Способ регулирования процесса ультразвуковой сварки

 

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 В 23 К 20/10

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4667492/27 (22) 22.02.89 (46) 15.06.91, Бюл. hh 22

{72) В.Н.Акимов, А.И.Беляков, А.П.Рыдзевский и А.С.Илюкевич (53) 621 791 16(088 8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 575190, кл. В 23 К 20/10, 1976, (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ (57) Изобретение относится к технологии ультразвуковой сварки и может быть использовано при производстве элементов интегральных схем. Цель изобретения — повышение производительности сварки и восИзобретение относится к ультразвуковой сварке и может быть использовано при производстве элементов интегральных схем.

Целью изобретения является повыше. Ние 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 нуля усилия нагружения, а в момент с ада 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., SU„,, 16557?4 Ai производимости про гности сварных соединений, Ультразвуковые колебания вводят в зону сварки одновременно с приложением возрастающего от нуля усилия нагружения.

В момент спада амплитуды колебаний до заранее установленного значения производят измерение усилия нагружения и сравнивают его с заранее устàHîâëåííblM значением. По сигналу рассогласования производят ксрректировку скорости спада усилия нагружения при его уменьшении до нуля. Зависимость между скоростью спада ( усилия нагружения и величиной рассогласования устанавливают экспериментально. 1 ил.

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 сторочы, 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, введение большого статического усилия нагружения в начальный момент контактирования сварочного инструмента со свариваемыми де-.алями, когда еще не про1655724 изошла заметная деформация привариваемого проводника, приводит к резкому повышению удельной нагрузки, что может вызвать сколы и трещины полупроводникового кристалла, снижение же удельной на-. грузки 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 усилил нагружения, амп литуда колебаний сварочного инструмента уменьшается, и в момент спэца ее до заранее установленного экспериментального значения производят измерение усилия нагружения и сравнение его с заранее установленным экспериментальным значением усилия нагру>кения. Значения заранее установленных уровней амплитуды колебаний и усилия нагружения определяют при сварке эталонных материалов, прошедших полную . технологическую обработку (отжиг прива риваемого проводника, очистку от жировь:;:: пленок полупроводников:!x материалов и т.д,) в условиях электронно вакуумной гигиены по критерию наибольшей прочности сварных соединений при деформации привариваемого проводника 40 — 50 4.

Если в процессе сравнения выяснило.::-.. что усилие нагружения измеренное не превышает заранее установленного, то усилис 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 обьясняется 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 воздействуе на ультразвуковой преобразователь и снижает амплитуду ко5

40 процессе сварки на эталонных материалах локи

1 5

2 5 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 уменьшаться, поэтому на загрязненных поверхностях спад амплитуды колебаний происходит преимущественно из-за увеличения усилия нэгружения, которое в этом случае при дости> внии амплитудой колебаний заданного значения будет больше, чем при сварке на эталонных материалах„ а сварное соединение не будет иметь максимальную прочность, Для получения качественного сварного соединения в данном слу ",эе сварное соединение доваривается путем постепенного уменьшения усилия нагружения до нуля со скоростью, определяемой по величине рассогласования заданного усилия нагружения, измеренного в момент достижения амплитудой колебаний инструмента заданной величины.

Пример. 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 с автоподстройкой резонансной частоты, который в процессе работы постоянно вклк чен на рабочей мощности, До касания сварочного инструмента со свариваемыми деталями, т.е. при работа в холостом режиме, амплитуда колебаний сварочного инструмента равна 1,4 мкм. В подбирали режимы сварки путем изменения скорости приложения сварочной нагрузки и ультразвукового воздействия к свариваемым материалам, исходя из условия, что деформация привариваемого проводника должна составить 45-50, а прочность соединения должна быть максимальной и близкой к усилию разрыва провоМаксимальная прочность соединений получена при спаде амплитуды колебаний сварочного инструмента до 1,1 мкм, при этом нагрузка на свариваемые детали возросла до 18 r, а скорость нарастания нагрузки составила 7200 .r/с. При сварке на загрязненные поверхности нагрузка на сва. риваемые детали возрастала до 26 r. Экспериментально установлено, что между величиной нагрузки, соответствующей моменту достижения амплитудой колебаний

1655724 ные путем измерения для различных 40

55 заданной величины (1,1 мкм), и скоростью снижения нагрузки до нуля, при котором происходит довар соединения, существует линейная зависимость, которая аппроксимируется зависимостью vp = 7200-k Ь Р, где

vt> — скорость снижения нагрузки; Ь Р— разность между измеренной и заданной нагрузкой; k = 450 /с.

Так при разности между измеренной и заданной нагрузкой 4 г скорость снижения нагрузки составила 5400 r/ñ, прочность соединения при этом составила 16 r.

Устройство, реализующее способ, состоит из шагового привода 1, ультразвукового преобразователя 2, датчика 3 нагрузки, упругой балки 4, на одном конце которой закреплен ультразвуковой преобразователь 2 и датчик 3 нагрузки, а второй кинематически жестко связан с шаговым приводом

1, и последовательно соединенных ультразвукового генератора 5, первого усилителя

6, первого аналого-цифровсга преобразователя 7, микраЭВМ 8 и коммутатора 9 фаз, а также последовательно соединенных второго усилителя 10 и.второго аналого-цифрового преобразователя 11, при этом ультразвуковой преобразователь 2 подключен к ультразвуковому генератору 5, датчик

3 нагруз и — к входу второго усилителя 10, выход второго аналого-цифрового преобразователя 11 — к второму входу микроЭВМ 8, а выход коммутатора 9 фаэ —. к шаговому приводу 1. причем на третий вход микроЭВМ 8 подан пусковой сигнал.

Экспериментальна устанавленнья значения амплитуды колебаний д усилия нагружения Рзад и за в«;си."4ас и скорости с «ада усилия HRcp>>Keilèq сТ величины рас согласования усилия нагру>кения, полученсочетаний свариваемых материалов и диаметров присоединяемого проводника, вводятся в долговременную память микроЭВМ 8.

Оператор устанавливает режим разжаты микроЭВМ 8 для конкретных свариваемых материалов и диаметра п.рисоединяемого проводника и подает пусковой сигнал на третий вход микроЭВМ Р. МикроЭВМ 8 ком. мутирует коммутатор 9 фаз, через который запускается шагавый привод 1 с частотой и, кинематически жестко связанный с упругой балкой 4, на втором конце котаоой закреплан ультразвуковой преобразователь 2, опуская последний в позицию саарки, при этом ультразвуковой генератор 5, соединенный с ультразвуковым преобразавателем 2, постоянно включен, возбуждая ультразвуковой преобразователь 2 на рабо5

30 чей мощности с амплитудой; m, В момент касания с арочного инструмента со свариваемыми деталями упругая балка 4 воспринимает нагрузку, создаваемую шаговым приводом 1, при 9TQM ласкал:.K >I MP,>K@, > нагрузкой и перемещением упpyroA балки существует пропорциональная зависимость, та величинэ переме«цения шагового привода 1 после касания характеризует нагрузку на свариваемые детали. В процессе дефармирования привариваемого проводника амплитуда колебаний инструмента и усилие нагру>кения изменяются и регистрируются да-.чиками: первая — с помощью таковога резистора уль-развуKoBclo генератора 5, второе — с помощью тензадатчика 3, закрепленного на упругой балке 4, Сигналь: a«,öàò÷èêo«3 усиливаю«ся усилителями 6., 10 и преобразуются в цифровой ход аналого-цифравь«л и преобразователями 7, 11, г;осле чего паступа«от на микроЭБ«М 8. МикроЭВМ 8 анализирует. текущие

"-наче«- ия датчиков по алгоритму, введенному в память микроЭВМ 8. В случае, если измеренное значение усилия нагружения не превысит заданного микроЭВМ 8, коммутиpveT коммутатор 9 фаэ в обратном коде с максимальна возможной частотой для дяннага типа шагового привода 1, возвращая шаговый привод 1 в исходное состояние.

Если же измеренное значение усилия нагружения превышает заданное, микроЭВМ 8 анализирует рассогласование между этими величинал.и, сравнивает его с занесенными в памя гь микрсЭВМ 8 значениями и по реэул ьтату вычислений каммутирует коммутатор фаз 9 с частотой, при которой скорость спада усилил нагружения соответствуе, заранее определенной. После спада усилия нагружения до нуля, т.е. при отрыве сварочного инструмента ат свариваел1ых деталей микраЗВМ 8, начинает коммутировать коммутатор 9 фаз с максимально возможной частотой, пока шагавый привод 1 не возвратится в исходное состояние, Использование изобретения позволяет повысить производительность сварки на

10-20;4 за счет искл«очения задержек на успакаечие сварочной головки и сокращения времени -варки.

"Формула изобретения

Способ регулирования процесса ультразвуковой сварки, при катарам в зону сварки вводят ультразвуковые . колебания, создают нагружения и измеряют амплитуду колебаний сварочного инструмента, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения производительности и стабильности выходных характеристик процессь, ультразвуковые колебания вводят в зону сварки

1655724

Составитель В.Покровский

Техред M,Moðãåíòýë Корректор Т.Палий

Редактор М.Циткина

Заказ 2019 Тираж 524 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 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 корректировку скорости спада усилия нагружения при его уменьшении до нуля.