CN108778601A - 超声波焊接装置和超声波焊接方法 - Google Patents

Abstract

提供如下装置等：能够提高作为超声波焊接的对象的导体的包覆部去除结束的推定精度。时序性地测定焊头(11)的位移速度(v)。基于在焊头(11)的位移速度(v)逐渐增加的过程中从“第一稳定状态”到“第二稳定状态”的过渡方式，推定作为焊接对象的两个导体(C1，C2)之间的绝缘性包覆部(C0)(构成该包覆部的合成树脂)的熔融和去除的进展情况。其中，“第一稳定状态”是位移速度(v)在第一速度区域中处于稳定的状态；“第二稳定状态”是该位移速度(v)在比第一速度区域高的第二速度区域中处于稳定的状态。

Description

超声波焊接装置和超声波焊接方法

技术领域

本发明涉及通过超声波振动能量将导体彼此进行焊接的技术。

背景技术

被提案有用于将通过合成树脂包覆的一个导体与另一个导体进行焊接的超声波焊接方法(例如参照专利文献1～2)。根据该方法，在焊头与底砧之间夹持焊接对象物的状态下，通过焊头的超声波振动能量首先将至少包覆一个导体的合成树脂熔融，从而从两个导体间将其去除，接着将该两个导体相互焊接。

提供有一种用于在实现防止因该超声波振动能量的不均匀引起的两个导体的接合强度的不均匀的同时实现超声波焊接的方法(例如参照专利文献3)。根据该方法，将用于使焊头振动的振动元件而被施加的电压和在振动元件中流通的电流之积作为借助焊头而被赋予焊接对象物的功率进行计算。并且，在该功率的变化率成为第一规定值以下后且成为比第一规定值大的第二规定值以上时，判断为从导体间去除了包覆部。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000-263248号公报

专利文献2：日本特开2006-024590号公报

专利文献3：日本专利第4456640号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，由于存在虽然导体接合开始但覆盖部去除仍然进行的过渡期间，因此存在难以基于功率的变化来判断该包覆部的去除是否结束的可能性。因此，除了存在因超声波振动能量过小而导致导体的接合强度变得不充分的可能性之外，还存在因超声波振动能量过大而导致导体损伤等的可能性。

因此，本发明的目的在于提供一种能够实现提高构成超声波焊接的对象的导体的包覆部去除结束的推定精度的装置等。

用于解决问题的手段

本发明涉及超声波焊接装置，其具备：通过压电元件实施振动的焊头、与所述焊头相对配置的底砧、和控制装置，在隔着合成树脂重叠的一个导体和另一个导体受所述焊头和所述底砧夹持的状态下，一边对所述焊头实施超声波振动，一边使该焊头沿着所述一个导体和所述另一个导体的重叠方向位移，由此使所述合成树脂熔融从而将其从所述一个导体和所述另一个导体之间去除，并且对所述一个导体和所述另一个导体进行焊接。

本发明的超声波焊接装置的特征在于，所述控制装置具备：测定要素，其时序性地测定所述焊头的位移速度；和，推定要素，其在由所述测定要素测定的所述焊头的位移速度增加的过程中，基于从该位移速度在第一速度区域中处于稳定的第一稳定状态向该位移速度在比所述第一速度区域高的第二速度区域中处于稳定的第二稳定状态过渡的过渡方式，推定所述一个导体以及所述另一个导体之间的合成树脂的熔融和去除的进行状况。

在本发明的超声波焊接装置中，优选是，在所述第一稳定状态向所述第二稳定状态过渡的过渡期间的结束时间点处，所述推定要素推定所述一个导体和所述另一个导体之间的合成树脂的熔融和去除结束。

发明效果

“第一稳定状态”是焊头的位移速度在第一速度区域中稳定的状态，相当于通过焊头的超声波振动能量而将两个导体间的合成树脂熔融和去除的开始前或初期阶段。“第二稳定状态”是焊头的位移速度在处于与第一速度区域相比更高速区域的第二速度区域中稳定的状态，相当于将两个导体间的合成树脂熔融和去除的末期阶段或结束后。因此，基于在焊头的位移速度的增加过程中的从第一稳定状态到第二稳定状态的过渡方式，能够实现两个导体间的合成树脂的熔融和去除的进行状况的推定精度的提升。

附图说明

图1是作为本发明的一个实施方式的超声波焊接装置的构成说明图。

图2是涉及作为本发明的一个实施方式的超声波焊接状态推定方法的说明图。

图3是涉及作为本发明的其他实施方式的超声波焊接状态推定方法的说明图。

图4是涉及焊头的位移量的变化方式的说明图。

具体实施方式

(构成)

作为图1所示的本发明的一个实施方式的超声波焊接装置具备：焊头11(或芯片)、与焊头11相对而配置于其下方的底砧12、将焊头11沿着上下方向驱动的升降驱动装置111、对焊头11实施超声波振动的压电元件112(超声波振子)、和控制装置20。焊头11的下端部形成为上底面朝向下方的近似截头圆锥状，但根据构成焊接对象的导体的配置方式，其顶端部能够适当变更为具有带状或具有点状顶端部的多个突起的形状等。底砧12的上端部为近似平面，但也可以与焊头11的形状对应地适当地形成有凹凸。

控制装置20由计算机(由CPU(演算处理装置)、ROM或RAM等存储器(存储装置)和I/O电路等构成)构成。控制装置20控制升降驱动装置111和压电元件112的各自的动作。控制装置20具备测定要素21和推定要素22。各要素21、22由从存储装置中读取所需的程序和数据、并按照该程序和数据执行后述演算处理的演算处理装置构成。

作为利用超声波焊接装置进行焊接的焊接对象，例如，采用构成FFC(柔性扁平排线)的由金属形成的第一导体C1(一个导体)、和构成PCB(印刷电路基板)的由金属形成的第二导体C2(另一个导体)。FFC除了具备第一导体C1之外，还具备由覆盖该第一导体C1的合成树脂形成的绝缘性包覆部C0。PBC具备支持第二导体C2的基板。

为了简化附图，仅示出单个第一导体C1，但在FFC中，可以沿横向排列且沿纵向延伸的多个第一导体C1以电性独立的方式受绝缘性包覆部C0覆盖。同样地，仅示出单个第二导体C2，但在PCB中，也可以在基板上设置多个第二导体C2。

需要说明的是，除了分别构成FFC和PCB的导体之外，也可以将分别构成多个FFC各自的导体、或分别构成FFC和FPC(柔性印刷电路)各自的导体设为焊接对象。

(功能)

对作为利用具有所述构成的超声波焊接装置执行的伴随超声波焊接状态推定方法的超声波焊接方法进行说明。首先，如图1所述，FFC和PCB以在焊头11与底砧12之间上下重叠的状态下被夹持。此时，形成FFC的第一导体C1的各自导体与PCB的第二导体C2的各自导体隔着FFC的绝缘性包覆部C0而上下重叠的状态。自该状态起，通过升降驱动装置111使焊头11以相对于底砧12接近的方式位移，由此对FFC和PCB施加上下方向的载重，并且通过对压电元件112施加高频的交流电压，从而对焊头11(沿着图中左右方向)实施超声波振动(参见图2/STEP02)。

此时，通过控制装置20的测定要素21，基于与焊头11的开始施加该载重后的位移量Z(下降量)对应的来自位移量传感器(省略图示)的输出信号，时序性地测定该位移量Z(参照图2/STEP04)。其后，在直至第一导体C1和第二导体C2的焊接或接合结束的期间，焊头11的位移量按照例如图4所示的方式变化。

按照Kelvin-Voigt模型，利用关系式(1)近似地表达在时刻t＝0时被赋予恒定的外力σ₀时的由合成树脂形成的绝缘性包覆部C0的应变量ε₁(t)(相当于焊头11的位移量Z)。该模型中，合成树脂的弹性和粘性特性通过并列的弹簧(弹性系数：E)和阻尼器(衰减系数：η)来进行表示。

ε₁(t)＝(σ₀/E){1-exp(-t/(η/E))}‥(1)。

在图4中，t＝0～t₁₂的焊头11的位移量Z的时间变化方式适合于关系式(1)。

另一方面，使用金属的材料常数A、扩散系数D和系数G，并通过关系式(2)更为近似地表现由金属形成的导体C1和C2的转变蠕变区域中的应变量ε₂(t)。

ε₂(t)＝A·D·(σ₀/G)ⁿ×t‥(2)。

即，在图4的t＝t₂₁～t₂₂时的焊头11的位移量Z的时间变化方式适合于关系式(2)。

因焊头11的超声波振动能量，被焊头11和底砧12夹持的部位的FFC和PCB局部性温度上升，FFC的绝缘性包覆部C0局部性熔融。因焊头11和底砧12的上下方向的载重，将熔融后的绝缘性包覆部C0(合成树脂)从焊头11与底砧12之间逐渐去除。此时，存在于第一导体C1和第二导体C2之间的绝缘性包覆部CO也发生熔融，并从第一导体C1和第二导体C2之间逐渐被去除。

控制装置20的推定要素22判定焊头11的位移量Z是否达到规定值Z₀以上的数值(图2/STEP06)。在焊头11的位移量Z小于规定值Z₀的状态下，绝缘性包覆部C0不进行熔融，由于不需要基于焊头11的位移速度dZ/dt的后述判定，因而执行该判定。也可以省略该判定处理。

在该判定结果为否定的情况下(图2/STEP06..NO)，重新测定焊头11的位移量Z(图2/STEP04)。在该判定结果为肯定的情况下(图2/STEP06..YES)，由测定要素21测定焊头11的位移速度v＝dZ/dt(下降速度)(图2/STEP08)。例如，将通过上述方式测定的位移量Z输入到构成测定要素21的微分电路(省略图示)，并将从该微分电路输出的值作为焊头11的位移速度v求出。焊头11的位移量Z的时间序列被存储保持在构成控制装置20的存储装置中。

位移速度v作为下述斜率来进行表示。该斜率是指：表示以图4所示的时间t及位移量Z分别为座標値的二维坐标系(t-Z平面)中的位移量Z的时间变化方式的曲线Z＝f(t)上的斜率。

焊头11的位移量Z超过规定值Z₀之后，实现了其位移速度v在第一稳定期间[t₁₁，t₁₂]的第一速度区域中处于稳定的“第一稳定状态”。第一速度区域是由第一稳定期间中的曲线Z＝f(t)的斜率的下限值和上限值所划定的速度区域。图4中，以点划线表示第一稳定状态的结束时间点t＝t₁₂处的曲线Z＝f(t)的切线L1。其斜率如果按照式(1)表示，则大致为(σ₀/η)。第一稳定期间中的曲线Z＝f(t)的斜率大致沿着该切线L1。“第一稳定状态”相当于通过焊头11的超声波振动能量将两个导体C1和C2间的合成树脂(绝缘性包覆部C0)熔融和去除的初期阶段或开始前的状态。

接着，位移速度v在期间[t₁₂、t₂₁]中增加，并实现在第二稳定期间[t₂₁，t₂₂]的第二速度区域中处于稳定的“第二稳定状态”。第二速度区域是由第二稳定期间中的曲线Z＝f(t)的倾斜的下限值以及上限值所划定的速度区域。在图4中，以双点划线表示第二稳定状态的开始时间点t＝t₂₁处的曲线Z＝f(t)上的切线L2。其斜率如果按照式(2)表示，则达到大致为A·D·(σ₀/G)ⁿ。第二稳定期间中的曲线Z＝f(t)上的斜率大致沿着该切线L2。根据曲线Z＝f(t)在第二稳定期间中的斜率比在第一稳定期间中的斜率大的情况明显可知，第二速度区域位于比第一速度区域高的区域中。“第二稳定状态”相当于两导体C1和C2间的合成树脂(绝缘性包覆部C0)熔融和去除的末期阶段或结束后的状态。

推定要素22根据焊头11的位移速度v的时间变化方式，判定在其增加过程中是否从第一稳定状态过渡到了第二稳定状态(图2/STEP10)。例如，在焊头11的位移速度v在第一值(σ₀/η)附近处形成稳定后增大，并且成为比第一值相比大的第二值A·D·(σ₀/G)ⁿ的情况或者在第二值附近处形成稳定的情况下，判定从第一稳定状态过渡到第二稳定状态。该判定相当于构成两个导体C1和C2之间的绝缘性包覆部C0的合成树脂的熔融和去除是否结束的判定。

在该判定结果为否定的情况下(图2/STEP10..NO)，重新测定焊头11的位移速度v(图2/STEP08)。另一方面，在该判定结果为肯定的情况下(图2/STEP10..yes)，为了使导体彼此接合而施加规定的振动能量(图2/STEP16)。例如在加压力、振幅、超声波施加时间等超声波焊接装置条件下设定导体彼此接合所需的规定振动能量。作为导体彼此接合所需的规定振动能量中比较简单的设定方法，可以预先通过计算或实验，例如事先求出加压力、振幅、超声波施加时间等作为振动能量的设定值。然后，完成一系列的工序。

需要说明的是，通过有效利用位移速度的变化，能够提高接合质量。以下对其振动能量的设定方法进行说明。图3/STEP02～STEP10的各步骤分别与图2/STEP02～STEP10的各步骤相同，因此省略说明。

首先，通过控制装置20设定基准期间(图3/STEP12)。具体地说，求出相当于下述交点的时间点t＝t₂₀。该交点是指：在第一稳定状态向第二稳定状态的过渡期间[t₁₂，t₂₁]的结束时间点t＝t₂₁(第二稳定状态的开始时间点)上的曲线Z＝f(t)的切线L2与时间轴的交点。将以该时间点t＝t₂₀作为开始时间点、以第二稳定状态的开始时间点t＝t₂₁作为结束时间点的期间[t₂₀，t₂₁]设定为基准期间。

而且，控制装置20计算出基准期间中焊头11的位移量ΔZ作为基准位移量(图3/STEP14)。基准位移量ΔZ的大小表示从第一稳定状态向第二稳定状态的过渡方式的缓急。即，基准位移量ΔZ越大，表示从第一稳定状态过渡到第二稳定状态越急，进而因焊头11的超声波能量而引起的绝缘性包覆部C0的温度上升速度和熔融速度越高。

接着，通过控制装置20基于基准位移量ΔZ控制向压电元件112施加交流电压的振幅，来调节焊头11的超声波振动能量E＝g(ΔZ)的大小(图3/STEP16)。具体而言，该超声波振动能量E被调节成：基准位移量ΔZ越大，该能量E越是阶段地或连续地变小。

然后，推定要素22判定第一导体C1和第二导体C2的熔融是否完成(图3/STEP18)。例如，也可以根据焊头11的位移速度v是否从第二速度区域减少到一定值以上的低速来执行该判定。在该判定结果为否定的情况下，持续地对焊头11的超声波振动能量E＝g(ΔZ)进行调节(图3/STEP16)。另一方面，在该判定结果为肯定的情况下，停止对压电元件112施加电压，停止焊头11的超声波振动，进而，通过升降驱动装置111对焊头11进行上昇驱动(参照图4的曲线Z＝f(t)的下降阶段)。

(效果)

基于焊头11的位移速度v在增加过程(位移加速度α＝dv/dt＝d²Z/dt²为0以上的状态)中、由第一稳定状态向第二稳定状态过渡的过渡方式，推定构成两个导体C1和C2之间的绝缘性包覆部C0的合成树脂的熔融和去除的进行状况。

例如，过渡期间(或基准期间)中焊头11的位移速度v高(或者位移量Z大)这一情况暗示了构成绝缘性包覆部C0的合成树脂在该期间中的弹性及粘性低或者温度高、进而该合成树脂的熔融和去除迅速地进行。因此，在基准位移量ΔZ大的情况下，通过将焊头11的超声波振动能量E控制得比较低，能够防止两个导体C1及C2在焊接时的该超声波振动能量E过大。因此，能够实现这些导体充分的接合强度。与此相反，在基准位移量ΔZ低的情况下，通过将焊头11的超声波振动能量E控制得比较高，能够防止两个导体C1和C2在焊接时的该超声波振动能量E过小。因此，能够实现这些导体充分的接合强度。

(本发明的其他实施方式)

在上述实施方式中，在过渡期间，也可以根据从其开始时间点t＝t₁₂到焊头11的位移加速度α＝d²Z/dt²成为0的时间点为止的期间的长短或该期间中焊头11的位移量Z的变化方式来推定绝缘性包覆部C0的熔融和去除的结束时间点。具体而言，该期间越短、修正值设定得越小，对焊头11的位移加速度α＝d²Z/dt²为0的时间点附加了该修正值的未来时间点也可以被推定成绝缘性包覆部C0的熔融和去除的结束时间点。也可以将该修正值设定成：该期间中焊头11的位移速度v越高，该修正值越是阶段性地或连续性地变小。

符号说明

11 焊头

12 底砧

111 升降驱动装置

112 压电元件(超声波振子)

20 控制装置

21 测定要素

22 推定要素

C1 第一导体(一个导体)

C2 第二导体(另一个导体)

R 绝缘性包覆部(合成树脂)。

Claims (3)

1.一种超声波焊接装置，其具备：通过压电元件实施振动的焊头、与所述焊头相对配置的底砧、和控制装置，在隔着合成树脂重叠的一个导体和另一个导体受所述焊头和所述底砧夹持的状态下，一边对所述焊头实施超声波振动，一边使该焊头沿着所述一个导体和所述另一个导体的重叠方向位移，由此使所述合成树脂熔融，从而将其从所述一个导体和所述另一个导体之间去除，并且对所述一个导体和所述另一个导体进行焊接，

该超声波焊接装置的特征在于，所述控制装置具备：

测定要素，其时序性地测定所述焊头的位移速度；以及

推定要素，其在由所述测定要素测定的所述焊头的位移速度增加的过程中，基于从该位移速度在第一速度区域中处于稳定的第一稳定状态向该位移速度在比所述第一速度区域高的第二速度区域中处于稳定的第二稳定状态的过渡方式，推定所述一个导体以及所述另一个导体之间的合成树脂的熔融和去除的进行状况。

2.根据权利要求1所述的超声波焊接装置，其特征在于，

在所述第一稳定状态向所述第二稳定状态过渡的过渡期间的结束时间点处，所述推定要素推定所述一个导体和所述另一个导体之间的合成树脂的熔融和去除结束。

3.一种超声波焊接方法，在通过由压电元件实施振动的焊头和与所述焊头相对配置的底砧夹持隔着合成树脂重叠的一个导体和另一个导体的状态下，一边对所述焊头实施超声波振动，一边沿着所述一个导体和所述另一个导体的重叠方向位移，由此使所述合成树脂熔融，从而将其从所述一个导体和所述另一个导体之间去除，并且对所述一个导体和所述另一个导体进行焊接，

该超声波焊接方法的特征在于，具备：

测定步骤，时序性地测定所述焊头的位移速度；以及

推定步骤，在通过所述测定步骤被测定的所述焊头的位移速度增加的过程中，基于从该位移速度在第一速度区域中处于稳定的第一稳定状态向该位移速度在比所述第一速度区域高的第二速度区域中处于稳定的第二稳定状态过渡的过渡方式，推定所述一个导体以及所述另一个导体之间的合成树脂的熔融和去除的进行状况。