Способ управления процессом ультразвуковой микросварки (его варианты) и устройство для его осуществления
Изобретение относится к технологии микроэлектроники и решает задачу повышения и стабильности качества получения микросварных соединений. По одномерной плотности вероятно- ; сти или по времени наблюдения электрических колебаний на входе ультразвуковой колебательной системы или механических колебаний на выходе данной системы в определенном фиксированном диапазоне амплитуд регулируют мощность ультразвуковых колебаний и прекращают процесс микросварки при отсутствии изменения указанных па-т раметров колебаний.Цепь обратной связи содержит один или два дифференциальных амплитудных дискриминатора, интегратор , преобразователь уровня, дифференцирующее устройство и компаратор уровня, а также схему антисовпадений. Для управления процессом по цараметрам механических колебаний устройство i содержит в цепи обратной связи датчик ультразвуковых колебаний, исто (Л . повторитель и усилитель. Изобретение может быть использовано при сборке полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. 3 с.п. и 2 з.п. ф-лы, 14 ил. ю vj
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК д1 (19) SU (!п (59 4 В 23 К 20 10
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3922690/25-27 (22) 28.06.85 (46) 15.12.86. Бюл. Р 46 (71) Институт электроники АН БССР (72) А.В.Гулай и В.M.Колешко (53) 621.791.16(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
Ф 575190, кл. В 23 К 20/10, 1975.
Авторское свидетельство СССР йъ 492313, кл. В 06 В 1/02, 1974. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСВАРКИ (ЕГО ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к технологии микроэлектроники и решает задачу повьппения и стабильности качества получения микросварных соединений.
По одномерной плотности вероятности или по времени наблюдения электрических колебаний на входе ультразвуковой колебательной системы или механических колебаний на выходе данной системы в определенном фиксированном диапазоне амплитуд регулируют мощность ультразвуковых колебаний и прекращают процесс микросварки при отсутствии изменения укаэанных па-. раметров колебаний.Цепьобратной связи содержит один или два дифференциальных амплитудных дискриминатора, интегратор, преобразователь уровня, дифференцирующее устройство и компаратор уровня, а также схему антисовпадений.
Для управления процессом по параметрам механических колебаний устройство содержит в цепи обратной связи датчик ультразвуковых колебаний, исто.<овый повторитель и усилитель. Изобретение может быть использовано при сборке полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. 3 с.п. и
2 з.п. ф-лы, 14 ил.
1276465
50
Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может бь.ть использовано при сборке полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
Целью изобретения является повышение качества и воспроизводимости качества микросварных соединений при использовании ультразвуковых колебаний широкого спектра частот.
На фиг. 1-3 представлены эпюры генерируемых и преобразованных колебаний, а также принцип их селекции по амплитуде в способе управления; на фиг, 4 и 5 — блок-схемы устройств для реализации способа управления; на фиг. 6-14 — временные диаграммы напряжений в различных узлах устройств управления микросваркой.
Сущность способа управления заключается в том, что параметры режима ультразвуковой микросварки регулируют, используя информацию о величине входного механического импеданса микросварного соединения, который характеризует качество формируемого контакта. Например, при наличии в зоне микросварки окисных пленок, препятствующих качественному схватыванию материалов микропроволоки и контактной площадки, входной импеданс имеет небольшое значение. При качественном схватывании соединяемых материалов входной механический импеданс имеет значительно большее значение за счет внесения в его величину импеданса подложки., Оценивая величину укаэанного импеданса, можно регулировать параметры режима микросварки.
Входной механический импеданс микросварного соединения, т.е. импеданс нагрузки ультразвуковой колебательной системы, трансформируется к входу, поэтому входной электрический импеданс системы также характеризует качество формируемых соединений.
Одним из параметров, характеризующих входной механический импеданс микросварного соединения и входной электрический импеданс ультразвуковой колебательной системы при возбуждении колебаний широкого спектра частот, является одномерная плотность вероятности появления механических колебаний на выходе указанной системы или одномерная плотность вероятности появлеййя электрических колебаний на ее входе.
Колебания широкого спектра частот возбуждение которых производится, на- пример, с использованием лавинного шума р-п-перехода в полупроводнике, на временной оси имеют вид импульсов (выбросов) со случайным изменением амплитуды, фазы и длительности (фиг. 1). При увеличении импеданса цепи, по которой проходят импульсы, например, импеданса колебательной системы, нагружаюшей ультразвуковой генератор колебаний широкого спектра,частот, форма импульсов изменяется, приближаясь к треугольной (фиг. 2).
Дальнейшее увеличение импеданса приводит также к уменьшению амплитуды импульсов (фиг. 3). При этом изменяется одномерная плотность вероят- . ности появлений колебаний (A), как величина, пропорциональная среднему времени пребывания уровня сигнала выше определенного порогового значения А, . Измеряя величину одновременной плотности вероятности появления электрических колебаний на входе ультразвуковой колебательной системы или механических колебаний на выходе данной системы, с определенным пороговым значением амплитуды, регулируют мощность ультразвукового генератора.
На начальной стадии микросварки, характеризующейся интенсивной пластической деформацией микровыступов и ростом фактической площади контакта за счет увеличения количества одиночных точек схватывания, происходит резкое изменение входного механического импеданса микросварного соединения (соответственно, импеданса ультразвуковой колебательной системы), т.е. наблюдается определенная скорость изменения одномерной плотности вероятности появления колебаний й(А) . По мере стабилизации процесса пластической деформации присоединяемого проводника при микросварке и замедления процесса роста площади контакта скорость изменения входного механического импеданса микросварного соединения становится равной нулю, следовательно, скорость изменения одномерной плотности вероятности появпения колебаний также равна нулю. Прекращение процесса подачи ультразвука в зону микросварки в данный момент времени обеспечивает получение соединений с высоким качеством, а также с высокой стабильностью качества.
Управление процессом ультразвуковой микросварки лри использовании
1? 76465
40 колебаний широкого спектра частот производится также по величине относительного времени нахождения амплитуды электрических или механических колебаний ультразвуковой колебательной системы в определенном диапазоне с шириной QA «А „, где А максимальное значение выбросов колебаний данной системы. Относительное время нахождения амплитуды колебаний 10 равно отношению суммарного времени колебаний в интервале от А до А +aA
1 1 к полной продолжительности интервала измерения. Измеряя величину указанного относительного времени, регули- 15 руют мощность ультразвуковых колебаний и при отсутствии изменения амплитуды в относительное время процесс микросварки прекращают.
Выбор 6А с (А,, обусловлен 20 следующими обстоятельствами. При уменьшении интервала ьА относительно максимального значения выбросов колебаний чувствительность контроля величины относительного времени повышает- 2S ся. Увеличение ь А приводит к сниже нию чувствительности контроля и к уменьшению качества формируемых микросварных контактов.
Способ управления процессом ультра- g0 звуковой микросварки по величине относительного времени нахождения амплитуды является вариантом способа управления по величине одномерной плотности вероятности, так как относительное время соответствует одномерной функции плотности распределения вероятности появления колебаний, однако эти способы по-разному реализуются аппаратно.
Устройство для управления процессом ультразвуковой микросварки по. величине одномерной плотности вероятности появления электрических колебаний (фиг. 4) содержит ультразвуковой генератор 1, реле времени 2, ультразвуковую колебательную систему, состоящую, например, из электромеханического преобразователя 3, ультразвукового концентратора 4 и свароч- 50 .ного инструмента 5,и нагруженную на импеданс контакта проволочный вывод
6 — контактная площадка 7.
В уСтройстве цепь обратной связи содержит дифференциальный амплитуд- 55 ный дискриминатор 8, интегратор 9, преобразователь уровня 10, дифференцирующее устройство 11, компаратор уровня 12, причем вход днффенциального амплитудного дискриминатора 8 соединен с входом ультразвуковой колебательной системы 3, 4 и 5, а выход его подключен через интегратор 9 и преобразователь уровня 10 к управляющему входу ультразвукового генератора 1, при этом выход интегратора 9 через дифференцирующее устройство 11 и компаратор уровня 12 соединен с реле времени 2.
Цепь обратной связи устройства для управления процессом ультразвуковой микросварки по величине отно -сительного времени появления колебаний в диапазоне от А„до А, +дА (фиг, 5) содержит второй дифференциальный.амплитудный дискриминатор 13 подключенный к входу ультразвуковой колебательной системы 3, 4 и 5, при этом выходы дифференциальных амплитудных дискриминаторов соединены с входами схемы антисовпадений 14, а выход последней подключен к входу интегратора 9., Для управления процессом ультразвуковой микросварки но аналогичным параметрам механических колебаний устройство дополнительно содержит датчик ультразвуковых колебаний 15, истоковый повторитель 16 и усилитель напряжения 17, при этом выход датчика 15 через истоковый повторитель 16 и усилитель напряжения 17 соединен с входами дифференциальных амплитудных дискриминаторов 8 и 13.
Устройство работает следующим образом.
Электрические колебания ультразвуковой частоты с выхода ультразвукового генератора 1 подаются на ультразвуковую колебательную систему, т.е. на вход электромеханического преобразователя 3, механические колебания которого через ультразвуковой концентратор 4 и сварочный инструмент
5 вводятся в зону соединения элементов 6 и 7. Длительность процесса микросварки задается с помощью реле времени 2.
В случае управления процессом по величине одномерной плотности вероятности электрических колебаний (фиг. 4) данные колебания, поступающие на вход ультразвуковой колебательной системы, подаются также на дифференциальный амплитудный дискри,минатор 8. На выходе дискриминатора 8 образуются прямоугольные импульсы
12764б 5 одинаковых амплитуд с длительностями, равными длительностям выбросов колебаний широкого спектра частот за определенный уровень А (фиг. б, 7).
Далее сигнал подается на интегратор
9, на выходе которого образуется постоянное напряжение, пропорциональное одномерной плотности вероятности
«1(А), по величине которого регулируется мощность генератора 1 (фиг ° . 8), 1О
Согласование уровней выходного сигнала интегратора 9 и сигнала управления ультразвуковым генератором 1 осуществляется с помощью преобразователя уровня 10, в качестве которого может быть использован усилитель постоянного тока (например, для управления усилителей мощности ультразвукового генератора 1 на мощных кремниевых транзисторах необходим ток до 220 мА, 2О в то время как выходные уровни сигналов интегратора на операционном усилителе имеют пределы по току 2-5мА).
Сигнал о интеграторе 9 подается также на дифференцирующее устройст- 2» во 11, на выходе которого образуется сигнал, пропорциональный скорости изменения одномерной плотности вероятности (фиг. 9). При равенстве нулю указанной скорости компаратор уров- эп ня 12 вырабатывает сигнал, поступающий на реле времени 2, для отключения ультразвукового генератора 1 и пре;ращения процесса микросварки (фиг. 10)
В слу ае управления процессом мик- » росварки по величине относительного времени пребывания колебаний в интервале от А, до А (фиг, 5) устройство работает следующим образом. Колебания с выхода ультразвукового генератора 1 подаются на входы дифференциальных амплитудных дискриминаторов 8 и 13. На выходах дискриминаторов образуются прямоугольные импульсы олинаковых амплитуд с длительностями, » равными длительностям выбросов колебаний за два соответствующих уровня
А и А +AA (фиг. 11, 1?, 13). Эти
1 импульсы подаются на схему антисовпадений 14, которая пропускает сигнал на выход тогда, когда входные напряжения неодинаковы (фиг. 14).
Сигнал с выхода схемы антисовпадений подается на интегратор 9, на выходе которого образуется постоянное напря-»» жение, пропорциональное относительному времени пребывания колебаний в интервале лА, по величине которого ре| улируется мощность ультразвукового генератора l, При равенстве нулю скорости изменения этого относительного времени происходит отключение ультразвукового генератора 1 и прекращение процесса микросварки.
В случае управления процессом ультразвуковой микросварки по аналогичным параметрам механических колебаний на выходе ультразвуковой колебательной системы устройство работает следующим образом. Иеханические колебания на выходе системы, например вблизи рабочего торца сварочного инструмента 5, улавливаются датчиком 15, сигнал с которого через истоковый повторитель 16 и усилитель напряжения 17 поступает к входам дифференциальных амплитудных дискриминаторов 8 и 13. При этом управление процессом микросварки производится как по величине одномерной плотности вероятности, так и по величине относительного времени пребывания механических колебаний.
При управлении процессом ультразвуковой микросварки по величине механического импеданса в случае использования колебаний широкого спект" ра частот более полно учитываются механические свойства соединяемых материалов и состояние контактирующих поверхностей „влияющ.и на процесс формирования качсственного контакта.
Это приводит к повышению качества и воспроизводимости качества контакта, в частности его механической прочности.
Пример. Производили микросварку алюминиевой микропроволоки диаметром 300 мкм к алюминиевой пленке толщиной 5 мкм на кремниевом кристалле. При этом использовали ультразвуковой генератор, задающий каскад которого выполнен на шумовом диоде
21 401А, включенном в цепь базы транзистора КТ312Б, и который соединен через компаратор с усилителем, работающим в ключевом режиме. Ультразвуковая колебательная система представляет собой пьезокерамический преобразователь с основной рабочей частотой
70 кГц. Использовались ступенчатый концентратор с акустической четвертьволновой развязкой и сварочный инструмент из сплава ВК19.
Соединяемые элементы (проволочный пьнзод и металличес.<ую пленку на кремниевой подложке) сжимали с усилием
Формула из обре те ния
1. Способ управления процессом ультразвуковой микросварки, при котором осуществляют измерение параметров колебаний ультразвуковой колебательной системы и производят регулирование режима микросварки, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повьппения качества и воспроизводимости качества микросварного соединения при использовании ультразвуковых колебаний широкого спектра 45 частот, измеряют одномерную плотность вероятности превьппения заданного значения амплитуды электрических колебаний на входе ультразвуковой колебательной системы или механических колебаний при выходе данной системы, по величине которой регулируют мощность ультразвуковых колебаний, и прекращают процесс микросварки при равенстве нулю скорости изменения этой плотности, 55
2. Способ управления процессом ультразвуковой микросварки, при кото7 1276
3,0 Н и подавали в зону соединения ультразвуковые колебания широкого спектра частот. По величине одномерной плотности вероятности колебаний на уровне 20 В и величине отно5 сительного времени пребывания коле- баний в диапазоне 20-22 В регулировали мощность ультразвуковых колебаний в диапазоне 27-35 Вт. Длительность процесса микросварки регулировалась в пределах 0 5-1,5 с. При использовании предлагаемого способа автоматического регулирования процесса ультразвуковой микросварки механическое усилие на разрыв контактов под углом 15
90 к плоскости зоны соединения возрастает с 3,0-3,7 (без использования описанного способа) до 5,9-6,4 Н, т.е. примерно в 2 раза. При этом коэффициент вибрации усилия на раз- 20 рыв соединений уменьшается с 42-483 до 7-127, т.е. значительно увеличивается стабильность процесса микросварки.
Экономический эффект от использо- 25 вания способа и устройства достигается в основном за счет повышения процента выХода годной продукции, в частности полупроводниковых приборов, особенно после испытаний приборов на термоциклирование.
465 Ц ром осуществляют измерение параметров колебаний ультразвуковой колебательной системы и производят регулированйе режима микросварки, о тл и ч а ю щ и Й с я тем, что, с целью повышения качества микросварного соединения, измеряют относительное время нахождения амплитуды электрических или механических колебаний ультразвуковой колебательной системы в фиксированном диапазоне амплитуды от определенного значения А до А+4А где 5 A «А < А и А максимальное значение амплитуд колебаний данной системы, по величине этого относительного времени регулируют мощность ультразвуковых колебаний и прекращают процесс .микросварки при .равенстве нулю скорости изменения величины этого времени.
3. Устройство для управления процессом ультразвуковой микросварки, содержащее ультразвуковой генератор, реле времени, ультразвуковую колебательную систему и пепь обратной связи, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения качества и воспроизводимости качества микросварного соединения, цепь обратной связи содержит дифференциальный амплитудный дискриминатор, интегратор, преобразователь уровня, дифференцирующее устройство и компаратор уровня, при этом вход амплитудного дискриминатора соединен с входом ультразвуковой колебательной системы, а выход через интегратор подключен к входам преобразователя уровня и дифференцирующего устройства, выход последнего через компаратор .уровня соединен с реле времени, а выход преобразователя уровня соединен с управляющим входом ультразвукового генератора.
4. Устройство по и. 3, о т л ич а ю щ е е с я тем, что цепь обратной связи дополнительно содержит второй амплитудный дискриминатор и схему антисовпадений, при этом входы амплитудных дискриминаторов подключены к входу ультразвуковой колебательной системы, а выходы — к входам схемы антисовпадений, к выходу последней подключен вход интегратора.
5. Устройство по пп. 3 и 4, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что цепь
9 127б465 10 обратной связи содержит дополнительно повторитель и усилитель напряжения, последовательно соединенные датчик подключенные к входам амплитудных ультразвуковых колебаний, истоковый дискриминаторов, Й.ср Йар 4р Йср tcp
1274/ () 5
1276li6 i !
I
Риг. 7 аиду,7
1 ригу 1 Фиг.У Фиг.10 1276465 Il I) t !! I Составитель В. Ткаченко Техред Л.Олейник Редактор М. Бандура Корректор И. Муска Заказ 6618/10 Тираж 1001 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 А, аД Af!! ! l Рсс.2. Й I I !! )l 1! !! ! 3! ! !! l! 1! ) !! Риг12 )) )! !(!) ! !1
