製造方法を実施するための装置であって、
   画像処理装置を備えた前記カメラ装置（２９）は、前記位置決め装置（１７）が順次接近する各溶接位置において、前記カメラ装置（２９）によって規定される画像平面内に前記第１および第２のコンタクト片（１１，１３）が位置するように、前記位置決め装置（１７）上に配置される
   ことを特徴とする装置。
6. 請求項５に記載の装置であって、
   前記位置決め装置（１７）上に配置されたソノトロードホルダ（２５）に対する前記カメラ装置（２９）の相対位置は、固定される
   ことを特徴とする装置。

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