[发明专利]一种约束加压钻卡头焊具及摩擦动压焊植柱方法

权利要求书

1.一种约束加压钻卡头焊具，其特征在于：所述焊具包括钻卡头本体(1)、钻卡头外壳(2)、分体式螺圈(3)和约束加压卡爪(4)，约束加压卡爪(4)的数量为3～4个，所述约束加压卡爪(4)包括螺纹传动体(5)、接触闭合体(6)、焊柱夹持体(7)和动压约束轴肩(8)，所述约束加压卡爪(4)均位于钻卡头本体(1)的倾斜滑道(1-1)内，钻卡头本体(1)的倾斜滑道(1-1)的数量与约束加压卡爪(4)的数量一致，所述钻卡头外壳(2)位于钻卡头本体(1)、分体式螺圈(3)、约束加压卡爪(4)的螺纹传动体(5)的外围，所述分体式螺圈(3)位于约束加压卡爪(4)的螺纹传动体(5)的外围并与螺纹传动体(5)匹配为螺纹连接；所述螺纹传动体(5)、接触闭合体(6)、焊柱夹持体(7)和动压约束轴肩(8)由上至下依次设置且制成一体，所述动压约束轴肩(8)是由与微型精密钻床主轴轴线呈θ角的约束加压内圆锥面(8-1)、与微型精密钻床主轴轴线呈α角的卡爪轴肩面(8-2)、约束加压卡爪的外圆柱面(8-3)围绕形成的实体，其中θ为20°～40°。

2.根据权利要求1所述一种约束加压钻卡头焊具，其特征在于：约束加压卡爪(4)的材质为高速钢。

3.根据权利要求1所述一种约束加压钻卡头焊具，其特征在于：约束加压内圆锥面(8-1)的垂直高度V为R(1-K)/sinθ，其中，R为球冠形钎料焊球(10)的半径，K为0.15～0.25，θ为约束加压内圆锥面(8-1)与微型精密钻床主轴轴线之间的夹角。

4.根据权利要求1所述一种约束加压钻卡头焊具，其特征在于：焊柱夹持体(7)的圆柱形内腔(7-1)的半径d为(1-μ)r，焊柱夹持体(7)的圆柱形内腔(7-1)的长度h为H-V-(L-R-λR)+rctgθ，其中，μ为0.02～0.05，r为待植柱焊柱(9)的半径，H为待植柱焊柱(9)的高度，V为约束加压内圆锥面(8-1)的垂直高度，L和R分别为球冠形钎料焊球(10)的高度和半径，λ为0.10～0.30。

5.一种利用权利要求1所述焊具实现摩擦动压焊植柱的方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、阵列球冠形钎料焊球(10)的制作：在阵列排布的焊盘(11)上印刷适量的等量焊锡膏，并通过回流焊在阵列排布的焊盘(11)上形成形状尺寸一致的阵列球冠形钎料焊球(10)，测量球冠形钎料焊球(10)的半径R和高度L；

步骤二、确定动压约束轴肩(8)的形状尺寸：根据被焊球冠形钎料焊球(10)的半径R和加压后所需的变形程度确定约束加压内圆锥面(8-1)的垂直高度V为R(1-K)/sinθ，其中，K为0.15～0.25，约束加压内圆锥面(8-1)与微型精密钻床主轴轴线之间的夹角θ为20°～40°，将钻卡头焊具所有约束加压卡爪(4)的端部内侧加工成上述形状尺寸的内圆锥面(8-1)并抛光处理；与微型精密钻床主轴轴线呈α角的卡爪轴肩面(8-2)和卡爪的外圆柱面(8-3)为非工作面，保留常规钻卡头卡爪端部两非工作面的形状尺寸；

步骤三、确定焊柱夹持体(7)的圆柱形内腔(7-1)的半径d：根据待植柱焊柱(9)的半径r，确定焊柱夹持体(7)的圆柱形内腔(7-1)的半径d为(1-μ)r，μ为0.02～0.05；

步骤四、确定焊柱夹持体(7)的圆柱形内腔(7-1)的长度h：根据待植柱焊柱(9)的高度H、待植柱焊柱(9)的半径r、约束加压内圆锥面(8-1)的垂直高度V、待植柱焊柱(9)植入球冠形钎料焊球(10)的预定深度L-λR，确定焊柱夹持体(7)的圆柱形内腔(7-1)的长度h为H-V-(L-R-λR)+rctgθ，λ为0.10～0.30；对钻卡头焊具的所有约束加压卡爪(4)的端部内侧、约束加压内圆锥面(8-1)的上方进行精密加工并形成步骤三和步骤四所述形状尺寸的焊柱夹持体(7)，并对其圆柱形内腔(7-1)进行抛光处理；

步骤五、单个待植柱焊柱(9)的摩擦动压焊植柱：

将约束加压钻卡头焊具装配到微型精密钻床上，将标准形状尺寸的待植柱焊柱(9)装卡于约束加压卡爪(4)中，装卡深度应确保待植柱焊柱(9)填充满焊柱夹持体(7)的圆柱形内腔(7-1)的长度，以使不同待植柱焊柱的露出端长度保持一致，通过程序控制待植柱焊盘(11)所在的基板(12)运动，使待植柱焊柱(9)位于待植柱焊盘(11)的上方并与焊盘(11)中心对中，利用约束加压卡爪(4)带动待植柱焊柱(9)以2500转/分钟～5000转/分钟的速度旋转的同时向焊盘(11)上的球冠形钎料焊球(10)运动，随后待植柱焊柱(9)的端部下压钻入球冠形钎料焊球(10)的内部，随着待植柱焊柱(9)钻入深度的增加，约束加压卡爪(4)的约束加压内圆锥面(8-1)与球冠形钎料焊球(10)开始接触、并相互摩擦，形成约束加压内圆锥面(8-1)/球冠形钎料焊球(10)、待植柱焊柱(9)/球冠形钎料焊球(10)两个摩擦副，球冠形钎料焊球(10)的肩部受热软化，随着待植柱焊柱(9)的轴向进给，约束加压内圆锥面(8-1)对球冠形钎料焊球(10)肩部施加的倾斜的约束压力逐渐增加，球冠形钎料焊球(10)肩部软化变形并与待植柱焊柱(9)的圆柱面紧密接触和压实，促进了待植柱焊柱(9)/球冠形钎料焊球(10)界面的温度升高、原子互扩散和可靠连接；待植柱焊柱(9)以40微米/秒～80微米/秒的进给速度钻入球冠形钎料焊球(10)内部预定深度L-λR后，λ为0.10～0.30，停止待植柱焊柱(9)的进给和转动，随后待植柱焊柱(9)保持静止直至球冠形钎料焊球(10)冷却至室温；待植柱焊柱(9)镶嵌并连接到球冠形钎料焊球(10)当中；

打开并提起约束加压卡爪(4)，使待植柱焊柱(9)留在焊盘(11)上的球冠形钎料焊球(10)中，完成单个待植柱焊柱(9)的摩擦动压焊植柱过程；

步骤六、阵列待植柱焊柱(9)的摩擦动压焊植柱：

以相同尺寸参数和工艺参数重复上述步骤五的过程，逐个实现每个阵列排布的焊盘(11)上的待植柱焊柱(9)的摩擦动压焊植柱过程，并保证植柱后阵列焊柱露出端共面。