一種雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置及方法
2023-06-20 18:59:26
專利名稱：一種雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種微連接裝置及方法，尤其是一種雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置及方法。
背景技術：
漆包線廣泛應用於電子、電氣、醫療器具和半導體的生產中(如傳感器、變壓器、線圈、繞組、植入電極、晶片互聯引線等)，充當內部基礎元件的一部分，或者作為元件內外連接的導體介質。當作為內外連接的介質時，漆包線的末端必須和金屬終端(如插片、針、箔等)實現電接觸，並滿足一定的力學性能、導電性能和耐溫度循環疲勞性能等要求。因此，在電子元器件、醫療器械、傳感器等產品的生產製作中，涉及大量漆包線引出接點的精密微點焊。但是，常見的微連接方法直接焊接漆包線特別是耐高溫漆包線均有不足。目前常見的漆包線微連接技術大致有以下幾類:釺焊。釺焊是漆包線最常見的連接方法，它通過熔化低熔點的釺料將導線表面和基底充分潤溼、包裹，冷卻後形成接頭。但是，用釺焊對漆包線進行焊接之前必須先將妨礙導電和危害接頭可靠性的高分子漆膜去除，工序繁瑣。並且在某些場合(如宇航電子、核電設施、植入性醫療器件)和高溫動載荷條件下(如密封電機轉子換向器)，由於釺焊容易發生脫落失效，對工件的氧化和汙染也比較嚴重，這些場合不允許採用釺焊工藝。雷射焊和雷射軟釺焊。兩者都是利用雷射能量將漆包線的絕緣層燒除後實現焊接，用雷射作為焊接能源，熱量集中、非接觸，焊接時也不需要電子束焊的高真空環境，並且具有能同時除漆和焊接等優點，但雷射焊接對焊件加工、組裝、定位要求均很高，且焊接成本相對較高。它常用於片式或梁式引線的焊接，而不太適合細線間的焊接。熱壓焊。熱壓焊接是採用加熱、加壓的方法，使被焊金屬間產生塑性變形，使表面交界處的原子相互擴散。同時在一定的壓力下，兩表面相互填充，產生彈性嵌合作用。最後使兩者緊密結合成牢固的鍵接。熱壓焊接常用材料是鋁-金、鋁-鋁、金-金、矽鋁合金-鋁、金銻合金-金等。由於熱壓焊的性質，需要被焊交界面清潔，氧化物或油汙等將會影響焊接的質量。超聲焊。超聲焊主要用於IC晶片互連工藝中的引線鍵合，即用金線、鋁線、或銅線在晶片和引線框架之間實現電連接。因為預熱能使超聲鍵合接頭性能更好，所以熱聲鍵合是超聲鍵合的主流。近年來隨著超細間距(<25μπι)和層疊晶片的出現，為實現更密集的I/O引腳同時避免引線短路，漆包線被認為是金線的潛在取代物。超聲熱壓可以實現漆包線的焊接，但是，絕緣漆殘留等問題給漆包線替代傳統金線帶來了挑戰。電阻微連接，也叫做微型電阻焊。它是利用電流流過工件和接觸面時所產生的電阻熱加熱金屬，然後在壓力作用下完成焊接。為了克服絕緣漆對電阻焊電流路徑的阻礙，必須設計特殊的焊頭來除去絕緣漆。這些焊頭的應用成功實現了部分漆包線(如直焊型漆包線)的連接，並且所獲得的焊點具有較好的性能，但對於某些漆包線(如聚酯亞胺漆包線)連接，這種方法還存在不少問題。並且該連接方式不適合單面焊接，在連接空間方面受到很大的限制。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足之處而提供一種可直接連接漆包線或其它有色金屬甚至塑料的雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置；另外，本發明還提供了採用所述裝置進行雙超聲-高頻感應複合精密微連接的方法。為實現上述目的，本發明採取的技術方案為一種雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置，其包括機架，設於所述機架上的驅動機構和傳動機構；與所述傳動機構連接的上超聲振動系統；與所述上超聲振動系統輸出端連接的高頻感應自熱裝置；所述上超聲振動系統下方設有下超聲振動系統；所述下超聲振動系統上方設有工作檯；所述上超聲振動系統、高頻感應自熱裝置和下超聲振動系統連接有電源；所述驅動機構通過所述傳動機構驅動上超聲振動系統上下動作。所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置中，工作檯用於放置待連接工件，所述機架上設置的驅動機構通過傳動機構驅動所述上超聲振動系統上下動作，由於上超聲振動系統的輸出端與高頻感應自熱裝置連接，上超聲振動系統的上下動作將帶動所述高頻感應自熱裝置同步進行上下動作。當所述高頻感應自熱裝置向下動作時，高頻感應自熱裝置以預定壓力壓緊工作檯上待連接工件的上表面，當壓力達到預設值時，觸發上、下超聲振動系統和高頻感應自熱裝置開始工作，所述高頻感應自熱裝置向待連接工件的接頭處輸入熱能，所述上超聲振動系統通過與其輸出端連接的高頻感應自熱裝置向待連接工件的接頭處輸入超聲波振動，所述下超聲振動系統通過其上方設置的工作檯向待連接工件輸入超聲波振動，在熱能和超聲波振動的複合作用下，實現對待連接工件的精密微連接。使用時，可根據工件材料的不同，上、下超聲振動系統同時向待連接工件提供超聲波振動，即雙超聲模式，也可僅使用上、超聲振動系統中的一個向待連接工件提供超聲波振動，即上超聲單聲源模式或下超聲單聲源模式，兩超聲波的特徵參數可以相同或不同。作為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置的優選實施方式，所述高頻感應自熱裝置包括用於與待連接工件上表面接觸的高頻感應自熱壓頭、環繞於所述高頻感應自熱壓頭的感應線圈以及用於實時採集溫度信號反饋給電源的溫度感應裝置，所述感應線圈與所述上超聲振動系統絕緣,所述高頻感應自熱壓頭與所述感應線圈相對靜止。所述高頻感應自熱壓頭與上超聲振動系統的輸出端連接，當高頻感應自熱壓頭與待連接工件的上表面接觸時，在感應線圈提供的交變磁場中感應發熱，通過高頻感應自熱壓頭向待連接工件提供熱能、超聲波和連接所需的壓力。作為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置的優選實施方式，所述上超聲振動系統包括與電源連接的上超聲振動系統換能器、與所述上超聲振動系統換能器連接的上超聲振動系統變幅杆，所述上超聲振動系統變幅杆的輸出端與高頻感應自熱裝置連接。所述上超聲振動系統變幅杆的輸出端與高頻感應自熱裝置的高頻感應自熱壓頭連接，所述上超聲振動系統換能器將電能轉換為超聲波振動機械能，並通過與所述上超聲振動系統變幅杆連接的高頻感應自熱壓頭輸入到待連接工件的連接處。所述上超聲振動系統變幅杆可在驅動機構和傳動機構的共同作用實現上下動作，從而帶動與其輸出端連接的高頻感應自熱壓頭上下動作，實現高頻感應自熱壓頭向下動作壓緊待連接工件以及連接完成後向上動作回到起始位置。作為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置的優選實施方式，所述下超聲振動系統包括與電源連接的下超聲振動系統換能器、與所述下超聲振動系統換能器連接的下超聲振動系統變幅杆，所述下超聲振動系統變幅杆的輸出端與所述工作檯連接，所述下超聲振動系統通過加持機構固定在底座上。使用時，所述工作檯與待連接工件的下表面接觸，所述下超聲振動系統換能器將電能轉化成超聲振動機械能，並通過與所述下超聲振動系統變幅杆輸出端連接的工作檯提供給工作檯上的待連接工件連接處。作為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置的優選實施方式，所述上、下超聲振動系統相互垂直。當所述上、下超聲振動系統相互垂直時，其中一個超聲振動系統可為待連接工件提供一維線性水平振動，另外一個超聲振動系統可為待連接工件提供縱向振動，二者單獨或結合使用，可為高頻感應自熱壓頭和工作檯的振動提供一維線性水平振動、縱向振動、扭振或複合振動。另外，本發明的另一個目的在於提供一種採用上述所述裝置進行雙超聲-高頻感應複合精密微連接的方法，為實現此目的，本發明採取的技術方案為一種雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法，其包括以下步驟(I)啟動電源，根據待連接工件材料和尺寸，預設連接參數；(2)將待連接工件置於高頻感應自熱壓頭和超聲工作檯之間；(3)高頻感應自熱壓頭從起始位置開始下行，以預定壓力壓緊待連接工件；(4)當壓力達到預設值時，觸發上、下超聲振動系統和高頻感應自熱裝置開始工作，分別向待連接工件接頭處輸入超聲波振動和熱能，在超聲波振動和熱能複合作用下實現對待連接工件的精密微連接；(5)連接結束，上、下超聲振動系統和高頻感應自熱裝置停止工作，高頻感應自熱壓頭回到起始位置，準備下一連接循環。作為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法的優選實施方式，所述的高頻感應自熱壓頭和工作檯的振動形式為一維線性水平振動、縱向振動、扭振或複合振動。作為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法的優選實施方式，所述待連接工件為漆包線、裸銅線、裸鋁線或薄金屬片材。作為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法的優選實施方式，所述步驟(4)中，超聲波由上、下超聲振動系統中的一個或者兩個提供，形成上超聲單聲源模式、下超聲單聲源模式或雙超聲模式，所述雙超聲模式中的兩超聲波的特徵參數相同或者不同。作為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法的優選實施方式，所述步驟(I)中，預設的連接參數包括連接壓力、連接溫度及超聲波相關特徵參數，所述上、下超聲振動系統各參數相互獨立可調；所述步驟(2)中，高頻感應自熱壓頭的加熱方式為電阻加熱、感應加熱、紅外加熱、雷射加熱或其他能源加熱；所述步驟(3)中，加壓驅動方式為彈簧隨動加壓、氣動加壓、液壓加壓或者伺服加壓；壓力加載形式為恆壓、二級加載或者多級加載；所述步驟(4)中，在一個連接循環中，超聲波的振幅是可調的，超聲波是連續或者間斷的，壓力、熱能和超聲波振動的起始時刻和終止時刻相同或不同。與現有技術相比，本發明所述裝置將雙超聲波振動和熱能複合，既避免了單純使用熱能去除漆包線導致溫度過高出現的熔斷或損壞待連接工件的現象，也避免了普通超聲熱壓焊容易脫焊和絕緣層去除不徹底等問題，能直接連接漆包線而無需提前去除絕緣層等任何前處理，提高了工作效率，降低了生產成本；本發明所述方法能實現對工件的單邊焊接，大大減小了空間的限制，提高了焊接的靈活性；超聲振動能自動清潔待連接工件表面氧化物，整個連接過程不會汙染接頭和周圍環境，是一種高效、環保、經濟可靠的微連接技術。
圖1為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置的一種實施例的結構示意圖。圖2圖1所示雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置中上超聲振動系統與高頻感應自熱裝置的結構示意圖。圖3為圖1所示雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置中高頻感應自熱裝置的工作狀態示意圖。圖4為採用上超聲單聲源模式時上、下超聲振動系統與高頻感應自熱裝置的結構示意圖。圖5為採用下超聲單聲源模式時上、下超聲振動系統與高頻感應自熱裝置的結構示意圖。圖6為採用雙超聲模式時上、下超聲振動系統與高頻感應自熱裝置的結構示意圖。圖7為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法的一種實施例的微連接參數示意圖。圖8為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法的另一實施例的微連接參數示意圖。圖9為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法的另一實施例的微連接參數示意圖。圖10為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法的另一實施例的微連接參數示意圖。圖11為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法的另一實施例的微連接參數示意圖。圖12為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法的又一實施例的微連接參數示意圖。圖13為本發明所述雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法的再一實施例的微連接參數示意圖。圖中，10為機架、12為驅動機構、14為傳動機構、20為上超聲振動系統、22為上超聲振動系統換能器、24為上超聲振動系統變幅杆、30為高頻感應自熱裝置、32為高頻感應自熱壓頭、34為感應線圈、36為溫度感應裝置、40為下超聲振動系統、42為下超聲振動系統換能器、44為下超聲振動系統變幅杆、46為加持機構、48為底座、50為工作檯、60為電源、62為導線、70為待連接工件。
具體實施例方式為更好的說明本發明的目的、技術方案和優點，下面將結合附圖和具體實施例對本發明作進一步描述。一種雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置，如附圖1所示，所述裝置包括機架10，設於所述機架10上的驅動機構12和傳動機構14 ;與所述傳動機構14連接的上超聲振動系統20 ;與所述上超聲振動系統20輸出端連接的高頻感應自熱裝置30 ;所述上超聲振動系統20下方設有下超聲振動系統40 ;所述下超聲振動系統40上方設有工作檯50 ;所述上超聲振動系統20、高頻感應自熱裝置30和下超聲振動系統40連接有電源60，所述驅動機構12通過所述傳動機構14驅動上超聲振動系統20上下動作。工作檯50用於放置待連接工件70，所述上超聲振動系統20可由驅動機構12和傳動機構14的共同作用上下動作，由於上超聲振動系統20的輸出端與高頻感應自熱裝置30連接，上超聲振動系統20的上下動作將帶動所述高頻感應自熱裝置30同步進行上下動作。當所述高頻感應自熱裝置30向下動作時，高頻感應自熱裝置30以預定壓力壓緊工作檯50上待連接工件70的上表面，當壓力達到預設值時，觸發上、下超聲振動系統(20、40)和高頻感應自熱裝置30開始工作，所述高頻感應自熱裝置30向待連接工件70的接頭處輸入熱能，所述上超聲振動系統20通過與其輸出端連接的高頻感應自熱裝置30向待連接工件70的接頭處輸入超聲波振動，所述下超聲振動系統40通過其上方設置的工作檯50向待連接工件70輸入超聲波振動，在熱能和超聲波振動的複合作用下，實現對待連接工件70的精密微連接。較佳地，如附圖1和2所示，所述高頻感應自熱裝置30包括用於與待連接工件70上表面接觸的高頻感應自熱壓頭32、環繞於所述高頻感應自熱壓頭32的感應線圈34以及用於實時採集溫度信號反饋給電源的溫度感應裝置36，所述感應線圈34與所述上超聲振動系統20絕緣，所述高頻感應自熱壓頭32與所述感應線圈34相對靜止。較佳地，如附圖1和2所示，所述上超聲振動系統20包括與電源60連接的上超聲振動系統換能器22、與所述上超聲振動系統換能器22連接的上超聲振動系統變幅杆24,所述上超聲振動系統變幅杆24的輸出端與高頻感應自熱裝置30連接。較佳地，如附圖1所示，所述下超聲振動系統40包括與電源60連接的下超聲振動系統換能器42、與所述下超聲振動系統換能器42連接的下超聲振動系統變幅杆44，所述下超聲振動系統變幅杆44的輸出端與所述工作檯50連接，所述下超聲振動系統40通過加持機構46固定在底座48上。更佳地，如附圖1所示，所述上、下超聲振動系統(20、40)相互垂直。當所述上、下超聲振動系統(20、40)相互垂直時，其中一個超聲振動系統可為待連接工件70提供一維線性水平振動，另外一個超聲振動系統可為待連接工件70提供縱向振動。所述上、下超聲振動系統(20、40)可同時為待連接工件70提供超聲波振動，即雙超聲模式，也可根據不同的待連接工件70材料，選擇其中一個為待連接工件70提供超聲波振動，即上超聲單聲源模式或下超聲單聲源模式。一種採用如上所述裝置進行雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法，所述方法包括以下步驟(I)啟動電源，根據待連接工件材料和尺寸，預設連接參數；(2)將待連接工件置於高頻感應自熱壓頭和超聲工作檯之間；(3)高頻感應自熱壓頭從起始位置開始下行，以預定壓力壓緊待連接工件；(4)當壓力達到預設值時，觸發上、下超聲振動系統和高頻感應自熱裝置開始工作，分別向待連接工件接頭處輸入超聲波振動和熱能，在超聲波振動和熱能複合作用下實現對待連接工件的精密微連接；(5)連接結束，上、下超聲振動系統和高頻感應自熱裝置停止工作，高頻感應自熱壓頭回到起始位置，準備下一連接循環。如附圖3所示，使用時，首先啟動電源60，根據待連接工件70的材料和尺寸，預設連接參數；然後將待連接工件70置於工作檯50上，如附圖3a所示；上超聲振動系統20在驅動機構12和傳動機構14的作用下開始下行，從而帶動高頻感應自熱壓頭32從起始位置開始下行，如附圖3b所示，以預定壓力壓緊工作檯50上的待連接工件70，如附圖3c所示，當壓力達到預設值時，觸發上超聲振動系統20和高頻感應自熱裝置30的控制端，使上超聲振動系統20和高頻感應自熱壓頭32開始工作，分別向待連接工件70接頭處輸入超聲波振動和熱能，在超聲波振動和高頻感應熱能的複合作用下實現對待連接工件70的精密微連接，如附圖3d所示；連接結束後，上超聲振動系統20和高頻感應自熱裝置30停止工作，上超聲振動系統20在驅動機構12和傳動機構14的共同作用下開始上行，從而帶動高頻感應自熱壓頭32上行回到起始位置，準備下一連接循環。如附圖4、5和6所示，超聲波可由上、下超聲振動系統(20、40)中的一個或者兩個提供，形成上超聲單聲源模式、下超聲單聲源模式或雙超聲模式，所述雙超聲模式中的兩超聲波的特徵參數相同或者不同。所述的高頻感應自熱壓頭32和工作檯50的振動形式可以為一維線性水平振動、縱向振動、扭振或複合振動。 所述步驟(I)中，預設的連接參數可以包括連接壓力、連接溫度及超聲波相關特徵參數，所述上、下超聲振動系統各參數相互獨立可調；所述步驟(2)中，高頻感應自熱壓頭的加熱方式可以為電阻加熱、感應加熱、紅外加熱、雷射加熱或其他能源加熱；所述步驟
(3)中，加壓驅動方式可以為彈簧隨動加壓、氣動加壓、液壓加壓或者伺服加壓；壓力加載形式可為恆壓、二級加載或者多級加載；所述步驟(4)中，在一個連接循環中，超聲波的振幅可以是可調的，超聲波可以連續，也可以間斷，壓力、熱能和超聲波振動的起始時刻和終止時刻可以相同，也可以不同。上述所述的待連接工件可以漆包線、裸銅線、裸鋁線或薄金屬片材。實施例1如圖1至圖7所示,一種雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法,具體實施步驟如下(I)啟動電源，根據待連接工件材料和尺寸，預設連接參數；(2)將待連接工件置於連接裝置的高頻感應自熱壓頭和工作檯之間；(圖3a)(3)高頻感應自熱壓頭從起始位置開始下行，以預定壓力壓緊待連接工件；(圖3b)(4)當壓力達到預設值時，觸發上超聲振動系統和高頻感應自熱裝置的控制端，分別使超聲振動系統和高頻感應自熱壓頭開始工作，向待連接接頭處輸入熱能和超聲波，在超聲和高頻感應熱的複合作用下實現對工件的精密微連接；(圖3c、圖3d)(5)連接結束，上超聲振動系統和高頻感應自熱裝置停止工作，高頻感應自熱壓頭回到起始位置，準備下一連接循環。(圖3e)(6)本實施例中，加壓方式為彈簧隨動加壓，加熱方式採用感應加熱，溫度感應裝置採用紅外檢測，工作檯振動形式為一維線性水平振動。所述步驟(I)中，待連接工件分別為漆包線和磷銅片。所述步驟(I)中，按圖7所示的工作要求預設連接參數。連接參數包括連接壓力、連接溫度及超聲波相關特徵參數。預設加壓模式為恆壓模式，加熱模式為恆溫模式，超聲加載模式為變幅加載模式。圖7所示的工作過程具體如下預壓階段UtTt1):將待連接工件置於連接裝置的高頻感應自熱壓頭和工作檯之間；高頻感應自熱壓頭從起始位置開始下行，以預定壓力壓緊待連接工件；連接階段(trt3):超聲波、壓力和熱能通過如圖7所示的預設參數複合作用於待連接處，其中tl時刻壓力達到預壓值，壓力信號觸發電源使高頻感應自熱裝置和上超聲振動系統的上超聲振動系統換能器工作。時間段tl_t2 :高頻感應自熱壓頭溫度保持不變；換能器發出的超聲波分別經上超聲振動系統變幅杆輸出振幅為A1的超聲波，傳給高頻感應自熱壓頭作用於待連接工件連接處。時間段t2_t3 電源改變相關參數，使換能器發出的超聲波分別經上超聲振動系統變幅杆輸出振幅為A2的超聲波，傳給高頻感應自熱壓頭作用於待連接處。時間段trt3 :連接壓力保持F1不變；溫度感應裝置將信號反饋給電源，保持溫度T恆定不變。復位階段(t3_t4):高頻感應自熱壓頭上行至起始位置。本實施例中，接頭的形成過程連接參數設置的具體情況結合圖7予以說明如下首先，將預設連接參數，絕緣線和磷銅片置於連接裝置的高頻感應自熱壓頭和工作檯之間(圖3a);彈簧壓縮，經傳動機構驅動高頻感應自熱壓頭下行，以預定壓力壓緊待絕緣線和磷銅片(圖3b);當壓力達到預定值時，觸發電源，一路向感應線圈輸入高頻交變電流，產生磁場，高頻感應自熱壓頭感應發熱，將熱傳導到待連接工件接頭位置；另外一路激勵上超聲振動系統的上超聲振動系統換能器，經上超聲振動系統變幅杆傳導給聞頻感應自熱壓頭，作用於待連接工件接頭處。在壓力、超聲和熱的共同作用下，絕緣層被熔化、清除(圖3c);此時，絕緣線的導體部分裸露出來，與磷銅片接觸，在壓力、超聲和熱的共同作用下，經過複雜的變化，最終形成接頭(圖3d);觸發延時結束，高頻感應自熱裝置和上超聲振動系統停止工作，高頻感應自熱壓頭上行至起始位置，準備開始下一個連接循環(圖3e)。實施例2本實施例除下述特徵外，其他結構和過程和實施例1相同加壓方式為氣動加壓。所述步驟(I)中，待連接工件分別為鋁線和鋁片。所述步驟(I)中，按圖8所示的工作要求預設連接參數，預設加壓模式為二級加載模式，超聲加載模式為恆振幅加載模式。
所述步驟(4)中，當壓力達到預設值時，觸發上、下超聲振動系統和高頻感應自熱裝置的控制端，向待連接接頭處輸入熱能和兩束超聲波，實現對工件的精密微連接。本實施例中，結合圖8對連接階段(t1-t4)具體說明如下:時間段高頻感應自熱壓頭以一級加載壓力值壓緊鋁線和鋁片，在超聲波作用下，待連接處接觸界面的氧化膜等雜物迅速被破碎、排除界面外，形成潔淨的接觸面，並使接觸面逐漸增大；時間段t2_t3:電源觸發高頻感應自熱裝置工作，給待連接處輸入熱能，與此同時，壓力和超聲波特性不變，初步形成連接層；時間段t3_t4:進入二級加載階段，壓力增大至F2。隨著trt3連接工作的完成，接觸面積越來越大，在壓力F2、加熱和超聲波共同作用下形成牢固的接頭。實施例3本實施例除下述特徵外，其他結構和過程和實施例2相同:所述步驟(I)中，按圖9所示的工作要求預設連接參數。所述步驟(4)中，當壓力達到預設值時，觸發上超聲振動系統和高頻感應自熱裝置的控制端，向待連接接頭處輸入熱能和超聲波，實現對工件的精密微連接。本實施例中，結合圖9對連接階段中時間段t3-t5具體說明如下:時間段t3_t4:進入二級加載階段，壓力增大至F2。隨著trt3連接工作的完成，接觸面積越來越大，接頭基本形成。時間段〖3-〖4:超聲振動系統停止工作，保持溫度和壓力不變，有利於接頭界面處原子間從分擴散，形成牢 固接頭。實施例4本實施例除下述特徵外，其他結構和過程和實施例3相同:所述步驟(I)中，按圖10所示的工作要求預設連接參數。本實施例中，結合圖10對連接階段中時間段ti_t5具體說明如下:時間段tl_t2:進入一級加載階段，壓力值為F1 ；自熱裝置在壓力達到預設值開始工作。預熱待連接工件，為後續連接過程做好準備；此時間段內超聲振動系統不工作。時間段t2-t3:壓力和溫度保持不變；超聲振動系統工作，促使接頭形成。時間段t3_t4:進入二級加載階段，壓力值增大至F2 ;溫度和超聲振幅保持不變。隨著連接的進行，接頭處接觸界面越來越大，壓力的加大有利於接頭界面處原子間的相互擴散。時間段t4_t5:壓力和溫度保持不變，超聲振動系統停止工作，這有利於接頭界面處原子間充分擴散，形成牢固接頭。實施例5本實施例除下述特徵外，其他結構和過程和實施例1相同:所述步驟(I)中，待連接工件分別為鋁線和容易被熱損傷的元器件的終端。所述步驟(I)中，按圖11所示的工作要求預設連接參數。本實施例中，結合圖11對連接階段中時間段ti_t5具體說明如下:時間段trt2:進入一級加載階段，壓力值為F1 ;此時間段內高頻感應自熱裝置不工作；超聲振動系統在壓力達到預設值時開始工作，向待連接處輸入振幅為A1的超聲波。由於工件已被熱損傷，應儘量減少對待連接工件的熱能輸入；在超聲波作用下，待連接處接觸界面的氧化膜等雜物迅速被破碎、排除界面外，形成潔淨的接觸面，並使接觸面逐漸增大；時間段t2_t3 :壓力保持不變，高頻感應自熱裝置開始工作，超聲振動系統向待連接處輸入振幅為A1的超聲波。在壓力，熱能和超聲波的共同作用下，待連接工件接觸界面的微小凸起處將首先連接到一起，初步形成接頭。時間段t3_t4 :進入二級加載階段，壓力值增大至F2 ;溫度和超聲振幅保持不變。隨著連接的進行，接頭處接觸界面越來越大，壓力的加大有利於接頭界面處原子間的相互擴散。時間段t4-t5:壓力和超聲振幅保持不變，高頻感應自熱裝置停止工作。減少對待連接工件的熱能輸入以避免對元器件的熱損傷；超聲波和壓力的繼續作用有利於接頭界面處原子間充分擴散，形成牢固接頭。實施例6本實施例除下述特徵外，其他結構和過程和實施例5相同所述步驟(I)中，待連接工件分別為絕緣線和容易被熱損傷的元器件的終端。所述步驟(I)中，按圖12所示的工作要求預設連接參數。本實施例中，結合圖12對連接階段中時間段ti_t5具體說明如下時間段tl_t2 :進入一級加載階段，壓力值為F1 ;由於工件已被熱損傷，應儘量減少對待連接工件的熱能輸入，此時間段內高頻感應自熱裝置不工作；超聲振動系統在壓力達到預設值時開始工作，向待連接處輸入大振幅的超聲波。大振幅超聲波作用，能使絕緣線的絕緣層破碎、清除，使絕緣線的導體部分裸露出來。時間段t2_t3:壓力保持不變，高頻感應自熱裝置開始工作，超聲振動系統向待連接處輸入振幅為A1的超聲波。壓力，熱能和超聲波的共同作用，一方面使絕緣層徹底清除，另一方面使待連接工件接觸界面的微小凸起處首先連接到一起，初步形成接頭。時間段t3_t4 :進入二級加載階段，壓力值增大至F2 ;溫度和超聲振幅保持不變。隨著連接的進行，接頭處接觸界面越來越大，壓力的加大有利於接頭界面處原子間的相互擴散。時間段t4_t5:壓力和溫度保持不變，超聲振幅增大到A2，這有利於接頭界面處原子間充分擴散。時間段t5_t6 :壓力和超聲振幅保持不變，高頻感應自熱裝置停止工作。減少對待連接工件的熱能輸入以避免對元器件的熱損傷；超聲波和壓力再作用一段時間，形成牢固接頭。實施例7本實施例除超聲波間隔作用於待連接處外，其他結構和過程和實施例6相同。壓力、溫度和超聲波作用的具體情況如圖13所示。上述實施例說明中，圖7至圖13中的超聲波波形僅為了說明超聲波的作用形式，上、下超聲振動系統發出的兩超聲波的特徵參數可以相同，也可以不同。最後所應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對本發明保護範圍的限制，儘管參照較佳實施例對本發明作了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，凡是依據本發明的技術實質與原理所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置，其特徵在於，包括: 機架，設於所述機架上的驅動機構和傳動機構； 與所述傳動機構連接的上超聲振動系統； 與所述上超聲振動系統輸出端連接的高頻感應自熱裝置； 所述上超聲振動系統下方設有下超聲振動系統； 所述下超聲振動系統上方設有工作檯； 所述上超聲振動系統、高頻感應自熱裝置和下超聲振動系統連接有電源；所述驅動機構通過所述傳動機構驅動上超聲振動系統上下動作。
2.如權利要求1所述的雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置，其特徵在於，所述高頻感應自熱裝置包括用於與待連接工件上表面接觸的高頻感應自熱壓頭、環繞於所述高頻感應自熱壓頭的感應線圈以及用於實時採集溫度信號反饋給電源的溫度感應裝置，所述感應線圈與所述上超聲振動系統絕緣,所述高頻感應自熱壓頭與所述感應線圈相對靜止。
3.如權利要求1所述的雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置，其特徵在於，所述上超聲振動系統包括與電源連接的上超聲振動系統換能器、與所述上超聲振動系統換能器連接的上超聲振動系統變幅杆，所述上超聲振動系統變幅杆的輸出端與高頻感應自熱裝置連接。
4.如權利要求1所述的雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置，其特徵在於，所述下超聲振動系統包括與電源連接的下超聲振動系統換能器、與所述下超聲振動系統換能器連接的下超聲振動系統變幅杆，所述下超聲振動系統變幅杆的輸出端與所述工作檯連接，所述下超聲振動系統通過加持機構固定在底座上。
5.如權利要求1-4任一所述的雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置，其特徵在於，所述上、下超聲振動系統相互垂直。
6.一種採用如權利要求2所述裝置進行雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法，其特徵在於，包括以下步驟: (O啟動電源，根據待連接工件材料和尺寸，預設連接參數； (2)將待連接工件置於高頻感應自熱壓頭和超聲工作檯之間； (3)高頻感應自熱壓頭從起始位置開始下行，以預定壓力壓緊待連接工件； (4)當壓力達到預設值時，觸發上、下超聲振動系統和高頻感應自熱裝置開始工作，分別向待連接工件接頭處輸入超聲波振動和熱能，在超聲波振動和熱能複合作用下實現對待連接工件的精密微連接； (5)連接結束，上、下超聲振動系統和高頻感應自熱裝置停止工作，高頻感應自熱壓頭回到起始位置，準備下一連接循環。
7.如權利要求6所述的雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法，其特徵在於，所述的高頻感應自熱壓頭和工作檯的振動形式為一維線性水平振動、縱向振動、扭振或複合振動。
8.如權利要求6所述的一種雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法，其特徵在於，所述待連接工件為漆包線、裸銅線、裸鋁線或薄金屬片材。
9.如權利要求6所述的雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法，其特徵在於，所述步驟(4)中，超聲波由上、下超聲振動系統中的一個或者兩個提供，形成上超聲單聲源模式、下超聲單聲源模式或雙超聲模式，所述雙超聲模式中的兩超聲波的特徵參數相同或者不同。
10.如權利要求6所述的雙超聲-高頻感應複合精密微連接方法，其特徵在於， 所述步驟(I)中，預設的連接參數包括:連接壓力、連接溫度及超聲波相關特徵參數，所述上、下超聲振動系統各參數相互獨立可調； 所述步驟(2)中，高頻感應自熱壓頭的加熱方式為電阻加熱、感應加熱、紅外加熱、雷射加熱或其他能源加熱； 所述步驟(3)中，加壓驅動方式為彈簧隨動加壓、氣動加壓、液壓加壓或者伺服加壓；壓力加載形式為恆壓、二級加載或者多級加載； 所述步驟(4)中，在一個連接循環中，超聲波的振幅是可調的，超聲波是連續或者間斷的，壓力、熱能和超聲 波振動的起始時刻和終止時刻相同或不同。
全文摘要
本發明公開一種雙超聲-高頻感應複合精密微連接裝置，所述裝置包括機架，設於機架上的驅動機構和傳動機構；與傳動機構連接的上超聲振動系統；與上超聲振動系統輸出端連接的高頻感應自熱裝置；上超聲振動系統下方設有下超聲振動系統；下超聲振動系統上方設有工作檯；上超聲振動系統、高頻感應自熱裝置和下超聲振動系統連接有電源。本發明所述裝置將雙超聲波振動和熱能複合，避免了單純使用熱能導致溫度過高出現的熔斷或損壞待連接工件的現象，也避免了普通超聲熱壓焊容易脫焊和絕緣層去除不徹底的問題，提高了工作效率，降低了生產成本。同時，本發明還公開了採用所述裝置進行雙超聲-高頻感應複合精密微連接的方法。
文檔編號B29C65/08GK103071910SQ20131001351
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月14日 優先權日2013年1月14日
發明者郭鍾寧, 袁聰, 李遠波, 張永俊, 鄧宇, 黃志剛 申請人:廣東工業大學