Устройство для ультразвуковой микросварки Советский патент 1983 года по МПК B23K20/10 

Изобретение относится к техноло гии электроники, в частности к области сборки электронных приборов, и может быть широко использовано при разработке высокоэффективш-ix устройств для ультразвуковой микро сварки элементов акусто,-опто-микр электронных и электровакуумных при боров , а также электронных часов. Известно устройство для ультразвуковой микросварки , содержащее задайщий генератор электрических колебаний широкого спектра частот, усилитель момности и электромеханический преобразователь tl . Недостатком устройства является недостаточное качество и воспроизвoди юcть качества получаемых соед нений из-за недостаточно полного учета физических процессов, происходящих в зоне соединения при микросварке. Наиболее близким к изобретению . является уртройство для ультразвук вой микросварки, содержащее генератор электрических колебаний широ кого спектра частот, активный филь первый и второй буферные каскады, усилитель мощности, блок коммутаци и электромеханический преобразователь С 21 . Недостатком известного устройст является низкое качество микросвар ных соединений, а также невоспроиз водимость сварочного процесса. Цель изобретения - повыигение качества микросварных соединений. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для ультразвуковой микросварки, содержащее генератор электрических колебаний широкого спектра частот, активный фильтр, первый и второй буферные каскады, усилитель моиности, блок коммутации и электромеханический преобразователь, введены последовательно соединенные генератор специальных функций, аналого-цифровой преобразователь, преобразователь кода, преобразователь уровня, а также c ieT4HK циклов, при этом вход генератора специальных функций соединен с выходом блбка комм тации и подключен к первому входу усилителя мощности, вход счетчика циклов соединён с входом преобразователя уровня, выход которого соединен с пе&вым входом активного фильтра, выход активного фильтра через второй буферный каскад и усилитель мощности подключен к элек тромеханическому преобразователю, выхрд генератора электрических коле баний через первый буферный каскад соединен с вторым входом активного фильтра, причем выход счетчика циклов соединен с входом блока комму тации. Экспериментально определено, что низкочастотная часть спектра акустических колебаний с постоянной спектральной плотностью мопшости оказывает превалирующее влияние на процесс пластической деформации присоединяемого проводника, а колебания высокочастотной части спектра в большей степени способствуют упрочнению материала проводника. Для повышения качества микросварных соединенной на начальной стадии микросварки,когда необходимо обеспечить условия пластического деформирования микровыступов и роста фактической плоиади контакта за счет увеличения количества одиночных точек охватывания, к соединяемым элементам подводят колебания низкочастотной части спектра, повышающие степень пластической деформации соединяемых материалов. По мере развития деформации и замедления процесса роста площади контакта спектр ультразвуковых колебаний плавно сдвигают в сторону более высоких .частот. При этом заключительная стадия процесса характеризуется эффективным упрочнением материала присоединяемого проводника в зоне деформации,что приводит к повьпиению усилия на разс«в микросварного соединения. , На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие работу устройства. Устройство содержит генератор электрических колебаний широкого спектра частот 1, первый буферный каскад 2, второй буферный каскад 3, активный фильтр 4, усилитель мощности 5, электромеханический преобразователь б, операционные усилители 7, частотнозадающие элементы 8, ключи 9, блок коммутации 10,, генератор специальных функций 11,аналого-цифровой преобразователь 12,преобразователь кода 13, преобразователь уровня 14, счетчик циклов 15. Генератор электрических колебаний широкого спектра частот 1 выполнен в виде задающего каскада, например на шумовых диодах, и Предварительного усилителя и позволяет получать на выходе напряжение с постоянной спектральной плотностью. Буферный каскад 2 служит для согласования выходного сопротивления генератора 1 и входного сопротивления фильтра 4. В качестве буферного каскада может быть использован выходной каскад предварительного усилителя. Активный фильтр 4 позволяет производить в процессе ультразвуковой микросварки плавное смещение спектра возбуждаемых ко 1ебаний по частотной оси в сторону более высоких частот. Смещение спектра может производиться по закону ,f , K(M--U4e(.tr.«iM/tceA4F;:-), где К{{;) { ( J/loo текущее энач ние Koatbi KUHeHTa смещения; fol текущее значение средней частоты спектра; foo 40-300|J кГц - значение средней частоты спектра в начальный момент процесса микросва ки; КЮ Ы /foo (l,0-16,о) значение коэффициента смещения в конечный момент процесса микросва ки |о4 - значение средней частоты спектоа в конце микросварки; гл 10 - 10 - показатель степени. Сдвиг спектра может .быть достигну путем смещения в сторону более высоких частот как обеих границ спектра:, так и одной из них: верхней или нижней. В первом cjiy4ae активный фильтр 4 выполняется поло совым, во втором случае - в виде фильтра нижних частот, в третьем ;случае - в виде..фильтра верхних частот. Плавное смещение спектра возбуждаемых колебаний, следовательно, и перестройка фильтра може производиться в течение процесса микросварки многократно. По указан ному закону обеспечивается как линейное смещение -fo в процессе микр сварки, так и ускоренное и замедленное смещение в определеннь1е моменты процесса соединения: при выб ре m 1 средняя частота .{Q увели.чивается по линейному закону, в сл |Чае частотаfо в начальный момент пооцесса микросварки изменяется быстро, а в конце процесса медленнее, в случает 1 fо в начал процесса микросварки увеличивается медленно, а в конце процесса быстрее. . Для осуществления плавной перестройки спектра возбуждаемых колеб ний в активном фильтре 4 частотно задающие элементы 8 ( пезисторы или конденсаторы) подключены к операци онным усилителям 7 через ключи 9, например на МОП - транзисторах, которые включаются напряжением и н потребляют ток управления, т.е. у них имеется гальваническая развязк в цепи управления и цепи сигнала. Буферный каскад 3 служит для со ласования выходного сопротивления активного фильтра 4 ивходного соп ротивления усилителя мощности 5. Буферным каскадом может служить входной каскад усилителя мощности К выходу последнего подключен элек тромеханический, например пьезоэлектрический преобразователь. Бло коммутации 10 позволяет включить усилитель мощности 5 и выключить его после отработки определенного промежутка времени. В качестве генаратора специальных-)функций 11 может быть использован генератор изменяющегося напряжения U , причем как с линейным изменением напряжения, так и с нелинейньпи, например с ускоренным изменением в начальный момент цикла и с замедленным, концу цикла или,наоборот,при более: медленном изменении напряжения в начале цикла и с ускорением к его окончанию. Ангшого-цифровой преобразователь 12 служит для преобразования аналогового сигнала с выхода генератора специальных функций 11 в десятичный код. Аналого-цифровой преобразователь 12 может быть выполнен в виде многопорогового устройства, т.е. в виде ряда параллельно соедииенннх пороговых элементов (например, триггеров Ийиитта), настроенных на разные пороги срабатывания, отличающиеся друг от друга на единицу. Сигнал на выходе данного устройства соответствует десятичному коду. Преобразователь кода 13 решает задачу преобразования десятичного кода U,5 в двоичный код и может быть выполнен сиспользованием логических элементов ТТЛ-схем, например серий 155, 131, 15.8 и других. Пре.образователь уровня 14 служит для iсогласования по уровню выходного сигнала преобразователя кода 13 и входного сигнала ключей 9 активного фильтра 4. (например, ключи 9 на полевых транзисторах управляются напряжением с амплитудой В, в то время как выходные уровни сигналов от ТТЛ-схем преобразователя кода 13 имеют пределы 0,3-3 в). В качестве преобразователя уровня может быть использован усилитель. Счетчик циклов 15 предназначен для выработки сигнала при прохождении определенного, предварительно установленнрго, числа циклов смещения спектра, он может быть выполнен на 3К-триггерах и элементах И-НЕ ТТЛ-схем серий 155, 131, 158. Сигнал Цд выхода счетчика циклов 15 используется для автоматического прекращения процесса микросварки. Устройство работает следующим образом.: Перед началом процесса микросварки устанавливается определенный закон смещения спектра с помощью генератора специальных функций 11 и число циклов смещения с помощью счетчика циклов 15. Число циклов определяет длительность процесса микросварки. При микросварке электрические «олебания широкого спектра частот с выхода широкополосного генератора 1 поступают через буферный каскад 2 на активный фильтр 4, который пропускает колебания определенной полосы частот. Последние через буферный каскад 3 и усили-. тель мощности 5 передаются на электромеханический преобразователь 6, ультразвуковые колебания которого вводят в зону соединения элементоза интегральных микросхем,Одновременна изменяющееся напряжение с выхода генератора специальных функций 11 поступает на аналого-цифровой преобразователь 12, затем на преобразова тель кода 13 и преобразователь уровня 14. Импульсы двоичного кода с выхода преобразователя уровня 14 подаются на ключи 9 активного фильтра 4 , тем самым подключая в определенной последовательности частотно задающие элементы 8 к операционным усилителям 7, что приводит к Ас- степенному изменению амплитудночастотной характеристики фильтра и смещению спектра пропускаемых фильтром колебаний. После определенного числа циклов смещения спектра с выхода счетчика циклов 15 импульс напряжения поступает на блок коммутации 10, с помощью которого производится автоматическое прекращение микросварки.

Устройство для ультразвуковой микросварки позволяет получать амплитудно-частотную характеристику фильтра, следовательно, спектр вводимых в зону соединения акустических колебаний с большой крутизной фронтов, для чего фильтр выполняется .многозвенным. Каждое звено фильтра обеспечивает увеличение к утизны примерно на б дБ/октаву. Кроме того, в данном устройстве обесг ечивается смещение спектра на малые промежутки времени (единицы - десятки миллисекунд) и высокая кратность изменения средней частоты спектра ( K, ioi /igo Это обеспечивается возможностью синхронной перестройки всех звеньев фильтра, причем с достаточно высокой степенью идентичности изменения частотнозадающих цепей фильтра, а также возможностью использования быстродействующих ключей, например на МОП-транзисторах, время переключения которых- 0, 3 мкс.

Таким образом, смещение спектра акустических колебаний в течение процесса ультразвуковой микросварки в сторону высоких частот позволяет более полно учесть физические процессы в зоне соединения, эффектино .стимулировать эти процессы и тем самым повысить качество и стабильность качества получаемых контактов интегральных микросхем.

В качестве генератора специальных функций был использован генератор линейного изменяющегося напряжения, выполненный на операциЬнном усилителе с интегрирующими RC-цепяки микросхеки К140УД8... Аналого-цифровой преобразователь выполняют на триггерах 1т1митта с использованием интегральных микросхем К155ТЛ1. Преобразователь кода и счетчик циклов выполнены на микросхемах К155ЛЛ1, К155ЛАЗ, К155ТВ1.

Для преобразования уровня применяют транзисторь КТ342В. Перестраиваеммый фильтр содержит операционные усилители К14ОУД8) и транзисторные. МОП-ключи (К16 8КТ;гА). Точность .

подбора частотнозадающих элементов (сопротивлений) 0,1-1%. Крутизна фронтов спектра, обеспечиваемая фильтром, не ниже 60 дБ/октаву. Отклонение крутизны при перестройке

фильтра не превьмает 5-7%.

Разработанное устройство применяют для микросварки алюминиевой проволоки диаметром 35 мкм с алюминиевыми пленками,легированными

редкоземельными металлами, толщиной 1 мкм на подложках из кремния. Используют широкополосный ультразвуковой генератор на основе скачкообразного смещения границ

доменов в ферромагнетиках при их медленном перемагничивании, а широкополосную ультразвуковую колеПательную систему с согласованным изменением волновых сопротивлений

5 ее элементов. Статическое усилие сжатия соединяе тх элементов равно 0,4 Н, длительность процесса микросварки 0,03 с. При выборе -foo 60 кTц/i o 0 кГц, i. 80 кГц,

0 К, - 90 кГц, f 70 кГц,

110 кГц/ получены гистограммы

распределения механического усилия на разрыв, микросварннх соединений под углом 45 к плоскости зоны

5 микросварки. Здесь i ц, i ц, i go/

fgi - значения нижней и верхней границ спектра возбуждае флх колебаний в начальный и конечный моменты процесса микросваркя. При tn 1 линейное изменение средней частоты спектра) максимум кривой распределения приходи.тся на 0,20-0,21 Н, а коэффициент .вариации прочности равен 10-12% I При nrv90-100 (плавное увеличение ig в начальный момент

процесса микросварки и затем более

резкое изменение fg к концу процес са) усилие на разрыв соединений ниже на 10-15% и составляет 0,18-0,19 Н. Снижение прочности соединений в дан0 ном случае происходит за счет увеличения деформации проводника и разупрочнения его материала, так как в зону соединения более длительное время вводятся колебания низкочас5 тотнойчасти спектра. При , 01 резкое увеличение Ig в начальньгй момент процесса микросварки и более плавное смещение спектра на конце процесса) максимум кривой распреп деления усилия на разрыв соединения приходится на 0,23-0,24 Н. Выбор величины К 5, а также И 25 позволяет увеличить усилие на разрыв соединения до ,26 Н. Следовательно, прочность микросварных сое- динений, полученных с использование предлагаемого устройства при опти43мальном значении fn , достигает v93% когезионной прочности на 1 азрыв« присоединяемого проводника, в то время как при микросварке без сдвига спектра ультразвуковых колебаний прочность соединений (эавна 75-80% когезионной прочности проволоки. Экономический эффект от испбльзования разработанного устройства в промышленности при сборке больших интегральных микросхем заключается в довылении качества сварных соединений.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСВАРКИ, содержащее генератор электрических колебаний широкого спектра частот, активный фильтр, первый и второй буферные каскадч, усилитель момности, блок коммутации и электромеханический преобразователь, отличающееся тем, что, с целью повышения качества сварных соединений, в устройство введены последовательно соединенные генератор специальных функций, аналого-гифровой преобразователь, преобразователь кода, преобразователь уровня, а также счетчик циклов, при этом вход генератора специальных функций соединен с выходом блока коммутации и подключен к первому входу усилителя мощг ности, вход счетчика циклов соединен с входом преобразователя уровня, выход которогосоединен с первым входом активного фильтра, выход активного фильтра через второй буферный каскад и усилитель мощности подключен к электромеханическому преобразователю, выход генератора электрических колебаний через первый буферный каскад соединен с втортлм входом активного фильтра, причем выход счетчика циклов соединен с входом блока коммутации. :л эо lu :о