超声波焊接设备制造技术

一种超声波焊接设备包括超声焊极，其包括结构化工作表面，所述结构化工作表面包括多个顶点、在所述顶点中的紧邻的顶点之间的多个低点以及在低点和顶点之间延伸的平坦侧壁，其中，对于每个顶点，在相应的顶点的两侧上的平坦侧壁沿着以锐角彼此相交的第一和第二平面延伸。延伸。延伸。

【技术实现步骤摘要】
超声波焊接设备


[0001]本专利技术涉及超声波焊接设备以及一种焊接方法。

技术介绍

[0002]焊接是一种用于在电子器件应用中形成电互连的技术。例如，功率电子器件应用可以使用焊接在功率模块中形成机械互连和电互连。为了确保焊接接合部在设备的使用寿命内的电可靠性和机械可靠性，焊接接合部必须具有最小尺寸和强度。此外，必须在焊接接合部的占位区域周围预留一个区域，以允许焊接材料在焊接过程中扩展。满足这些要求所需的总区域由所使用的材料和焊接技术决定。通过减少形成焊接接合部所需的总区域，可以将更大比例的电路板区域专用于电子部件，例如半导体裸片、无源器件等。因此，需要提供一种焊接工艺，以减少焊接接合部的占位区域，而不牺牲电可靠性和机械可靠性。

技术实现思路

[0003]公开了一种超声波焊接设备。根据一个实施例，超声波焊接设备包括超声焊极，所述超声焊极包括结构化工作表面，所述结构化工作表面包括多个顶点、在所述顶点中的紧邻的顶点之间的多个低点以及在低点和顶点之间延伸的平坦侧壁，其中，对于每个顶点，在相应的顶点的两侧上的平坦侧壁沿着以锐角彼此相交的第一和第二平面延伸。
[0004]单独地或组合地，所述结构化工作表面还包括多个在相应的两个平坦侧壁之间延伸的弯曲表面，并且每个低点由所述弯曲表面形成。
[0005]单独地或组合地，所述弯曲表面形成在相应的两个平坦侧壁之间延伸的圆弧状凹陷。
[0006]单独地或组合地，对于每个顶点，在所述顶点的两侧上的平坦侧壁彼此会合以在所述顶点处形成尖锐点。
[0007]单独地或组合地，所述圆弧状凹陷的半径等于或小于相应的圆弧状凹陷的两侧上的顶点的间距的0.5倍。
[0008]单独地或组合地，所述圆弧状凹陷的半径在所述间距的0.1到0.4倍之间。
[0009]单独地或组合地，所述第一平面和第二平面以50度和70度之间的角度彼此相交。
[0010]单独地或组合地，所述第一平面和第二平面以55度和60度之间的角度彼此相交。
[0011]单独地或组合地，圆弧状凹陷的半径在所述圆弧状凹陷的两侧上的顶点的间距的0.2和0.3倍之间，并且所述第一平面和第二平面以55度和60度之间的角度彼此相交。
[0012]单独地或组合地，所述焊接设备还包括换能器，所述换能器机械耦连到超声焊极并且被配置为使所述超声焊极以超声频率振动。
[0013]根据另一个实施例，超声波焊接设备包括超声焊极，其包括结构化工作表面，所述结构化工作表面包括多个顶点、在所述顶点中的紧邻的顶点之间的多个低点以及在所述顶点中的紧邻的顶点之间延伸的多个弯曲表面，其中，每个低点由弯曲表面形成。
[0014]单独地或组合地，每个低点与相应的低点的两侧上的顶点之间的垂直偏移量大于
相应的低点的两侧上的顶点的间距的0.5倍。
[0015]单独地或组合地，所述垂直偏移量在所述间距的0.55至0.73倍之间。
[0016]单独地或组合地，所述工作表面还包括平坦侧壁，所述平坦侧壁从弯曲表面延伸并且彼此相交以形成所述顶点，其中，所述弯曲表面形成在两个平坦侧壁之间延伸的圆弧状凹陷，并且圆弧状凹陷的半径等于或小于相应的圆弧状凹陷的两侧上的顶点的间距的0.5倍。
[0017]公开了一种焊接方法。根据一个实施例，所述方法包括：提供第一和第二接合伙伴；提供包括具有结构化工作表面的超声焊极的焊接设备；布置第一和第二接合伙伴以彼此接触；和通过将第一接合伙伴与结构化工作表面接触并以超声波频率振动超声焊极，在第一和第二接合伙伴之间形成焊接连接，其中，结构化工作表面包括多个顶点、在所述顶点中的紧邻的顶点之间的多个低点以及在低点和顶点之间延伸的平坦侧壁，其中，对于每个顶点，在相应的顶点的两侧上的平坦侧壁沿着以锐角彼此相交的第一和第二平面延伸；或其中，所述结构化工作表面还包括在所述顶点中的紧邻的顶点之间延伸的多个弯曲表面，且每个低点由弯曲表面形成。
[0018]单独地或组合地，所述第一接合伙伴是功率模块端子，所述第二接合伙伴是功率模块衬底的结构化金属区域。
[0019]单独地或组合地，所述第一和第二接合伙伴中的至少一个包括铜。
[0020]单独地或组合地，所述结构化工作表面包括多个弯曲表面，其中，所述弯曲表面中的每一个形成在两个平坦侧壁之间延伸的圆弧状凹陷，所述圆弧状凹陷的半径在所述圆弧状凹陷的两侧上的顶点的间距的0.1到0.4倍之间。
[0021]单独地或组合地，对于每个顶点，在相应的顶点的两侧上的平坦侧壁沿着以锐角彼此相交的第一和第二平面延伸，所述锐角在50度和70度之间。
[0022]单独地或组合地，每个低点与相应的低点的两侧上的顶点之间的垂直偏移量大于相应的低点的两侧上的顶点的间距的0.5倍。
附图说明
[0023]附图的元件不是一定相对于彼此成比例。相同的附图标记表示相应的相似部分。各种所示实施例的特征可以组合，除非它们相互排斥。实施例在附图中被描绘并且在下面的描述中被详细描述。
[0024]图1描绘了根据一个实施例的焊接设备和接合伙伴。
[0025]图2描绘了根据一个实施例的通过超声波焊接技术形成的焊接接合部。
[0026]图3A、3B和3C描绘了根据一个实施例的可用于超声焊接技术的超声焊极的剖视图。图3A描绘了超声焊极的剖视图，图3B描绘了超声焊极的剖视图，其中几何参考与超声焊极的结构化工作表面的间距和垂直深度有关，图3C描绘了根据一个实施例的超声焊极的剖视图，其中几何参考与侧壁的角度和侧壁之间的弯曲表面的半径有关。
[0027]图4描绘了根据一个实施例的通过超声波焊接技术形成的焊接接合部。
具体实施方式
[0028]本文描述了超声波焊接设备和相应的焊接方法的实施例。本文描述了有利地非常
适合可靠地形成具有高机械强度和良好控制的占位区域的焊接接合部的焊接设备和方法。为此，焊接设备包括具有结构化工作表面的超声焊极，该结构化工作表面具有以有利的几何形状布置的顶点和低点。这种几何形状的一个有利方面是在顶点和低点之间延伸的结构化工作表面的平坦壁中的陡峭取向角度。这种几何形状的另一个有利方面是结构化工作表面的平坦壁之间的形成低点的弯曲凹陷。这些特征单独地或组合地为变形材料流入到结构化工作表面的突起之间产生大的容积，从而减少在超声焊接过程期间被推到超声焊极的周边之外的材料量。对于给定的接触区域，所得的焊接接合部具有更高的电气和机械可靠性。这可以增加焊接连接结构的密度和/或减小焊接连接结构与其它电子部件、例如半导体器件之间的间距。
[0029]参考图1，焊接设备100包括砧座102、超声焊极104以及换能器106。超声焊极104包括结构化工作表面108。结构化工作表面108具有形成非平坦表面轮廓的突起图案。换能器106机械地耦连到超声焊极104并且被配置为使超声焊极104在将在下文更详细描述的过程中以超声频率振动。砧座102是一个平坦且不可移动的表面，可在其上放置接合伙伴。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声波焊接设备，包括：超声焊极，其包括结构化工作表面，所述结构化工作表面包括多个顶点、在所述顶点中的紧邻的顶点之间的多个低点以及在低点和顶点之间延伸的平坦侧壁，其中，对于每个顶点，在相应的顶点的两侧上的平坦侧壁沿着以锐角彼此相交的第一和第二平面延伸。2.根据权利要求1所述的焊接设备，其中，所述结构化工作表面还包括多个在相应的两个平坦侧壁之间延伸的弯曲表面，并且每个低点由所述弯曲表面形成。3.根据权利要求2所述的焊接设备，其中，所述弯曲表面形成在相应的两个平坦侧壁之间延伸的圆弧状凹陷。4.根据权利要求3所述的焊接设备，其中，对于每个顶点，在所述顶点的两侧上的平坦侧壁彼此会合以在所述顶点处形成尖锐点。5.根据权利要求3所述的焊接设备，其中，所述圆弧状凹陷的半径等于或小于相应的圆弧状凹陷的两侧上的顶点的间距的0.5倍。6.根据权利要求5所述的焊接设备，其中，所述圆弧状凹陷的半径在所述间距的0.1到0.4倍之间。7.根据权利要求3所述的焊接设备，其中，所述第一平面和第二平面以50度和70度之间的角度彼此相交。8.根据权利要求7所述的焊接设备，其中，所述第一平面和第二平面以55度和60度之间的角度彼此相交。9.根据权利要求3所述的焊接设备，其中，圆弧状凹陷的半径在所述圆弧状凹陷的两侧上的顶点的间距的0.2和0.3倍之间，并且所述第一平面和第二平面以55度和60度之间的角度彼此相交。10.根据权利要求1所述的焊接设备，其中，所述焊接设备还包括换能器，所述换能器机械耦连到超声焊极并且被配置为使所述超声焊极以超声频率振动。11.一种超声波焊接设备，包括：超声焊极，其包括结构化工作表面，所述结构化工作表面包括多个顶点、在所述顶点中的紧邻的顶点之间的多个低点以及在所述顶点中的紧邻的顶点之间延伸的多个弯曲表面，其中，每个低点由弯曲表面形成。12.根据权利要求11所述的超声波焊接设备，其中，每个低点与相应的低点的两侧上的顶点之间的垂直偏移量大于相应的低点的两侧上的...

【专利技术属性】
技术研发人员：T，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：