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特表2023-527970超音波溶接システム、その使用方法、および溶接された導電性ピンを含む関連被加工物
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-07-03
(54)【発明の名称】超音波溶接システム、その使用方法、および溶接された導電性ピンを含む関連被加工物
(51)【国際特許分類】
B23K 20/10 20060101AFI20230626BHJP
【ＦＩ】
B23K20/10
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022572295
(86)(22)【出願日】2021-05-28
(85)【翻訳文提出日】2022-11-24
(86)【国際出願番号】 US2021034847
(87)【国際公開番号】W WO2021247414
(87)【国際公開日】2021-12-09
(31)【優先権主張番号】63/034,345
(32)【優先日】2020-06-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】506395943
【氏名又は名称】クリック アンド ソッファ インダストリーズ、インク．
(74)【代理人】
【識別番号】100104411
【弁理士】
【氏名又は名称】矢口 太郎
(72)【発明者】
【氏名】カッパーサイト、セオドア ジェイ．
(72)【発明者】
【氏名】マッカートニー、リチャード ジェイ．
(72)【発明者】
【氏名】ナイアエシュ、オミッド
【テーマコード（参考）】
4E167
【Ｆターム（参考）】
4E167BE04
4E167BE07
4E167CA21
4E167DA05
(57)【要約】
【要約】
【解決手段】
超音波溶接システムが提供される。前記超音波溶接システムは被加工物を支持する支持構造を含む。また、前記超音波溶接システムは、ソノトロードを運搬する超音波変換器を含む溶接ヘッドアセンブリを含む。また、前記超音波溶接システムは、前記ソノトロードを用いた溶接のための複数の導電性ピンを提供するように構成された導電性ピン供給部を含む。
【選択図】 図２Ａ
【解決手段】
超音波溶接システムが提供される。前記超音波溶接システムは被加工物を支持する支持構造を含む。また、前記超音波溶接システムは、ソノトロードを運搬する超音波変換器を含む溶接ヘッドアセンブリを含む。また、前記超音波溶接システムは、前記ソノトロードを用いた溶接のための複数の導電性ピンを提供するように構成された導電性ピン供給部を含む。
【選択図】 図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超音波溶接システムであって、被加工物を支持するように構成された支持構造と、
ソノトロードを運搬する超音波変換器を含む溶接ヘッドアセンブリと、
前記ソノトロードを用いた溶接のための複数の導電性ピンを提供するように構成された導電性ピン供給部と
を有する超音波溶接システム。
【請求項2】
請求項１に記載の超音波溶接システムにおいて、前記溶接ヘッドアセンブリは複数の別個の運動軸に沿って動くように構成されている、超音波溶接システム。
【請求項3】
請求項２に記載の超音波溶接システムにおいて、前記複数の別個の運動軸は、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を含むものである、超音波溶接システム。
【請求項4】
請求項２に記載の超音波溶接システムにおいて、前記複数の別個の運動軸はシータ軸を含むものである、超音波溶接システム。
【請求項5】
請求項１に記載の超音波溶接システムにおいて、前記溶接ヘッドアセンブリの前記ソノトロードは前記導電性ピン供給部から導電性ピンを引き出すように構成され、前記溶接ヘッドアセンブリは、前記引き出された前記導電性ピンを前記被加工物に向かって運搬し、且つ前記導電性ピンを前記被加工物に超音波溶接するように構成されている、超音波溶接システム。
【請求項6】
請求項５に記載の超音波溶接システムにおいて、前記ソノトロードは、前記導電性ピン供給部から前記導電性ピンを引き出すための減圧チャネルを定義するものである、超音波溶接システム。
【請求項7】
請求項１に記載の超音波溶接システムにおいて、前記溶接ヘッドアセンブリは、前記導電性ピン供給部から導電性ピンを引き出すように構成されたグリッパ機構を含むものであり、前記溶接ヘッドアセンブリは、前記引き出された前記導電性ピンを前記被加工物に向かって運搬し且つ前記導電性ピンを前記被加工物に超音波溶接するように構成されている、超音波溶接システム。
【請求項8】
請求項７に記載の超音波溶接システムにおいて、前記グリッパ機構は、（ｉ）前記導電性ピンと係合する開位置と、（ｉｉ）前記被加工物に向かう運動位置において前記導電性ピンを保持する閉位置との間を移動するように構成された可動アームを含むものである、超音波溶接システム。
【請求項9】
請求項８に記載の超音波溶接システムにおいて、前記可動アームは前記閉位置において前記導電性ピンと前記ソノトロードの位置合わせをするものである、超音波溶接システム。
【請求項10】
請求項７に記載の超音波溶接システムにおいて、前記グリッパ機構は可動アームと固定アームとを含み、前記可動アームは、（ｉ）前記導電性ピンと係合する開位置と、（ｉｉ）前記被加工物に向かう運動位置において前記導電性ピンを保持する閉位置との間を移動するように構成されており、前記可動アームは前記閉位置において前記導電性ピンと前記ソノトロードの位置合わせをするものである、超音波溶接システム。
【請求項11】
請求項１に記載の超音波溶接システムにおいて、前記溶接ヘッドアセンブリは、前記導電性ピンの対応する機構と位置合わせするように構成されたキー機構を定義するものであり、それにより、前記溶接ヘッドアセンブリによって保持されている前記導電性ピンが前記ソノトロードと適切に位置合わせされるようになっている、超音波溶接システム。
【請求項12】
請求項１に記載の超音波溶接システムにおいて、さらに、前記導電性ピン供給部から導電性ピンを引き出すように構成されたピックツールを有するものであり、前記引き出された導電性ピンは前記被加工物への溶接のために前記溶接ヘッドアセンブリに移送されるものである、超音波溶接システム。
【請求項13】
請求項１に記載の超音波溶接システムにおいて、前記ソノトロードは、前記導電性ピンを前記被加工物に溶接し且つ電力端子を前記被加工物に溶接するように構成されている、超音波溶接システム。
【請求項14】
請求項１に記載の超音波溶接システムにおいて、前記ソノトロードは、前記被加工物に溶接するための前記導電性ピンに接触するように構成された第１の領域と、前記被加工物に溶接するための電力端子に接触するように構成された第２の領域とを含むものである、超音波溶接システム。
【請求項15】
請求項１に記載の超音波溶接システムにおいて、さらに、第２のソノトロードを運搬する第２の超音波変換器を含む第２の溶接ヘッドアセンブリを有するものであり、前記第２の溶接ヘッドアセンブリは電力端子を前記被加工物に溶接するように構成されている、超音波溶接システム。
【請求項16】
超音波溶接システムを操作する方法であって、前記超音波溶接システムの支持構造上で被加工物を支持する工程と、
前記超音波溶接システムが有する溶接ヘッドアセンブリのソノトロードを用いて、前記超音波溶接システムの導電性ピン供給部からの導電性ピンを前記被加工物に溶接する工程であって、前記導電性ピン供給部は前記導電性ピンを複数含むものである、前記溶接する工程と
を有する方法。
【請求項17】
請求項１６に記載の方法において、前記溶接ヘッドアセンブリは前記超音波溶接システムの複数の別個の運動軸に沿って動くように構成されている、方法。
【請求項18】
請求項１７に記載の方法において、前記複数の別個の運動軸は、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を含むものである、方法。
【請求項19】
請求項１７に記載の方法において、前記複数の別個の運動軸はシータ軸を含むものである、方法。
【請求項20】
請求項１６に記載の方法において、前記溶接する工程の前に、さらに、（ｉ）前記溶接ヘッドアセンブリの前記ソノトロードを用いて前記導電性ピン供給部から前記導電性ピンを引き出す工程と、（ｉｉ）前記溶接ヘッドアセンブリを用いて前記引き出された導電性ピンを前記被加工物に向かって運搬する工程とを有するものである、方法。
【請求項21】
請求項２０に記載の方法において、前記ソノトロードは、前記導電性ピン供給部から前記導電性ピンを引き出すための減圧チャネルを定義するものである、方法。
【請求項22】
請求項１６に記載の方法において、前記溶接ヘッドアセンブリはグリッパ機構を含み、この方法は、さらに、（ｉ）前記グリッパ機構を用いて前記導電性ピン供給部から前記導電性ピンを引き出す工程と、（ｉｉ）前記溶接ヘッドアセンブリを用いて前記引き出された導電性ピンを前記被加工物に向かって運搬する工程とを含むものである、方法。
【請求項23】
請求項２２に記載の方法において、前記グリッパ機構は、（ｉ）前記導電性ピンと係合する開位置と、（ｉｉ）前記被加工物に向かう運動位置において前記導電性ピンを保持する閉位置との間を移動するように構成された可動アームを含むものである、方法。
【請求項24】
請求項２３に記載の方法において、前記可動アームは前記閉位置において前記導電性ピンと前記ソノトロードの位置合わせをするものである、方法。
【請求項25】
請求項２２に記載の方法において、前記グリッパ機構は可動アームおよび固定アームを含むものであり、前記可動アームは、（ｉ）前記導電性ピンと係合する開位置と（ｉｉ）前記被加工物に向かう運動位置において前記導電性ピンを保持する閉位置との間を移動するように構成されており、前記可動アームは前記閉位置において前記導電性ピンを前記ソノトロードと位置合わせするものである、方法。
【請求項26】
請求項１６に記載の方法において、前記溶接ヘッドアセンブリは、前記導電性ピンの対応する機構と位置合わせするように構成されたキー機構を定義するものであり、それにより、前記溶接ヘッドアセンブリによって保持されている前記導電性ピンが前記ソノトロードに対して適切に位置合わせされるようになっている、方法。
【請求項27】
請求項１６に記載の方法において、さらに、（ｉ）ピックツール用いて前記導電性ピン供給部から前記導電性ピンを引き出す工程と、（ｉｉ）前記被加工物に溶接するために前記導電性ピンを前記ピックツールから前記溶接ヘッドアセンブリに移送する工程とを有するものである、方法。
【請求項28】
請求項１６に記載の方法において、さらに、前記ソノトロードを用いて電力端子を前記被加工物に溶接する工程を有するものである、方法。
【請求項29】
請求項２８に記載の方法において、前記ソノトロードは、前記被加工物に溶接するための前記導電性ピンに接触するように構成された第１の領域と、前記被加工物に溶接するための電力端子に接触するように構成された第２の領域とを含むものである、方法。
【請求項30】
請求項１６に記載の方法において、前記超音波溶接システムは、第２のソノトロードを運搬する第２の超音波変換器を含む第２の溶接ヘッドアセンブリを含むものであり、この方法は、さらに、前記第２のソノトロードを用いて電力端子を前記被加工物に溶接する工程を含むものである、方法。
【請求項31】
被加工物であって、基板と、
前記基板に超音波溶接された導電性ピンと
を有する被加工物。
【請求項32】
請求項３１に記載の被加工物において、さらに、前記基板に超音波溶接された導電性端子を有するものである、被加工物。
【請求項33】
請求項３２に記載の被加工物において、前記導電性端子は前記被加工物の電力端子であり、前記導電性ピンは前記被加工物の信号接続である、被加工物。
【請求項34】
請求項３１に記載の被加工物において、前記被加工物はパワー半導体モジュールである、被加工物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、２０２０年６月３日に出願された米国仮特許出願第６３／０３４，３４５号の利益を主張し、その内容が参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、超音波溶接に関し、より具体的には、導電性ピン溶接を含む超音波溶接操作を実行するための改良されたシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0003】
超音波エネルギーは２若しくはそれ以上の材料間の相互接続を形成するのに広く用いられている。例えば、ワイヤボンディング装置（例えば、ボールボンディング装置、ウェッジボンディング装置、リボンボンディング装置など）がワイヤまたはリボンをボンディング位置にボンディングするのに用いられる。しかしながら、ワイヤボンディングには比較的低レベルのエネルギー（例えば、結合力、超音波エネルギーなど）が利用される。例示的なワイヤボンディング装置は、ペンシルベニア州フォートワシントンのクリック アンド ソッファ インダストリーズ、インクによって販売されている。
【0004】
ある種の用途にはワイヤ以外の材料の接合が含まれる。そのような用途のため溶接が検討されてきた。超音波溶接もまた広く用いられている技術である。超音波溶接では、電気エネルギーを機械的運動／スクラブ（例えば、直線運動／スクラブ、ねじり運動／スクラブなど）に変換する（例えば、ソノトロードを運搬する）超音波変換器を用いることができる。しかしながら、既存の超音波溶接技術および設備では、コスト、運用効率、柔軟性、携帯性、およびそれらに関連する因子の面で市場の要求を満たすことができる解決策の提供に限界がある。
【0005】
クリック アンド ソッファ インダストリーズ、インクに譲渡された（「超音波溶接システムおよびその使用方法」と題する）国際公開第２０１８／１８７３６４号は、超音波溶接技術の改良に関するものであり、参照によりその全体が組み込まれる。
【0006】
それでもなお、超音波ピン溶接を含め（そのようなピンは、典型的にはパワーモジュールにはんだ付けおよび／または圧入される）、超音波溶接の適用に関しては改善が必要である。したがって、超音波ピン溶接を含む超音波溶接技術を改善することが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、超音波溶接システムが提供される。前記超音波溶接システムは被加工物を支持する支持構造を含む。また、前記超音波溶接システムは、ソノトロードを運搬する超音波変換器を含む溶接ヘッドアセンブリを含む。また、前記超音波溶接システムは、前記ソノトロードを用いた溶接のための複数の導電性ピンを提供するように構成された導電性ピン供給部を含む。
【0008】
本発明の更なる他の例示的な実施形態によれば、超音波溶接システムを操作する方法が提供される。この方法は、（ａ）超音波溶接システムの支持構造上で被加工物を支持する工程と、（ｂ）前記超音波溶接システムが有する溶接ヘッドアセンブリのソノトロードを用いて、前記超音波溶接システムの導電性ピン供給部からの導電性ピンを前記被加工物に溶接する工程であって、前記導電性ピン供給部は前記導電性ピンを複数含むものである、前記溶接する工程とを含む。
【0009】
本発明の更なる他の例示的な実施形態によれば、被加工物が提供される。前記被加工物は、基板と、前記基板に超音波溶接された導電性ピンとを含む。
【図面の簡単な説明】
【0010】
本発明は、以下の詳細な説明を添付の図面とともに一読することで最も良く理解される。一般的な方法に従い、図面の種々の構成要素は原寸どおりの縮尺ではない。むしろ、種々の構成要素の寸法は、明確化のため、任意に拡張または縮小されている。本図面には以下の図が含まれる。
【発明を実施するための形態】
【0011】
図１は、超音波溶接システム１００を示す。超音波溶接システム１００は、被加工物１０２ａ１を提供する投入用被加工物供給部１０２を含み、投入用被加工物供給部１０２は、複数の被加工物１０２ａ１を運搬するように構成されている（例えば、被加工物供給部１０２は、複数の被加工物１０２ａ１を運搬するマガジンハンドラなどの運搬装置であってもよいし、特定用途の加工物に適した他の供給構造などであってもよい。）。投入用被加工物供給部１０２によって運搬される例示的な被加工物１０２ａ１としては、パワーモジュール、パワーモジュールの構成要素、リードフレーム、バッテリーモジュールなどが含まれる。被加工物１０２ａ１は、投入用被加工物供給部１０２から材料処理システム１０４へ（グリッパアセンブリなどの材料処理システム１０４に含まれ得る任意の所望の移送アセンブリによって）供給される。材料処理システム１０４は（例えば、コンベヤアセンブリ用いる、グリッパアセンブリを用いるなどして）被加工物１０２ａ１を投入用被加工物供給部１０２から支持構造１０６へ移動させる。支持構造１０６は、溶接操作中、被加工物（図５に示す被加工物咬持部１０８を用いて支持構造１０６に咬持されているとき、咬持されている被加工物１０２ａ２と表記する）を支持する。（溶接ヘッドアセンブリ１１２に関して以下で説明する）溶接作業の後、現在溶接されている被加工物１０２ａ３は、支持構造１０６の下流にある材料処理システム１０４の部分から産出被加工物供給源１１０へと（例えば、コンベヤアセンブリを用いて、グリッパアセンブリを用いて）移動される。産出被加工物供給部１１０は、溶接ヘッドアセンブリ１１２（この場合、溶接ヘッドアセンブリ１１２はソノトロード２０２を運搬する超音波変換器１１２ｂを含む）による処理後の溶接された被加工物１０２ａ３を受け取るように構成されている。産出被加工物供給部１１０は、複数の溶接された被加工物１０２ａ３を運搬するマガジンハンドラなどの運搬装置であってもよいし、特定用途の加工物に適した他の供給構造であってもよい。
【0012】
超音波溶接システム１００は溶接ヘッドアセンブリ１１２を含む。溶接ヘッドアセンブリは、ソノトロード２０２を運搬する超音波変換器１１２ｂを含み、また、複数の実質的に水平な軸に沿って移動可能である。図１に示す例において、溶接ヘッドアセンブリ１１２は超音波溶接システム１００のｘ軸およびｙ軸に沿って移動するように構成されている。図１に示す例において、溶接ヘッドアセンブリ１１２はまた、超音波溶接システム１００のｚ軸に沿って、および超音波溶接システム１００のシータ軸（Θ軸）を中心に移動するように構成されている。これらの運動軸の全てが各用途で必要となるわけではない。溶接ヘッドアセンブリ１１２の運動軸を用いて、咬持されている被加工物１０２ａ２に対する適切な溶接位置にソノトロード２０２を移動させることができる。ソノトロード２０２と咬持されている被加工物１０２ａ２との間の位置合わせや、咬持されている被加工物１０２ａ２自体の構成要素の位置合わせ、溶接操作後の溶接部の光学検査などに関連する撮像操作のために、カメラ１１４も提供される（この場合、カメラは、溶接ヘッドアセンブリ１１２によって任意選択的に運搬されてもよいし、超音波溶接システム１００の他の部分によって運搬されてもよい）。
【0013】
超音波溶接システム１００（または本発明の範囲内の他のシステム）を用いて様々な種類の被加工物を溶接することができる。例示的な被加工物としては、パワーモジュール、リードフレーム、およびバッテリーモジュールが含まれる。
【0014】
本発明によれば、導体（例えば、導電性ピン、信号コネクタ、導電性端子、電力端子など）に様々な種類の超音波運動を与えることができる。例えば、ソノトロードは、線形超音波運動およびねじり超音波運動のうちの少なくとも１つを用いて、被加工物に導体を溶接するように構成されていてもよい。
【0015】
それらの被加工物の一部は、導電性ピンを受けるように構成されている。本明細書で使用する「導電性ピン」という用語は、被加工物に溶接されることが意図される導電性の構造体である。導電性ピンは（被加工物に溶接された後）自由端部を有し、導電性ピンの本体部分は「溶接された」端部から自由端部まで実質的に垂直に延び得る。導電性ピンの断面は、円形、正方形、長方形、または任意の所望の断面を有することができる。また、導電性ピンという用語は導電性レセプタクルまたはスリーブ（例えば、管状の形状）を含むと解すべきであり、この場合、導電性レセプタクル／スリーブは、被加工物に超音波溶接されるものであり且つ他の導電性要素を受け入れるように構成されている。本発明のいくつかの例示的な実施形態によれば、超音波溶接システム１００は導電性ピン供給部２００を含むものであり、この導電性ピン供給部はソノトロード２０２を用いて溶接するための複数の導電性ピンを提供するように構成されている。導電性ピン供給部の例示的な構成としては（導電性ピンの列および行を含み、取り出しを容易にするように配向された）グリッド配列、ボウルフィーダ、ホッパー、スプールなどが含まれる。代替的な構成が企図される。導電性ピン供給部２００は、バッファシステムにより動作するように構成し、それにより、ピンがステージ領域を通じて供給され、溶接のために取り出す準備がなされるようになっていてもよい。
【0016】
導電性ピン供給部２００およびソノトロード２０２を含む超音波溶接システム１００は様々な形態をとることができる。より具体的には、導電性ピン供給部２００の異なる構成やソノトロード２０２の異なる構成等が企図される。図２Ａ～図２Ｃは、例示的な構成の導電性ピン供給部（ここでは、導電性ピン供給部２００ａといい、導電性ピン２００ａ１を含むものである）と、例示的な構成のソノトロード（ここでは、ソノトロード２０２ａといい、減圧チャネル２０２ａ１を定義し且つ配管２０４ａを介して減圧源２０４に結合されているものである）とを含む例示的な超音波溶接システム１００ａを示す。図３Ａ～図３Ｃは、他の例示的な構成の導電性ピン供給部（ここでは、導電性ピン供給部２００ｂといい、導電性ピン２００ｂ１を含むものである）と、例示的な構成のソノトロード（ここでは、ソノトロード２０２ｂといい、グリッパアクチュエータ２０６およびグリッパアーム２０６ａと共に動くように適合されているものである）を含む例示的な超音波溶接システム１００ｂを示す。図４は、超音波溶接システム１００ｃがグリッパアクチュエータ２０８、第１のグリッパアーム２０８ａ、及び第２のグリッパアーム２０８ｂを含むことを除いて、（図３Ａ～図３Ｃの）超音波溶接システム１００ｂに実質的に類似する、更なる他の例示的な超音波溶接システム１００ｃを示す。本明細書に記載の場合を除いて、超音波溶接システム１００ａ、１００ｂ、および１００ｃのそれぞれは、上述の超音波溶接システム１００と実質的に同様である。
【0017】
具体的に図２Ａ～図２Ｃを参照すると、ソノトロード２０２ａは導電性ピン供給部２００ａから導電性ピン２００ａ１を引き出すように構成され、また、溶接ヘッドアセンブリ１１２は、引き抜かれた導電性ピン２００ａ１を（その様々な運動軸を通して）咬持されている被加工物１０２ａ２に向かって運搬し、当該咬持されている被加工物１０２ａ２へ導電性ピン２００ａ１を超音波溶接するように構成されている。ソノトロード２０２ａは、導電性ピン供給部２００ａから導電性ピン２００ａ１を引き出すために、配管２０４ａを介して減圧源２０４に接続された減圧チャネル２０２ａ１を定義する。
【0018】
具体的に図２Ｂを参照すると、ソノトロード２０２の先端部分２０２ａ３が示されている。減圧チャネル２０２ａ１はソノトロード２０２ａによって定義される。ソノトロード２０２ａの作業面２０２ａ２は、導電性ピンの溶接部分に接触し、超音波溶接のためそれを被加工物に押し付けるように構成されている（例えば、図２Ｃに示す導電性ピンの溶接部分を参照）。また、（図２Ａに示すような配管２０４ａと係合するように構成された）ソノトロード２０２ａの減圧孔２０２ａ４が示されている。図２Ｃは、本体部分２００ａ１ａと、溶接部分２００ａ１ｂと、自由端部２００ａ１ｃとを含む導電性ピン２００ａ１（例えば、丸い導電性ピン）の側面図である。溶接部分２００ａ１ｂを介して被加工物に溶接された後、本体部分２００ａ１ａは溶接部分２００ａ１ｂから自由端部２００ａ１ｃまで実質的に垂直に延び得る。自由端部２００ａ１ｃ（または溶接された導電性ピン２００ａ１の他の部分）はその与えられた被加工物で必要とされる電気接続のために利用可能である。
【0019】
具体的に図３Ａ～図３Ｃを参照すると、溶接ヘッドアセンブリ１１２は、導電性ピン供給部２００ｂから導電性ピン２００ｂ１を引き出すように構成されたグリッパ機構を含む。図３Ａにおいて、グリッパ機構は、グリッパアクチュエータ２０６と、可動アーム２０６ａとを含む。グリッパアクチュエータ２０６の作動により、可動アーム２０６ａは、（ｉ）図３Ｂに示すような導電性ピン２００ｂ１と係合する開位置と、（ｉｉ）図３Ｃに示すように、咬持されている被加工物１０２ａ２に向かう運動位置において導電性ピン２００ｂ１を保持する閉位置との間を移動するように構成されている。図３Ｂに示すように、可動アーム２０６ａは、導電性ピン２００ｂ１をソノトロード２０２ｂと閉位置において位置合わせし、導電性ピン２００ｂ１をソノトロード２０２ｂに対して適所に保持する。溶接ヘッドアセンブリ１１２は、引き出された導電性ピン２００ｂ１を被加工物に向かって運搬し、導電性ピン２００ｂ１を咬持されている被加工物１０２ａ２に超音波溶接するように構成されている。
【0020】
具体的に図４を参照すると、溶接ヘッドアセンブリ１１２は、導電性ピン供給部２００ｂから導電性ピン２００ｂ１を引き出すように構成された他のグリッパ機構を含む。図４において、グリッパ機構は、グリッパアクチュエータ２０８と、可動アーム２０８ａと、固定アーム２０８ｂとを含む。グリッパアクチュエータ２０８の作動により、可動アーム２０８ａは、（ｉ）導電性ピン２００ｂ１と係合する開位置と、（ｉｉ）咬持されている被加工物１０２ａ２に向かう運動位置において導電性ピン２００ｂ１を保持する閉位置との間を移動するように構成されている。図４に示すように、可動アーム２０８ａは移動して閉位置において導電性ピン２００ｂ１を固定アーム２０８ｂに対して固定するものであり、それによって導電性ピン２００ｂ１がソノトロード２０２ｂに対して位置調整される。溶接ヘッドアセンブリ１１２は、引き出された導電性ピン２００ｂ１を咬持されている被加工物１０２ａ２に向かって運搬し、導電性ピン２００ｂ１を咬持されている被加工物１０２ａ２に超音波溶接するように構成されている。
【0021】
具体的に図３Ａ～図３Ｃおよび図４並びに詳細な図３Ｄに示す導電性ピン２００ｂ１を参照すると、導電性ピン２００ｂ１は図２Ａ～図２Ｃにおける導電性ピン２００ａ１と比べて異なる構成を有する。導電性ピン２００ｂ１は、本体部分２００ｂ１ａと、溶接部分２００ｂ１ｂと、自由端部２００ｂ１ｃとを含む。溶接部分２００ｂ１ｂを介して被加工物に溶接された後、本体部分２００ｂ１ａは溶接部分２００ｂ１ｂから自由端部２００ｂ１ｃまで実質的に垂直に延び得る。自由端部２００ｂ１ｃ（または溶接された導電性ピン２００ｂ１の他の部分）はその与えられた被加工物で必要とされる電気接続のために利用可能である。
【0022】
本発明の態様は、具体的には導電性ピンを被加工物に溶接する超音波溶接システムに関するが、それに限定されるものではないことを理解されたい。例えば、本発明のいくつかの例示的な実施形態によれば、ソノトロードは、導電性ピンを被加工物に溶接し、また、他の導体（例えば、電力端子などの導電性端子）を当該被加工物に溶接するように構成されている。ソノトロードは、単一の作業領域（例えば、図２Ｂに示す作業面２０２ａ２など）を用いて、導電性ピンと電力端子などの他の導体との両方を溶接してもよい。しかしながら、本発明の他の実施形態では、ソノトロードは、被加工物に溶接するための導電性ピンに接触するように構成された第１の領域と、被加工物に溶接するための電力端子に接触するように構成された第２の領域とを含む。
【0023】
本発明の他の例示的な実施形態では、超音波溶接システムは第２の超音波変換器を有する第２の溶接ヘッドアセンブリを含み、当該第２の超音波変換器は第２のソノトロードを運搬するものであり、この第２の溶接ヘッドアセンブリは電力端子を被加工物に溶接するように構成されている。具体的に図５を参照すると、超音波溶接システム５００が示されている。超音波溶接システム５００は、第１の超音波溶接サブシステム５０２（国際公開第２０１８／１８７３６４号の図１に示す超音波溶接システム１００と実質的に同様であってよく、また、第１の超音波溶接サブシステム５０２がソノトロード１１２ａを含み且つ導電性ピン供給部を含まないことを除いて本明細書に開示の溶接システムと同様であってよい）と、第２の超音波溶接サブシステム５０４とを含む。第２の超音波溶接サブシステム５０４は、例えば、図１に示す超音波溶接システム１００、図２Ａに示す超音波溶接システム１００ａ、図３Ａに示す超音波溶接システム１００ｂ、図４に示す超音波溶接システム１００ｃなどであってよい。第１の超音波溶接サブシステム５０２は或る導体（例えば、電力端子５０６などのより大きな電力導体）を溶接するように構成され、第２の超音波溶接サブシステム５０４は本明細書のように導電性ピンを溶接するように構成されている。図５は超音波溶接システム５００の産出被加工物１０２ａ３'の一例を示す。産出被加工物１０２ａ３'は、基板（符号付けされていない）と、当該基板に超音波溶接される導電性端子５０６と、当該基板に超音波溶接される導電性ピン２００ａ１とを含む。例えば、被加工物１０２ａ３'は、パワー半導体モジュールであってもよく、その場合、導電性端子５０６はパワー半導体モジュールの電力端子であり、また、その場合、導電性ピン２００ａ１はパワー半導体モジュールの信号接続である。
【0024】
図５は、導電性ピン２００ａ１（すなわち、図２Ａの構成と同様）を含む導電性ピン供給部２００ａを示しているが、（超音波溶接システム５０４を含め）超音波溶接システム５００の独創的な特徴は、溶接ヘッドアセンブリへの対応する変更を含め、本発明の範囲内の任意の種類の導電性ピン（例えば、図３Ａに示す導電性ピン２００ｂ１）に適用することができる。
【0025】
本発明のいくつかの例示的な実施形態によれば、溶接操作中、例示的な技術仕様は以下を含む：（ｉ）前記ソノトロードは５～５００ｋｇの結合力で動作するように構成され、前記ソノトロードは５～３００ｋｇの結合力で動作するように構成され、または前記ソノトロードは５～１００ｋｇの結合力で動作するように構成されているものであり；（ｉｉ）前記ソノトロード先端の運動振幅は５～１５０ミクロンであり、または前記ソノトロード先端の運動振幅は５～１２０ミクロンであり、または前記ソノトロード先端の運動振幅は５～１００ミクロンであり；（ｉｉｉ）前記ソノトロードは、被加工物の第１の部分と被加工物の第２の部分との間に１．５～３０ｍｍ２の範囲の面積を有する超音波溶接を形成するように構成され、または被加工物の第１の部分と被加工物の第２の部分との間に１．５～２０ｍｍ２の範囲の面積を有する超音波溶接を形成するように構成され、または被加工物の第１の部分と被加工物の第２の部分との間に１．５～１６ｍｍ２の範囲の面積を有する超音波溶接を形成するように構成されているものであり、（ｉｖ）前記ソノトロードは１５～４０ｋＨｚの範囲の周波数で動作するように構成され、または前記ソノトロードは２０～３５ｋＨｚの範囲の周波数で動作するように構成され、または前記ソノトロードは２０～３０ｋＨｚの範囲の周波数で動作するように構成されているものである。接触要素（被加工物におけるソノトロードが接触する部分）の導電性接触の例示的な厚さは、０．２～３ｍｍ、０．２～１．５ｍｍ、および０．２～１．２ｍｍを含む。
【0026】
具体的に示されていなくても、本発明の範囲内で変形形態が企図される。例えば、本発明のいくつかの例示的な実施形態によれば、溶接ヘッドアセンブリは、導電性ピンの対応するキー（ｋｅｙｉｎｇ）機構と位置合わせするように構成されたキー機構を定義してもよく、それにより、溶接ヘッドアセンブリによって保持されている導電性ピンがソノトロードと適切に位置合わせされるようになっている。図６Ａ～図６Ｄおよび図６Ｅ～図６Ｇは本発明のそのような実施形態の例を示す。図６Ａ～図６Ｄ及び図６Ｅ～図６Ｇの導電性ピン及びソノトロードは、本明細書に開示された超音波溶接システム（例えば、超音波溶接システム１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、５０４、及び７００）、又は本発明の範囲内のその他の任意の超音波溶接システムのいずれかと関連して実施され得る。
【0027】
図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ、本体部分６００ａ１ａと、溶接部分６００ａ１ｂと、自由端部６００ａ１ｃと、キー機構６００ａ１ｄとを含む導電ピン６００ａ１（例えば、丸い導電ピン）の側面図及び上面図である。導電性ピン６００ａ１のキー機構６００ａ１ｄは溶接ヘッドアセンブリ（例えば、キー溝）の対応するキー機構と位置合わせするのに用いられ、それにより、溶接ヘッドアセンブリによって保持されている導電性ピン６００ａ１がソノトロード６０２ａに対して適切に位置合わせされるようになっている。溶接部分６００ａ１ｂを介して被加工物に溶接された後、本体部分６００ａ１ａは溶接部分６００ａ１ｂから自由端部６００ａ１ｃまで実質的に垂直に延び得る。自由端部６００ａ１ｃ（または溶接された導電性ピン６００ａ１の他の部分）はその与えられた被加工物で必要とされる電気接続のために利用可能である。図６Ｃはソノトロード６０２ａの端面図であり、ソノトロード６０２ａによって定義された減圧チャネル６０２ａ１を含むことが示されている。減圧チャネル６０２ａ１において、ソノトード６０２ａはキー機構６０２ａ１ｄ（例えば、凹部）を定義する。導電性ピン６００ａ１がソノトロード６０２ａと係合するとき、キー機構６００ａ１ｄがキー機構６０２ａ１ｄと係合する。図６Ｄは、溶接ヘッドアセンブリ（図示していないが、様々な図面における溶接ヘッドアセンブリ１１２を参照）のソノトロード６０２ａに対して位置合わせされた導電性ピン６００ａ１を示す。
【0028】
図６Ｅおよび図６Ｆは、それぞれ導電性ピン６００ｂ１（例えば、「Ｌ」形状を有する導電性ピン）の側面図および上面図であり、本体部分６００ｂ１ａと、溶接部分６００ｂ１ｂと、自由端部６００ｂ１ｃと、キー機構６００ｂ１ｄ（例えば、突起部）とを含むことが示されている。導電性ピン６００ｂ１が溶接ヘッドアセンブリのグリッパアーム２０６ａ'によって適所に保持されるように、導電性ピン６００ｂ１のキー機構６００ｂ１ｄを用いて（図３Ａ～図３Ｃのグリッパアーム２０６ａと同様に）グリッパアーム２０６ａ'の対応するキー機構（例えば、キー溝）と位置合わせしてもよく、それによって、ソノトロード６０２ａに対して導電性ピン６００ｂ１が位置合わせされる。溶接部分６００ｂ１ｂを介して被加工物に溶接された後、本体部分６００ｂ１ａは溶接部分６００ｂ１ｂから自由端部６００ｂ１ｃまで実質的に垂直に延び得る。自由端部６００ｂ１ｃ（または溶接された導電性ピン６００ｂ１の他の部分）はその与えられた被加工物で必要とされる電気接続のために利用可能である。図６Ｇは、導電性ピン６００ｂ１と係合したグリッパアーム２０６ａ'の上面図である。グリッパアーム２０６ａ'はキー機構２０６ａ'１（すなわち、凹部）を定義する。導電性ピン６００ｂ２がグリッパアーム２０６ａ'と係合するとき、キー機構２０６ａ'１はキー機構６０２ｂ１ｄと係合する。
【0029】
図６Ａ～図６Ｇに関連して図示し説明するキー機構は、本質的に例示的なものであり、本発明の範囲内で代替的なキー機構または位置合わせ機構が企図される。例えば、キー機構６００ａ１ｄは導電性ピン６００ａ１の本体部分６００ａ１ａから突出するが、ソノトロード（またはボンドヘッドアセンブリの他の部分）の嵌合するキー機構が突出機構である場合、そのような導電性ピンに関しては凹んだキー機構を用いてもよい。
【0030】
さらに、本発明のいくつかの例示的な実施形態によれば、ソノトロード（またはグリッパ機構などの溶接ヘッドアセンブリの他の態様）はピックツールとして機能しなくてもよい。むしろ、超音波溶接システムは、導電性ピン供給部から導電性ピンを引き出すように構成されたピックツールをさらに含んでもよく、その場合、その引き出された導電性ピンは被加工物に溶接するために溶接ヘッドアセンブリに移送される。
【0031】
具体的に図７を参照すると、超音波溶接システム７００が示されている。超音波溶接システム７００（これは、上記で詳細に説明した本明細書の超音波溶接システムに類似する）はピックツール７０２を含む。ピックツール７０２は接触部分７０２ａを含む。本発明のいくつかの例示的な実施形態によれば、ピックツール７０２は導電性ピン供給部２００ａから導電性ピン２００ａ１を引き出す（または受け取る）。導電性ピン２００ａ１は被加工物１０２ａ２に溶接するために溶接ヘッドアセンブリ１１２に移送される。接触部分７０２ａは、導電性ピン供給部２００ａから導電性ピン２００ａ１を取り出し且つ導電性ピン２００ａ１を溶接ヘッドアセンブリ１１２のソノトロード２０２ａに移送する際に係合する複数の異なる代替的な構成を有し得る。接触部分７０２ａの例示的な構成としては、とりわけ、磁気式保持機構、機械的グリッパ機構、減圧ベースの保持機構が含まれる。
【0032】
再び図７を参照すると、ピックツール７０２は、導電性ピン２００ａ１を保持すると、導電性ピン２００ａ１の移送のためにソノトロード２０２ａに向かって動くことができる（ソノトロード２０２ａと係合した導電性ピン２００ａ１の点線部分を参照）。代替的に、ソノトロード２０２ａが（溶接ヘッドアセンブリ１１２によって運搬され）、導電性ピン２００ａ１の移送のためにピックツール７０２に向かって動かされてもよい。更なる他の代替例では、ピックツール７０２とソノトロード２０２ａの両方が、導電性ピン２００ａ１の移送のために互いに向かって動かされてもよい。図７は、（すなわち、図２Ａの構成と同様に）導電性ピン２００ａ１を含む導電性ピン供給部２００ａを示しているが、超音波溶接システム７００の独創的な特徴は、溶接ヘッドアセンブリの対応する変更と共に、本発明の範囲内で任意の種類の導電性ピン（例えば、図３Ａに示す導電性ピン２００ｂ１）に適用することができる。
【0033】
本発明を特定の実施形態を参照して本明細書において図示し説明したが、本発明はその示した詳細に限定されることを意図していない。むしろ、特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、本発明から逸脱することなく、詳細に亘って種々の変更が可能である。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図6G】
【図7】
【国際調査報告】