用于球型焊接绝缘线的丝焊器及其使用方法.pdf

本发明提出了用于将绝缘线(100)连接到某一表面(110)的引线接合器。该结合器包括连接头(106，114)，该连接头有一个与上述表面(100)邻近的结合位置以及一个与表面(110)分离的连线准备区域。在连接头上(106，114)有接线座(106)。当接线头(106，114)在隔离出的位置时，接线座(106)的大小和形状允许绝缘线(100)的自由端从引线结合器(106)中伸出来。当连接头(106，114)处于隔离的位置时，为上述连接头(106，114)提供了一个绝缘线(100)的自由端的来源(102)，同样的，在连接头的附近还提供了一个放电棒(112)。该放电棒(112)引导足够的电流到伸出的绝缘线(100)自由端从而在自由端(104)形成焊接球。与绝缘线(100)相连的地(124)，提供了适合大小和位置的地(124)来将电能量引导出绝缘的结合线(100)，从而防止了连接线与自由端(104)之间的绝缘被破坏。

1.  用于将绝缘线焊接到表面上的丝焊器，包括：
焊接头，该焊接头具有邻近所述表面的焊接位置和与所述面以一定距离间隔的导线预备位置；
位于所述焊接头上的引线座，当所述焊接头位于一定距离间隔的位置时，引线座的尺寸与形状可以允许所述绝缘导线的一个自由端可以从引线座中伸出来；
所述焊接头的绝缘导线源；
放电棒，当所述焊接头位于一定距离间隔的位置时，该放电棒位于所述焊接头的附近，以引导足够的电流到所述绝缘导线伸出的自由端上，并在此自由端形成焊接球；
与所述绝缘线相关的地，该地的大小与位置可以将电能量从所述焊接线上传输出去，从而防止在此焊接线上远离所述自由端的绝缘体被破坏。

2.  根据权利要求1所述的丝焊器，其中所述的地包括第一个地，其形式为靠近所述导线自由端的导电的引线座。

3.  根据权利要求2所述的丝焊器，其中所述的导电的引线座是毛细管。

4.  根据权利要求3所述的丝焊器，其中所述的毛细管由部分绝缘介质和部分导电物质组成。

5.  根据权利要求3所述的丝焊器，其中所述毛细管由碳化钨组成。

6.  根据权利要求2至5中的一或数条要求的丝焊器，其中所述毛细管包含形成在其中的导线接受管。

7.  根据权利要求6所述的丝焊器，其中所述导线接收管逐渐变细形成一个孔颈，该孔颈具有能使其紧密包围所述的绝缘导线的尺寸与形状，同时仍然允许所述导线自由地通过该孔颈。

8.  根据权利要求7所述的丝焊器，其中所述的地位于所述的孔颈附近。

9.  根据权利要求8所述的引线座，其中所述孔颈位于所述毛细管的一端的附近，在该处伸出所述导线的一个自由端。

10.  根据权利要求1所述的丝焊器，其中所述的地包围所述的绝缘导线，并且紧密地靠近绝缘线伸出引线座的位置。

11.  根据权利要求1所述的丝焊器，其中所述的地包括第二个地，其形式为在所述导线的线轴端点处与地的电气连接。

12.  根据权利要求1至10中任一所述的丝焊器，其中所述丝焊器包含一个导线路径，该通道在所述绝缘导线的自由端和线轴端点之间延伸，所述导线路径与地隔离。

13.  一种焊接绝缘导线的方法，包括以下步骤：
向焊接头引入绝缘导线，直到绝缘导线涨出焊接头形成一个自由端；
在所述自由端释放电弧，从而形成焊接球；
在所述导线的任一端将所述绝缘线接地，从而防止所述放电电流在沿着所述导线，在除了所述端点之外的任何地方流入地；
推进所述焊接头到面上，将所述焊接球与所述绝缘线附着在面上。

14.  根据权利要求13所述的焊接绝缘线的方法，进一步包括，将绝缘线的来源与所述焊接头之间的导线路径隔离开的步骤。

15.  根据权利要求13所述的焊接绝缘线的方法，其中将所述绝缘线接地的措施包括，通过采用导电物质来制成焊接头从而将所述绝缘线的自由端接地的措施。

16.  根据权利要求15所述的焊接绝缘线的方法，其中将所述绝缘线接地的措施还包括，在所述的绝缘导线伸出所述焊接头的地方，用所述的导电的焊接头紧密的包围所述的绝缘线。

17.  用来将非绝缘丝焊器转换为绝缘丝焊器的套件，所述套件包括：
用来焊接绝缘导线的替换焊接头，其尺寸与形状使其可以替换适用于非绝缘导线的焊接头；
与所述替换焊接头有关联的引线座，可以允许绝缘线从所述的焊接头处伸出一个自由端；
位于所述绝缘导线的一端或两端的地，所述地的大小与形状使得在所述绝缘导线的所述自由端处的电流被引导到所述的地，并且不会在所述的端点之间沿着所述绝缘导线流入地；

18.  权利要求17的套件，进一步包括用来将所述绝缘导线的第一和第二个发送之间的线的通道隔离的绝缘体。

19.  权利要求17中的套件，其中所述的地包括导电的替换焊接头。

20.  权利要求17中的套件，其中所述的地包括一个位于所述绝缘导线的线轴端点处的与地的电气连接。

用于球形焊接绝缘线的丝焊器及其使用方法
技术领域：
本发明涉及表面焊线领域，特别涉及微焊线，如微电子学中的焊盘、芯片封装、电路板等。
技术背景：
小型化是现代电子设备的特征，小型化之最出现在芯片中，例如它可能出现在各种工艺的硅晶片上。芯片中通常包括密度很高的电子电路，但是，不管芯片中包含的电路多小或多密，它都需要与其它设备连接来形成完整的电子设备。例如，芯片与其它芯片的相连，可能是直接相连或是通过电路板相连，也可能是与其它电子元件直接或间接相连。因此，芯片一般都会拥有输入/输出端口，通常称之为焊盘，使得连接线可以连接或焊接到这些端口上，从而构成一个功能器件。
通常，芯片非常小并且易碎，在制造过程中直接地对它们进行操作非常困难。因而，电子制造商采用了基片或引线框，通常采取将芯片装配到平面状基片的形式。基片包括大量焊盘(有时也称为bond finger)，它们通过焊接线与芯片的焊盘相连。基片上的焊盘通常沿着基片外沿以非接触方式(防止短路)放置。焊盘沿着基片连到芯片引脚(通常是金属或者是焊球连接)，而后这些芯片引脚可以按照电子器件的要求连接到其它元件上。将一个芯片装配到基片上，并且用金属引线将芯片的焊盘与引脚连接起来，从而形成一个“封装”后的芯片。
目前，芯片封装引脚与焊盘之间的连接是通过一个微型焊线焊接机来完成的。如图1所示的典型设备，其中，非绝缘的微型线10从焊接头引出，该焊接头为毛细管引线座12的形式。焊接头是一个可以降低到表面14以完成一个丝焊，而后再上升离开表面14的元件。为了便于线轴上的焊线顺利地通过毛细管，使用了一个线夹18。无论是表面14还是焊接头都可被移动，从而使得焊接头可以接触表面上的不同部位。这样，非绝缘线可以首先连接到表面的某一点，而后连接另一点，来完成所需的电气连接。通常，毛细管12装配在一个超声机械臂20上，该机械臂具有足够的摆动能力和机械压力来将线10焊接到表面14上。
在称为球形楔入(ball-wedge)焊接的焊接方式中，在线10的端点处形成焊接球22(如轮廓图中)。为了形成焊球22，线10的一部分从毛细管12或焊接头中沿着从表面14到自由端11的方向伸出。弧形放电棒24位于焊接头附近，用于在线10的自由端11处释放电弧25的能量。线10在绝缘毛细管的上方独立接地26。从棒24到线10的自由端11之间释放出的电弧，沿着线通到地26。如图所示，为保证与地26的电气连接，线10绕着地26处弯曲。另一方面，地也可以位于夹具18处，如26’所示。
电弧25有足够的能量使线10的自由端11熔化，由于液体的表面张力，熔化的自由端很自然地形成滴状或球状22。球22可被按压并且焊接到表面来形成良好的电气连接。得到球22的方法，意味着更多的导电物质被引入，并且在线/表面焊接处焊接横跨一个更大的横截面形成，提高了线/表面焊接处电气连接的质量和机械强度。而且，焊接球22的出现使得毛细管12可以和表面14靠的足够近以形成焊接，同时避免了与表面14的直接接触。更进一步，利用球连接作为芯片焊盘的第一个焊接，允许焊接头可以在任意方向移动，便于衬底焊点的第二次焊接。这种‘全方向(omni-directional)’焊接是球形焊接方法的一个特征，与‘单向(uni-directional)’的楔入-楔入焊接方法相比，具有灵活性和产量方面的优点。
在这种线焊接方式中，使用的微型线是非绝缘的。芯片的封装与焊盘允许芯片的输入输出由一个足够大的间隙分离开，这样，非绝缘的微型线就不会引起短路。然而，使用非绝缘线，意味着线之间相对较大的距离以及对焊线模式的约束，来避免短路。大间距的要求破坏了小型化，并且产生了不必要的长的电路线，从而降低了装配器件的速度与效率。因此，目前倾向于使用绝缘线。然而，绝缘线不能够用通常的方法焊接。更特别地，一旦放电棒将其能量释放到线上，额外的电流将会沿着线流动，直到抵达遥远的地26。在这点上，额外的电流会穿过绝缘体到达地26，在绝缘体上烧出一个洞，这会导致线的损坏以致不能使用。因此，需要一种焊接方法及设备，既适合于绝缘微型线的使用，又能保留远离焊接区域的焊线地绝缘性能。要克服的困难在于，为解决该与地有关的问题，在焊接头处只有非常有限的空间。
发明内容
按照本发明，希望得到的是一个焊接设备和方法，能有效地将绝缘线焊接到一个表面，并且不会破坏远离焊点的焊接线。这种设备和方法必须与已有装备兼容，使其易于集成到已有装备中。这样就不需要一个全新的焊接设备，仅需将原来的成套设备升级即可。这种装置将易于安装、生产便宜，并且可以提供可靠的绝缘线焊接效果。此外，本解决办法还必须克服微线压焊器中焊接头的有限空间的问题。
因此，根据本发明的一个特征，提出了焊接绝缘线与表面的线压焊器，它包括：
一个焊接头，其焊接位置临近上述表面，其线预备位置与上述表面有一定问隔距离；
位于上述的焊接头之上的线支架，当上述焊接头位于间隔距离位置时，有一定的大小和形状，以允许上述绝缘线的一个自由端从线支架中伸出；
上述焊接头的绝缘线的来源；
一个放电棒，位于上述焊接头的附近，当上述的焊接头位于间隔距离位置时，用来将足够电流直接引到所述的绝缘线伸出的自由端，从而在所述自由端形成一个焊球；
以及一个与上述绝缘线结合的地，这个地具有一定的大小与位置，将电能从上述焊接线上引出，以防止远离上述自由端的焊接线的绝缘被破坏。
根据本发明的另一个特征，提出了一种焊接绝缘线的方法，包括以下的步骤：
通过一个焊接头输送一个绝缘线，直到绝缘线充满焊接头并形成一个自由端；
在上述自由端放电形成焊球；
在上述绝缘线的两端将上述绝缘线接地，防止上述的放电电流从上述绝缘线的除了所述两端之外的任何地方流到地；
将上述焊接头推进到表面上，使上述焊球及绝缘线附着在表面上。
根据本发明的又一特征，提出了将非绝缘线压焊器转变为绝缘线压焊器的成套工具，包括：
替换的焊接头，用来焊接绝缘线，有一定的大小和形状，可以替换适合非绝缘线的焊接头；
与上述替换焊接头有关的线支架，使得绝缘线能充满上述焊接头并形成一个自由端；
在上述绝缘线的任一端放置的一个地，上述地有一定的大小和形状，使得电流从上述自由端流向上述地，并且该电流沿着上述绝缘线在上述两端之间不会流到地。
通过举例的方法，参考以下附图，来说明本发明的优选实施例。
图1是先前常用技术的线压焊器的原理图；
图2是依照本发明的线压焊器的原理图；
图3是按本发明的线支架或绝缘线的毛细管的近视图；
图4是沿图4中线5-5的横截面；
图5展示了本发明中的放电弧；
图6展示了本发明中的焊球。
图2展示了本发明的元件，绝缘焊线100从远离自由端104的绕轴102上伸出来，绕轴起到了为本发明的压焊器提供绝缘线的作用。还展示了一个具有中心孔或管107的，导电的或金属的毛细管106，通过它提供线100。当形成球形焊接的焊球时，毛细管106起到线支架的作用。尽管有许多种材料可以被用来制作毛细管，因为机械强度、导电性与制造的简易性方面的综合优点，首选的是碳化钨毛细管。
线夹具108被放置在毛细管106的上面，远离线100被焊接的表面110。如图所示，放电焊炬112位于线100的自由端104附近，并且常被置于毛细管或线支架的下方。如图所示的超声转换器机械臂114，它产生足够的超声及加压能量，将线自由端形成的焊球压焊到一个表面上。
按本发明的一个特征，图3是毛细管106的放大图。毛细管106的首选形式是接地的金属毛细管，例如接到一个导电的元件上，比如像图2所示的超声转换器114这样的元件，该元件将自行连接到EFO(ElectronicFlame Off)电路的电气地。金属毛细管106上有一个管子107，该管子包括一个紧密地缩减到绝缘线100直径的锥形部分109，最可取的是该锥形部分位于毛细管106的出口附近。本发明中毛细管106的开口大小最好接近线100的直径，但不能太接近以至于引起线100的缠结或是不能顺畅地通过毛细管106。最可取的是，金属毛细管的地在绝缘线伸出管子107的地方紧密地围绕着绝缘线。
图4中展示了图3中的毛细管106在终端处的横截面图。如图所示，绝缘线100具有一个导体的芯120和外围的绝缘体122，金属毛细管106在124处有一个接地的电气连接。应该注意到，本发明包括了不同形式的导电毛细管结构，例如涂有导电层(如金属涂层)的陶瓷毛细管。金属涂层可以完全覆盖一个绝缘芯，或者可以仅仅扩展到芯的一部分，或者，如上所述，该毛细管可以是固体导体材料，例如金属。所要求的是，有一个足以将电弧能量引导到地的导体，如下面详细介绍的那样。因此，提出了多种不同结构的毛细管，在这些毛细管上提供了电气地并与绝缘线结合，这里的地被归类为第一个地。
图5展示了本发明在一个台式的、手工操作的压焊机中的一种操作方式。可以认为，本发明的使用与自动线焊接机(如K&S 8028)的线输送系统一样。第一步是将线夹置于绝缘线上，并使线从毛细管106上的管子107中伸出，直到线的自由端充满毛细管。下一步是使棒112以电荷或电弧形式将电能126释放到线上，如图所示。而后能量126转移到线100上，虽然线是绝缘的，由于能量超过了绝缘材料的击穿电压，所以该电能将穿越绝缘体127到达地电位，在本例中到达电毛细管128处。在该过程中，线100的自由端熔化了，绝缘被破坏，并且形成一个适当的焊球。本质上来说，所需的是控制电弧的能量，使其能穿透线的自由端，但不会破坏远离自由端的线上的绝缘体。这样，在毛细管上提供一个地，可以立即消除多余的电弧能量，从而保存了中间的绝缘体不被破坏。需要的是，在电气地上具有足够的导电率，使得电弧首先转移到线的自由端，然后在线上形成焊球的附近烧穿绝缘体到达电气地。
当绝缘体的击穿电压远低于放电棒提供的电压时，就能取得良好的效果。更明确的是，对于击穿电压在40至200伏特的绝缘体来说，比较可取的放电电压是大于2000伏特。这样，首选的放电电压与击穿电压的比例是最小为10，甚至是50或更高。
现在就能明白为什么在本发明中希望导电毛细管中的管子107逐渐变细，毛细管上的锥形管增强了电弧能量从较窄的孔颈处释放到线上并到达电气地的能力。一旦电弧能量被释放并转移到线的自由端，包着线的绝缘体就会被破坏。既然这样，假如毛细管的孔颈处的开口大小非常接近线的直径，那么线就有可能在其圆周的某些地方与毛细管接触，或者即使没有接触，由于与毛细管足够近，也可以使电弧能量进一步跳变到孔颈处的地。一旦电弧能量离开线，就不会对远离自由端的线或者绝缘体造成进一步破坏。
对于那些熟悉本技术的人们，很明显的，使管子107的孔径逐渐变细，只是增大电气地域线之间距离的一种办法。本发明中还包括了其他的办法，例如让线围绕着触点或类似的东西，不过这不是较佳的选择，因为这使得线的移动没那么自由从而工作起来稍稍有些困难。然而，当电弧放电时，让地紧密地靠近线就可以得到令人满意的结果。在这个意义上来说，紧密地靠近意味着足够靠近就能将多余的电弧能量从线上疏散到地。在自由端电弧能量跳变到线的位置与孔颈附近处电弧能量跳变到地的位置之间的线的绝缘将被破坏。为了限制对绝缘体的破坏，最好将孔颈置于焊球形成的位置附近，这样，到地的跳变也会发生在焊球形成的位置附近。在这种情况下，未受损的绝缘体就会靠近焊球，降低了短路的风险。本质上，需要的是限制焊球附近对绝缘的破坏，未受损的绝缘体越靠近焊球越好。这样，当孔颈位于线伸出毛细管的位置时，可以得到良好的效果。
本发明的另一特征是，电量通过毛细管端点的地时，会遇到一些电阻，这意味着地会起到电阻的作用并产生热量。这些热能中的一部分会传到线上，帮助形成球形焊中的焊球。
图2展示了本发明的另一特征，电弧能量的另一个路径。在这个装置中，能量跳变到自由端，沿着线传输到达线100的绕轴端的第二个地130。于是，按照本发明的另一特征，地130远离球形焊接端点104，位于线100的绕轴端(阀芯端面处)。这样的地130在疏散多余的电荷方面很有用，否则的话，在电弧放电时，尽管有第一个地124，电荷也会沿着绝缘线100一直向上传输。在某些情况下，对于长度短的绝缘线，像下面的例子阐明的那样，只用第二个地130也有可能在线的自由端产生焊球。对于直径为.001英寸的绝缘金线作了一个测试，发现1米长的线的电阻为48欧姆。在线的端点处附着一个变化的电阻，并逐渐增大其阻值来模仿更长的线。在15,000欧姆时，相当于约312米长的线，若其EFO设置与较短的线相同，则更难形成焊球。在100,000欧姆时，相当于约2083米长，若不显著的增大电弧的能量，要形成一个焊球将会非常困难。在这些实验中，毛细管是不导电的。
更进一步，随着电阻的增加，焊球的直径发生一些小变化。本质上，对于同样的电弧能量，电阻越大，形成的焊球越小。同样的，对一个给定的电弧能量(或者是EFO的特定电弧设置)有一个临界点，表现为很大的电阻，以至于电弧不能跳变到线上。因而，对于长的线来说，为确保电弧跳变到线上，需要更多的电弧能量。这样，对于长度较短的引线卷轴或是较低的电弧能量，端点接地可以充分的发挥作用，但是对于长度较长的引线卷轴，除非电弧能量上升，是不会发生作用的。举例来说，对于模拟的1,000英尺到2,000英尺长度范围内的线长，与中等到高容积产量的卷轴大小相一致，可以得到合理的结果。因此，本发明的一个特征是提供了一个将跳变到线的自由端的电弧，在一定的阻值范围(即一定的线长范围)内，焊球的尺寸的改变，不会大到影响到所形成的焊球在表面焊接的效果。这样，即使只采用卷轴端点处的第二个接地，并且随着卷轴上的线长因使用消耗而变短，也不需要调整电弧的能量。
值得重视的是，当使用第二个地的时候，作为一种预防措施，应当使引线卷轴到毛细管之间的绝缘线与任何潜在的地电位保持绝缘，从而防止在远离线的任何一端的绝缘体位置产生不希望的电弧放电。图2展示了附加的绝缘体130被加到线夹108、滑轮134的绝缘体132和引线卷轴102的绝缘体136上。必须明确的是，图中所示的线路径只是示意图，在实际中，线路径取决于焊接器的实际配置，也许会有其它的器件出现或者关于焊接器中线路径的其他定义，特别是因为手动与自动焊接模式以及焊接器的多个制造商的原因。因此，现在可以认为，在传统的焊接器技术中用于非绝缘线接地的地26必须移走或者由一个高度绝缘的材料覆盖，从而防止电弧能量在这个位置通到地并损坏线的绝缘。此外，在线的路径上，位于线的卷轴端和从毛细管中伸出的自由端之间的任何其它部分都需要被绝缘，以防止任何电弧能量穿越并在绝缘体上烧出一个洞。
图6展示了按照本发明形成的焊球200，毛细管106以及在焊球上方绝缘体122被破坏的区域202。图中还展示了表面206，值得重视的是，焊球一被压到表面上，就可使用压力、超声波焊接以及其它类似的方法，在焊球与表面之间形成一个焊结。图6图解了焊接头，由毛细管以及在线准备位置的绝缘线。在该位置，焊接头按固定距离置于表面的上方，放电棒可以置放在紧密临近线的地方以释放电弧能量。这个表面上方的位置就被称作线准备位置。当焊接头降低直到焊接球接触到表面时，这个位置被称作焊接区。不论是由表面移动来实现与焊接球接合或不接合，还是由焊接头移动来实现与表面接合或不接合，本发明在这些设备中的应用都一样。
概括来说，本发明为线焊接机的绝缘焊接线提供了地。在一个装置中，当焊球形成时，所提供的第一个地位于自由端附近。在另一个装置中，所提供的第二个地位于卷轴端点处，并且穿越焊接器的线路经在所有的线接触点上都是绝缘的。在本发明的首选形式中，第一个地和第二个地位于任一端，并且在这两个地之间是一条完全绝缘的线路径，从而将沿着线长方向绝缘体被烧穿的风险降到最低。
这样，本发明提供了一个解决方案，来保证焊接机中的绝缘微丝端点之间部分的绝缘质量。通过使用本质上具有相同尺寸和功能的其它部分替换某些部分，并增加一些功能，本发明允许传统的焊接机方便的转变为绝缘线焊接机。在一个方面来讲，需要的所有工作为，使用接地的导电毛细管替换绝缘的毛细管，从而在绝缘微丝的自由端附近提供一个地。穿越焊接机的线路径的隔离，防止了在线的中间位置出现电弧击穿绝缘体的现象。在另一个方面来讲，所有需要做的是，在线的卷轴终端，远离从自由端开始的绝缘线路径的一侧，添加第二个地，并且隔离线路径，来防止电弧能量在除了所述线路径的端点以外的地方，沿着所述线进入地。
上文采用了举例说明的方法，提出了本发明的各种可选参考装置，发明范围将在附加的权利要求中确定。因此，本发明的各种改造及变体都包括在权利要求的范围内，其中一部分在上文讨论过，对于熟悉该技术的人会很明白，其它的将在权利要求的范围内，例如，可以用多种形式提供地，不论是在自由端还是在卷轴终端，每种形式都将实现对线的一端或两端的多余电弧能量的消除，同时保留了两端之间的线绝缘的完整性。