Способ управления процессом ультразвуковой микросварки

 

Изобретение относится к технологии сборки полупроводниковых приборов и интегральных микросхем и повышает качество микросварных соединений. Сущность способа управления процессом микросварки заключается в регулировании длительности и мощности ультразвуковых колебаний в зависимости от качества поверхностей свариваемых микроконтактов, которое оценивается по скорости нарастания амплитуды электрических или механических колебаний ультразвуковой системы в процессе сварки и ее сравнения со скоростью нарастания в режиме холостого хода ультразвуковой системы. 3 ил. (Л х 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

КСПУБЛИН (19) (11) А1 (1) 4 В 23 К 20/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3862513/31-27 (22) 04 .03.85 (46) 23.05.87 Бюл. Ф 19 (71) Институт электроники АН БССР (72) В.М.Колешко,А.В.Гулайи С.С.Кривоносов (53) 621.791 ° 61(088.8) (56) Колешко В.М. Ультразвуковая микросварка. Минск: Наука и техника, 1977, с. 173-305.

Авторское свидетельство СССР

)Ф 275702, кл. В 23 К 20/10, 1970.

Авторское свидетельство СССР

У 979054, кл, В 23 К 20/10, 1981, (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСВАРКИ (57) Изобретение относится к технологии сборки полупроводниковых приборов и интегральных микросхем и повышает качество микросварных соединений.

Сущность способа управления процессом микросварки заключается в регулировании длительности и мощности ультразвуковых колебаний в зависимости от качества поверхностей свариваемых микроконтактов, которое оценивается по скорости нарастания амплитуды электрических или механических колебаний ультразвуковой системы в процессе сварки и ее сравнения со скоростью нарастания в режиме холостого хода ультразвуковой системы. 3 ил.

113118

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано при сборке полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. 5

Целью изобретения является повышение качества микросварных соединений путем учета состояния поверхностей свариваемых микроконтактов.

На фиг.1 изображены кривые оценки состояния свариваемых поверхностей по скорости нарастания амплитуды электрических (А; ) или механических (Z ) колебаний, на фиг.2 и 3 структурные схемы устройства для

15 реализации способа управления, Сущность способа управления заключается в том, что параметры режима ультразвуковой микросварки регулируют, используя информацию о переходных

20 процессах на входе ультразвуковой колебательной системы и в зоне микросварки. Переходные процессы при подаг че электрических колебаний на вход ультразвуковой колебательной системы обусловлены электрическим импедансом данной системы и характеризуются ско-, ростью нарастания амплитуды электрических колебаний в начальный момент после выключения ультразвукового импульса. Переходные процессы в зоне микросварки обусловлены механическим импедансом зоны соединения и характеризуются скоростью нарастания амплитуды механических колебаний 35 на выходе ультразвуковой колебательной системы.

В свою очередь, входной импеданс микросварного соединения, а также входной импеданс ультразвуковой 46 колебательной системы зависят от качества формируемого микросварно го соединения. Например, при наличии в зоне микросварки окисных пленок, препятствующих быстрому и качественному схватыванию материалов микропроволоки и контактной площадки, входной механический импеданс в начальный момент после включения импульса ультразвуковых колебаний остается низким и амплитуда колебаний . A<(Z<) быстро нарастает (фиг.1).

При быстром и качественном схватывании соединяемых материалов входной механический импеданс микросварного соединения имеет достаточно большое значение (за счет внесения импеданса подложки) и амплитуда ка87 2 лебаний A<(Z ) нарастает медленнее (фиг. 1) . Следовательно, измеряя скорость нарастания амплитуды ультразвуковых колебаний на выходе колебательной системы, т.е. тангенс угла наклона переднего фронта ультразвукового сварочного импульса К,, юс, можно регулировать параметры режима ультразвуковой микросварки.

Поскольку входной механический импеданс микросварного соединения, т.е, импеданс нагрузки ультразвуковой колебательной системы, трансформируется к входу данной системы и оказывает влияние на переходные процессы на ее входе, следовательно, скорость нарастания электрических колебаний на входе системы также характеризует качество формируемого контакта.

Учитывая, что ультразвуковая колебательная система обладает собственным входным импендасом и скорость нарастания амплитуды колебаний на ее входе и выходе в режиме холостого хода,т.е. беэ нагрузки на импеданс микросварного соединения, имеет конечное значение, указанное значение скорости А (7 g) измеренное например, перед началом процесса микросварки, принимается эа эталонное (фиг,1).

До результатам сравнения эталонного значения и измеренного в начальный момент микросварки регулируют параметры процесса.

Разработанный способ управления процессом ультразвуковой микросварки осуществляется следующим образом.

Перед началом процесса микросварки на ультразвуковую колебатель— ную систему (в режиме холостого хода) подают импульс ультразвуковых колебаний и измеряют скорость нарастания амплитуды электрических Ко лебаний на ее входе или скорость нарастания амплитуды механических колебаний на выходе данной системы в начальный момент после включения импульса колебаний, Вводят это измеренное значение скорости в устройство для ультразвуковой сварки ° Затем осуществляют процесс ультразвуковой микросварки, например, проволочного проводника к тонкой пленке на полупроводниковом кристалле, нагружают ультразвуковую колебательную систему на импеданс микросварного соединения и включают ультразвуковые колебания. Измеряют величину скорости нарастания амплитуды электрических или механических колебаний ультразвуковой колебательной системы. Сравнивают значения скоростей, измерен- 5 ные в режиме холостого хода и в процессе микросварки, и по результатам сравнения регулируют длительность процесса микросварки и мощность ультразвуковых колебаний. Чем меньше от- 10 клонение значений указанных скоростей, измеренных в процессе микросварки, от их величин, измеренных в режиме холостого хода ультразвуковой колебательной системы, тем больше должна быть мощность колебаний и длительность процесса микросварки для того, чтобы обеспечить разрушение окисных пленок в зоне соеди", нения, пластическую деформацию микро-20 выступов на соединяемых поверхностях и схватывание материалов в зоне контакта.

Схема устройства для реализации предлагаемого способа содержит ультразвуковой генератор 1, реле 2 времени, электромеханический преобразователь 3, ультразвуковой концентратор 4, сварочный инструмент 5, проволочный вывод 6, контактную площадку 7, детектор 8, дифференцирующее устройство 9, схему 10 сравнения,преобразователь 11 уровня, усилитель 12, датчик 13 ультразвуковых колебаний.

В случае управления процессом по

;скорости нарастания амплитуды элект рических колебаний (фиг.2) колебания, поступающие на вход ультразвуковой колебательной системы, подаются также на детектор 8. В начальный момент после включения ультразвуковых колебаний производится выделение огибающей данных колебаний детектором 8 и дифференцирование с по- 4> мощью дифференцирующего устройства 9. Производная огибающей является мерой скорости нарастания- амплитуды электрических колебаний. С помощью схемы 10:происходит сравнение эталонного сигнала Ад и сигнала с выхода блока 9, характеризующего качество формируемого контакта.

Результирующим сигналом через преобразователь 11 уровня производится ре- 5 гулирование длительности процесса микросварки путем воздействия на реле 2 времени и мощности ультразвуковых колебаний генератора 1. Преоб1311887 4 разователь 11 уровня в данном случае служит для согласования по уровню выходного сигнала схемы 10 сравнения и сигнала управления ультразвуковым генератором 1 и реле 2 времени.

В случае управления процессом ультразвуковой микросварки по скорости нарастания механических колебаний (фиг.3) механические колебания на выходе ультразвуковой колебательной системы, например вблизи рабочего торца сварочного инструмента 5, улавливаются датчиком 13, сигнал с выхо да которого через усилитель 12, детектор 8 и дифференцирующее устройство 9 поступает на схему 10 сравнения.

Достоинство способа заключается в том, что при управлении процессом ультразвуковой микросварки по переходным процессам в элементах ультразвуковой системы, т.е. фактически по величине механического импеданса микросварного соединения, более полно учитываются механические свойства соединяемых материалов и состояние контактирующих поверхностей, влияющие на процесс формирования качественного соединения. Это приводит к повышению качества и воспроизводимости качества контакта, в Частности его механической прочности.

Пример. Производят микросварку алюминиевой микропроволоки диаметром 300 мкм к алюминиевой пленке толщиной 5 wM на кремниевом кристалле. Ультразвуковая колебательная система представляет собой пьезокерамический преобразователь с основной рабочей частотой 70 кГц, сту пенчатый концентратор с акустической (четвертьволновой развязкой и свароч,ный инструмент из сплава ВК19.

Соединяемые элементы (проволочный вывод и металлическую пленку на кремниевом кристалле) сжимают с усилием

3,0 Н и подают в зону соединения ультразвуковые колебания. По скорости нарастания амплитуды электрических колебаний, лежащей в пределах (2-10) 10 В/с, и скорости нарастания амплитуды механических колебаний, равной 60-300 мкс/с, регулируют длительность процесса микросварки в пределах 0,5-1,5 с и мощность ультразвуковых колебаний в диапазоне

27-35 Вт, При использовании предлагаемого способа автоматического регулирования процесса ультразвуковой

Способ управления процессом ультра звуковой микросварки, при котором осуществляют измерение параметров комюкросварки механическое усилие на разрыв контактов под углом 90 к плоскости зоны соединения возрастает с 3,0-3,7 Н до 6,3-6,6 Н, т.е. в

1,8-2 ° 1 раз. При этом коэффициент вариации усилия. на разрыв соединений уменьшается с 42-487 до 8-10Х, т.е. значительно увеличивается стабильность процесса микросварки, Экономический эффект от использования предлагаемого способа достигается sa счет повьипения процента вьтхода годных полупроводниковых приборов, особенно после испытаний приборов на термоциклирование, Формул а и з о бр е т е н ия

11887 б лебания ультразвуковой колебательной системы и производят регулирование режима микросварки, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повьппения качества микросварных соединений путем учета состояния поверхностей свариваемых микроконтактов, в качестве указанных параметров измеряют скорость нарастания амплитуды элект10 рических колебаний на входе ультразвуковой колебательной системы или скорость нарастания амплитуды механических колебаний на выходе данной системы в начальный момент после включения ультразвукового сварочного импульса, сравнивают ее со скоростью, измеренной в режиме холостого хода ультразвуковой колебательной системы, и регулируют мощность ультразву20 ковых колебаний и длительность процесса микросварки в зависимости от результата сравнения этих значений.

1311887

Составитель В.Грибова

Техред А. Кравчук

Корректор, М.Демчик

Редактор С.Патрушева

Подписное

Тираж 976

ВНИИ1Ы Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 1921/13

Производственно-полиграфическое предприятие, r„ Ужгород, ул. Проектная, 4