Pin针超声焊接的焊接头结构、Pin针结构及焊接装置、方法
阅读说明：本技术 Pin针超声焊接的焊接头结构、Pin针结构及焊接装置、方法 (Welding head structure for ultrasonic welding of Pin needle, Pin needle structure, welding device and welding method ) 是由 潘昭海 方杰 冯加云 徐凝华 贺新强 张贤坤 曾雄 翁嘉男 于 2021-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种Pin针超声焊接的焊接头结构、Pin针结构及焊接装置、方法,该焊接头结构包括焊接头本体,所述焊接头本体呈柱状,其内部中心处具有沿其轴向延伸的空腔,所述空腔的一端延伸至所述焊接头本体一端的端面并在所述端面的中心形成开口；所述焊接头本体的内部在靠近所述空腔的另一端处开设有气体通道,所述气体通道连通所述空腔；或所述空腔的内壁上在靠近所述开口处设置有至少一个弹性圈,所述弹性圈嵌设于所述空腔的内壁且其表面凸出于所述空腔的内壁面。基于本发明的技术方案,焊接头利用真空吸附结构或弹性圈结构对Pin针进行吸附并固定,保证了Pin针在焊接头本体内部以及后续超声焊接过程中的衬板或模块上的定位精度。(The invention provides a welding head structure for ultrasonic welding of a Pin needle, the Pin needle structure, a welding device and a welding method, wherein the welding head structure comprises a welding head body, the welding head body is columnar, a cavity extending along the axial direction of the welding head body is arranged in the center of the welding head body, one end of the cavity extends to the end face of one end of the welding head body, and an opening is formed in the center of the end face; a gas channel is arranged at the other end of the inside of the welding head body, which is close to the cavity, and the gas channel is communicated with the cavity; or at least one elastic ring is arranged on the inner wall of the cavity close to the opening, the elastic ring is embedded in the inner wall of the cavity, and the surface of the elastic ring protrudes out of the inner wall surface of the cavity. Based on the technical scheme of the invention, the welding head utilizes the vacuum adsorption structure or the elastic ring structure to adsorb and fix the Pin needle, thereby ensuring the positioning accuracy of the Pin needle in the welding head body and on a lining plate or a module in the subsequent ultrasonic welding process.)
技术领域
本发明涉及功率半导体器件技术领域，特别地涉及一种Pin针超声焊接的焊接头结构、Pin针结构及焊接装置、方法。
背景技术
随着新能源汽车的崛起，IGBT(绝缘栅双极晶体管)模块凭借输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快、工作频率高等特点，在电动汽车中的应用越来越广泛。目前，传统的带有Pin针的IGBT模块结构，通常采用方形的Pin针通过机械力插入到针座上(或是采用一体化Pin针)，Pin针和针座均是采用焊料焊接的方式实现联接。
但是，IGBT模块应用在汽车领域中时，其对IGBT模块的抗震、抗温度变化以及寿命可靠性的要求非常严格。采用传统的焊料焊接的方式，联接处的焊层为模块的薄弱点，应用过程中存在Pin针脱落的风险。另外，采用焊料焊接的方式，Pin针定位难度大，且位置度偏差大、定位精度低。在后续的组装过程中，容易造成Pin针与盖板和PCB板相互干涉的问题。
因此，需要提出一种基于超声焊接的焊接头结构、Pin针结构以及焊接方法来解决上述问题。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种Pin针超声焊接的焊接头结构、Pin针结构及焊接装置、方法，针对超声焊接的焊接头进行设计，利用真空吸附结构或弹性圈结构对Pin针进行吸附并固定，保证了Pin针在焊接头本体的定位精度，以及在后续超声焊接过程中在衬板或模块上的定位精度。
第一方面，本发明提出了一种Pin针超声焊接的焊接头结构，包括焊接头本体，所述焊接头本体呈柱状，其内部中心处具有沿其轴向延伸的空腔，所述空腔的一端延伸至所述焊接头本体一端的端面并在所述端面的中心形成开口；
所述焊接头本体的内部在靠近所述空腔的另一端处开设有气体通道，所述气体通道连通所述空腔；或
所述空腔的内壁上在靠近所述开口处设置有至少一个弹性圈，所述弹性圈嵌设于所述空腔的内壁且其表面凸出于所述空腔的内壁面。
在一个实施方式中，所述焊接头本体的所述端面上开设有多个焊槽，所述端面上位于所述多个焊槽之间的部分形成第一焊齿。
在一个实施方式中，所述多个焊槽的整体布局呈网状，所述第一焊齿为方格状。
在一个实施方式中，所述端面上靠近所述开口的部分位于所述焊槽的分布范围之外，所述靠近所述开口处的部分为环绕所述开口的环形的第二焊齿。通过本实施方式，第二焊齿在接触Pin针的表面时，能够在开口的外围形成环状的相对密封的接触面，以保证空腔内部相对外部的密封性，并以此保证真空吸附的吸附效果。
在一个实施方式中，所述弹性圈为沿所述空腔的内壁周向连续延伸的一体式环形结构；或所述弹性圈为由多个沿所述空腔的内壁周向间隔分布的部分组成的分体式环形结构。
第二方面，本发明提出了一种Pin针超声焊接的Pin针结构，其应用于上述的焊接头结构，其包括：
联接座，所述联接座为平板结构，其形状为圆形、正方形或其他正多边形；
联接本体，所述联接本体为实心柱状结构或空心管状结构，其一端固定于所述联接座的中心；
其中，所述联接本体能够容纳于所述焊接头结构中的焊接头本体上的空腔中，且所述联接本体容纳于所述空腔中时，所述联接座的表面与所述焊接头本体的端面接触。
在一个实施方式中，所述联接本体的外径比所述空腔的内径小0.01-0.3mm，所述联接本体的长度比所述空腔的长度小0.5-5mm。
在一个实施方式中，所述联接座的厚度为0.1-2mm。
在一个实施方式中，所述Pin针结构的材质为TU1无氧铜或TU2无氧铜，其硬度为50-120HV。
第三方面，本发明提出了一种Pin针超声焊接的焊接装置，其包括上述的焊接头结构，其还包括：
移动支架，所述移动支架能够在水平面内移动；
连接轴，所述连接轴垂直地连接在所述移动支架的下方，其底部末端连接所述焊接头结构中的焊接头本体；
其中，所述焊接头本体能够沿所述连接轴移动且能够绕所述连接轴旋转。
在一个实施方式中，还包括抽真空部件，所述抽真空部件通过所述焊接头本体内部的气体通道连通所述焊接头本体内部的空腔。
第四方面，本发明提出了一种Pin针超声焊接的焊接方法，其应用于上述的焊接装置，其包括以下步骤：
S1、Pin针输送至焊接工位处；
S2、所述焊接装置中的焊接头本体移动至所述Pin针的上方并下降，将所述Pin针的联接本体完全容纳于其内部的空腔中；
S3、所述焊接头本体水平移动并带动所述Pin针移动至预定的焊接位置，进行超声焊接；
S4、所述焊接头本体上升至与所述Pin针完全分离，并水平移动进行复位。
在一个实施方式中，步骤S2中：
对于内部具有空气通道的所述焊接头本体，在所述Pin针的联接本体完全容纳于所述空腔中后，通过抽真空部件在所述空腔中形成真空，以固定所述Pin针。
在一个实施方式中，步骤S4中：
对于内部具有空气通道的所述焊接头本体，在所述焊接头本体上升至与所述Pin针完全分离前，先通过抽真空部件向所述空腔中通入气体至常压或高压。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明提供的一种Pin针超声焊接的焊接头结构、Pin针结构及焊接装置、方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
本发明的一种Pin针超声焊接的焊接头结构、Pin针结构及焊接装置、方法，对超声焊接的焊接头进行针对性设计，利用真空吸附结构或弹性圈结构对Pin针进行吸附并固定，保证了Pin针在焊接头本体的定位精度，以及在后续超声焊接过程中在衬板或模块上的定位精度。并且，相较于现有的复杂的定位工装，整个焊接头的结构也更加简单。同时，本发明的焊接头基于超声焊接，相较于现有的焊料焊接，其焊接结构的可靠性更高。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1显示了本发明的焊接头本体其中一种结构的端部示意图；
图2显示了图1所示的焊接头本体与Pin针配合时的结构剖面图；
图3显示了本发明的焊接头本体另一种结构的端部示意图；
图4显示了图3所示的焊接头本体的端部结构的剖面图；
图5显示了图3所示的焊接头本体与Pin针配合时的端部结构的剖面图；
图6至图8分别显示了本发明的Pin针结构的三种不同结构的示意图；
图9显示了本发明的焊接头本体与Pin针在焊接过程中的配合状态变化图；
图10显示了本发明的焊接装置的结构示意图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
附图标记：
10-焊接头本体，101-气体通道，102-焊槽，103-第一焊齿，104-第二焊齿，11-空腔，111-开口，12-扩径部，20-弹性圈，30-Pin针，31-联接座，32-联接本体，40-移动支架，50-连接轴。
具体实施方式
下面将结合以下实施例以及附图对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种Pin针超声焊接的焊接头结构，包括焊接头本体10，焊接头本体10呈柱状，其内部中心处具有沿其轴向延伸的空腔11，空腔11的一端延伸至焊接头本体10一端的端面并在端面的中心形成开口111；
焊接头本体10的内部在靠近空腔11的另一端处开设有气体通道101，气体通道101连通空腔11；或
空腔11的内壁上在靠近开口111处设置有至少一个弹性圈20，弹性圈20嵌设于空腔11的内壁且其表面凸出于空腔11的内壁面。
具体地，如附图图1至图5所示，本发明的焊接头结构主要包括焊接头本体10，焊接头本体10呈柱状，实际应用中通常为倒锥形的柱状结构，利于承压，结构更加稳定。焊接头本体10内部开设有空腔11，空腔11位于焊接头本体10的中心处，空腔11沿焊接头本体10的轴向延伸至焊接头本体10的端面并在该端面上形成开口111。空腔11的形状为柱状，其用于容纳待焊接的Pin针30。在焊接之前，焊接头本体10需要带动待焊接的Pin针30进行移动定位，在焊接过程中，焊接头本体10需要保持Pin针30的位置固定。所以焊接头本体10上需要进一步设置用于固定Pin针30的结构，本实施例对以下两种固定结构进行详细说明：
其一，焊接头本体10可以采用真空吸附的方式实现对于Pin针30的固定，具体如附图图1与图2所示。焊接头本体10内部进一步开设有连通空腔11的气体通道101，气体通道101与外部的抽真空部件连通。此时，空腔11在容纳Pin针30之后需要保留一部分空间用于制造真空，同时空腔11与Pin针30之间保持密封接触以实现空腔11的相对密封。
焊接时，如附图图9所示。首先，使待焊接的Pin针30容纳于空腔11之中，抽真空部件运转并通过空气通道将空腔11内的气体抽出并制造真空环境，Pin针30在内外压差的作用下保持与焊接头本体10的固定；然后，焊接头本体10带动Pin针30进行移动定位，定位完成后，超声焊接装置通过焊接头本体10向Pin针30以及焊接区域的结构传递高频振动，进行超声焊接；焊接完成后，抽真空部件通过空气通道向空腔11内注入气体，消除真空以及内外压差，Pin针30与焊接头本体10之间可以正常分离。
其二，焊接头本体10可以采用摩擦力卡接的方式实现对于Pin针30的固定，如附图图3至图5所示。空腔11内部靠近开口111处设置有弹性圈20，Pin针30在容纳至空腔11中时，会挤压弹性圈20，弹性圈20与Pin针30之间相互挤压并具有较大的摩擦力，以此实现焊接头本体10与Pin针30的相对固定。该结构中，在焊接完成时，Pin针30与对应的焊接区域固定，焊接头本体10只需向上移动即可实现与Pin针30的分离。
在一个实施例中，焊接头本体10的端面上开设有多个焊槽102，端面上位于多个焊槽102之间的部分形成第一焊齿103。
多个焊槽102的整体布局呈网状，第一焊齿103为方格状。
具体地，如附图图1所示，焊接头本体10的端面上具有网状的焊槽102并以此形成方格状的第一焊齿103，第一焊齿103用于增大焊接头本体10与待焊接Pin针30之间的压力，并在超神焊接过程中嵌入Pin针30表面，以稳定的传递高频振动。
需要说明的是，多个焊槽102形成的纹路的整体形状以及第一焊齿103的形状可以根据实际情况进行选择性设置。
在一个实施例中，端面上靠近开口111的部分位于焊槽102的分布范围之外，靠近开口111处的部分为环绕开口111的环形的第二焊齿104。
具体地，如附图图1所示，焊槽102的分布范围并未完全覆盖焊接头本体10的端面，焊槽102的分布区域整体呈环形，而端面上靠近开口111处的部分位于焊槽102的分布范围之外并呈现环绕开口111的完整的圆环形，是为第二焊齿104。第二焊齿104的作用是接触Pin针30的表面时，在开口111的外围形成环状的相对密封的接触面。在焊接头本体10采用真空吸附的方式来固定Pin针30时，第二焊齿104能够保证空腔11内部相对外部的密封性，以此保证真空吸附的效果。
优选地，第二焊齿104的宽度为0.05-1mm。
在一个实施例中，弹性圈20为沿空腔11的内壁周向连续延伸的一体式环形结构；或
弹性圈20为由多个沿空腔11的内壁周向间隔分布的部分组成的分体式环形结构。
具体地，基于焊接头本体10采用弹性圈20来固定Pin针30的方案中，弹性圈20可以采用完整环状的一体式结构，也可以采用由多个相互间隔的部分构成的分体式结构，以适应不同的使用需求。
例如，如果Pin针30是如附图图6、图7所示的圆柱状结构时，弹性圈20采用一体式结构更为适合。而如果Pin针30是如附图图8所示的方柱状结构时，方形的一体式结构的弹性圈20制造不方便，进而采用分体式结构更为适合。
本发明提供了一种Pin针超声焊接的Pin针结构，其应用于上述的焊接头结构，其包括：
联接座31，联接座31为平板结构，其形状为圆形、正方形或其他正多边形；
联接本体32，联接本体32为实心柱状结构或空心管状结构，其一端固定于联接座31的中心；
其中，联接本体32能够容纳于焊接头结构中的焊接头本体10上的空腔11中，且联接本体32容纳于空腔11中时，联接座31的表面与焊接头本体10的端面接触。
具体地，如附图图6至图8所示，Pin针30包括联接座31与联接本体32两个部分，整体呈倒T字形。在焊接时，联接本体32容纳至焊接头本体10的空腔11中，联接座31表面与焊接头本体10的端面接触，用以传递振动，如附图图2与图5所示。联接座31的形状通常采用圆形、正方形或其他正多边形，也可以根据实际的焊接结构的需要采用其他形状，但一般采用规则形状。联接座31的大小通常与对应的焊接头本体10的端面的大小相同。
优选地，联接本体32的外径比空腔11的内径小0.01-0.3mm，联接本体32的长度比空腔11的长度小0.5-5mm。
具体地，联接本体32在容纳至空腔11中后需要保持位置的固定，不产生偏移、晃动，故联接本体32的外径与空腔11的内径应该作限定。理论上，联接本体32的外径与空腔11的内径相同即可，但实际应用中考虑装配的难易程度、方便性以及二者表面的粗糙度，故二者采用类似间隙配合。结合部件的实际尺寸，设置为联接本体32的外径比空腔11的内径小0.01-0.3mm。
同时，空腔11的长度需要大于联接本体32的长度，在联接本体32在容纳至空腔11中后，空腔11中存在一定空间用以制造真空环境。进一步结合部件的实际尺寸、重量，设置为联接本体32的长度比空腔11的长度小0.5-5mm，以此能够满足Pin针30在真空吸附时的稳定性。
优选地，联接座31的厚度为0.1-2mm。
优选地，Pin针结构的材质采用TU1无氧铜或TU2无氧铜，其硬度为50-120HV。
本发明提供了一种Pin针超声焊接的焊接装置，其包括上述的焊接头结构，其还包括：
移动支架40，移动支架40能够在水平面内移动；
连接轴50，连接轴50垂直地连接在移动支架40的下方，其底部末端连接焊接头结构中的焊接头本体10；
其中，焊接头本体10能够沿连接轴50移动且能够绕连接轴50旋转。
具体地，如附图图10所示，焊接装置包括移动支架40、连接轴50以及焊接头本体10，其中连接轴50垂直的设置在移动支架40的下方，焊接头本体10设置在连接轴50的底部末端。在使用过程中，移动之间带动连接轴50与焊接头本体10来与Pin针30进行装配，并通过移动带动Pin针30进行定位。焊接头本体10可以沿连接轴50上下移动以及绕连接轴50旋转。其中，焊接头本体10沿连接轴50上下移动可以分别实现与Pin针30的装配以及分离；焊接头本体10绕连接轴50旋转则是采用旋转来代替现有技术中的平移来进行焊接，采用旋转摩擦来实现超声焊接。
需要说明的是，带动焊接头本体10平移以及旋转的结构在现有技术中都具有成熟的应用，在此不做赘述。
在一个实施例中，还包括抽真空部件，抽真空部件通过焊接头本体10内部的气体通道101连通焊接头本体10内部的空腔11。
具体的，抽真空部件(附图中未示出)通过开设在连接轴50内部的通道连接焊接头本体10内部的气体通道101，并以此连接焊接头本体10内部的空腔11。
本发明提供了一种Pin针超声焊接的焊接方法，其应用于上述的焊接装置，其包括以下步骤：
S1、Pin针输送至焊接工位处；
S2、焊接装置中的焊接头本体移动至Pin针的上方并下降，将Pin针的联接本体32完全容纳于其内部的空腔11中；
对于内部具有空气通道的焊接头本体，在Pin针的联接本体完全容纳于空腔中后，通过抽真空部件在空腔中形成真空，以固定Pin针；
S3、焊接头本体水平移动并带动Pin针移动至预定的焊接位置，进行超声焊接；
S4、焊接头本体上升至与Pin针完全分离，并水平移动进行复位；
对于内部具有空气通道的焊接头本体，在焊接头本体上升至与Pin针完全分离前，先通过抽真空部件向空腔中通入气体至常压或高压。
具体地，如附图图9所示，焊接的过程为：首先，Pin针30通过卷带/振动盘等方式来料至焊接工位；然后，移动支架40带动焊接头本体10移动至待焊接的Pin针30的上方，焊接头本体10沿连接轴50下降至与Pin针30进行装配并相对固定；之后，移动支架40带动装配了Pin针30的焊接头本体10移动至衬板或模块扇上的预定的焊接区域，进行Pin针30的焊接定位；而后，焊接头本体10将Pin针30定位在预定的焊接区域上并向下加压，超声设备启动，同时焊接头本体10旋转进行焊接；最后，焊接完成后，焊接头本体10停止旋转并沿连接轴50上升至与Pin针30完全分离，并进行移动复位。
上述焊接过程中，针对采用真空吸附Pin针30的焊接头本体10，需要进行额外的步骤，即：在带动Pin针30进行移动定位之前，需要通过抽真空部件进行空腔11的抽真空以吸附固定Pin针30；在进行移动与Pin针30分离前，需要向空腔11中注入气体至常压或高压，以消除真空带来的内外压差。对于采用弹性圈20固定Pin针30的焊接头本体10，无需进行上述额外步骤。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。