Способ ультразвуковой сварки Советский патент 1992 года по МПК B23K20/10 

Изобретение относится к области ультразвуковой сварки элементов интегральных схем.

Известны способы ультразвуковой сварки, в которых регулирование процесса производит по амплитуде колебаний сварочного инструмента, по сварочному усилию и по деформации свариваемых материалов, однако указанные способы не обеспечивают воспроизводимости прочности сварных соединений из-за разброса условий образования сварного соединения от сварки к сварке.

Известен также способ ультразвуковой сварки, при котором после создания усилия нагружения в зону сварки подают ультразвуковой тест-импульс, сравнивают величину амплитуды колебаний инструмента под действием этого тест-импульса с эталонной, введенной перед сваркой, и по сигналу рассогласования производят корректировку усилия нагружения.

Недостатком указанного способа является низкая производительность из-за необходимости введения тест-импульса перед началом процесса сварки, что в итоге увеличивает время на образование сварного соединения.

Ближайшим прототипом является способ ультразвуковой сварки, при котором ультразвуковые колебания вводят в зону сварки одновременно с приложением возрастающего от нуля усилия нагружения, а в момент спада амплитуды колебаний до заданного значения измеряют усилие нагружения, сравнивают его с заранее установленным и в случае несоответствия производят корректировку скорости спада усилия нагружения при его уменьшении до нуля.

Недостатком указанного способа является низкое качество сварных соединений, обусловленное тем, что ввод усилия нагружения в зону сварки при максимальной амп литуде колебаний (активное сопротивление

СО

с

VJ о

00

ю о

вибратора минимально) приводит к возникновению значительных нормальных и тангенциальных напряжений в зоне соединения на начальной стадии деформирования привариваемого проводника, когда деформация проводника еще мала, а значит удельная нагрузка велика, что, в свою очередь, вызывает разрушение металлизации контактных площадок и появление сколов и трещин в полупроводниковом кристалле.

Цель изобретения - повышение качества сварных соединений.

Поставленная цель достигается тем, что в зону сварки одновременно с приложением сварочной нагрузки вводят ультразвуко- вые колебания, при этом нагрузку увеличивают от нуля до заданного значения и контролируют величину активного сопротивления вибратора, приложение сварочной нагрузки начинают при достижении максимальной величины активного сопротивления вибратора, а в момент достижения активным сопротивлением эталонной величины увеличение нагрузки прекращают и уменьшают ее до нуля.

Суть способа заключается в следующем. Перед началом процесса сварки ультразвуковой генератор настраивается на частоту, при которой активное сопротивление вибратора максимально. После чего сварочный инструмент, в капиллярном отверстии которого расположен привариваемый проводник, начинают перемещать в позицию сварки, при этом ультразвуковой генератор включен постоянно. В момент касания привариваемым проводником контактной площадки полупроводникового кристалла нагрузка на свариваемые материалы начинает расти по мере опускания сва- рочного инструмента, а активное сопротивление вибратора падает вследствие снижения эквивалентной нагрузки на вибратор, что вызывает рост амплитуды колебаний сварочного инструмента. В момент достижения активным сопротивлением вибратора эталонного значения рост сварочной нагрузки прекращают и сварочную нагрузку уменьшают до нуля путем подъема сварочного инструмента. Скорость ввода сварочной нагрузки и эталонное значение активного сопротивления вибратора подбираются в процессе наладки сварочной установки по критерию наибольшей прочности сварного соединения.

Приложение сварочной нагрузки к свариваемым материалам при максимальном активном сопротивлении вибратора, т. е. при. минимальной амплитуде колебаний сварочного инструмента с дальнейшим ее

ростом по мере деформирования привариваемого проводника и увеличением сварочной нагрузки, приводит к снижению вероятности появления значений величин

нормальных и касательных напряжений в зоне образования сварного соединения, приводящих к сколам и трещинам полупроводникового кристалла. Следует отметить, что одновременный рост сварочной нагрузки, амплитуды колебаний сварочного инструмента и деформации присоединяемого проводника приводят к стабилизации протекания сварочного процесса (диффузия, образование вакансий и т. д.), так как перераспределение энергетического спектра в процессе сварки в сторону увеличения колебательных напряжений позволяет исключить возможность появления турбулентных структур, приводящих к понижению прочности сварных соединений.

Пример осуществления способа.

В процессе сварки присоединялся алюминиевый проводник, легированный

кремнием диаметром 35 мкм к алюминиевой контактной площадке толщиной 1 мкм, напыленной на кремниевом кристалле. Сварка производилась ультразвуковым генератором, который в процессе работы постоянно включен. Перед процессом сварки генератор настраивается на режим, при котором активное сопротивление вибратора максимально и составило 1 кОм. Оптимальная скорость нарастая нагрузки составила

величину 7400 г/с. Минимальное активное сопротивление вибратора составило величину 50 Ом. Нагрузка на свариваемые материалы при этом составила величину 30-35 г.

При испытании на отрыв прочность соединений имело величину не менее 16 г. Таким образом, использование изобретения позволяет повысить качество сварных соединений путем увеличения прочности,

что, в свою очередь, повлекло за собой повышение выхода годных на 7-9%.

Формула изобретения

Способ ультразвуковой сварки, при котором ультразвуковые колебания вводят в зону сварки одновременно с приложением сварочной нагрузки, которую увеличивают от нуля до заданного значения и одновременно контролируют величину активного сопротивления вибратора, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварных соединений, приложение сварочной нагрузки начинают при достижении максимальной величины активного сопро

тивления вибратора, а в момент достижения лонной величины увеличение нагрузки п реактивным сопротивлением вибратора эта- кращают и уменьшают ее до нуля.

Способ ультразвуковой сварки. Использование: микроэлектроника, ультразвуковая сварка элементов интегральных схем. Сущность изобретения: ввод усилия нагру- жения начинают при максимальном активном сопротивлении вибратора одновременно с приложением ультразвуковых колебаний и прекращают в момент достижения активным сопротивлением вибратора эталонного значения, после чего усилие нагружения снимают.