Способ регулирования процесса ультразвуковой сварки Советский патент 1991 года по МПК B23K20/10 

Изобретение относится к ультразвуковой сварке и может быть использовано при производстве элементов интегральных схем.

Целью изобретения является повышение производительности сварки и воспроизводимости прочности сварных соединений.

Цель достигается тем, что при регулировании процесса ультразвуковой сварки по амплитуде колебаний сварочного инструмента ультразвуковые колебания вводят в зону сварки одновременно с приложением возрастающего от нул усилия нагружения, а в момент спада амплитуды колебаний до заданного значения измеряют усилие нагружения, сравнивают его с заранее установленным значением и в случае несоответствия производят корректировку скорости спада усилия нагружения при его уменьшении до нуля.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего способ.

Суть способа заключается в следующем.

Сварку начинают путем одновременного ввода ультразвуковых колебаний и возрастающего от нуля усилия нагружения.

Касание свариваемых деталей с нулевой нагрузкой при ее дальнейшем росте, с одной стороны, позволяет исключить вибрации сварочной головки и не требует задержки для их успокоения, с другой стороны, приводит к стабилизации удельной нагрузки в зоне сварки на протяжении всего процесса образования сварного соединения, а следовательно, и к повышению воспроизводимости прочности сварных соединений. Так, аездение большого статического усилия нагружения в начальный момент контактирования сварочного инструмента со свариваемыми деталями, когда еще не проо ел ел VJ

го

изошла заметная деформация привариваемого проводника, приводит к резкому повышению удельной нагрузки, что может вызвать сколы и трещины полупроводникового кристалла, снижение же удельной нагрузки в процессе сварки вследствие увеличения площади контакта из-за деформации проводника приводит к снижению таких интенсифицирующих факторов сварочного процесса, как касательные напряжения в зоне сварки, и в итоге к увеличению времени на образование сварного соединения, а следовательно, к уменьшению производительности

В дальнейшем, в процессе сварки, по мере увеличения усилия нагружения, амплитуда колебаний сварочного инструмента уменьшается, и в момент спада ее до заранее установленного экспериментального значения производят измерение усилия нагружения и сравнение его с заранее установленным экспериментальным значением усилия нагружения. Значения заранее установленных уровней амплитуды колебаний и усилия нагружения определяют при сварке эталонных материалов, прошедших полную технологическую обработку (отжиг прива риваемого прородчича, очистку от жировы, пленок полупроводнмкор х материалов и т.д.) в условиях электронно-вакуумной гиги ены по критерию наибольшей прочности сварных соединений при деформации привариваемого проводника 40-50%.

Если в процессе сравнения вычсип Кч , что усилие нагружения измеренное не превышает заранее установленного, то угипие нагружения на свариваемые детали сразу же снижают до нуля, в противном случае усилие нагружения снимают со свариваемых деталей постепенно со скоростью, зависящей от величины рассогласования между значением измеренного усилия нагружения и заранее установленного, Появление несоответствия измеренного усилия нагружения по отношению к заранее установленному происходит вследствие загрязнения свариваемых поверхностей, что вызывает изменение условий образования сварного соединения,и при игнорировании этого факта приводит к недовару сварного соединения.

Более подробно сказанное выше объясняется следующим образом. В процессе образования сварного соединения амплитуда колебаний сварочного инструмента снижается по двум причинам. Первым фактором является возрастающее в процессе сварки усилие нагружения на свариваемые детали, которое воздействует на ультразвуковой преобразователь и снижает амплитуду

лебаний сварочного инструмента. Вторым фактором являются тангенциальные силы, защемляющие сварочный инструмент по мере образования сварного соединения

Поэтому, если свариваемые поверхности загрязнены, схватывание между соединяемыми материалами происходит менее интенсивно, чем при сварке на чистых поверхностях, а тангенциальные силы также

0 уменьшаться, поэтому на загрязненных поверхностях спад амплитуды колебаний происходит преимущественно из-за увеличения усилия нагружения, которое в этом случае при дости лнии амплитудой колеба

5 ний заданного значения будет больше, чем при сварке на эталонных материалах т сварное соединение не будет иметь максимальную прочность Для получения качественного гаарного соединения в данном

0 случае сварное соединение доваривается путем постепенного уменьшения усилия нагружения до нуля со скоростью, определяемой по величине рассогласования заданного усилия нагружения, измеренного

е; е момент достижения амплитудой колебаний инструмента заданной величина

Пример В пооцессе сваокм присоединялся алюминиевый проводник, легированный кремнием, диаметром 35 мкм к

0 алюминиевой контактной площадке толщиной 1 мкм,напыленной на кремниевом кристалле. Сварка производилась ультразвуковым генератором с автоподстройкой резонансной частоты, который в процессе

5 работы постоянно включен на рабочей мощности До касания сварочного инструмента со свариваемыми деталями, т е. при работе в холостом режиме, амплитуда колебаний сварочного инструмента равна 1,4 мкм. В

0 «процессе сьарки на эталонных материалах подбирали режимы сварки путем изменения скорости приложения сварочной нагрузки и ультразвукового воздействия к свариваемым материалам, исходя из усло5 вия, что деформация привариваемого проводника должна составить 45-50%, а прочность соединения должна быть максимальной и близкой к усилию разрыва проволоки.

0 Максимальная прочность соединений получена при спаде амплитуды колебаний сварочного инструмента до 1,1 мкм, при этом нагрузка на свариваемые детали возросла до 18 г, а скорость нарастания нагруз5 ки составила 7200 г/с. При сварке на загрязненные поверхности нагрузка на свариваемые детали возрастала до 26 г, Экспе- риментально установлено, что между величиной нагрузки, соответствующей мо- мс -му достижения амплитудой колебаний

заданной величины (1,1 мкм), и скорое г го снижения нагрузки до нуля, при котос-с происходит довзр соединения, сущесльур линейная зависимость которая аппроксимируется зависимостью vn 7200-k Д Р, где Vp - скорость снижени нгтрутки, Л Р разность между измеренной и заданной нагрузкой; k 4501/с,

Таг при разности мех.ду измеренной и заданной нагрузкой 4 г скорость снижения нагрузки составила г/с прочность соединения при этом сострила 16 г.

Устройство, реализующее способ, со стоит из шагового привода 1, ультразвукового преобразователя 2, датчика 3 нэгрузки, упругой балки 4, на одном ко ч не которой закреплен ультразвуковой преобрз опи- тель 2 и датчик 3 нагрузки а и горой кинем тически жестка связан г приводе 1, и последовательно соединенных v/ibTn,i звукового гечераторз 5, первого усилители 6, первого аналого-цифрового преобрчзс теля 7, микроЭВМ 0 и коммутатора 9 фаз, d также последовательно соединенных это- рого усилителя 10 и второго аналого-ци ро- вого преобразователя 11, при этом ультразвуковой преобразователь 2 подключен уьфазв,ковому генератору 5 цьт 3 на.руз- ) - к входу второе усими е. я 10, второго аналого-цифрового преобразователя 11 - к второму входу микроОВМ 8, а выход коммутатора 9 фаз к шаговому приводу 1. причем на третий вход микро- ЭВМ 8 подач пусковой гигнп

Экспериментгпьн уогангглечные значения амплитуды колебаний rj3a,i гружония РЭад и .ее ч c-jp .r i

С.13ДЭ УСИЛИЯ НИ 1 ГТ Ji ПИЧИиЫ Г/ОСсогласования усилия нагру ения, полуон- ные путем измерения дня сочетаний свариваемы/ материалов и диаметров присоединяемого проводника, вводятся в долговременную память микро ЭВМ 8.

Оператор устанавливает режим работы микроЭВМ 8 для конкретных свариваемых материалов и диаметра присоединиэмого проводника и подает пусковой сигнал на третий вход микроЭВМ 8 МикроЭЗМ 8 коммутирует коммутатор 9 фаз, через который запускается шаговый привод 1 с частотой i/b , кинематически жестко связанный с п ругой 4, на конце котосой закреплен ультразвуковой преобразователь 2, опуская последний в позицию сварки, при этом ультразвуковой генератор 5, соединенный с ультразвуковым преобразователем 2, постоянно включен, возбуждая ультразвуковой преобразователь 1 на рабочее мощности с ы гли у.сй m В момент кэсания ссарочного инструмента сп сичри- вэемыми деталями упругая балка 1 воспринимает нагрузку, создаваемую шаговым

пригодом 1, при этом .юскогичуг между на- оузкой и перемещением упругой aiKi1 существует пропорциональная ЗгЧн; симссгь, то величина переме зния uarjt.oro риво- да 1 после касания характеризует нагрузку

0 на свариваемые делали. Ь процессе дефор- мировэьияпривариваемого прспсдника ам- плит/да колебаний инструменту и усилие нагружения изменяются и регистрируются р.. пиками1 первая - с помощью токопоч;

5 оезистора уль.ра муковг i о гснэоэтора 5, второе - с помощью снзидат (ика 3, зачрг1 п- г еьного на чнруюи бчлке 4

( ui ,цатчиков усиливаются усилителями 5 к.1 и преобразуются в цифровой

0 ход аналоге цт1фрово ми прриг1разоЕ)ателя- ми 7, 11, г,осл чего поступают на микро С- ВМ 8 МикроЭВМ 8 ачализир/ет текущие значения датчиков по алгоритму, вве,,енно- му в память микроЭВМ 8. В случае, если

Ь измеренноез-ачениеусилия Hdr/ужепияне превысит заданного ми/роЭВМ 8, чоммути- pve7 коммут,.гор 9 фаз в обргтном оде с максимально егэмо ноу 1 част длт данного типа Liiprjtipro п ив- дч возррэшая

0 шаговый привод 1 в исходное состояние. Ег ли же измеренное значение усилия нагружена, превышает 3, эе микроЗВМ 8 аи, лидирует рассотсование между этими величинами, сравни;, чет то . занесенными

5 в память микрс 3F5M 8 значениями и по результату вычислений 1 омпут.,рус г коммутатор фаз 9 с при ( торой скорость cnaqi- усилил нагр женит гоо ветствуе. заранее определенной. После спада усилия

0 нагружения до ну 1я, т.е. при огрыпе сварочного инструмента от свариваемых деталей микроЭВМ 8, начинает коммутировать коммутатор 9 фаз с максимально возможной частотой, пока шаговый привод 1 не возвра5 тится Р исходное состояние.

Использование изобретения позволяет повысить производительность сварки на 10-20% за счет исключения задержек на успокоение сварочной головки и сокраще0 ния времени сваоки

Формула изобретения Способ регулирования процесса ультразвуковой сваоки, г.ри котором в зону сварки вводят ультразвуковые колебание

5 создают нагружения и измеряют амплитуду колебаний сварочного инструмента, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и стабильности выходных характеристик процесса,ультразвуковые колебания вводят в зону сварки

одновременно с возрастающим от нуля усилием нагрузки, а в момент спада амплитуды колебаний до заданного значения измеряют усилия нагружения, сравнивают его с

заранее установленным значением и по результатам рассогласования производят кор- ректировку скорости спада усилия нагружения при его уменьшении до нуля.