超声焊接系统及其使用方法技术方案

提供了一种超声焊接系统。所述超声焊接系统包括用于支撑工件的支撑结构。超声焊接系统还包括焊头组件，所述焊头组件包括承载超声焊极的超声转换器。超声焊接系统还包括承载焊头组件的z轴运动系统。所述z轴运动系统包括(i)用于使焊头组件沿着超声焊接系统的z轴移动的z轴驱迫器，以及(ii)设置在z轴驱迫器和焊头组件之间的z轴超程机构。件之间的z轴超程机构。件之间的z轴超程机构。

【技术实现步骤摘要】
超声焊接系统及其使用方法
[0001]本申请是于2019年11月25日提交的专利技术名称为“超声焊接系统及其使用方法”的中国专利技术专利申请CN201980078598.7(国际申请号PCT/US2019/063007)的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求2019年11月28日提交的美国临时申请No.62/772,113的优先权，该申请的内容通过引用以其整体纳入本文。


[0004]本专利技术涉及超声焊接系统，且更特别地，涉及用于进行超声焊接操作的改进系统和方法。

技术介绍

[0005]超声能量被广泛用于在两种或更多种材料之间形成互连。例如，线材键合机/焊线机(如球键合机、楔键合机、带键合机等)被用来将线材或带结合至结合位置。然而，线材键合采用相对较低的能量水平(例如，结合力、超声能量等)。示例性的线材键合机由宾夕法尼亚州华盛顿堡的库利克和索夫工业公司(Kulicke and Soffa Industries,Inc.)销售。
[0006]特定应用涉及线材以外的材料的连接。焊接已经被考虑用于此类应用。超声焊接也是一种广泛使用的技术。超声焊接可以使用超声转换器(例如，承载超声焊极(sonotrode))，用于将电能转换为机械运动/擦拭(例如，直线运动/擦拭、扭转运动/擦拭等)。然而，现有的超声焊接技术和设备在其提供能够满足就成本、操作效率、灵活性、便携性和相关因素而言的市场需求的解决方案的能力方面是有限的。
[0007]因此，期望能改进超声焊接技术，以克服潜在市场的现有障碍。

技术实现思路

[0008]根据本专利技术的示例性实施例，提供了一种超声焊接系统。该超声焊接系统包括用于支撑工件的支撑结构。该超声焊接系统还包括焊头组件，该焊头组件包括承载超声焊极的超声转换器。超声焊接系统还包括承载焊头组件的z轴运动系统。z轴运动系统包括(i)用于使焊头组件沿着超声焊接系统的z轴移动的z轴驱迫器/驱动器(z
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axis forcer)，以及(ii)设置在z轴驱迫器和焊头组件之间的z轴超程机构。
[0009]根据本专利技术的另一个示例性实施例，提供了一种超声焊接系统。该超声焊接系统包括用于支撑工件的支撑结构。该超声焊接系统还包括焊头组件，该焊头组件包括承载超声焊极的超声转换器。超声焊接系统还包括承载焊头组件的z轴运动系统。z轴运动系统包括：(i)用于使焊头组件沿着超声焊接系统的z轴移动的z轴驱迫器，z轴驱迫器包括用于使焊头组件沿着超声焊接系统的z轴移动的滚珠螺杆系统，以及(ii)设置在z轴驱迫器和焊头组件之间的z轴超程机构，z轴超程机构包括内联弹簧。该超声焊接系统还包括(a)z轴编码器，用于感测(i)z轴驱迫器的可移动部分相对于(ii)z轴驱迫器的固定部分沿着超声焊接系统z轴的运动；以及(b)超程编码器，用于感测(i)z轴驱迫器的可移动部分相对于(ii)焊
头组件沿着超声焊接系统z轴的运动。
[0010]根据本专利技术的另一个示例性实施例，提供了一种将导电端子超声焊接至工件的方法。该方法包括以下步骤：(a)将工件支撑在超声焊接系统的支撑结构上，导电端子与工件的导电区域对准；(b)提供焊头组件，包括承载超声焊极的超声转换器，焊头组件被配置为使用超声焊接系统的z轴运动系统的z轴驱迫器而沿着超声焊接系统的z轴运动；(c)提供在z轴驱迫器和焊头组件之间设置的z轴超程机构，该z轴驱迫器承载焊头组件和z轴超程机构；(d)使z轴驱迫器的可移动部分沿着超声焊接系统的z轴向下移动，直到超声焊极的焊接末梢与导电端子接触；(e)在步骤(d)之后，使z轴驱迫器的可移动部分沿着超声焊接系统的z轴进一步向下移动，以激活z轴超程机构；以及(f)向超声焊极的焊接末梢施加超声能量，以将导电端子焊接至工件的导电区域。
附图说明
[0011]当结合附图阅读时，从下面的详细描述中可以最好地理解本专利技术。需要强调的是，根据通常的实践，附图中的各种特征不是按比例绘制的。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意扩大或缩小。附图中包括以下视图：
[0012]图1A是根据本专利技术的示例性实施例的超声焊接系统的框图侧视图；
[0013]图1B是根据本专利技术的示例性实施例的另一个超声焊接系统的框图侧视图；
[0014]图2A是根据本专利技术的示例性实施例的又一个超声焊接系统的框图侧视图；
[0015]图2B是根据本专利技术的示例性实施例的又一个超声焊接系统的框图侧视图；
[0016]图3A是根据本专利技术的示例性实施例的又一个超声焊接系统的框图侧视图；
[0017]图3B是根据本专利技术的示例性实施例的又一个超声焊接系统的框图侧视图；
[0018]图4是根据本专利技术的示例性实施例的又一个超声焊接系统的框图侧视图；
[0019]图5是根据本专利技术的示例性实施例的又一个超声焊接系统的框图侧视图；以及
[0020]图6A至图6D是图3A的超声焊接系统的框图侧视图，其图示了根据本专利技术的示例性实施例将导电端子超声焊接至工件的方法。
具体实施方式
[0021]国际专利申请号PCT/US2018/025941(其优先权日期为2017年4月4日)的内容通过引用以其整体纳入本文。
[0022]根据本专利技术，在可实现高效批量生产的焊接系统(和对应的方法)中提供超声焊接能力。本专利技术的各方面涉及包括z轴运动系统的超声焊接系统，该z轴运动系统具有(i)用于使焊头组件沿着超声焊接系统的z轴移动的z轴驱迫器(例如直线电机驱动驱迫器、滚珠/螺杆系统驱动驱迫器、气动缸驱动驱迫器等)，以及(ii)z轴超程机构(例如基于内联弹簧的超程机构、基于气动缸的超程机构等)。在本专利技术的特定实施例中，可以加入次要z轴驱迫器(例如，在其他变体中包括气动缸)，以提供沿着超声焊接系统的z轴的可变力。
[0023]示例性的电动伺服电机系统(例如，滚珠/螺杆驱动系统)沿着z轴被控制，以提供大的结合/焊接力(例如，大于1500N)，驱动系统的额定功率小于1千瓦连续。例如，滚珠螺杆可用于产生齿轮减速并转换为直线运动，所述直线运动然后对被包括在产生实际焊接力的z轴超程机构中的内联弹簧(例如，刚性内联弹簧)的压缩进行控制。
[0024]在滚珠螺杆驱动的系统中，滚珠螺杆推动内联弹簧以产生所期望的焊接/结合力。在这样的系统中，可以采用两个位置反馈传感器(例如，z轴编码器和超程编码器)来组合信号，以确定焊接期间的期望变形信号。在焊接期间可以动态地控制z轴位置，从而使z轴在超声焊接过程期间保持基本恒定的结合/焊接力。
[0025]根据本专利技术的各方面，提供了单独的超程机构，以使焊接操作期间的冲击力最小化。
[0026]进一步地，根据本专利技术的各方面，z轴电机力都是相互一致的(以及超声焊极)，以使在结合/焊接力施加期间的移位最小化。
[0027]根据本专利技术的另外的方面，可以采用次要驱迫器电机，其能够微调用主要z轴驱迫器施加的结合/焊接力。这种方法考虑到经由安装至超程机构的附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声焊接系统，包括：用于支撑工件的支撑结构；焊头组件，其包括承载超声焊极的超声转换器；以及承载所述焊头组件的z轴运动系统，所述z轴运动系统包括(i)z轴驱迫器以及(ii)z轴超程结构，所述z轴驱迫器用于使焊头组件沿着超声焊接系统的z轴移动，所述z轴超程机构设置在z轴驱迫器和焊头组件之间。2.如权利要求1所述的超声焊接系统，其中所述z轴驱迫器包括用于使焊头组件沿着超声焊接系统的z轴移动的直线电机。3.如权利要求1所述的超声焊接系统，其中所述z轴驱迫器包括用于使焊头组件沿着超声焊接系统的z轴移动的滚珠螺杆系统。4.如权利要求1所述的超声焊接系统，其中所述z轴驱迫器包括用于使焊头组件沿着超声焊接系统的z轴移动的气动缸。5.如权利要求1所述的超声焊接系统，其中所述z轴超程机构包括内联弹簧。6.如权利要求1所述的超声焊接系统，其中所述z轴超程机构包括气动缸。7.如权利要求6所述的超声焊接系统，其中所述气动缸是提供沿着超声焊接系统的z轴的可变力的次要z轴驱迫器。8.如权利要求1所述的超声焊接系统，还包括x轴运动系统以及y轴运动系统，所述x轴运动系统用于使焊头组件沿着超声焊接系统的x轴移动，所述y轴运动系统用于使焊头组件沿着超声焊接系统的y轴移动，其中x轴运动系统和y轴运动系统中的一个承载x轴运动系统和y轴运动系统中的另一个。9.如权利要求8所述的超声焊接系统，其中所述z轴运动系统由所述x轴运动系统和所述y轴运动系统承载。10.如权利要求1所述的超声焊接系统，还包括z轴编码器，所述z轴编码器用于感测(i)z轴驱迫器的可移动部分相对于(ii)z轴驱迫器的固定部分沿着所述超声焊接系统的z轴的运动。11.如权利要求1所述的超声焊接系统，还包括超程编码器，所述超程编码器用于感测(i)z轴驱迫器的可移动部分相对于(ii)焊头组件沿着所述超声焊接系统的z轴的运动。12.如权利要求1所述的超声焊接系统，还包括由所述z轴驱迫器的可移动部分承载的次要z轴驱迫器，所述次要z轴驱迫器提供沿着超声焊接系统的z轴的可变力。13.如权利要求1所述的超声焊接系统，还包括力检测机构，所述力检测机构用于检测由所述超声焊接系统沿着超声焊接系统的z轴施加的z轴力。14.如权利要求1所述的超声焊接系统，其中所述超声焊极被配置为在焊接操作期间以5
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500kg之间的结合力操作，并且超声焊极末梢运动幅度在5
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150微米之间。15.如权利要求1所述的超声焊接系统，其中所述超声焊极被配置为使用直线超声运动和扭转超声运动中的至少一种将所述工件的第一部分焊接至所述工件的第二部分。16.如权利要求1所述的超声焊接系统，还包括输入工件供应器以及材料搬运系统，所述输入工件供应器用于提供所述工件，所述材料搬运系统用于将所述工件从所述输入工件供应器移动至所述支撑结构。17.如权利要求1所述的超声焊接系统，其中所述工件选自由功率模块、引线框架和电
池模块构成的组。18.如权利要求1所述的超声焊接系统，其中所述工件包括端子，其中所述超声焊极被配置为将所述端子超声焊接至所述工件的另一部分。19.如权利要求1所述的超声焊接系统，还包括工件夹持系统，所述工件夹持系统用于在...

【专利技术属性】
技术研发人员：T，
申请(专利权)人：库利克和索夫工业公司，
类型：发明
国别省市：