Способ управления процессом ультразвуковой микросварки и устройство для его осуществления

(51) М, К,з с присоединеиием заявки М В 23 К 20/10 Государственный комитет СССР пд делам изобретений н открытий(53) УДК 6 21. 791. .16 (088.8) Дата опубликования описания 02. 10. 80(71) Заявитель Институт электроники АН Белорусской ССР(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСВАРКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к автоматизации технологических процессов сбор- ки микроэлектронных приборов и может быть использовано при разработке автоматических устройств для микросвар ки и пайки элементов интегральных микросхем и электронных наручных часов.Известен способ управления процессом ультразвуковой микросварки по величине контактного сопротивления В,( 10 между присоединяемыми выводом и металлической пленкой на подложке интегральной микросхемы, а также по величине контактного сопротивления В между сварочным инструментом и выво дом 11.По величине В управляют мощностью ультразвукового генератора. Процесс микросварки прекращают при уменьшении В и увеличении В 20Недостатком способа является то, что в процессе управления не учитывают изменение нелинейности контактного сопротивления В 4, которая оказывает существенное влияние на характе ристики микроэлектронных приборов.Устройство для управления процессом микросварки по величине В и В содержит задающий генератор, йредварительный усилитель, усилитель мощнос-З 0 2ти, акустическую систему и цепь обратной связи, состоящую из источника стабилизированного тока, двойных мостов,усилителей постоянного тока,ло гарифмического устройства, схемы сравнения и блока номинального значения тока (13.Однако данное устройство не обеспечивает получение необходимого качества микросварочных соединений.Известен также способ автоматичес- кого регулирования процесса микро- сварки, при котором в качестве измеряемого электрического параметра используют коэффициент нелинейных искажений в контакте соединяемых элементов и устанавливают длительность процесса микросварки равной отношению начального значения коэффициента нелинейных искажений к его производной по времени 21 . Особенностью устройства, реализующего данный способ автоматического регулирования процесса микросварки, является то, что в состав цепи обратной связи устройства введен измеритель нелинейных искажений, вход которого соединен с выходом усилителя, а выход - с регулирующим устройством и со входами дифференцирующего и запоминающего устройств,выходы которых подключены ко входам блока деления, а выход последнего соединен с реле времени 2).Однако использование такого способа, а устройство для его осуществления эффективно только при сборке интегральных микросхем, предназначенных для работы в аналоговых устройствах,где нелинейность электрическогосопротивления контакта приводит кпоявлению высших гармоник сигнала.Из известных способов наиболееблизким к изобретению является способавтоматического управления процессомЧикросварки, при котором к соединяемым элементам прикладывают электрическое напряжение, измеряют ток черезконтакт и по результатам измеренияуправляют процессом соединения 3).Устройство, реализующее известныйспособ управления процессом микросварки, содержит задающий генератор, усилитель мощности с блоком управления,коммутирующее устройство, акустическую систему и цепь обратной связи,включающую в себя два электронныхключа, два дифференцирующих устройства, запоминающее устройство и разностную схему 3).Особенность устройства для осуществления этого способа заключается втом, что цепь обратной связи выполнена следующим образом: выход измерительной цепи подключен к блоку селекции импульсов по амплитуде, один выход которого подключен непосредственно ко входу схемы сравнения, а второй - через импульсный усилитель, авыход схемы сравнения соединен с регулирующим и коммутирующим устройствами.Использование такого способа иустройства для его осуществления зффективно при сборке интегральных микросхем, предна.значенных для работыпреимущественно в импульсных устройствах, где изменение соотношения между амплитудами импульсов приводит кснижению помехоустойчивости устройств.Для повышения качества и воспроизводимости качества соединений в качестве электрического напряжения подают линейно изменяющееся напряжение и измеряют разность производныхфункций тока через контакт от времени в начальный и конечный моменты линейного участка приложенного напряжения, по величине которой управляютпроцессом соединения, прекращая его 55в момент равенства измеряемых производных.В устройство для осуществленияпредлагаемого способа введен генератор изменяющегося напряжения, входы щэлектронных ключей соединены с измерительной цепью и генератором линейно изменяющегося напряжения, а выходыподключены ко входам разностной схемы, причем выход одного из электронных ключей - через дифференцирующее,а второго - через дифференцирующееи запоминающее устройства, при этомвыход разностной схемы соединен сблоком управления и коммутирующимустройством.На фиг. 1 дана структурная схемаустройства, реализующего способ управления процессом микросварки; нафиг. 2 а,б и в даны графики зависимости тока через контакт от напряжения на соединяемых элементах,а такжезависимости напряжения и тока от времени.При подаче напряжения на соединяемые элементы линии тока, проходящегочерез контакт, искривляются. С увеличением напряжения и плотности токалинии тока искривляются больше, чтоведет к увеличению сопротивления контакта (см. фиг. 2 а). В случае подачилинейно изМеняющегося напряжения (см.фиг, 2 б) это приводит к тому, чтозакон изменения тока через контактотличается от линейного (см. фиг. 2 в).Величину, отклонения закона изменениятока от линейного оценивают по разности производных функции изменениятока через контакт от времени в начальный с и конечный к моменты линейного участка приложейного напряжения (см. фиг. 2 б, в):д 3(Щ-ОЩО.-В процессе микросварки увеличивается площадь контакта, уменьшается искривление линий тока через контакт, засчет чего уменьшается нелинейностьсопротивления последнего. Поэтому автоматически управляют процессом микросварки по величине измеряемой разности производных д 3 Щ: -ДЭ(Щи прекращают процесс микросварки вмоменты равенства измеряемых производных.Устройство, реализующее данныйспособ, содержит задающий генератор 1,усилитель 2 мощности, блок 3 управления, коммутирующее устройство 4, акустическую систему 5, соединяемые элементы б, генератор 7 линейно изменяющегося напряжения, измерительную цепь8,электронные ключи 9 и 10,дифференцирующие устройства 11 и 12,запоминающее устройство 13 и разностнуюсхему 14.Работает устройство следующим образом,Электрические колебания задающегогенератора 1, усиленные с помощьюусилителя мощности 2, через коммутирующее устройство 4 подают на входакустической системй 5,с помощью ко-,торой ультразвуковые колебания вводятв зону соединения. На соединяемые элементы б подают линейно изменяющеесянапряжение с выхода генератора 7. Сигнал, пропорциональный току через контакт, с помощью измерительной цепи 8подается на входы электронных ключей9 и 10, выполненных, например, в виде764901 и1 е Фк 1 ная, Филиал ППП "Патг.ужгород,ул,Про триггеров Шмитта. Электронный ключ 9,отпиракщийся в момент времени с (начальный момент линейного участка приложенного напряжения), пропускает сигнал на вход дифФеренцирующего устройства 11, напряжение с выхода которого,пропорциональное ЫЗ(бЯ(4 , запоминается с помощью запоминающего устройства 13 и воздействует на один извходов разностной схемы 14. Электронный ключ 10 отпирается пилообразнымнапряжением с выхода генератора 7 вмомент времени ск (конечный моментлинейного участка приложенного напряжения) и пропускает сигнал на входдифференцирующего устройства 12, Напряжение с выхода последнего, пропорциональное дд(д 1( , воздействуетна второй вход разностной схемы 14.По величине измеряемой разности производных функции тока через контакт отвремени в начальный и конечный моменты линейного участка приложенного напряжения ЩЫЦ, - д 3 (Щуправляют параметрами процесса микросварки, например мощностью ультразвуковых колебаний, с помощью блока 3 управления.Процесс микросварки прекращается приравенстве измеряемых прои=водных,т.е.при дд(дЦ ,=Ю(Ю-,для чего выходразностной схемы 14 подключают к коммутирующему устройству 4,Использование предлагаемого способа и устройства для автоматизации процесса микросварки при соединении золотой проволоки диаметром 50 мкм салюминиевой контактной площадкой тол 35щиной 1 мкм на подложке из кремнияпозволит увеличить усилие на отрывпроволоки под углом 90 к плоскостиэоны соединения в 1,4-1,8 раза. Примикросварке используется акустическаясистема, состоящая из электромеханического преобразователя в виде пьезокерамической пластинки с алюминиевойнакладкой, выполненной заодно с полуволновым экспоненциальным концентратором ножевого типа. 45Формула изобретения 1. Способ управления процессом ультразвуковой микросварки, основан ный на том, что к соединяемым элеменгам прикладывают электрическое напряжение, измеряют ток через контакт ипо результату измерения управляютпроцессом сварки, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения качества и воспроизводимости качества соединений, в качестве электрического напряжения подают линейноизменяющееся напряжение и определяютразность производных функций тока через контакт от времени в начальныйи конечный моменты линейного участкаприложенного напряжения, по величинекоторой управляют процессом сварки,прекращая его в момент равенства измеряемых производных.2. Устройство для осуществленияспособа по п. 1, содержащее задающийгенератор, усилитель мощности с блокомуправления, коммутирующее устройство,акустическую систему и цепь обратнойсвязи, включающую в себя два электронных ключа, два.дифференцирующих устройства, запоминающее устройство иразностную схему, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения качества и воспроизводимости качествасоединений, в усТройство введен генератор линейно изменяющегося напряжения, входы электронных ключей соединены с измерительной цепью и с генератором линейно изменяющегося напряжения, а выходы подключены ко входамразностной схемы, причем выход одногоиз электронных ключей - через дифференцирующее, а второго - чврез дифференцирующее и запоминающее устройства,при этом выход разностной схема соединен с блоком управления и коммутирующим устройством.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Колешко В. М. Ультразвуковаямикросварка. Минск, "Наука и техиикаф,1977, с, 302-304,2. Авторское свидетельство СССР позаявке У 2558902/25-27,1977.кл. В 23 В 19/04, 1977.3. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2576816/25-27,кл. В 23 К 19/04, 1977 (прототип). ВНИИПИ Заказ 6400/12 Тираж 1160 Подписное